姿态传感器温度补偿方法研究
姿态传感器温度补偿方法研究
作者：贾培刚刘晓武武晓春
来源：《现代电子技术》2013年第20期
摘要：针对电子产品可能会出现随着环境温度的变化而产生测量误差的现象，在此选用姿态传感器在检测过程中出现这种误差的情况，提出了一种在软件方面利用最小二乘法进行温度补偿的方法。
该方法计算简单，补偿精度高。
通过实验数据验证表明，经过最小二乘法进行温度补偿后的检测精度，相比补偿前有了很大的提高。
因此在高精度技术要求的检测中，利用这种方法进行温度补偿后可精确地检测出载体的姿态角度。
关键词：姿态传感器；温度误差；温度补偿；最小二乘法
中图分类号： TN919⁃34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）
20⁃0118⁃03
0 引言
随着微机电系统（MEMS）技术在微型化技术基础上，结合了电子、机械、材料等多种学科交叉融合的前沿科研领域的不断发展与成熟，从而出现了很多基于MEMS技术的传感器，此类传感器具有体积小、重量轻、低功耗、多功能等优点，在电子产品、航空航天、机械化工等行业中得到了广泛应用。
其中基于MEMS姿态传感器主要用于载体姿态的调整和倾角的检测，但是由于工作环境温度的改变，就会导致测量精度的变化，在一些高精度检测的要求下，则失去其检测的效果，所以必须采取相应措施来消除或者减少随温度变化而引起的误差[1]，即必须对传感器进行温度补偿。
传感器的温度补偿方法大致可以分为两种，即硬件补偿和软件补偿。
硬件补偿方法主要是改变电路来达到补偿效果[2]，但是这种方法会导致电路的复杂化，同时提高了成本。
软件补偿方法主要有最小二乘法、BP神经网络法、回归法等。
从计算的方便性和补偿精度的准确性两个方面，本文采取最小二乘法进行温度补偿。
1 姿态传感器的温度补偿原理
本文采用美国InvenSense公司生产的ITG⁃3205三轴陀螺仪芯片，该芯片中内嵌有数字输出温度传感器，因此可以随时检测出传感器所处的环境温度。
在不同的工作环境温度下，传感器实际角度输出值与理论角度输出值会出现一定的误差，称之为温度误差。
为了消除或者减少这种温度误差，利用最小二乘法进行曲线拟合，最终达到或接近理论角度输出值。
传感器根据输入的检测信号，通过姿态检测模块和温度检测模块采集相关数据，然后经过温度补偿模块进行相应的温度补偿，最后通过输出检测模块可得到预期的检测信号。
姿态传感器的温度补偿原理如框图1所示。
2 姿态传感器的温度补偿方法
在同一温度下，不同角度的理论值与输出值之间严格意义上是一种非线性关系，但是由于这种误差值相对不大，可以近似的认为是一种线性关系，即[y=mx+n]的线性关系。
通过最小二乘法进行线性拟合，可以得出参数m和n的值。
此时可以发现，在不同的温度下，所拟合出来的m和n值是随温度的变化而变化的。
在此情况下，必须找出温度分别与m和n之间的关系，为此同样可以根据最小二乘法再次进行曲线拟合，从而得出m值与温度之间的关系。
同理也可以得出n与温度之间的关系。
经过两次曲线拟合之后，可以得出理论值与输出值之间的误差有了明显的减小，并且满足预期的要求。
在实际应用中，为了达到高精度检测的要求，可以通过测量多组数据进行曲线拟合的方法来实现。
3 姿态传感器的实验数据处理
由于各轴的检测原理是相同的，因此本论文采用x轴的检测数据进行实验验证。
主要的实验仪器有被测姿态传感器、经纬仪、高低恒温箱、高精度角度检测仪等。
表1所得数据是未经温度补偿时的实验数据，即原始数据。
表1 原始数据
3.1 第一次线性拟合
由于按照最小二乘法的基本步骤进行拟合的计算量比较大，所以本文采用Matlab进行数据处理，这样不但可以减少复杂的计算过程，而且还可以保证较高的计算精度。
