一 方案概述

芯片級(jí)MEMS 陀螺儀/IMU（以陀螺通道為主）的性能評(píng)估與校準(zhǔn)，難點(diǎn)往往不在“能測(cè)到數(shù)據(jù)”，而在于“輸入工況可控、數(shù)據(jù)一致可追溯、計(jì)算口徑統(tǒng)一、結(jié)論可復(fù)現(xiàn)”。因此，本文給出一套面向芯片級(jí) MEMS 陀螺/IMU 的自動(dòng)化測(cè)試方案，目標(biāo)是把測(cè)試過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化并實(shí)現(xiàn)一鍵化輸出結(jié)果。

方案系統(tǒng)由：數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試軟件、角振動(dòng)臺(tái)、雙軸位置臺(tái)、溫箱內(nèi)置速率轉(zhuǎn)臺(tái)一體化系統(tǒng)組成，可覆蓋靜態(tài)、動(dòng)態(tài)與溫度相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試。數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)作為統(tǒng)一采集與控制平臺(tái)，完成多通道同步采集、長(zhǎng)時(shí)間記錄與基礎(chǔ)時(shí)域/頻域分析；自動(dòng)化測(cè)試軟件運(yùn)行于采集系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)聯(lián)動(dòng)控制、測(cè)試序列編排、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、指標(biāo)計(jì)算與報(bào)告輸出。溫箱內(nèi)置速率轉(zhuǎn)臺(tái)提供溫控下穩(wěn)定角速度激勵(lì)，用于標(biāo)度因數(shù)及派生項(xiàng)、閾值/分辨力、溫度靈敏度/溫漂等測(cè)試；雙軸位置臺(tái)提供姿態(tài)精確翻轉(zhuǎn)，用于零偏加速度靈敏度（g 敏感）；角振動(dòng)臺(tái)提供可控角振動(dòng)激勵(lì)，用于幅頻/相頻與帶寬等動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際測(cè)試時(shí)，被測(cè)陀螺芯片安裝在測(cè)試臺(tái)工裝上并完成供電/信號(hào)連接；軟件控制測(cè)試臺(tái)施加角速度/角振動(dòng)/姿態(tài)與溫度等激勵(lì)，采集系統(tǒng)同步采集陀螺輸出并長(zhǎng)時(shí)間記錄；測(cè)試結(jié)束后軟件自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理與指標(biāo)計(jì)算，給出判定結(jié)論并輸出報(bào)告。

二 測(cè)試依據(jù)

2.1 參考標(biāo)準(zhǔn)

本方案面向芯片級(jí) MEMS 陀螺儀/IMU（以陀螺通道為主）的性能測(cè)試與校準(zhǔn)，需選取一套能夠系統(tǒng)規(guī)定“測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法與結(jié)果表達(dá)”的規(guī)范作為技術(shù)主線(xiàn)依據(jù)。JJF 1535—2015《微機(jī)電（MEMS）陀螺儀校準(zhǔn)規(guī)范》針對(duì) MEMS 陀螺儀建立了完整的校準(zhǔn)體系：在適用范圍方面，以單敏感軸 MEMS 陀螺儀為主要對(duì)象，并對(duì)多敏感軸器件提供可參照的執(zhí)行口徑；在技術(shù)內(nèi)容方面，將芯片級(jí)評(píng)估的關(guān)鍵性能指標(biāo)固化為標(biāo)準(zhǔn)化條目，并給出相應(yīng)的校準(zhǔn)/測(cè)試方法及結(jié)果表達(dá)要求。

