一 方案概述

芯片級MEMS 陀螺儀/IMU（以陀螺通道為主）的性能評估與校準，難點往往不在“能測到數(shù)據(jù)”，而在于“輸入工況可控、數(shù)據(jù)一致可追溯、計算口徑統(tǒng)一、結(jié)論可復(fù)現(xiàn)”。因此，本文給出一套面向芯片級 MEMS 陀螺/IMU 的自動化測試方案，目標是把測試過程標準化并實現(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)、自動化測試軟件、角振動臺、雙軸位置臺、溫箱內(nèi)置速率轉(zhuǎn)臺一體化系統(tǒng)組成，可覆蓋靜態(tài)、動態(tài)與溫度相關(guān)的關(guān)鍵指標測試。數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)作為統(tǒng)一采集與控制平臺，完成多通道同步采集、長時間記錄與基礎(chǔ)時域/頻域分析；自動化測試軟件運行于采集系統(tǒng)上，實現(xiàn)測試臺聯(lián)動控制、測試序列編排、數(shù)據(jù)自動處理、指標計算與報告輸出。溫箱內(nèi)置速率轉(zhuǎn)臺提供溫控下穩(wěn)定角速度激勵，用于標度因數(shù)及派生項、閾值/分辨力、溫度靈敏度/溫漂等測試；雙軸位置臺提供姿態(tài)精確翻轉(zhuǎn)，用于零偏加速度靈敏度（g 敏感）；角振動臺提供可控角振動激勵，用于幅頻/相頻與帶寬等動態(tài)指標測試。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實際測試時，被測陀螺芯片安裝在測試臺工裝上并完成供電/信號連接；軟件控制測試臺施加角速度/角振動/姿態(tài)與溫度等激勵，采集系統(tǒng)同步采集陀螺輸出并長時間記錄；測試結(jié)束后軟件自動完成數(shù)據(jù)處理與指標計算，給出判定結(jié)論并輸出報告。

二 測試依據(jù)

2.1 參考標準

本方案面向芯片級 MEMS 陀螺儀/IMU（以陀螺通道為主）的性能測試與校準，需選取一套能夠系統(tǒng)規(guī)定“測試項目、測試方法與結(jié)果表達”的規(guī)范作為技術(shù)主線依據(jù)。JJF 1535—2015《微機電（MEMS）陀螺儀校準規(guī)范》針對 MEMS 陀螺儀建立了完整的校準體系：在適用范圍方面，以單敏感軸 MEMS 陀螺儀為主要對象，并對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，將芯片級評估的關(guān)鍵性能指標固化為標準化條目，并給出相應(yīng)的校準/測試方法及結(jié)果表達要求。

該規(guī)范覆蓋芯片級測試的核心性能要素，包括：標度因數(shù)及其非線性度、不對稱度與重復(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；角度隨機游走（ARW）與帶寬等。這些指標能夠直接表征 MEMS 陀螺儀的靜態(tài)精度、噪聲水平、環(huán)境敏感性與動態(tài)響應(yīng)能力。與此同時，規(guī)范對校準環(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、溫箱、角振動裝置與位置裝置等及其推薦指標），便于將測試系統(tǒng)配置、設(shè)備選型指標與測試流程設(shè)計形成一致的工程實現(xiàn)路徑。

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

2.2 測試指標

三 核心測試設(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)臺類校準與頻率特性校準中，配套給出了電壓表（頻率計）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，用于輸出測量、頻譜/波形觀測與記錄。本方案采用基于 PXIe 的模塊化數(shù)據(jù)采集與分析平臺，將控制、采集與存儲集成在同一機箱內(nèi)，通過統(tǒng)一時基與同步采集實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的一致記錄，并在軟件側(cè)完成頻率/周期測量與 FFT 頻譜分析，從而對標準所需的“頻率計/頻譜儀/示波器”功能進行等效覆蓋。

典型配置為：PXIe 機箱+嵌入式控制器+高速存儲卡，滿足長時間連續(xù)記錄與數(shù)據(jù)回放復(fù)算；機箱提供 10 MHz 時鐘 I/O，支持與轉(zhuǎn)臺/溫控/位置臺等系統(tǒng)統(tǒng)一時基與擴展同步；采集板卡按被測件輸出形態(tài)（模擬/頻率/數(shù)字）選配，兼顧時域觀測、統(tǒng)計均值/離散度計算與頻域分析需要。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊產(chǎn)品圖

3.2 速率轉(zhuǎn)臺與溫控系統(tǒng)（溫箱/溫控速率轉(zhuǎn)臺一體）

速率轉(zhuǎn)臺是標度因數(shù)及其派生項（非線性度、不對稱度、重復(fù)性）、閾值、分辨力等項目的核心標準裝置；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)項目，溫箱推薦指標為溫度偏差 ±2 ℃、溫度波動度 1 ℃、溫度均勻度 2 ℃。

工程實現(xiàn)上，本方案優(yōu)先采用溫箱內(nèi)置速率轉(zhuǎn)臺或溫控轉(zhuǎn)臺一體化結(jié)構(gòu)，使“角速率激勵+溫度環(huán)境”在同一工況下穩(wěn)定建立，減少轉(zhuǎn)運與裝夾引入的誤差源；同時由數(shù)采系統(tǒng)完成輸出采樣與點位數(shù)據(jù)管理，保證后續(xù)最小二乘擬合與統(tǒng)計計算可追溯。