例如在温度T=-30 °C的条件下，以理论角度x为自变量，输出角度y为因变量，根据线性关系式[y=mx+n]，计算出参数m和n的值。
具体计算程序如下：
3.2 第二次曲线拟合
以参数m为因变量，温度t为自变量，根据曲线拟合式[mt=at2+bt+c]，利用Matlab求出a，b，c的值，最终确定m与t的函数关系式。
同理，可求得n与t的函数关系式。
具体计算程序如下：
4 实验数据的验证
传感器未经温度补偿时的输出为[y=mx+n]，即在t ℃时，无补偿输出为：
由于在实际检测过程中，被检测量为偏移角度，则理论角度应由已知检测量来表达，因此由式（3）可得：
一般情况下，取室温温度为25 °C时的输出为：
根据式（1）、（2）、（7）可得补偿后的输出值。
偿后的数据如表3所示。
在表1中未补偿前的最大误差角度为0.682 7°，表3中补偿后的最大误差角度为0.261 6°，相对减少的误差角度为0.421 1°。
5 结语
由表1和表3的数据对比结果可以看出，经过温度补偿后的姿态检测精度相比补偿前有了很大的提高。
由此说明，在环境温度变化的条件下，利用最小二乘法进行温度补偿，可以达到预期的效果，因此这种方法可以运用到工程实际中。
参考文献
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传感器零点温度漂移补偿方法研究现状综述
传感器零点温度漂移补偿方法研究现状综述传感器零点温度漂移补偿方法是传感器技术中的重要研究领域之一、由于环境温度的变化会导致传感器输出的零点偏移，因此准确补偿此偏移对于保证传感器的精度和可靠性至关重要。
本综述将对零点温度漂移补偿方法的研究现状进行梳理和总结。
目前，对传感器零点温度漂移的补偿方法主要包括硬件补偿和软件补偿两种方法。
硬件补偿方法主要通过采用温度补偿元件来抵消传感器零点漂移。
常见的硬件补偿方法包括温度传感器的集成、热电偶的应用和电压参考源的温度补偿等。
温度传感器的集成使用与传感器相同的芯片工艺，将温度传感器与待测信号传感器集成在同一芯片上，通过同时测量温度和待测信号来进行零点温度漂移补偿。
热电偶的应用方法将热电偶连接到传感器上，测量环境温度，并根据测量结果来对传感器的输出进行零点补偿。
电压参考源的温度补偿方法通过在电压参考源中引入温度传感器，测量温度，并根据温度变化对电压参考源进行调整。
软件补偿方法主要通过数学算法对传感器输出进行处理，以实现零点漂移的补偿。
常用的软件补偿方法有多点标定法、曲线拟合法和多项式一致性法等。
多点标定法通过在多个温度点上对传感器输出进行标定，建立温度和输出之间的关系曲线，进而根据当前的温度来计算出零点补偿值。
曲线拟合法和多项式一致性法则是通过对标定数据进行曲线拟合或多项式拟合，从而得到温度和输出之间的数学模型，以实现零点补偿。
此外，还有一些改进的补偿方法被提出来，如自适应补偿方法、神经网络补偿方法和模糊逻辑补偿方法等。
自适应补偿方法通过实时测量环境温度来自动调整偏移补偿值，具有较好的实时性和动态性。
神经网络补偿方法通过训练神经网络来建立传感器输出与环境温度之间的映射关系，并通过神经网络的输出来进行零点补偿。
模糊逻辑补偿方法则是使用模糊逻辑推理来建立传感器输出和环境温度之间的关系，并通过模糊规则的推理来实现零点补偿。
总之，传感器零点温度漂移补偿方法已经取得了很大的进展。
传感器温度补偿技术
似补 偿 ，如 热 电偶 的参考 端 补偿 。热 电偶 的参 考 端
处 理热 电偶 工作 时 ，必 须保 持冷 端温 度恒 定 ，并 且 热 电偶 的分 度表 是 以冷端 温度 为 Ｏ ￣ Ｃ作 出的 。 因在 工程 测 量 中冷端 距 离热源 近 ，且暴 露 于 空气 中 ，易 受被 测 对象温 度 和环 境温 度 波动 的影 响 ，使冷 端温 度难 以恒定 而产 生测 量误 差 。为 了消 除这 种误 差 ，
