基于LabVIEW的微機械陀螺自動測試系統(tǒng)開發(fā)

何春華,崔 健,閆俊杰,林龍濤,王福娟,郭中洋,楊振川,蔡志崗,閆桂珍*

1.北京大學微電子學研究院微米/納米加工技術國家級重點實驗室,北京 100871;2.中山大學光電材料與技術國家重點實驗室,廣州 510275

微機械陀螺具有體積小、重量輕、功耗低、抗過載能力強、能適用于較為惡劣的環(huán)境條件、易于集成和實現(xiàn)智能化等優(yōu)點[1],因此,微機械陀螺可廣泛應用于汽車牽引控制系統(tǒng)、行駛穩(wěn)定系統(tǒng)、攝像機穩(wěn)定系統(tǒng)、飛機穩(wěn)定系統(tǒng)、以及軍事等領域[2-3],因而相關研究備受國內(nèi)外的關注和重視。

隨著微機械陀螺技術的快速發(fā)展,陀螺的性能測試的效率與精確度要求也越來越高。目前,國際上已經(jīng)研發(fā)出一些測試設備,如 Samsung Advanced Institute of Technology研制的陀螺綜合測試系統(tǒng)[4],Pavia大學電子系運用光干涉法研制的掃頻測試系統(tǒng)[5],以及國內(nèi)清華大學研制的基于LabVIEW軟件的微機械陀螺管芯的掃頻測試系統(tǒng)[6],它們都可用于測量諧振頻率、諧振幅值和 Q值等相關參數(shù),但是僅僅依靠有限的中測參數(shù),如陀螺的諧振頻率、諧振幅值以及 Q值,很難有效地篩選出性能優(yōu)良的陀螺芯片。因此,開發(fā)一套能夠評估陀螺若干關鍵性能指標的測試系統(tǒng)成為研發(fā)過程中的一項迫切需要的工作。

文獻[7]曾對MEMS陀螺振動特性實驗的幾種不同方法進行了深入的研究,文獻[8]對微機械陀螺的測試與標定技術進行了詳細的原理性的介紹與分析,為陀螺的性能測試方法提供了較好的參考。本文利用LabVIEW強大而豐富的信號處理模塊來實現(xiàn)陀螺的閉環(huán)驅(qū)動控制、角速率信號解調(diào)和相關性能指標測試,包括陀螺掃頻測試、閉環(huán)控制測試、標度因數(shù)和零偏測試,可以快速可靠地挑選出性能優(yōu)良的陀螺芯片。此外,不同于文獻[9]的模擬信號檢測硬件電路技術,本文除陀螺前置讀出電路外的所有信號處理全部實現(xiàn)了“軟”處理,避免了外圍硬件電路的復雜調(diào)試,大大降低了原有硬件電路帶來的噪聲和漂移。

1 陀螺測試系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 儀器選擇

傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)一般包括動態(tài)信號分析儀、萬用表、示波器和數(shù)據(jù)采集卡等儀器設備,它們經(jīng)常需要較多的人工設置操作,并且無法自動完成數(shù)據(jù)處理,因此難以提高測試效率。而結(jié)合自主開發(fā)的LabVIEW應用軟件可以將 NI PXI 1033機箱和 NI PXI 4461數(shù)據(jù)采集卡融入系統(tǒng)中自動完成陀螺芯片的性能參數(shù)測試以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理、報表生成等功能,具有較高的精確度,提高了測試效率。數(shù)據(jù)采集卡采用 NI公司的 PXI 4461,其最大采樣率為204.8 kHz,24位 A/D分辨率,4模擬通道(AI0、AI1輸入通道和 AO0、AO1輸出通道),對于工作在10 kHz以內(nèi)的陀螺測試來說已經(jīng)非常足夠。

數(shù)據(jù)采集卡精度分析：本文設計的微機械陀螺系統(tǒng)以達到分辨率和零位穩(wěn)定性為 0.01 deg/s、滿量程為 500 deg/s的性能指標為目標,通過實驗調(diào)節(jié)與測量可得陀螺的標度因數(shù)為 2.61mV/deg?s-1,因此要求 NI數(shù)據(jù)采集卡的電壓測量有效值的分辨率和穩(wěn)定性為 26.1μV,以及量程為 1.305 V,換為峰值量程應為 1.845 V。由于數(shù)據(jù)采集卡的可配置最大量程為正負 10 V,因此考慮一定的裕度,可以配置采集卡的采樣電壓量程為[-3 V,3 V]。

系統(tǒng)工作在諧振頻率時,將數(shù)據(jù)采集卡的采樣率設置為 100 kHz,實驗測得采集卡的電壓有效分辨率約為 13μV,因此能夠滿足設計要求達到的26.1μV的分辨率。當輸入角速度為滿量程500 deg/s時,測量 10 000次,得到的電壓有效值均值 1.304 976 v,誤差為 24μV,均方差為 13.7μV,在分辨率與穩(wěn)定性的要求范圍內(nèi)。因此對于工作在10 kHz以內(nèi)的陀螺測試來說,該數(shù)據(jù)采集卡能夠很好地滿足設計的精度要求。

