CN103245799B - 多轴微型运动传感器的校准设备及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多轴微型运动传感器的校准设备，包括马达、传动轴、三角架和校准电路板；三角架由一个竖直面和两个等边斜面组成，两个斜面与轴心线成一角度；校准电路板具有对称结构和线路布局，有导线与电信号测试仪器联接；马达与传动轴连接，传动轴与三角架连接，马达产生的转动力通过传动轴传输到三角架上，校准电路板对称地固定在三角架的两个等边斜面上。本设备只需一个马达，利用外部环境的磁场作地磁传感器的激励信号源，设备简单，成本低，而且马达距离待校准样品有一定距离，马达对磁场激励信号源干扰较小，校准更加准确。本发明还涉及多轴微型运动传感器的校准方法，该方法操作简单，一次可以校准多个样品。

Description

多轴微型运动传感器的校准设备及校准方法

技术领域

本发明专利涉及一种多轴微型运动传感器的校准技术，特别涉及到一种多轴微型运动传感器的校准设备及校准方法。

背景技术

微型传感器，特别是微机电系统(MEMS)传感器，被用于将自然界的物理量转换为电信号供给微处理器，将真实世界与电脑相联接，构成了互联网的基石。

微型运动传感器包括重力传感器、角速度传感器、地磁传感器，及他们的组合，用于感知物体的运动和姿态。随着其在手机、平板电脑等移动电子设备上的广泛应用而进入消费者的生活。最早进入移动电子产品的是重力传感器，然后是地磁传感器，最后是角速度传感器。重力传感器是一种加速度传感器，用于感知物体与地球引力方向的角度、物体的自由落体运动、物体的线性运动等；角速度传感器用于感知物体的旋转速度；地磁传感器用于感知物体与地球磁场方向的相对角度。每个传感器均可感知x、y、z三个轴向的信号。消费类移动电子设备要求电子元器件体积小、功耗低、价格便宜，所以越来越多的组合式多轴微型运动传感器被应用，如将重力传感器和地磁传感器组合成一个6轴传感器，将重力传感器和角速度传感器组合成一个6轴传感器，以及将重力传感器、地磁传感器、角速度传感器组合成一个9轴传感器。

由于微型运动传感器制造过程相当复杂，以MEMS传感器为例，涉及到MEMS圆片加工、ASIC(Application Specific Integrated Circuit的英文缩写，指为专门目的而设计的集成电路)圆片加工、芯片封装等制造过程，其中任何一道工序出错，都会对MEMS传感器的性能产生影响，特别是导致每个传感器之间的性能不一致。而用户的需要是感知真实世界的模拟物理量，同一型号的传感器必须具有同样的性能。所以在微型传感器产品出厂前，必须逐个进行参数校准，如零偏、灵敏度等，以保证客户得到性能一致的产品。

要校准传感器就必须对传感器施加一定量的激励信号源，测量传感器的初始输出值，再通过传感器内部的控制电路调节输出值，得到符合出厂规范的产品。也就是说，校准重力传感器，必须施加一定量的重力；校准角速度传感器，必须施加一定量的旋转速度；校准地磁传感器，必须施加一定量的磁场。现有技术的校准装置的测试头如图1、图2所示，它有一个精密马达11和一个精密马达13分别控制框架12和转轴16，驱动测试座14沿x轴心线A和y轴心线B转动。

在校准重力传感器时，将地球引力作为激励信号源，因为在地球上的物体都受到地球万有引力的作用，产生1个地球引力单位(9.8m/s²)的加速度，称为1g，方向指向地心。所以待校准样品15受到测试座14的反作用力，即受到逆地心方向、大小为1g的加速度作用。进行测量时，在图1所示状态时，待校准样品15的y轴向与地球引力平行，受力+1g；x轴向与地球引力垂直，受力0g；z轴向与地球引力垂直，受力0g。当精密马达11驱动框架12沿x轴心线90顺时针转过90°时，待校准样品15的z轴向与地球引力平行，受力+1g；x轴向与地球引力垂直，受力0g；y轴向与地球引力垂直，受力0g。以此类推，可以测得待校准样品15的y轴和z轴的零偏初始输出值和零敏度初始输出值。然后控制精密马达13驱动转轴16沿Y轴心线B顺时针转过90°，形成图2所示状态。此时待校准样品的正面15′朝向-x方向，待校准样品15的y轴向与地球引力平行，受力+1g；x轴向与地球引力垂直，受力0g；z轴向与地球引力垂直，受力0g。当马达11驱动框架12沿x轴心线A顺时针转过90°时，待校准样品15的x轴向与地球引力平行，受力+1g；y轴向与地球引力垂直，受力0g；z轴向与地球引力垂直，受力0g。以此类推，可以测得待校准样品15的x轴和y轴的零偏初始输出值和零敏度初始输出值。这样，待校准样品的x，y，z三个轴向的初始输出值都测到了，通过传感器内部的控制电路调节最终输出值，就完成了重力传感器的校准。