該規(guī)范覆蓋芯片級(jí)測(cè)試的核心性能要素，包括：標(biāo)度因數(shù)及其非線(xiàn)性度、不對(duì)稱(chēng)度與重復(fù)性；零偏及其穩(wěn)定性與重復(fù)性；零偏溫度靈敏度、零偏加速度靈敏度；角度隨機(jī)游走（ARW）與帶寬等。這些指標(biāo)能夠直接表征 MEMS 陀螺儀的靜態(tài)精度、噪聲水平、環(huán)境敏感性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。與此同時(shí)，規(guī)范對(duì)校準(zhǔn)環(huán)境條件與關(guān)鍵設(shè)備配置提出了明確建議（例如速率轉(zhuǎn)臺(tái)、溫箱、角振動(dòng)裝置與位置裝置等及其推薦指標(biāo)），便于將測(cè)試系統(tǒng)配置、設(shè)備選型指標(biāo)與測(cè)試流程設(shè)計(jì)形成一致的工程實(shí)現(xiàn)路徑。

綜上，JJF 1535—2015適合作為本方案芯片級(jí) MEMS 陀螺儀/IMU 測(cè)試系統(tǒng)的主參考標(biāo)準(zhǔn)。若后續(xù)測(cè)試范圍擴(kuò)展至更高環(huán)境應(yīng)力條件或模塊級(jí)器件（如高等級(jí) IMU 模塊、FOG/HRG 模塊等），可在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充相應(yīng)的環(huán)境/可靠性標(biāo)準(zhǔn)與模塊級(jí)測(cè)試規(guī)范，以滿(mǎn)足擴(kuò)展場(chǎng)景的適用性要求。

2.2 測(cè)試指標(biāo)

三 核心測(cè)試設(shè)備介紹

3.1 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

JJF 1535—2015 在速率轉(zhuǎn)臺(tái)類(lèi)校準(zhǔn)與頻率特性校準(zhǔn)中，配套給出了電壓表（頻率計(jì)）分辨率 6 位半、頻譜分析儀 1 Hz～10 kHz、示波器 20 MHz 等推薦配置，用于輸出測(cè)量、頻譜/波形觀測(cè)與記錄。本方案采用基于 PXIe 的模塊化數(shù)據(jù)采集與分析平臺(tái)，將控制、采集與存儲(chǔ)集成在同一機(jī)箱內(nèi)，通過(guò)統(tǒng)一時(shí)基與同步采集實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的一致記錄，并在軟件側(cè)完成頻率/周期測(cè)量與 FFT 頻譜分析，從而對(duì)標(biāo)準(zhǔn)所需的“頻率計(jì)/頻譜儀/示波器”功能進(jìn)行等效覆蓋。

典型配置為：PXIe 機(jī)箱+嵌入式控制器+高速存儲(chǔ)卡，滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)記錄與數(shù)據(jù)回放復(fù)算；機(jī)箱提供 10 MHz 時(shí)鐘 I/O，支持與轉(zhuǎn)臺(tái)/溫控/位置臺(tái)等系統(tǒng)統(tǒng)一時(shí)基與擴(kuò)展同步；采集板卡按被測(cè)件輸出形態(tài)（模擬/頻率/數(shù)字）選配，兼顧時(shí)域觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)均值/離散度計(jì)算與頻域分析需要。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊產(chǎn)品圖

3.2 速率轉(zhuǎn)臺(tái)與溫控系統(tǒng)（溫箱/溫控速率轉(zhuǎn)臺(tái)一體）

速率轉(zhuǎn)臺(tái)是標(biāo)度因數(shù)及其派生項(xiàng)（非線(xiàn)性度、不對(duì)稱(chēng)度、重復(fù)性）、閾值、分辨力等項(xiàng)目的核心標(biāo)準(zhǔn)裝置；JJF 1535—2015 推薦速率精度及平穩(wěn)度 0.05%（速率>10°/s），并配套溫箱用于溫度靈敏度相關(guān)項(xiàng)目，溫箱推薦指標(biāo)為溫度偏差 ±2 ℃、溫度波動(dòng)度 1 ℃、溫度均勻度 2 ℃。

