In Bereichen wie Trägheitsnavigation, Drohnensteuerung und Smart Wearables bestimmt die Messgenauigkeit von MEMS-Gyroskopen direkt die Systemleistung. Aufgrund von Faktoren wie Verpackungsstress, Temperaturdrift und Nullpunktsfehler sind MEMS-Gyroskope jedoch anfällig für Datenabweichungen, nachdem sie das Werk verlassen haben. Temperaturgeführte Drehtische als dedizierte Kalibrierungsausrüstung , können Systemfehler durch standardisierte Verfahren eliminieren, wodurch das Gyroskop in seinen optimalen Messzustand zurückkehren kann. Dieser Artikel beschreibt detailliert die Kernschritte und Schlüsseltechnologien zur Kalibrierung von MEMS-Gyroskopen mit einem temperaturgeführten Drehtisch und hilft Ingenieuren, Kalibrierungsarbeiten effizient abzuschließen.

I. Vorbereitungen vor der Kalibrierung: Doppelprüfung von Ausrüstung und Parametern

Eine genaue Kalibrierung erfordert eine stabile Testumgebung, und die Kernvorbereitungsarbeit dreht sich um "Ausrüstungsanpassung" und "Zustandsrücksetzung":

Auswahl und Anschluss der Ausrüstung: Wählen Sie einen temperaturgeführten Drehtisch mit einem Winkelgeschwindigkeitsbereich, der den Gyroskop-Messbereich abdeckt (typischerweise ±1000°/s bis ±20000°/s) und eine Winkelpositionsgenauigkeit von ≤0,001° aufweist; stellen Sie die Datenkommunikation zwischen dem Drehtisch und dem Gyroskop über eine RS485/USB-Schnittstelle her und verbinden Sie sie mit einem Temperaturregelsystem, um die Umgebungstemperatur bei 25℃±2℃ zu stabilisieren (um Temperaturstörungen zu eliminieren).

Gyroskop-Vorverarbeitung : Befestigen Sie das MEMS-Gyroskop auf der mittleren Montageplattform des Drehtischs, wobei sichergestellt wird, dass die Montagefläche senkrecht zur Drehachse des Drehtischs steht (Koaxialitätsfehler ≤ 0,02 mm); Vorheizen für 30 Minuten, damit die interne Schaltung des Gyroskops ein thermisches Gleichgewicht erreicht und die anfängliche Temperaturdrift die Kalibrierungsdaten nicht beeinflusst.

Einstellung der Referenzparameter : Geben Sie grundlegende Parameter wie Gyroskopmodell, Nennempfindlichkeit (z. B. 10 mV/(°/s)) und Nullpunktsvorspannungsspannung in das Drehtisch-Steuerungssystem ein, passen Sie das Standardkalibrierungsprotokoll an (z. B. IEEE 1554.2) und schließen Sie die Parameteranpassung zwischen den Geräten ab.

II. Kernkalibrierungsprozess: Vollständige Dimensionskalibrierung vom statischen Nullpunkt bis zur dynamischen Rate

Der temperaturgeführte Drehtisch erreicht eine umfassende Kalibrierung des Nullpunkts, der Empfindlichkeit und des nichtlinearen Fehlers des Gyroskops durch eine Kombination aus statischer Positionierung und dynamischer Drehung. Der Kernprozess besteht aus drei Schritten:

1. Statische Nullpunktkalibrierung: Eliminierung des statischen Fehlerbezugs

Der Nullpunktsfehler ist die Ausgangsdrift eines Gyroskops, wenn es stationär ist, und er ist ein Schlüsselfaktor, der die Genauigkeit statischer Messungen beeinflusst. Der temperaturgeführte Drehtisch wurde stationär gehalten (Winkelgeschwindigkeit = 0°/s), und die Gyroskop-Ausgangsdaten wurden kontinuierlich für 10 Minuten erfasst. Alle 10 ms wurde ein Spannungswert aufgezeichnet, und der durchschnittliche Nullpunkt wurde mit der folgenden Formel berechnet:

Nullpunkt V₀ = (Σ Vᵢ ) / n ( i = 1 bis n , wobei n die Gesamtzahl der Datensätze ist)

Ausreißer, die den Bereich von 3σ überschreiten ( σ ist die Standardabweichung) werden entfernt, und der endgültige Nullpunktwert wird als Maßstab für die nachfolgende Datenkorrektur verwendet.