在校准角速度传感器时，由马达转动产生激励信号。进行测量时，在图1状态时，马达11驱动框架12沿x轴心线A转动，通过转轴16和测试座15带动待校准样品15在x轴方向旋转，对待校准样品15施加x轴角速度信号激励；马达13驱动转轴16沿y轴心线B转动，通过测试座14带动待校准样品15在y轴方向旋转，对待校准样品15施加y轴角速度信号激励。然后控制马达13驱动转轴16沿y轴心线B转动到达图2所示状态，此时待校准样品15的正面15′朝向-x方向，马达11驱动框架12沿x轴心线A转动，通过转轴16和测试座14带动待校准样品15在z轴方向旋转，对待校准样品15施加z轴角速度信号激励。这样，待校准样品的x，y，z三个轴向的初始输出值都测到了，通过传感器内部的控制电路调节最终输出值，就完成了角速度传感器的校准。

在校准地磁传感器时，图1、图2所示的现有技术的校准装置的测试头中，待校准样品15距驱动马达11和13非常近，马达产生的干扰磁场非常强，利用外部磁场作为激励信号源变得不可能，所以只能在测试座14内置线圈，产生x，y，z方向的磁场作为校准样品15的激励信号源。

综上所述，现有技术需用到两个驱动马达，产生3个轴向的激励信号。而且，由于驱动马达距待校准样品太近，对磁场激励信号源干扰太大，在校准地磁传感器时，只能在测试座中内置线圈，产生磁场，增大了测试座的体积，也就是降低了每次可同时校准的样品数量，即降低了产能。总之，现有技术结构复杂，设备价格昂贵，产能有限，在对价格特别敏感，对性能要求不太苛刻的消费级多轴微型运动传感器的生产中，设备折旧所占成本太高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种多轴微型运动传感器的校准设备，本设备只需一个驱动马达，利用外部环境的磁场作地磁传感器的激励信号源，具有设备简单，成本低的特点，而且马达距离待校准样品有一定距离，马达对磁场激励信号源干扰较小，校准更加准确。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多轴微型运动传感器的校准设备，包括马达、传动轴、三角架和校准电路板；

三角架由一个竖直面和两个等边斜面组成，竖直面与地球引力方向平行，两个等边斜面与轴心线成一角度；

校准电路板具有对称结构和线路布局，有导线与电信号测试仪器联接；

马达与传动轴连接，传动轴与三角架的竖直面连接，马达产生的转动力通过传动轴传输到三角架上，校准电路板对称地固定在三角架的两个等边斜面上。

校准时，将待校准样品按一定方向安装在校准电路板的固定位置，施加激励信号，转动马达，记录待校准样品的初始输出值，通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值，即可实现对待校准样品的校准。本发明的校准设备结构简单，三角结构保证了转动的平稳性，马达通过传动轴带动三角架转动、三角架再带动校准电路板和待校准样品转动，马达与待校准样品之间的有一固定距离，马达对磁场激励信号源干扰较小，校准更加准确。

马达上有法兰、法兰与联轴器的一端连接，联轴器另一端与传动轴连接，传动轴通过轴承固定在支架上。马达通过联轴器连接传动轴，带动传动轴转动，但不承受传动轴的重量，保证了转动的平稳性；传动轴通过轴承固定在一个支架上，可以承受三角架、校准电路板、待校准样品的重量，负载能力大。

