一种小型化低成本温控型惯性测量系统的制作方法

本发明涉及一种惯性测量领域，特别是一种小型化低成本温控型惯性测量系统。

背景技术：

微机械惯性测量系统是指由微机械陀螺模块、微机械加速度计模块组成的惯性测量系统。微机械陀螺模块、微机械加速度计模块具有体积小、重量轻、功耗低、抗冲击、易于批量生产等特点。在航空航天、制导炸弹以及消费电子等领域有着广泛的应用。

环境因素是影响微机械陀螺模块、微机械加速度计模块性能的重要因素，而温度又是影响微机械陀螺模块、微机械加速度计模块可靠性和精度的关键因素，随着环境温度的变化，微机械陀螺模块、微机械加速度计模块内部的热胀冷缩效应、残余应力作用、系统刚度变化以及电路中各种元器件温度漂移等都会使输出产生漂移现象。温度对微机械陀螺模块、微机械加速度计模块输出影响显著，成为其提高精度的制约瓶颈。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种小型化低成本温控型惯性测量系统，大幅度提高了陀螺和加速度计的输出性能，同时具有精度高、体积小、结构紧凑、温度精确控制响应快、成本低等优点。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种小型化低成本温控型惯性测量系统，包括温控装配模块、温度测控模块和惯性测量计算机；其中温控装配模块包括微机械陀螺模块、微机械加速度计模块、加热模块、保温模块、传感器基座、陀螺AD转换处理模块和底座；其中，底座位于温控装配模块的底部，传感器基座固定安装在温控装配模块的上端；加热模块固定安装在传感器基座的上表面；微机械陀螺模块和微机械加速度计模块固定安装在加热模块和传感器基座形成空腔的内部；传感器基座和底座之间安装有陀螺AD转换处理模块；保温模块固定安装在底座上表面；加热模块、微机械陀螺模块、微机械加速度计模块、传感器基座和陀螺AD转换处理模块固定安装在保温模块内部；

加热模块：接收温度测控模块传来的加热控制信号，对加热模块的内部空间进行加热；发出加热片温度信号TP至温度测控模块；

保温模块：减小加热模块热量的散失，维持惯性测量系统在高温恒定的工作环境；

微机械陀螺模块：在加热模块加热下，输出x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ至陀螺AD转换处理模块，陀螺AD转换处理模块将x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ转换成数字信号，并将x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ的数字信号传输至惯性测量计算机；输出陀螺角速度信号GX、GY、GZ至陀螺AD转换处理模块，陀螺AD转换处理模块将陀螺角速度信号GX、GY、GZ转换成数字信号，并将陀螺角速度数字信号传输至惯性测量计算机；

微机械加速度计模块：在加热模块加热下，输出x轴、y轴和z轴3轴的加速度温度信号TAX、TAY、TAZ和3轴加速度信号Ax、Ay、Az至惯性测量计算机；

惯性测量计算机：接收陀螺AD转换处理模块传来的x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ的数字信号；接收微机械陀螺模块传来的陀螺角速度信号GX、GY、GZ的数字信号；将x轴和z轴陀螺温度信TGX、TGZ的数字信号输出至温度测控模块；接收微机械加速度计模块传来的x轴、y轴和z轴3轴的加速度温度信号TAX、TAY、TAZ和3轴加速度信号Ax、Ay、Az；惯测计算机分别通过微机械加速度计模块传来的x轴、y轴和z轴3轴的加速度温度信号TGX、TGY、TGZ的数字信号对各自轴向的陀螺角速度信号GX、GY、GZ进行误差补偿处理，得到补偿后的陀螺角速度信号；惯测计算机分别通过微机械加速度计模块传来的x轴、y轴和z轴3轴的加速度温度信号TAX、TAY、TAZ的数字信号对各自轴向的加速度信号AX、AY、AZ进行误差补偿处理，得到补偿后的加速度信号；

陀螺AD转换处理模块：接收微机械陀螺模块传来的出x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ；将x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ转换成数字信号，并将x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ的数字信号传输至惯性测量计算机；接收微机械陀螺模块传来的陀螺角速度信号GX、GY、GZ，将转陀螺角速度信号GX、GY、GZ换成数字信号，并将陀螺角速度信号GX、GY、GZ的数字信号输出至惯性测量计算机；

温度测控模块：发送加热控制信号至加热模块，其控制频率为20HZ～50HZ；接收惯性测量计算机传来的x轴陀螺温度信号TGX和z轴的陀螺温度信号TGZ；接收加热模块传来的温度信号TP；接收环境温度信号TA；根据陀螺温度信号TGX、z轴的陀螺温度信号TGZ、加热模块的温度信号TP和环境温度信号TA计算得出下一次加热控制信号；并将下一次加热控制信号发送至加热模块；通过循环的反馈控制，保持了陀螺、加速度计的恒定工作环境。