1.2 陀螺測試系統(tǒng)框圖及通道分配

微機械陀螺的測試系統(tǒng)框圖主要包括三大部分,即外圍硬件電路、NIPXI 4461數(shù)據(jù)采集卡和 PC機 LabVIEW測試軟件,總框圖如圖 1所示。其中外圍硬件電路是主要包括推挽驅(qū)動信號產(chǎn)生電路以及陀螺敏感結(jié)構(gòu)驅(qū)動軸和檢測軸讀出信號的電容/電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖1 陀螺測試系統(tǒng)框圖

掃頻測試時,如圖 1所示,斷開②,連上①,Lab-VIEW測試軟件通過 NIPXI 4461數(shù)據(jù)采集卡的 AO0通道發(fā)出掃頻信號,該信號一方面輸入到數(shù)據(jù)采集卡的 AI0通道,另一方面輸入到硬件電路上作為微機械陀螺的靜電驅(qū)動信號,并將驅(qū)動軸的響應信號由采集卡的 AI1通道采集進 LabVIEW軟件進行數(shù)據(jù)分析,得出驅(qū)動軸的諧振頻率、Q值和噪聲電壓等參數(shù)。

標度因數(shù)和零偏測試時,連上②,斷開①,則數(shù)據(jù)采集卡 PXI 4461的兩個輸入通道 AI0和 AI1分別把檢測軸和驅(qū)動軸電容/電壓轉(zhuǎn)換后的響應信號采集進 LabVIEW中進行閉環(huán)驅(qū)動信號以及角速率信號解調(diào)的處理,然后再把相移后的閉環(huán)驅(qū)動信號通過采集卡的 AO0通道輸出給外圍模擬電路產(chǎn)生推挽驅(qū)動信號,從而達到協(xié)調(diào)工作。

而 AI0與線①或線②的連接可以通過一個開關來自動完成切換,也就是用輸出通道 AO1發(fā)出高或低電平來控制繼電器進行開關選擇。因此,數(shù)據(jù)采集卡的四個通道能夠滿足陀螺的自動測試要求。

2 LabVIEW軟件設計

本文開發(fā)的 LabVIEW測試軟件主要包括六大功能模塊,具體如圖 2所示。

圖2 LabVIEW測試軟件功能模塊圖

(1)掃頻測試模塊：主要用于測試微機械陀螺的諧振頻率、諧振相位、諧振幅值和 Q值等,另外還包括數(shù)據(jù)圖片保存功能、時域分析、頻率響應分析、激勵源響應分析以及諧波分析等,初始化時,可以設置采樣頻率、掃描點數(shù)、掃描電壓值、掃描頻率范圍以及掃頻方式(粗掃、細掃或先粗掃后細掃)等,該模塊強大的功能大大地提高了掃頻數(shù)據(jù)處理與分析的效率。

(2)閉環(huán)驅(qū)動控制模塊：即在 LabVIEW軟件上基于已經(jīng)開發(fā)的實際電路,采用直流自動增益控制(AGC)來實現(xiàn),優(yōu)點在于可以自動捕捉諧振頻率,進行穩(wěn)幅控制[10]。該模塊功能主要通過 PI控制器、帶通和低通濾波器、相移器等來實現(xiàn)。

(3)角速率相敏解調(diào)模塊：該模塊主要包括帶通和低通濾波器、相移器和相干解調(diào)器。

在 LabVIEW軟件中實現(xiàn)信號的相移非常關鍵,如對信號 x(t)=Asin(ωt+φ)進行相移 θ度,可以通過先對信號求導(因為求導容易實現(xiàn))后放大 k倍再與原來信號相加,然后再放大 B倍來實現(xiàn),則：

因為 ω,θ已知,因此可以通過算出 B和 k從而容易構(gòu)建軟件程序來實現(xiàn)相移。從公式中可以看到該方法只能實現(xiàn) -90°到 90°的相移,如果要實現(xiàn)90°到 270°的相移可以通過信號取反(即相移 180°)后再進行 -90°到 90°的相移即可。

數(shù)字移相精度分析：相移角度 θ的精度只與ω相關,由于 ω∝f,所以系數(shù) k和 B的誤差也主要是由頻率 f引起的,而實驗中 f是由 LabVIEW的單頻測量模塊來提取,經(jīng)過實驗測量,其平均誤差為 0.045 Hz。假設 θ1為實際相移角度,ω1為實測角速度,則有：

因此在數(shù)字相移解調(diào)時,考慮 LabVIEW單頻測量模塊所帶來的誤差,數(shù)字系統(tǒng)也能正確解調(diào)信號,準確地測量微陀螺的性能指標。