精 密制 造 与 自动化
２ ０ １ ５ 年第 １ 期
传感器温度补偿技术
李玉华 李永飚 马 林
河 南南 阳 ４ ７ ３ ０ ０ ９ ） （ 河 南工 业职 业技 术 学 院
摘 要
用温度补偿来抑制环境温度对传感器特性 的影响，主要采用温度 自补偿法 、并联式温度补偿 、电桥的温
度 补偿 、热敏电阻温 度补偿、反馈 式温 度补偿 。采用 负的温度系数热敏 电阻进行补偿 ，可 以抵消 由于温度变化产
四线制 接法 来 消除 引线 电阻 随环境 温度 变化 造成 的
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精密 制造 与 自动 化
２ ０ １ ５ 年第 １ 期
测量 误差 。在 应用 中可 以安装 多个 应变 片 以达到温 补偿 和提 高测 量灵 敏度 的双 重 目的 ，差 动 电桥温 度 误差 补偿 法 ，在等 强度悬 臂 梁 的上 下表 面对 应位 置 粘贴 ４片 相 同的应 变片 并接 成全桥 ，没梁 受压 时两 个应 变受 拉应 变 ， 电阻增加 ，另两 个 应变 片受压 应 变 ， 电阻减 小 。当温度 变化 时 ，引起 ４片应 变 片 电
温 。补偿 导线 法 ，采用 补偿 导 线将热 电偶延伸 到温
度 恒 定或温 度 波动 较小 处 。
一种传感器温度补偿方法
一种传感器温度补偿方法
哎呀，你知道吗，今天我要给你讲讲一种超厉害的传感器温度补偿方法！
就好比你在大冬天，穿着单薄的衣服会觉得冷得受不了吧，这时候要是给你一件厚厚的棉袄，哇塞，是不是马上就暖和起来了呀！传感器也是一样的呀！当它受到温度变化影响时，就好比人在寒冷环境中一样，数据可能就不那么准确啦！那这个温度补偿方法呢，就像是给传感器穿上了那件保暖的棉袄！
比如说在工业生产中，传感器在高温环境下可能就有点“懵”啦，这时候用了这种补偿方法，嘿！它马上又能精准地工作啦！就像给它打了一针“清醒剂”似的。
再比如在科学实验里，要是没有这厉害的温度补偿方法，那得出的数据可能就像乱了套的线团，让人摸不着头脑呀！
我跟你说哦，这种方法真的太重要啦！它能让传感器在各种温度条件下都能靠谱地干活！简直就是传感器的大救星呀！所以呀，一定要好好掌握这种传感器温度补偿方法，它可真是个宝贝呢！
我的观点：这种传感器温度补偿方法具有极大的实用价值和重要意义，值得深入研究和广泛应用。
传感器 温度补偿 计算方法
传感器温度补偿计算方法嘿，咱今儿就来说说传感器、温度补偿还有计算方法。
你想啊，传感器就像咱的小侦探，到处去感知各种信息呢。
它能察觉到好多细微的变化，然后把这些信息传递给我们。
那温度补偿呢，就好比是给这个小侦探穿上了一件合适的衣服。
为啥这么说呀？你想想看，温度的变化有时候会影响传感器的准确性呀。
就好像人在不同温度下状态也不一样，热了可能就烦躁，冷了可能就缩手缩脚的。
传感器也一样啊，温度一变，它可能就不那么灵光了。
那怎么给它穿上这件合适的“衣服”呢，这就得靠计算方法啦。
这计算方法就像是一个神奇的魔法棒，能让传感器在不同温度下都能保持精准。
比如说，我们可以通过一些公式，把温度的影响考虑进去，然后调整传感器的输出，让它变得更可靠。
就好比你走路，路不平坦的时候，你得调整自己的步伐和姿势吧，不然不就容易摔跟头啦。
传感器也是这样，温度变化就是那不平坦的路，计算方法就是调整步伐和姿势的方法。
你说这温度补偿和计算方法重要不重要？那肯定重要啊！没有它们，传感器可能就会给出一些不靠谱的结果，那我们可就被误导啦。
就好像你要去一个地方，导航给你指错了路，那你不就白跑冤枉路啦。
而且啊，这计算方法还得不断改进和完善呢。
随着科技的发展，对传感器的要求也越来越高呀。
就像我们的生活水平提高了，对各种东西的要求也高了一样。
以前能吃饱就行，现在还得吃得健康、美味。