在上述的一种小型化低成本温控型惯性测量系统，所述微机械陀螺模块包括x轴、y轴、z轴3只正交的单轴微机械陀螺；所述微机械加速度计模块包括x轴、y轴、z轴3只正交的单轴微机械加速度计；所述传感器基座进行了黑色瓷质阳极化处理。

在上述的一种小型化低成本温控型惯性测量系统，所述保温模块内部的工作温度保持64-66℃恒温。

在上述的一种小型化低成本温控型惯性测量系统，所述加热模块包括导热套筒和电加热片；导热套筒为中空长方体结构，导热套筒固定安装在传感器基座的上表面，导热套筒为硬铝材料；电加热片包覆在导热套筒的外表面。

在上述的一种小型化低成本温控型惯性测量系统，加热模块包括顶部加热片和侧面加热片；其中，顶部加热片为圆形结构，水平设置在导热套筒顶部外表面；侧面加热片为矩形结构，环绕包覆导热套筒的四个侧面。

在上述的一种小型化低成本温控型惯性测量系统，所述温度测控模块输出的下一次加热控制信号包括顶部加热片加热控制信号PWM_X和侧面加热片加热控制信号PWM_Z；温度测控模块通过接收的x轴陀螺温度信号TGX输出顶部加热片加热控制信号PWM_X；温度测控模块通过接收的z轴陀螺温度信号TGZ输出侧面加热片加热控制信号PWM_Z；

顶部加热片加热控制信号PWM_X的计算公式为：

式中：

PWM_X为输出数字量；

Uset为参数调试时供电电压；

Uin为供电电压；

KP1为陀螺温度(TGX)偏差比例系数；

KI1为陀螺温度(TGX)偏差积分系数；

KD1为陀螺温度(TGX)偏差微分系数；

e1n为陀螺温度第n次偏差(65℃-TGX)；

e1n-1为陀螺温度第n-1次偏差(65℃-TGX)；

KP2加热罩温度(TP)偏差比例系数；

KD2为加热罩温度(TP)微分系数；

KD3为环境温度(TA)微分系数；

TPn为第n次采集的加热片温度；

TPn-1为第n-1次采集的加热片温度；

TAn为第n次采集的环境温度；

TAn-1为第n-1次采集的环境温度；

侧面加热片加热控制信号PWM_Z的计算公式为：

PWM_Z为输出数字量；

Uset为参数调试时供电电压；

Uin为供电电压；

KP3为陀螺温度(TGZ)偏差比例系数；

KI3为陀螺温度(TGZ)偏差积分系数；

KD3为陀螺温度(TGZ)偏差微分系数；

e3n为陀螺温度第n次偏差(65℃-TGZ)；

e3n-1为陀螺温度第n-1次偏差(65℃-TGZ)；

KP2加热罩温度(TP)偏差比例系数；

KD2为加热罩温度(TP)微分系数；

KD3为环境温度(TA)微分系数；

TPn为第n次采集的加热片温度；

TPn-1为第n-1次采集的加热片温度；

TAn为第n次采集的环境温度；

TAn-1为第n-1次采集的环境温度。

在上述的一种小型化低成本温控型惯性测量系统，所述的传感器基座为长方体结构，传感器基座四角处的外壁高于侧边外壁；x轴的单轴微机械陀螺和x轴的单轴微机械加速度计固定安装在传感器基座的A侧面；z轴的单轴微机械加速度计固定安装在传感器基座的B侧面；y轴的单轴微机械陀螺固定安装在传感器基座的C侧面；z轴的单轴微机械陀螺固定安装在传感器基座的D侧面；y轴的单轴微机械加速度计固定安装在传感器基座的E侧面。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明惯性测量系统的六面体型传感器基座不仅为陀螺、加速度计提供安装基准，保证三个轴向的正交性，基座上传感器的安装布局也在综合考虑了温度场分布特性，保证三轴温度的一致性；

(2)本发明选用24位高精度芯片AD，保证了陀螺、陀螺温度的采样精度，且陀螺AD信号处理电路板安装在基座中，在温控中恒温工作，消除了AD采样电路温度漂移误差，进一步提高了陀螺的输出精度；

(3)本发明惯性测量系统的温控只采用加热保温的方式，温控温度略高于产品要求的工作温度，保温材料选用了重量轻且导热系数极低保温毛毡，产生的热量不易散失，降低了产品对输入功率的要求；

(4)本发明温控将惯性测量系统输出的X轴、Z轴微机械陀螺模块自身的温度、侧面加热片的温度作为控制的输入量，控制对象明确，实现了温度控制的快速响应，减小了超调，同时能够避免加热片的过热受损；