(4)標度因數(shù)測試模塊：主要通過線性擬合等算法處理得到標度因數(shù)及其不對稱度、非線性以及重復性。

(5)零偏測試模塊：主要包括廣義最小二乘擬合以及 Allan方差等處理算法,得到零偏穩(wěn)定性和零偏重復性。

(6)數(shù)據(jù)報表生成模塊：將各項關鍵性能指標參數(shù)的測試結(jié)果保存在數(shù)據(jù)報表中,以方便查看,快速評估陀螺芯片的性能。

軟件自動測試流程圖如圖 3所示。

圖3 軟件自動測試流程圖

3 軟件測試與驗證

下面以隨機抽取的 11號陀螺為例,說明軟件的處理過程。本文先將封裝前的微機械陀螺芯片固定在探針測試卡上,然后將測試卡通過專用夾具固定在溫控單軸速率位置轉(zhuǎn)臺上進行自動測試。

圖4 掃頻測試響應圖

(1)掃頻測試：將掃頻交流電壓設置為 1 mV,帶寬為 6Hz,點數(shù)為 1 000點,采樣率為 100 kHz,可得到微機械陀螺驅(qū)動軸的掃頻測試圖如圖 4所示?？梢钥吹綊哳l的幅頻響應曲線(上面的波形圖)以及相頻響應曲線(下面的波形圖),并且可以自動得到 Q值約為 173,諧振頻率為 9 413.56 Hz,諧振峰值為 -3.018 dB,諧振相位為 -16.126°,通過調(diào)整信號讀出電路參數(shù)可以使得諧振相位為 -90°。

在曲線圖中還可以看到在 9 kHz左右存在著一個小耦合峰,說明有結(jié)構(gòu)耦合干擾,會影響陀螺的性能。因此,掃頻測試不僅可以用于測量 Q值和諧振頻率,還可以驗證是否存在結(jié)構(gòu)耦合干擾。

(2)為了更好地調(diào)整 AGC閉環(huán)控制參數(shù),使陀螺能夠穩(wěn)定工作,LabVIEW閉環(huán)驅(qū)動控制模塊還增加了開環(huán)控制功能,由掃頻測試得到的諧振頻率結(jié)合開環(huán)調(diào)試可以自動算出閉環(huán)后的相移以及信號放大倍數(shù)等參數(shù),從而能快速實現(xiàn)驅(qū)動閉環(huán)。陀螺閉環(huán)驅(qū)動幅值響應波形圖如圖 5所示,由該圖可以看到閉環(huán)驅(qū)動實現(xiàn)了陀螺結(jié)構(gòu)預期的穩(wěn)幅振動。Lab-VIEW數(shù)字參數(shù)的在線靈活調(diào)試,免去了焊接模擬電路的麻煩,大大提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率。

圖5 陀螺驅(qū)動端幅值響應圖

此外,通過在線靈活地調(diào)整相應的數(shù)字參數(shù)也可以方便地實現(xiàn)角速率信號的相干解調(diào),以抑制噪聲信號的干擾。

(3)標度因數(shù)測試：將微機械陀螺固定在溫控單軸速率位置轉(zhuǎn)臺上,上電預熱半小時后再控制轉(zhuǎn)臺從 -500 deg/s到 500 deg/s每隔 50 deg/s測量一個角速度信號的輸出。測量得到輸入角速度和輸出電壓關系曲線圖如圖 6所示,通過線性擬合得出陀螺的標度因數(shù)值為 2.611 1mV/deg?s-1,標度因數(shù)非線性為 0.424%,不對稱度為 0.545%,說明該陀螺線性度和對稱度較好。

圖6 標度因數(shù)關系曲線圖

(4)零偏性能測試：陀螺上電預熱半小時后開始采集零位數(shù)據(jù),在不施加角速率的情況下,每秒測一個陀螺信號輸出電壓值,測量 90 min,然后取60 min有效數(shù)據(jù),測試 11號陀螺得到波形圖如圖 7所示。由該圖可得零偏穩(wěn)定性為 0.51 deg/s;零偏重復性為 1.06%。由于零偏穩(wěn)定性較大,說明該陀螺零偏穩(wěn)定性較差,因此該陀螺性能并不優(yōu)良。

而圖 8是對另一隨機抽取的 12號陀螺進行的零偏測試圖,由該圖可得零偏穩(wěn)定性為 0.013 deg/s;零偏重復性為 0.336%,說明 12號陀螺的零偏穩(wěn)定性能優(yōu)于 11號陀螺的。

以上測試說明了自主開發(fā)的 LabVIEW測試軟件的處理流程,驗證了該自動測試系統(tǒng)的可行性和有效性,該測試軟件能夠快速可靠地對陀螺的性能進行初步評估。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合 NI PXI 4461數(shù)據(jù)采集卡,用 Lab-VIEW軟件來實現(xiàn)了陀螺信號處理算法和若干關鍵指標測試功能,包括陀螺掃頻測試、閉環(huán)控制測試、標度因數(shù)和零偏等相關性能測試,從而綜合評估微機械陀螺芯片的性能,并且通過具體實驗來驗證了開發(fā)軟件的可行性與有效性。該自動測試軟件大大提高了測試效率,為快速可靠地評估陀螺性能提供了一種手段。

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