传感器也是，以前能测个大概就行，现在得测的特别准才行。
那怎么改进计算方法呢？这就得靠科学家们的智慧啦。
他们得不断研究、试验，找出更好的办法来。
这可不是一件容易的事啊，得花费好多时间和精力呢。
但一旦成功了，那可就太棒啦，能让传感器发挥更大的作用呢。
你想想，如果传感器能更精准地测量温度，那对我们的生活得多有帮助啊。
比如在医疗领域，能更准确地监测病人的体温；在工业生产中，能更好地控制温度，提高产品质量。
所以啊，咱可别小看了这传感器、温度补偿和计算方法。
它们就像是一个团队，互相配合，才能发挥出最大的作用。
微型航姿系统中磁传感器温度漂移补偿研究
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基于Kalman滤波算法的姿态传感器运动补偿方法研究
基于Kalman滤波算法的姿态传感器运动补偿方法研究贾培刚;李明哲【摘要】为了消除姿态传感器在检测过程中可能会出现随着运动加速度的变化而产生测量误差的现象,提出了基于Kalman滤波算法的姿态传感器加速度补偿方法.详细介绍了传感器工作原理以及运动状态下的误差分析及补偿.该方法通过将姿态传感器在运动过程中出现的角速度进行误差处理,建立传感器运动线性方程,在此基础上,采用Kalman滤波算法,通过对传感器测量输入的姿态角进行修正,从而达到姿态角准确测量的目的.通过实验数据及仿真分析表明,经过Kalman滤波算法对姿态传感器的运动进行误差补偿后的运动特性输出精度,相比补偿前有了很明显的提高,达到所需精度要求.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2015(037)024【总页数】3页(P41-43)【关键词】姿态传感器;角速度误差;Kalman滤波算法;运动特性【作者】贾培刚;李明哲【作者单位】西安工业大学机电工程学院,西安 710021;西安工业大学机电工程学院,西安 710021【正文语种】中文【中图分类】TN919.40 引言随着微电子机械系统（MEMS）技术在微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域获得越来越广泛的普及，从而基于MEMS技术的传感器得到越来越多的应用[1]。
由于此类传感器具有体积小、精度高、可靠性优良等优点，在材料工程、电子信息产品、机械制造等领域得到广泛的应用，但由于姿态传感器在运动过程中的误差对其造成误差干扰降低其精度，因此对姿态传感器运动补偿方法的研究变得非常重要[2]。
其中基于MEMS姿态传感器主要用于对载体运动过程中倾斜角变化的测量与稳定，但是由于倾斜角角度和运动速度的改变，就会导致其输出值及测量结果的改变[3]，所以必须采取相应方法消除或抑制在运动过程中传感器产生的倾斜角误差以及速度误差，对姿态传感器进行运动误差补偿。
姿态传感器的运动补偿可以通过硬件补偿和软件补偿两种方法实现[4]。
基于数字式红外传感器的姿态测量盲区补偿法
．
Ｗ ＡＮ Ｇ Ｊ ｉ ａ ，Ｌ Ｉ Ｊ ｉ ａ ｎ （ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｆ ｏ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ， Ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ Ｍｏ ｎ ｇ ｏ ｕ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈｏ ｈ ｈ ｏ ｔ ０ １ ０ ０ ５ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