2. Dynamische Empfindlichkeitskalibrierung: Herstellung einer linearen Beziehung zwischen Eingang und Ausgang.

Die Empfindlichkeit ist das Verhältnis der Ausgangsänderung des Gyroskops zu seiner Eingangswinkelgeschwindigkeit; die Kalibrierung muss seinen vollen Bereich abdecken. Der temperaturgeführte Drehtisch wird gleichmäßig mit fünf charakteristischen Winkelgeschwindigkeiten (z. B. 100°/s, 500°/s, 1000°/s, 1500°/s, 2000°/s) gedreht. Nach 3 Minuten Stabilisierung bei jeder Geschwindigkeit werden Daten erfasst, und die durchschnittliche Ausgangsspannung Vᵢ entsprechend jeder Geschwindigkeit wird berechnet.

Empfindlichkeit K = ( Vᵢ - V₀ ) / ωᵢ ( ωᵢ ist die eingestellte Winkelgeschwindigkeit des Drehtischs)

mit ωᵢ als horizontaler Achse und ( Vᵢ - V ₀) als vertikaler Achse. Berechnen Sie die lineare Anpassungsgleichung mit der Methode der kleinsten Quadrate, um sicherzustellen, dass die Güte der Anpassung R² ≥ 0,999. Die Steigung an diesem Punkt ist die tatsächliche Empfindlichkeit nach der Kalibrierung.

3. Nichtlineare Fehlerkalibrierung: Korrigiert Abweichungen über den vollen Messbereich.

Basierend auf der Empfindlichkeitskalibrierung fügen Sie 10 gleichmäßig verteilte Winkelgeschwindigkeitspunkte hinzu (z. B. 200°/s, 400°/s...1800°/s), wiederholen Sie den dynamischen Datenerfassungsprozess und berechnen Sie die Abweichung zwischen dem tatsächlichen Ausgang und dem linearen Anpassungswert an jedem Punkt:

Nichtlinearer Fehler δ = [( _{tatsächliches} V - _angepasstes V ) / ( Vollausschlag V - V₀ )] × 100%

Wenn δ die Leistungsanforderungen des Gyroskops überschreitet (normalerweise ≤0,5 %), muss ein Fehlerkompensationskoeffizient über das Drehtisch-Steuerungssystem angewendet werden, um eine nichtlineare Korrektur über den vollen Bereich zu erreichen.

III. Verifizierung nach der Kalibrierung: Ein wichtiger Schritt zur Gewährleistung der Datenzuverlässigkeit

Nach der Kalibrierung muss das System sowohl die "Rekalibrierungsverifizierung" als auch die "Szenariotestverifizierung" bestehen.

1. Rekalibrierung und Verifizierung : Wählen Sie zufällig 3 Winkel- Geschwindigkeits- Punkte (z. B. 300°/s, 800°/s, 1600°/s), wiederholen Sie den dynamischen Kalibrierungsprozess und vergleichen Sie die Empfindlichkeit und den Nullpunkt der beiden Kalibrierungen. Die Abweichung muss ≤0,1 % betragen. Andernfalls müssen die Installationsgenauigkeit und die Datenerfassungsstrecke erneut überprüft werden.

2. Szenariotest : Schließen Sie das kalibrierte Gyroskop an die Trägheitsmesseinheit (IMU) an, simulieren Sie die Haltungsänderungen der Drohne (z. B. ±30° Neigung und Drehung) über einen temperaturgeführten Drehtisch, erfassen Sie die vom Gyroskop ausgegebenen Winkelpositionsdaten und vergleichen Sie sie mit der Standardwinkelposition des Drehtischs. Der Fehler sollte innerhalb von 0,01° gehalten werden.

Durch die standardisierte Kalibrierung mit einem temperaturgeführten Drehtisch kann die Nullpunktstabilität von MEMS-Gyroskopen um mehr als 50 % verbessert und der Empfindlichkeitsfehler innerhalb von 0,1 % gehalten werden, was eine Kernabsicherung für den genauen Betrieb nachfolgender Systeme darstellt.