(5)本发明惯性测量系统体积小、内部组件较多，对外是通过四个减振器与本体连接，设计时综合考虑了各组件的质量分布，保证传感器的中心与整个惯性测量系统中心的一致性，避免了环境试验时由于受力不平衡而影响陀螺、加速度计的输出精度。

附图说明

图1为本发明低成本小型化温控型惯性测量系统原理框图；

图2为本发明传感器基座结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为低成本小型化温控型惯性测量系统原理框图，由图可知，一种小型化低成本温控型惯性测量系统，其特征在于：包括温控装配模块、温度测控模块和惯性测量计算机；其中温控装配模块包括微机械陀螺模块、微机械加速度计模块、加热模块、保温模块、传感器基座、陀螺AD转换处理模块和底座；其中，底座位于温控装配模块的底部，传感器基座固定安装在温控装配模块的上端；加热模块固定安装在传感器基座的上表面；微机械陀螺模块和微机械加速度计模块固定安装在加热模块和传感器基座形成空腔的内部；传感器基座和底座之间安装有陀螺AD转换处理模块；保温模块固定安装在底座上表面；加热模块、微机械陀螺模块、微机械加速度计模块、传感器基座和陀螺AD转换处理模块固定安装在保温模块内部；传感器基座以热辐射方式吸收导热套筒的热量，为提高传感器的吸热效率并均衡各轴传感器的温控温度，各轴传感器与导热套筒的距离尽量一致，传感器基座进行了黑色氧化处理，使传感器在较短的时间内上升到恒定的温度并有效保持。

加热模块：接收温度测控模块传来的加热控制信号，对加热模块的内部空间进行加热；发出加热片温度信号TP至温度测控模块；

保温模块：减小加热模块热量的散失，维持惯性测量系统在高温恒定的工作环境；

微机械陀螺模块：在加热模块加热下，输出x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ至陀螺AD转换处理模块，陀螺AD转换处理模块将x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ转换成数字信号，并将x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ的数字信号传输至惯性测量计算机；输出陀螺角速度信号GX、GY、GZ至陀螺AD转换处理模块，陀螺AD转换处理模块将陀螺角速度信号GX、GY、GZ转换成数字信号，并将陀螺角速度数字信号传输至惯性测量计算机；

微机械加速度计模块：在加热模块加热下，输出x轴、y轴和z轴3轴的加速度温度信号TAX、TAY、TAZ和3轴加速度信号Ax、Ay、Az至惯性测量计算机；

惯性测量计算机：接收陀螺AD转换处理模块传来的x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ的数字信号；接收微机械陀螺模块传来的陀螺角速度信号GX、GY、GZ的数字信号；将x轴和z轴陀螺温度信TGX、TGZ的数字信号输出至温度测控模块；接收微机械加速度计模块传来的x轴、y轴和z轴3轴的加速度温度信号TAX、TAY、TAZ和3轴加速度信号Ax、Ay、Az；惯测计算机分别通过微机械加速度计模块传来的x轴、y轴和z轴3轴的加速度温度信号TGX、TGY、TGZ的数字信号对各自轴向的陀螺角速度信号GX、GY、GZ进行误差补偿处理，得到补偿后的陀螺角速度信号；惯测计算机分别通过微机械加速度计模块传来的x轴、y轴和z轴3轴的加速度温度信号TAX、TAY、TAZ的数字信号对各自轴向的加速度信号AX、AY、AZ进行误差补偿处理，得到补偿后的加速度信号；

陀螺AD转换处理模块：接收微机械陀螺模块传来的出x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ；将x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ转换成数字信号，并将x轴、y轴和z轴3轴的陀螺温度信号TGX、TGY、TGZ的数字信号传输至惯性测量计算机；接收微机械陀螺模块传来的陀螺角速度信号GX、GY、GZ，将转陀螺角速度信号GX、GY、GZ换成数字信号，并将陀螺角速度信号GX、GY、GZ的数字信号输出至惯性测量计算机；

温度测控模块：发送加热控制信号至加热模块，其控制频率为20HZ～50HZ；接收惯性测量计算机传来的x轴陀螺温度信号TGX和z轴的陀螺温度信号TGZ；接收加热模块传来的温度信号TP；接收环境温度信号TA；根据陀螺温度信号TGX、z轴的陀螺温度信号TGZ、加热模块的温度信号TP和环境温度信号TA计算得出下一次加热控制信号；并将下一次加热控制信号发送至加热模块；通过循环的反馈控制，保持了陀螺、加速度计的恒定工作环境。

微机械陀螺模块包括x轴、y轴、z轴3只正交的单轴微机械陀螺；所述微机械加速度计模块包括x轴、y轴、z轴3只正交的单轴微机械加速度计；所述传感器基座进行了黑色瓷质阳极化处理。