知这一差异 Ｊ 。本文设计采用基于“ 塞 贝克效应 ” 的数字 式 热电堆红外传感器 ， 该传感 器通过 其圆锥形视 窗探 测天 空和地面等环境辐射为 ５ ． ５～ １ ４ ｐ ． ｍ波长 的红外线能量 ， 输 出一个 相应 的温度值。 在 同轴 的相 反方向安装 ２只完全相 同 的红外传 感器 ， 飞行器处 于水平 状态 时 ， ２只红外 传感 器 的圆锥形 视场 内 朝 向天空和朝 向大地 的 区域 相等 ， 此时两 传感器输 出温度 差为 ０ ； 而 当飞行器发生倾斜 时 ， 偏 向大地的红外传感 器输
２ ０ １ ４年 第 ３ ３卷 第 １ 期
传感器与微系统 （ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ）
１ ５
高分多线阵卫星姿态热变形误差的无控制点补偿机理研究
高分多线阵卫星姿态热变形误差的无控制点补偿机理研究高分多线阵卫星姿态热变形误差的无控制点补偿机理是卫星姿态控制系统中一个重要的问题。
随着遥感技术的发展，高分多线阵卫星在地球观测中发挥着重要作用，然而，由于卫星环境和热效应等因素的影响，卫星姿态系统可能出现误差，影响卫星的观测精度和数据质量。
因此，研究高分多线阵卫星姿态热变形误差的无控制点补偿机理，对提高卫星观测能力具有重要意义。
高分多线阵卫星姿态热变形误差的无控制点补偿机理研究，首先需要对卫星的姿态控制系统进行深入了解。
卫星姿态控制系统主要由姿态传感器、姿态控制器和执行机构组成，其目的是保持卫星在飞行轨道上的姿态稳定。
然而，由于卫星在轨运行过程中受到多种外部因素的影响，如太阳辐射、地球引力等，会导致卫星姿态发生变化，从而产生误差。
其中，热效应是影响卫星姿态的重要因素之一。
热效应是指卫星在轨运行过程中由于太阳辐射的作用而产生的热变形现象。
随着卫星的运行轨迹和太阳的角度变化，卫星不同部位的温度分布不均匀，导致卫星结构产生变形，进而影响卫星的姿态稳定性。
尤其是在高分多线阵卫星这类大型卫星中，由于结构复杂性和热敏感性较高，其姿态热变形误差更加显著，对卫星观测精度产生较大影响。
因此，研究姿态热变形误差的无控制点补偿机理对解决这一问题具有重要意义。
在研究高分多线阵卫星姿态热变形误差的无控制点补偿机理过程中，需要深入探讨卫星的热动力学特性和姿态控制系统的工作原理。
热动力学特性是指卫星在受热作用下的动力学响应规律，包括热变形速度、热响应时间等参数。
而姿态控制系统的工作原理则是指姿态传感器对卫星姿态的检测和姿态控制器对姿态误差的调节过程。
通过分析这些因素，可以全面了解高分多线阵卫星姿态系统在热环境下的表现特点，为补偿机理的研究奠定基础。
另外，研究高分多线阵卫星姿态热变形误差的无控制点补偿机理还需要建立相应的数学模型和仿真实验平台。
数学模型是对卫星姿态系统各部件的动态特性进行描述和分析的数学方法，通过建立数学模型可以模拟卫星在热环境下的姿态变化过程，揭示热变形误差的产生机理。
浅谈传感器的温度补偿技术
浅谈传感器的温度补偿技术摘要:从原理上论述了温度对传感器性能的影响，包括零点漂移、灵敏度随温度的变化。
介绍了温度补偿的方法，提出了利用单片机进行温度补偿，实验结果表明,该温度补偿是一种行之有效的方法。
关键词：传感器；温度误差；灵敏度:补偿技术1 引言传感器广泛应用于各种工农业生产实践中,一切科学研究和生产过程要获取信息都要通过其转换为易传输与处理的电信号，但大多数传感器的敏感元件采用金属或半导体材料，其静特性与环境温度有着密切的联系。
实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较大，又由于温度变化引起的热输出较大，将会带来较大的测量误差；同时，温度变化也影响零点和灵敏度值的大小,继而影响到传感器的静特性,所以必须采取措施以减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。
