工作温度的变化会改变硅微机械陀螺结构,材料尺寸以及材料弹性模量都会受到温度的影响。材料尺寸的改变对微机械陀螺性能的影响较小,在这里忽略其影响,讨论将重点放在对于材料弹性模量的分析上。这种变化会改变系统弹性系数,而系统弹性系数的变化又会影响陀螺的谐振频率,导致陀螺谐振频率发生漂移。材料弹性模量与温度的变化关系可用式(2.49)表示:
式中 E(T)——硅材料在温度为T时的弹性模量;
E0——硅材料在温度为T0时的弹性模量,T0=300 K;
kET——硅材料弹性模量温度变化系数,其值在2.5×10-7~7.5×10-7之间,可取均值5×10-7。
而系统弹性系数与弹性模量成正比,即
式中 K——温度为T时的系统弹性系数;
K0——温度为T0时的系统弹性系数。
由此得到陀螺谐振频率与温度的关系
式中 w(T)——温度为T时的陀螺谐振频率;(www.daowen.com)
m——检测质量块质量。
在温度T0附近的小范围内时,式(2.51)可以线性近似为
陀螺谐振频率的漂移,对陀螺驱动模态和检测模态都有影响,陀螺信号的振幅和相位将会随谐振频率而改变。
对某型号的陀螺进行多次重复试验,记录从陀螺开机至稳定,无输入情况下陀螺温度传感器与陀螺输出的数据值。实验中采样间隔为1 s。
图2.19与图2.20所示分别为微机械陀螺线圈轴处温度传感器输出的温度数据以及陀螺轴向输出变化曲线。
图2.19 陀螺温度变化
图2.20 陀螺原始采样点
从图2.19中可以看出,在连续工作一段时间以后,陀螺自身发热已基本上达到平衡,这证明了连续工作4 000 s所得的样本能完全包含陀螺的自身发热过程。而从图2.20中也可以看出,随着时间的变化,微机械陀螺的输出产生了一定程度的漂移。
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