W dziedzinach takich jak nawigacja inercyjna, kontrola dronów i inteligentne urządzenia do noszenia, dokładność pomiaru żyroskopów MEMS bezpośrednio determinuje wydajność systemu. Jednak ze względu na czynniki takie jak naprężenia opakowaniowe, dryft temperaturowy i błąd zerowy, żyroskopy MEMS są podatne na odchylenia danych po opuszczeniu fabryki. Temperaturowo kontrolowane obrotnice, jako dedykowany sprzęt kalibracyjny , mogą eliminować błędy systemowe poprzez standaryzowane procedury, pozwalając żyroskopowi powrócić do optymalnego stanu pomiaru. Ten artykuł szczegółowo opisuje kluczowe kroki i kluczowe technologie kalibracji żyroskopów MEMS za pomocą temperaturowo kontrolowanej obrotnicy, pomagając inżynierom w efektywnym wykonywaniu prac kalibracyjnych.

I. Przygotowania przed kalibracją: Podwójna weryfikacja sprzętu i parametrów

Dokładna kalibracja wymaga stabilnego środowiska testowego, a podstawowe prace przygotowawcze koncentrują się wokół "dopasowania sprzętu" i "resetowania stanu":

Wybór i podłączenie sprzętu: Wybierz temperaturowo kontrolowaną obrotnicę z zakresem prędkości kątowej obejmującym zakres pomiarowy żyroskopu (zazwyczaj ±1000°/s do ±20000°/s) i dokładnością położenia kątowego ≤0,001°; zakończ komunikację danych między obrotnicą a żyroskopem za pośrednictwem interfejsu RS485/USB i podłącz do systemu kontroli temperatury, aby ustabilizować temperaturę otoczenia na poziomie 25℃±2℃ (w celu wyeliminowania zakłóceń temperaturowych).

Wstępne przetwarzanie żyroskopu : Przymocuj żyroskop MEMS do centralnej platformy montażowej obrotnicy, upewniając się, że powierzchnia montażowa jest prostopadła do osi obrotu obrotnicy (błąd współosiowości ≤ 0,02 mm); podgrzewaj przez 30 minut, aby umożliwić obwodom wewnętrznym żyroskopu osiągnięcie równowagi termicznej i uniknąć wpływu początkowego dryftu temperaturowego na dane kalibracyjne.

Ustawienie parametrów odniesienia : Wprowadź podstawowe parametry, takie jak model żyroskopu, czułość nominalna (np. 10 mV/(°/s)) i napięcie polaryzacji zerowej do systemu sterowania obrotnicą, dostosuj standardowy protokół kalibracji (np. IEEE 1554.2) i zakończ dopasowanie parametrów między urządzeniami.

II. Główny proces kalibracji: Pełnowymiarowa kalibracja od statycznej polaryzacji zerowej do dynamicznej prędkości

Temperaturowo kontrolowana obrotnica osiąga kompleksową kalibrację polaryzacji zerowej, czułości i błędu nieliniowego żyroskopu poprzez połączenie pozycjonowania statycznego i obrotu dynamicznego. Główny proces składa się z trzech kroków:

1. Statyczna kalibracja polaryzacji zerowej: Eliminacja odniesienia błędu statycznego

Błąd polaryzacji zerowej to dryft wyjściowy żyroskopu, gdy jest on nieruchomy i jest kluczowym czynnikiem wpływającym na dokładność pomiarów statycznych. Temperaturowo kontrolowana obrotnica była utrzymywana w stanie nieruchomym (prędkość kątowa = 0°/s), a dane wyjściowe żyroskopu były zbierane w sposób ciągły przez 10 minut. Wartość napięcia była rejestrowana co 10 ms, a średnia polaryzacja zerowa była obliczana za pomocą następującego wzoru:

Polaryzacja zerowa V₀ = (Σ Vᵢ ) / n ( i = 1 do n , gdzie n jest całkowitą liczbą zestawów danych)

Odstające wartości przekraczające zakres 3σ ( σ będące odchyleniem standardowym) są usuwane, a ostateczna wartość polaryzacji zerowej jest używana jako punkt odniesienia dla późniejszej korekcji danych.

2. Dynamiczna kalibracja czułości: Ustanowienie liniowej zależności między wejściem a wyjściem.

Czułość to stosunek zmiany wyjścia żyroskopu do jego wejściowej prędkości kątowej; kalibracja musi obejmować pełny zakres. Temperaturowo kontrolowana obrotnica jest obracana równomiernie z pięcioma charakterystycznymi prędkościami kątowymi (np. 100°/s, 500°/s, 1000°/s, 1500°/s, 2000°/s). Po ustabilizowaniu się przez 3 minuty przy każdej prędkości, dane są zbierane, a średnie napięcie wyjściowe Vᵢ odpowiadające każdej prędkości jest obliczane.

Czułość K = ( Vᵢ - V₀ ) / ωᵢ ( ωᵢ to ustawiona prędkość kątowa obrotnicy)

z ωᵢ jako osią poziomą i ( Vᵢ - V ₀) jako osią pionową. Oblicz równanie dopasowania liniowego za pomocą metody najmniejszych kwadratów, aby upewnić się, że dobroć dopasowania R² ≥ 0,999. Nachylenie w tym punkcie jest rzeczywistą czułością po kalibracji.

3. Kalibracja błędu nieliniowego: Koryguje odchylenia w całym pełnym zakresie pomiarowym.

Na podstawie kalibracji czułości dodaj 10 równomiernie rozłożonych punktów prędkości kątowej (np. 200°/s, 400°/s...1800°/s), powtórz proces dynamicznego pozyskiwania danych i oblicz odchylenie między rzeczywistym wyjściem a wartością dopasowania liniowego w każdym punkcie:

Błąd nieliniowy δ = [( _rzeczywiste V - _dopasowane V ) / ( pełna skala V - V₀ )] × 100%

Jeśli δ przekracza wymagania dotyczące wydajności żyroskopu (zazwyczaj ≤0,5%), współczynnik kompensacji błędu musi zostać zastosowany za pośrednictwem systemu sterowania obrotnicą, aby uzyskać korekcję nieliniową w całym pełnym zakresie.

III. Weryfikacja po kalibracji: Kluczowy krok w zapewnieniu wiarygodności danych

Po kalibracji system musi przejść zarówno weryfikację "ponownej kalibracji", jak i weryfikację "testowania scenariuszy".

1. Ponowna kalibracja i weryfikacja : Losowo wybierz 3 punkty prędkości kątowej (np. 300°/s, 800°/s, 1600°/s), powtórz proces kalibracji dynamicznej i porównaj czułość i polaryzację zerową dwóch kalibracji. Odchylenie musi wynosić ≤0,1%. W przeciwnym razie należy ponownie sprawdzić dokładność instalacji i łącze pozyskiwania danych.

2. Testowanie scenariuszy : Podłącz skalibrowany żyroskop do jednostki inercyjnego pomiaru (IMU), symuluj zmiany położenia drona (takie jak pochylenie i obrót ±30°) za pomocą temperaturowo kontrolowanej obrotnicy, zbierz dane o położeniu kątowym wyjściowym z żyroskopu i porównaj je ze standardowym położeniem kątowym obrotnicy. Błąd powinien być kontrolowany w granicach 0,01°.

Dzięki standaryzowanej kalibracji za pomocą temperaturowo kontrolowanej obrotnicy, stabilność polaryzacji zerowej żyroskopów MEMS można poprawić o ponad 50%, a błąd czułości można kontrolować w granicach 0,1%, zapewniając podstawową gwarancję dokładnego działania kolejnych systemów.