2 温度补偿技术在传感器的应用中，为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取一系列具体技术措施，称为温度补偿技术.一般传感器都在标准温度（20+5）℃下标定，但其工作环境温度也可能由零下几十摄氏度升到零上几十摄氏度。
传感器由多个环节组成。
尤其是金属材料和半导体材料制成的敏感元件,其静特性与温度有着密切的关系.信号调理电路的电阻、电容等元件特性基本不随温度变化,必须采取有效措施以抵消或减弱温度变化对传感器特性造成的影响. 2．1 温度误差灵敏度温度误差灵敏度是指传感器输出变化量与引起该输出量变化的温度变化量之比,即St=эy／эT,显然传感器的S越小，适应环境温度变化的能力越强，其温度附加误差就越小.环境温度T对传感器输出的影响如图1所示，传感器的输出y是输入被测量x、环境温度T的函数，即y=f(x，T）。
当传感器的输出y与输入x之间为线性关系时，则有式中，a0（T）是传感器的零位输出；a1(T)是传感器的灵敏度。
这时，传感器的温度误差灵敏度St为：从式(2)看出两项组成，前者为传感器零位输出温度误差灵敏度,其大小反映传感器零点随温度漂移的快慢；后者为传感器输出特性曲线的斜率(即灵敏度）的温度误差灵敏度，其大小反映传感器量程随温度变化的快慢.当传感器的输出与输入之间为非线性关系时，这种关系可用有限项的幂函数近似表示为:这时，传感器的温度灵敏度为：因此,为降低温度变化对传感器工作造成影响，应设法减小温度误差灵敏度。
传感器零点温度漂移补偿方法研究现状综述
传感器零点温度漂移补偿方法研究现状综述我们把传感器在额定电压下，未受输入信号时的输出（一般为电压值）称为传感器的“零点”。
零点输出的企业标准一般控制在满量程输出电压的百分之一。
我们又把传感器零点随时间不断变化的现象，称为传感器的“零点漂移”[1]。
传感器广泛应用于各种工农业生产实践中，一切科学研究和生产过程要获取信息都要通过其转换为易传输与处理的电信号。
但大多数传感器的敏感元件采用金属或半导体材料，其静态特性与环境温度有着密切联系。
实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较大，又由于温度变化引起传感器的热输出较大，将会带来较大的测量误差；同时，温度变化影响零点大小，继而影响到传感器的静态特性，所以必须采取措施以减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行零点温度补偿。
一、零漂产生原因传感器零点产生漂移的原因很多。
如对压力传感器来说，桥路中元件参数本身就不对称；弹性元件和电阻应变计的敏感栅材料温度系数，线胀系数不同，组桥引线长度不一致等综合因素，最后导致传感器组成电桥后相邻臂总体温度系数有一定差异，当温度变化时，相邻臂电阻变化量不同，从而使电桥产生输出不平衡，即产生了零点漂移[2]；对智能传感器，时漂——即对系统而言，随着时间的增加，相当于对系统进行老化处理，这样，系统的结构特征就要发生变化，从而产生漂移。
温漂——受温度影响而引起的零点不稳定[3]。
可见，温度的影响是产生零点漂移的最主要因素，也是最难控制的。
以压力传感器零点温度漂移为例，零点温度漂移是衡量压力传感器质量的一个重要性能指标，一般零点温度漂移系数用K 0来表示：C FS T U T U T T T U T U K N ︒⨯---=/%100)]()()[()()(00000000 （1） 上式中，)(0T U N 为参考温度下满量程时的输出电压；)(0T U 和)(00T U 分别为温度T 和参考温度T 0时的零点输出电压。
由于热敏电阻制造工艺的不一致性，温度零点漂移系数K 0不是一个定值，它在不同的温度区间有不同的值。