3.3 雙軸位置臺（翻轉(zhuǎn)臺）

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

3.4 角振動臺（頻率特性校準裝置）

角振動臺用于幅頻特性、相頻特性與帶寬校準。JJF 1535—2015 推薦角振動臺波形失真度≤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）作為配套測量設(shè)備。

本方案在測量鏈路上由數(shù)采系統(tǒng)同步采集角振動輸入?yún)⒖剂颗c陀螺輸出，完成幅值/相位提取與頻點曲線擬合，滿足標準對 1 Hz～10 kHz 頻率范圍內(nèi)頻域分析與相位測量的需求，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）判定的全過程追溯。

3.5 自動化測試軟件

JJF 1535—2015 對校準項目與計算方法給出了明確規(guī)定，本方案在此基礎(chǔ)上增加自動化測試軟件，統(tǒng)一調(diào)度轉(zhuǎn)臺/溫控/位置臺/角振動臺與數(shù)采系統(tǒng)，固化測試序列與數(shù)據(jù)處理流程，實現(xiàn)點位/頻點自動生成、采樣與統(tǒng)計自動執(zhí)行、指標計算與報告輸出自動化，從而降低人工操作差異并提升測試一致性。

圖3 ASMC測試與分析軟件示意圖

四 測試方法舉例

4.1 測試準備

環(huán)境確認：溫度(20±5)℃；校準過程中溫度波動≤2℃；濕度≤85%；周圍無強電磁場/腐蝕介質(zhì)/強震源。

確認被測陀螺信息：型號、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、信號線、接地、屏蔽是否正確；上位機/記錄軟件是否能穩(wěn)定采樣與存儲。

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。

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

模塊A：速率轉(zhuǎn)臺多點采樣（用于K及其派生項）

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

安裝：將陀螺固定在速率轉(zhuǎn)臺上，使輸入基準軸指天（與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸對齊）。

設(shè)置采樣：檢查電纜連接正確；啟動轉(zhuǎn)臺；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30 min，直到輸出穩(wěn)定。

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

逐點采樣：按點位順序逐一改變輸入角速率；每個點等轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定后采樣記錄輸出。小于±100°/s的點每點≥30個樣本；大于等于±100°/s的點每點≥5個樣本。

兩次零點測量：在校準開始與結(jié)束時，轉(zhuǎn)臺禁止（0°/s）各測一次輸出平均值；后續(xù)把它從各點輸出均值中剔除，減少零偏對K的影響。

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

計算：每個點先求輸出平均值；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“輸入點位與輸出均值的線性擬合”。

模塊B：靜止采樣（用于零偏/準備時間/穩(wěn)定性/ARW等）

用途：在“輸入角速度=0”時連續(xù)采樣，得到零偏及其隨時間變化特性。

安裝：將陀螺通過工裝固定在校準地基上，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間（建議至少數(shù)十分鐘，做ARW時建議更長）。

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

計算零偏：對采樣輸出求平均，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。

4.2具體測試流程舉例

● 標度因數(shù)K

用到設(shè)備：速率轉(zhuǎn)臺 + 采樣記錄系統(tǒng)

操作步驟：

按“模塊A”完整執(zhí)行：安裝對齊→預(yù)熱→選點→逐點采樣→兩次零點測量→（可選）重復(fù)測量。

對每個輸入角速率點計算輸出均值（剔除零點影響）。

用最小二乘擬合得到K（輸出-輸入直線的斜率）。

結(jié)果/判據(jù)：按最小二乘法建立輸入—輸出線性模型 Fj = K·Ωij + F0 + vj，K 為擬合直線斜率（標度因數(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)計量（如殘差最大值/均方根等），并保留各校準點的輸出均值與點位表，用于后續(xù)非線性度與不對稱度計算。若按規(guī)范進行重復(fù)校準（Q 次），應(yīng)給出 K 的統(tǒng)計結(jié)果（平均值及離散度）。

● 標度因數(shù)非線性度

用到設(shè)備：速率轉(zhuǎn)臺 + 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。

用擬合直線計算每個點的理論輸出，與實測均值做差。

找到最大偏差并按標準公式歸一化（相當于：最大偏差占滿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)：在同一組校準點上，計算各點擬合直線輸出值 F?j 與實測均值 Fj 的偏差，取最大偏差并按規(guī)范公式相對輸入全量程進行歸一化，得到單次非線性度 K′m；若重復(fù)校準 Q 次，則按規(guī)范對 K′m 求平均得到 K′。輸出應(yīng)包含 K′（或 K′m 序列）、最大偏差對應(yīng)點位以及歸一化所用的 Ωmax+、Ωmax? 等參數(shù)。

● 標度因數(shù)不對稱度

用到設(shè)備：速率轉(zhuǎn)臺 + 采樣記錄系統(tǒng)

操作步驟：

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

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

按標準公式計算K+與K-相對平均值的差異。

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)范公式計算相對標度因數(shù)平均值 K? 的差異，得到單次不對稱度 Kmu；若重復(fù)校準 Q 次，則對 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)域中實現(xiàn)創(chuàng)新、獨特和可靠的產(chǎn)品方案。我們深知，這些要素是企業(yè)在市場競爭中立足的基石。正因為如此，我們將創(chuàng)新的靈感來源于客戶的真實應(yīng)用需求，而非僅僅為了展示華而不實的產(chǎn)品特性。通過不斷優(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的未來。歡迎選擇度緯科技（010-64327909），共同開啟數(shù)據(jù)采集的新篇章。