工程實(shí)現(xiàn)上，本方案優(yōu)先采用溫箱內(nèi)置速率轉(zhuǎn)臺(tái)或溫控轉(zhuǎn)臺(tái)一體化結(jié)構(gòu)，使“角速率激勵(lì)+溫度環(huán)境”在同一工況下穩(wěn)定建立，減少轉(zhuǎn)運(yùn)與裝夾引入的誤差源；同時(shí)由數(shù)采系統(tǒng)完成輸出采樣與點(diǎn)位數(shù)據(jù)管理，保證后續(xù)最小二乘擬合與統(tǒng)計(jì)計(jì)算可追溯。

3.3 雙軸位置臺(tái)（翻轉(zhuǎn)臺(tái)）

雙軸位置臺(tái)用于零偏加速度靈敏度（g 敏感）校準(zhǔn)。JJF 1535—2015 推薦角位置精度 ±3″、角位置測(cè)量重復(fù)性 ±3″，并配套 6 位半電壓表（頻率計(jì)）用于輸出測(cè)量。測(cè)量鏈路由數(shù)采系統(tǒng)完成靜止采樣、均值計(jì)算與姿態(tài)切換數(shù)據(jù)的自動(dòng)歸檔，支持按“X/Y/Z 軸正反向分別指天”的 6 姿態(tài)流程形成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)包，便于后續(xù)按規(guī)范口徑計(jì)算每軸 g 敏感并取最大值作為結(jié)果。

3.4 角振動(dòng)臺(tái)（頻率特性校準(zhǔn)裝置）

角振動(dòng)臺(tái)用于幅頻特性、相頻特性與帶寬校準(zhǔn)。JJF 1535—2015 推薦角振動(dòng)臺(tái)波形失真度≤2%，并給出頻譜分析儀范圍 1 Hz～10 kHz、示波器 20 MHz 以及 6 位半電壓表（頻率計(jì)）作為配套測(cè)量設(shè)備。

本方案在測(cè)量鏈路上由數(shù)采系統(tǒng)同步采集角振動(dòng)輸入?yún)⒖剂颗c陀螺輸出，完成幅值/相位提取與頻點(diǎn)曲線(xiàn)擬合，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 1 Hz～10 kHz 頻率范圍內(nèi)頻域分析與相位測(cè)量的需求，并形成可復(fù)算的原始記錄與處理結(jié)果文件，支撐帶寬（-3 dB）判定的全過(guò)程追溯。

3.5 自動(dòng)化測(cè)試軟件

JJF 1535—2015 對(duì)校準(zhǔn)項(xiàng)目與計(jì)算方法給出了明確規(guī)定，本方案在此基礎(chǔ)上增加自動(dòng)化測(cè)試軟件，統(tǒng)一調(diào)度轉(zhuǎn)臺(tái)/溫控/位置臺(tái)/角振動(dòng)臺(tái)與數(shù)采系統(tǒng)，固化測(cè)試序列與數(shù)據(jù)處理流程，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位/頻點(diǎn)自動(dòng)生成、采樣與統(tǒng)計(jì)自動(dòng)執(zhí)行、指標(biāo)計(jì)算與報(bào)告輸出自動(dòng)化，從而降低人工操作差異并提升測(cè)試一致性。

圖3 ASMC測(cè)試與分析軟件示意圖

四 測(cè)試方法舉例

4.1 測(cè)試準(zhǔn)備

環(huán)境確認(rèn)：溫度(20±5)℃；校準(zhǔn)過(guò)程中溫度波動(dòng)≤2℃；濕度≤85%；周?chē)鸁o(wú)強(qiáng)電磁場(chǎng)/腐蝕介質(zhì)/強(qiáng)震源。

確認(rèn)被測(cè)陀螺信息：型號(hào)、量程、輸出形式（電壓/頻率/數(shù)字）、供電要求、通信與采樣方式。

檢查連接：供電、信號(hào)線(xiàn)、接地、屏蔽是否正確；上位機(jī)/記錄軟件是否能穩(wěn)定采樣與存儲(chǔ)。

預(yù)熱：按規(guī)范建議，上電預(yù)熱一般≤30 min；以輸出穩(wěn)定為準(zhǔn)。

統(tǒng)一記錄：每次測(cè)試都記錄日期、環(huán)境、設(shè)備編號(hào)/校準(zhǔn)有效期、采樣設(shè)置、姿態(tài)/軸向、輸入點(diǎn)位、原始數(shù)據(jù)文件名。