三角架由非磁性材料制作，避免了校准地磁传感器时对磁场激励信号源的干扰。

所述多轴微型运动传感器的包括重力传感器、角速度传感器、地磁传感器及他们的组合。

本发明还提供了多轴微型运动传感器的校准方法，具体为：在进行待校准样品的校准时，将待校准样品安装在校准电路板上，待校准样品在校准电路板上的安装位置与轴心线的投影成一固定角度。

在校准重力传感器时，待校准样品受到地球引力的反作用力在x，y，z三个轴向的分量，马达转动90°、180°、270°，记录转动前、后各个位置下待校准样品的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值，达成重力传感器的校准目的；

在校准角速度传感器过程中，当马达匀速转动时，待校准样品受到x，y，z三个轴向的角速度分量的激励信号，记录待校准样品的每个轴的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值，达成角速度传感器的校准目的。

地磁传感器的校准时，利用一个固定方向的外部磁场或直接利用地球磁场作为激励信号源，马达转动90°、180°、270°，记录转动前、后各个位置下待校准样品的x，y，z三个轴的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值，达成地磁传感器的校准目的。

本发明的校准方法操作简单，一次可以同时校准多个九轴运动传感器，产量较高。

附图说明

图1是现有技术的校准装置的测试头在状态1时的示意图。

图2是现有技术的校准装置的测试头在状态2时的示意图。

图3是本发明多轴微型运动传感器校准设备初始(0o)位置示意图。

图4是本发明多轴微型运动传感器校准设备90o位置示意图。

图5是本发明多轴微型运动传感器校准设备180o位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

多轴微型运动传感器的校准设备，如图3所示，包括马达21、法兰22、联轴器2.、轴承24、传动轴25、支架28、三角架26、校准电路板27a和校准电路板27b。

所述马达21上有一个法兰22，法兰22是马达21上用于和联轴器23连接的部件；联轴器23是用于联接法兰22和传动轴25的部件，联轴器23只传输转动力，不承受传动轴25的重量，避免马达21与传动轴25之间直接连接，保证转动的平稳性；马达21产生的转动力通过法兰22和联轴器23传输到传动轴25上；传动轴25通过轴承24固定在支架28上，传动轴25一端连接三角架26，所述三角架26由一个竖直面26a和两个等边斜面26b、26c组成，三角架的两个斜面26b、26c与轴心线30成θ角。竖直面26a与地球引力32方向平行，采用三角结构的目的是其结构稳定性好，对称性高，在转动时晃动小；三角架26用非磁性材料制作，避免在校准地磁传感器时设备本身对磁场激励信号的干扰。马达21产生的转动力通过传动轴25传输到三角架26上；校准电路板27a和27b对称地固定在三角架的两个斜面26b和26c上，由于传动轴25、三角架26，电路板27a、27b和待校准样品29a、29b、29c和29d的重量都由轴承24支撑，马达21只负责提供转动力，设备的负载能力强，一次可装载多个样品，产能高。

由于马达21与待校准样品29a、29b、29c和29d之间隔着传动轴25和三角架26，具有一定的距离，马达21对磁场激励信号源31的干扰非常小，不影响地磁传感器的校准。

所述校准电路板27a和27b具有对称的结构和线路布局，有导线与电信号测试仪器相连，用于为待校准样品提供电源和电信号输出通道，读取和输出不同激励信号状态下待校准样品的初始输出值，输入校准参数，调节最终输出值。

本发明的多轴微型运动传感器的校准方法，使用如图3所示的校准设备，具体为：

待校准样品29a、29b按一定方向安装在校准电路板27a的固定位置上，如图4所示，待校准样品29a′、29b′与轴心线30成β角，安装在轴心线30的上半部，待校准样品29a″、29b″与轴心线30成β角，安装在轴心线30的下半部，待校准样品29a′、29b′与29b′、29a′的位置沿轴心线30对称。同样，待校准样品29c、29d按一定方向对称安装在校准电路板27b的固定位置上，所有待校准样品与轴心线30成β角。