保温模块内部的工作温度保持64-66℃恒温。

加热模块包括导热套筒和电加热片；导热套筒为中空长方体结构，导热套筒固定安装在传感器基座的上表面，导热套筒为硬铝材料；电加热片包覆在导热套筒的外表面。加热模块包括顶部加热片和侧面加热片；其中，顶部加热片为圆形结构，水平设置在导热套筒顶部外表面；侧面加热片为矩形结构，环绕包覆导热套筒的四个侧面。

所述底座支撑整个惯性测量系统，基座高度为21.5mm,直径为109mm,整体呈凹槽性结构，中间有4个Ф4均匀分布的圆孔，通过M3×12开头沉头螺钉连接传感器基座；底座外缘设计拱形出线孔，陀螺、加速度计、加热片的各类导线通过该出线孔互联；底座Ф81圆上均匀分布8个Ф1.6螺孔，通过M1.6×5开头沉头螺钉连接上隔热外罩；为使整体结构重心平衡，四个Ф10圆孔在底座上部外缘均匀排列，4个Ф10圆孔连接减振器，通过减振器与结构本体相连；基座选用高强度硬铝材料，并在Ф79圆上均匀分布8个半圆形加强筋，提高底座刚度满足了系统刚度要求。

所述温度测控模块输出的下一次加热控制信号包括顶部加热片加热控制信号PWM_X和侧面加热片加热控制信号PWM_Z；温度测控模块通过接收的x轴陀螺温度信号TGX输出顶部加热片加热控制信号PWM_X；温度测控模块通过接收的z轴陀螺温度信号TGZ输出侧面加热片加热控制信号PWM_Z；

顶部加热片加热控制信号PWM_X的计算公式为：

式中：

PWM_X为输出数字量；

Uset为参数调试时供电电压；

Uin为供电电压；

KP1为陀螺温度(TGX)偏差比例系数；

KI1为陀螺温度(TGX)偏差积分系数；

KD1为陀螺温度(TGX)偏差微分系数；

e1n为陀螺温度第n次偏差(65℃-TGX)；

e1n-1为陀螺温度第n-1次偏差(65℃-TGX)；

KP2加热罩温度(TP)偏差比例系数；

KD2为加热罩温度(TP)微分系数；

KD3为环境温度(TA)微分系数；

TPn为第n次采集的加热片温度；

TPn-1为第n-1次采集的加热片温度；

TAn为第n次采集的环境温度；

TAn-1为第n-1次采集的环境温度；

侧面加热片加热控制信号PWM_Z的计算公式为：

PWM_Z为输出数字量；

Uset为参数调试时供电电压；

Uin为供电电压；

KP3为陀螺温度(TGZ)偏差比例系数；

KI3为陀螺温度(TGZ)偏差积分系数；

KD3为陀螺温度(TGZ)偏差微分系数；

e3n为陀螺温度第n次偏差(65℃-TGZ)；

e3n-1为陀螺温度第n-1次偏差(65℃-TGZ)；

KP2加热罩温度(TP)偏差比例系数；

KD2为加热罩温度(TP)微分系数；

KD3为环境温度(TA)微分系数；

TPn为第n次采集的加热片温度；

TPn-1为第n-1次采集的加热片温度；

TAn为第n次采集的环境温度；

TAn-1为第n-1次采集的环境温度。

如图2所示为传感器基座结构图，由图可知，传感器基座为长方体结构，传感器基座四角处的外壁高于侧边外壁；x轴的单轴微机械陀螺和x轴的单轴微机械加速度计固定安装在传感器基座的A侧面；z轴的单轴微机械加速度计固定安装在传感器基座的B侧面；y轴的单轴微机械陀螺固定安装在传感器基座的C侧面；z轴的单轴微机械陀螺固定安装在传感器基座的D侧面；y轴的单轴微机械加速度计固定安装在传感器基座的E侧面。

惯性测量系统输出的3轴陀螺、3轴陀螺温度的数字量信号由外部的陀螺信号处理电路的微控制器接收，微控制器分离出X轴、Z轴陀螺温度信号通过RS422差分信号传送到温度控制电路板，温度控制电路板将差分信号转换为串口信号并在串口接收中断程序中获取陀螺温度信号，与此同时，温度控制电路用内部集成的AD模块实时采集侧面加热片的温度信号、供电电压信号，用板上温度传感器读取环境温度信号。温度控制电路的微控制器对上述信号进行处理，通过X轴陀螺温度、加热片温度、环境温度、供电电压补偿计算控制顶部加热片的电流值PWM_X；通过Z轴陀螺温度、加热片温度、环境温度、供电电压补偿计算控制侧面加热片的电流值PWM_Z，两路控制量各自驱动功率三极管为加热片供电，最终实现3轴陀螺、3轴加速度计65℃的控制目标。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。