模塊A：速率轉(zhuǎn)臺(tái)多點(diǎn)采樣（用于K及其派生項(xiàng)）

用途：用一組“已知轉(zhuǎn)速點(diǎn)”去擬合出輸出與輸入的關(guān)系，得到標(biāo)度因數(shù)K，并可派生非線(xiàn)性、不對(duì)稱(chēng)、重復(fù)性等。

安裝：將陀螺固定在速率轉(zhuǎn)臺(tái)上，使輸入基準(zhǔn)軸指天（與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)齊）。

設(shè)置采樣：檢查電纜連接正確；啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；建議采樣周期設(shè)為1 s（或按需求）。

預(yù)熱：接通陀螺電源，預(yù)熱一般不超過(guò)30 min，直到輸出穩(wěn)定。

點(diǎn)位規(guī)劃：在量程內(nèi)選取轉(zhuǎn)速點(diǎn)（正轉(zhuǎn)≥11點(diǎn)、反轉(zhuǎn)≥11點(diǎn)，均包含最大輸入角速率；點(diǎn)位盡量均勻；可參考 GB321 的 R5 系列選點(diǎn)并按需求圓整/刪點(diǎn)）。

逐點(diǎn)采樣：按點(diǎn)位順序逐一改變輸入角速率；每個(gè)點(diǎn)等轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定后采樣記錄輸出。小于±100°/s的點(diǎn)每點(diǎn)≥30個(gè)樣本；大于等于±100°/s的點(diǎn)每點(diǎn)≥5個(gè)樣本。

兩次零點(diǎn)測(cè)量：在校準(zhǔn)開(kāi)始與結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)禁止（0°/s）各測(cè)一次輸出平均值；后續(xù)把它從各點(diǎn)輸出均值中剔除，減少零偏對(duì)K的影響。

重復(fù)：按需要隔一段時(shí)間重復(fù)整套流程（例如30 min后再測(cè)），用于統(tǒng)計(jì)重復(fù)性/穩(wěn)定性。

計(jì)算：每個(gè)點(diǎn)先求輸出平均值；用最小二乘擬合“輸出 = K×輸入 + 擬合零位”，得到K（斜率）。

小提示：如果輸出是頻率/數(shù)字量，思路不變——核心是“輸入點(diǎn)位與輸出均值的線(xiàn)性擬合”。

模塊B：靜止采樣（用于零偏/準(zhǔn)備時(shí)間/穩(wěn)定性/ARW等）

用途：在“輸入角速度=0”時(shí)連續(xù)采樣，得到零偏及其隨時(shí)間變化特性。

安裝：將陀螺通過(guò)工裝固定在校準(zhǔn)地基上，使輸入軸垂直于地基（姿態(tài)固定）。

預(yù)熱：接通電源，預(yù)熱一般不超過(guò)30 min，直到輸出穩(wěn)定。

采樣設(shè)置：設(shè)定采樣間隔與總采樣時(shí)間（建議至少數(shù)十分鐘，做ARW時(shí)建議更長(zhǎng)）。

開(kāi)始記錄：保持陀螺靜止不動(dòng)，連續(xù)記錄輸出并保存原始數(shù)據(jù)。

計(jì)算零偏：對(duì)采樣輸出求平均，再用K換算為等效角速度零偏（B0=平均輸出/K）。

如需重復(fù)性：斷電-等待-上電-預(yù)熱后重復(fù)上述采樣，做多次統(tǒng)計(jì)。

4.2具體測(cè)試流程舉例

● 標(biāo)度因數(shù)K

用到設(shè)備：速率轉(zhuǎn)臺(tái) + 采樣記錄系統(tǒng)

操作步驟：

按“模塊A”完整執(zhí)行：安裝對(duì)齊→預(yù)熱→選點(diǎn)→逐點(diǎn)采樣→兩次零點(diǎn)測(cè)量→（可選）重復(fù)測(cè)量。

