В таких областях, как инерциальная навигация, управление дронами и умные носимые устройства, точность измерения MEMS-гироскопов напрямую определяет производительность системы. Однако из-за таких факторов, как напряжение упаковки, температурный дрейф и ошибка нулевого смещения, MEMS-гироскопы подвержены отклонениям данных после выхода с завода. С термостатированием поворотные столы, как специализированное калибровочное оборудование , могут устранять системные ошибки с помощью стандартизированных процедур, позволяя гироскопу вернуться в оптимальное состояние измерения. В этой статье подробно описываются основные этапы и ключевые технологии калибровки MEMS-гироскопов с использованием термостатированного поворотного стола, помогая инженерам эффективно завершить калибровочные работы.

I. Подготовка к калибровке: двойная проверка оборудования и параметров

Точная калибровка требует стабильной среды тестирования, и основная подготовительная работа вращается вокруг «соответствия оборудования» и «сброса состояния»:

Выбор и подключение оборудования: Выберите термостатированный поворотный стол с диапазоном угловой скорости, охватывающим диапазон измерения гироскопа (обычно ±1000°/с до ±20000°/с) и точностью углового положения ≤0,001°; завершите передачу данных между поворотным столом и гироскопом через интерфейс RS485/USB и подключитесь к системе контроля температуры для стабилизации температуры окружающей среды при 25℃±2℃ (для устранения температурных помех).

Предварительная обработка гироскопа : Закрепите MEMS-гироскоп на центральной монтажной платформе поворотного стола, убедившись, что монтажная поверхность перпендикулярна оси вращения поворотного стола (ошибка соосности ≤ 0,02 мм); предварительно прогрейте в течение 30 минут, чтобы внутренняя схема гироскопа достигла теплового равновесия и избежать влияния начального температурного дрейфа на данные калибровки.

Настройка эталонных параметров : Введите основные параметры, такие как модель гироскопа, номинальная чувствительность (например, 10 мВ/(°/с)) и напряжение смещения нуля в систему управления поворотным столом, настройте стандартный протокол калибровки (например, IEEE 1554.2) и завершите согласование параметров между устройствами.

II. Основной процесс калибровки: полноразмерная калибровка от статического нулевого смещения до динамической скорости

Термостатированный поворотный стол обеспечивает всестороннюю калибровку нулевого смещения, чувствительности и нелинейной ошибки гироскопа путем сочетания статического позиционирования и динамического вращения. Основной процесс состоит из трех этапов:

1. Калибровка статического нулевого смещения: устранение эталонной статической ошибки

Ошибка нулевого смещения - это выходной дрейф гироскопа, когда он неподвижен, и это ключевой фактор, влияющий на точность статических измерений. Термостатированный поворотный стол оставался неподвижным (угловая скорость = 0°/с), и выходные данные гироскопа непрерывно собирались в течение 10 минут. Значение напряжения записывалось каждые 10 мс, и среднее нулевое смещение вычислялось по следующей формуле:

Нулевое смещение V₀ = (Σ Vᵢ ) / n ( i = от 1 до n , где n - общее количество наборов данных)

Выбросы, превышающие диапазон 3σ ( σ - стандартное отклонение) удаляются, и окончательное значение нулевого смещения используется в качестве эталона для последующей коррекции данных.

2. Калибровка динамической чувствительности: установление линейной зависимости между входом и выходом.

Чувствительность - это отношение изменения выходного сигнала гироскопа к его входной угловой скорости; калибровка должна охватывать весь ее диапазон. Термостатированный поворотный стол вращается равномерно с пятью характерными угловыми скоростями (например, 100°/с, 500°/с, 1000°/с, 1500°/с, 2000°/с). После стабилизации в течение 3 минут на каждой скорости собираются данные, и вычисляется среднее выходное напряжение Vᵢ , соответствующее каждой скорости.

Чувствительность K = ( Vᵢ - V₀ ) / ωᵢ ( ωᵢ - заданная угловая скорость поворотного стола)

с ωᵢ в качестве горизонтальной оси и ( Vᵢ - V ₀) в качестве вертикальной оси. Вычислите уравнение линейной подгонки, используя метод наименьших квадратов, чтобы убедиться, что коэффициент соответствия R² ≥ 0,999. Наклон в этой точке - фактическая чувствительность после калибровки.

3. Калибровка нелинейной ошибки: корректирует отклонения во всем полном диапазоне измерений.

На основе калибровки чувствительности добавьте 10 равномерно распределенных точек угловой скорости (например, 200°/с, 400°/с...1800°/с), повторите процесс динамического сбора данных и вычислите отклонение между фактическим выходом и значением линейной подгонки в каждой точке:

Нелинейная ошибка δ = [( _{фактическое} V - _{подобранное} V ) / ( полный масштаб V - V₀ )] × 100%

Если δ превышает требования к производительности гироскопа (обычно ≤0,5%), необходимо применить коэффициент компенсации ошибки через систему управления поворотным столом для достижения нелинейной коррекции во всем полном диапазоне.

III. Верификация после калибровки: ключевой этап обеспечения надежности данных

После калибровки система должна пройти как «повторную калибровочную верификацию», так и верификацию «сценарного тестирования».

1. Повторная калибровка и верификация : Случайным образом выберите 3 угловые скорости точки (например, 300°/с, 800°/с, 1600°/с), повторите процесс динамической калибровки и сравните чувствительность и нулевое смещение двух калибровок. Отклонение должно быть ≤0,1%. В противном случае необходимо повторно проверить точность установки и канал сбора данных.

2. Сценарное тестирование : Подключите откалиброванный гироскоп к инерциальному измерительному блоку (IMU), смоделируйте изменения ориентации дрона (например, тангаж и вращение ±30°) с помощью термостатированного поворотного стола, соберите данные об угловом положении, выводимые гироскопом, и сравните их со стандартным угловым положением поворотного стола. Ошибка должна контролироваться в пределах 0,01°.

Благодаря стандартизированной калибровке с использованием термостатированного поворотного стола, стабильность нулевого смещения MEMS-гироскопов может быть улучшена более чем на 50%, а ошибка чувствительности может контролироваться в пределах 0,1%, что обеспечивает основную гарантию точной работы последующих систем.