MEMS加速度计温度补偿算法研究.pdf
摘要
MEMS加速度计是利用微机电系统技术(MicroElectroMechanicalSystems,
MEMS)设计和制造的微惯性器件,具有集成度高、可靠性好及与IC工艺兼容易批
量制造等优势,因此被广泛应用于军事国防领域和消费电子领域。然而,加速度
计输出会随着温度变化漂移,导致其输出精度降低,因此需要对其进行温度补偿。
现有的MEMS加速度计温度补偿技术,包括在加速度计的设计制造阶段进行结构
工艺上的优化来减小温度漂移以及在加速度计应用阶段基于温度补偿算法进行补
偿。在实际应用中,基于温度补偿算法对加速度计输出进行温度补偿成本更低,
测试简单,更具有实用性,因此研究高精度的MEMS加速度计温度补偿算法具有
极高的工程应用价值。
本文主要研究了MEMS加速度计温度补偿算法。首先,分析了电容式MEMS
加速度计工作原理及其温度特性,为后续的温度补偿算法研究奠定了理论基础;
其次,基于SPI和串口通信原理设计了数据采集及传输方案,搭建了温度实验测
试系统,设计了四位置静态温度实验和多温度点离心实验;最后,基于温度实验
获取的数据,研究了独立建模的温度补偿算法及统一建模的温度补偿算法。独立
建模的温度补偿算法基于广义神经网络模型拟合零位,基于二阶多项式模型拟合
刻度因子,建立零位、刻度因子随温度变化的数学模型,将数学模型引入加速度
计的输入-输出关系式中,实现对加速度计测量值的温度补偿;统一建模的的温度
补偿算法基于自适应遗传算法优化BP神经网络、改进的粒子群算法优化支持向量
机、模糊c均值聚类优化T-S型模糊神经网络三种模型来对加速度计温度输出电压、
加速度输出电压以及离心转台输入加速度统一建模,直接得到补偿后的加速度,
实现对加速度计测量值的温度补偿。
研究结果表明,两类温度补偿算法均能够有效补偿温度变化对加速度计输出
的影响,其中统一建模的温度补偿算法相对于对独立建模补偿的温度补偿算法,
补偿精度更高,补偿后的加速度计零位和刻度因子更加接近设计值,零位和刻度
因子温度系数相对更小,更具优越性。
关键词:MEMS加速度计;温度补偿算法;BP神经网络;支持向量机;T-S模糊
神经网络
ABSTRACT
MEMSaccelerometersaremicro-inertialdevicesdesignedandmanufacturedby
usingMicroElectroMechanicalSystems(MEMS)technology.Theyhavethe
advantagesofhighintegration,goodreliability,andeasymassproductionwithIC
technology.Therefore,theyarewidelyusedinmilitarydefenseandconsumer
electronics.However,theaccelerometeroutputdriftswithtemperaturechanged,
resultinginalossofaccuracy,requiringtemperaturecompensationofitsoutput.Now,
MEMSaccelerometertemperaturecompensationtechnologiesincludeoptimizingthe
structureandprocessinthedesignandmanufacturingstageoftheaccelerometerto
reducetemperaturedrift,andperformingcompensationbas