對(duì)每個(gè)輸入角速率點(diǎn)計(jì)算輸出均值（剔除零點(diǎn)影響）。

用最小二乘擬合得到K（輸出-輸入直線(xiàn)的斜率）。

結(jié)果/判據(jù)：按最小二乘法建立輸入—輸出線(xiàn)性模型 Fj = K·Ωij + F0 + vj，K 為擬合直線(xiàn)斜率（標(biāo)度因數(shù)），F(xiàn)0 為擬合零位，vj 為擬合殘差；輸出應(yīng)至少包含 K、F0 以及擬合殘差統(tǒng)計(jì)量（如殘差最大值/均方根等），并保留各校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出均值與點(diǎn)位表，用于后續(xù)非線(xiàn)性度與不對(duì)稱(chēng)度計(jì)算。若按規(guī)范進(jìn)行重復(fù)校準(zhǔn)（Q 次），應(yīng)給出 K 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（平均值及離散度）。

● 標(biāo)度因數(shù)非線(xiàn)性度

用到設(shè)備：速率轉(zhuǎn)臺(tái) + 采樣記錄系統(tǒng)

操作步驟：

復(fù)用“模塊A”的同一組數(shù)據(jù)或重新按模塊A采集。

用擬合直線(xiàn)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的理論輸出，與實(shí)測(cè)均值做差。

找到最大偏差并按標(biāo)準(zhǔn)公式歸一化（相當(dāng)于：最大偏差占滿(mǎn)量程輸入范圍的比例）。

如做多次重復(fù)，取平均作為最終結(jié)果。

結(jié)果/判據(jù)：在同一組校準(zhǔn)點(diǎn)上，計(jì)算各點(diǎn)擬合直線(xiàn)輸出值 F?j 與實(shí)測(cè)均值 Fj 的偏差，取最大偏差并按規(guī)范公式相對(duì)輸入全量程進(jìn)行歸一化，得到單次非線(xiàn)性度 K′m；若重復(fù)校準(zhǔn) Q 次，則按規(guī)范對(duì) K′m 求平均得到 K′。輸出應(yīng)包含 K′（或 K′m 序列）、最大偏差對(duì)應(yīng)點(diǎn)位以及歸一化所用的 Ωmax+、Ωmax? 等參數(shù)。

● 標(biāo)度因數(shù)不對(duì)稱(chēng)度

用到設(shè)備：速率轉(zhuǎn)臺(tái) + 采樣記錄系統(tǒng)

操作步驟：

按模塊A采集正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)兩組點(diǎn)位數(shù)據(jù)。

分別對(duì)正轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)擬合得到K+，對(duì)反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)擬合得到K-。

按標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算K+與K-相對(duì)平均值的差異。

如做多次重復(fù)，取平均作為最終結(jié)果。

結(jié)果/判據(jù)：分別對(duì)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸入角速率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)擬合得到 K+ 與 K?，按規(guī)范公式計(jì)算相對(duì)標(biāo)度因數(shù)平均值 K? 的差異，得到單次不對(duì)稱(chēng)度 Kmu；若重復(fù)校準(zhǔn) Q 次，則對(duì) Kmu 求平均得到 Ku。輸出應(yīng)包含 K+、K?、K? 及 Ku（或 Kmu 序列）。

圖4 數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品圖

度緯科技始終致力于在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新、獨(dú)特和可靠的產(chǎn)品方案。我們深知，這些要素是企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立足的基石。正因?yàn)槿绱?，我們將?chuàng)新的靈感來(lái)源于客戶(hù)的真實(shí)應(yīng)用需求，而非僅僅為了展示華而不實(shí)的產(chǎn)品特性。通過(guò)不斷優(yōu)化和提升數(shù)據(jù)采集方案，度緯科技助力合作伙伴邁向高效精準(zhǔn)的未來(lái)。歡迎選擇度緯科技（010-64327909），共同開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集的新篇章。