在设备工作时，轴心线30与地球引力方向32垂直，图3所示为初始位置，三角架26的竖直面26a与地球引力方向32平行，校准电路板27a在上，校准电路板27b在下。

角速度传感器的校准：

马达21匀速转动，利用马达21匀速转动产生的角速度作为激励信号源，待校准样品受到x，y，z三个轴向的角速度分量的激励信号，记录待校准样品的每个轴的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值：

当马达21以角速度ω匀速转动时，角速度激励信号33被施加到待校准样品上，待校准样品在x、y、z三个轴向上感应到的角速度激励信号大小分别为：

ω(x)＝ω*cosθ*cosβ

ω(y)＝ω*cosθ*sinβ

ω(z)＝ω*sinθ

对应x、y、z三个轴向输出值分别为U(x)、U(y)、U(z)。待校准样品在马达21不转动时的输出值为初始零偏输出值，分别为U(x₀)、U(y₀)、U(z₀)，由马达21转动时的输出值计算出初始零敏度输出值：

R(x)＝[U(x)-U(x₀)]/(cosθ*cosβ)

R(y)＝[U(y)-U(y₀)]/(cosθ*sinβ)

R(z)＝[U(z)-U(z₀)]/(sinθ)

通过待校准样品内置的微控制电路调整参数，将零偏最终输出值和灵敏度最终输出值调整到产品规范以内，就完成了角速度传感器的校准。角速度ω的单位为o/秒，零偏单位为V，灵敏度单位为V/°/秒。

重力传感器校准：

利用地球引力的反作用力32作为激励信号源，马达21转动90°、180°、270°，记录转动前、后各个位置下待校准样品的在x，y，z三个轴向的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值：

在图3所示初始位置时，待校准样品感应到的来自地球引力的重力激励信号，受到1个地球引力单位(1G＝9.8m/s²)的反作用力，以待校准样品29a为例，在x、y、z三个轴向上的激励信号大小分别为：

G(x)＝-G*sinθ*cosβ

G(y)＝-G*sinθ*sinβ

G(z)＝G*cosθ

初始输出值分别为V(x₀)、V(y₀)、V(z₀)。

当马达21顺时针转过90°时，到达图4所示位置，此时校准电路板27a、27b与地球引力32平行，待校准样品29a在x、y、z三个轴向上受到的激励信号大小分别为：

G(x)＝-G*sinβ

G(y)＝-G*cosβ

G(z)＝0

初始输出值分别为V(x₉₀)、V(y₉₀)、V(z₉₀)。

当马达21顺时针转过180°，到达如图5所示位置，待校准样品29a在x、y、z三个轴向上受到的激励信号大小分别为：

G(x)＝G*sinθ*cosβ

G(y)＝G*sinθ*sinβ

G(z)＝-G*cosθ

初始输出值分别为V(x₁₈₀)、V(y₁₈₀)、V(z₁₈₀)。

当马达21顺时针转过270°时，待校准样品29a在x、y、z三个轴向上受到的激励信号大小分别为：

G(x)＝G*sinβ

G(y)＝G*cosβ

G(z)＝0

初始输出值分别为V(x₂₇₀)、V(y₂₇₀)、V(z₂₇₀)。

根据在上述各位置时初始输出值的记录下，计算待校准样品29a的重力传感器在x、y、z三个轴向的初始零偏，单位为v：

V₀(x)＝[V(x₂₇₀)+V(x₉₀)]/2

V₀(y)＝[V(y₂₇₀)+V(y₉₀)]/2

V₀(z)＝[V(z₂₇₀)+V(z₉₀)]/2

待校准样品29a的初始灵敏度计算如下，单位为v/g:

S(x)＝[V(x₂₇₀)-V(x₉₀)]/(2*sinβ)

S(y)＝[V(y₂₇₀)-V(y₉₀)]/(2*cosβ)

S(z)＝[V(z₁₈₀)-V(z₀)]/(2*cosθ)

通过待校准样品内置的微控制电路调整参数，将零偏最终输出值和灵敏度最终输出值调整到产品规范以内，就完成了重力传感器的校准。

地磁传感器校准：

利用一个固定方向、大小的外部磁场作为激励信号源，马达21转动90°、180°、270°，记录转动前、后各个位置下待校准样品的x，y，z三个轴的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值：

在图3所示初始位置时，待校准样品感应到一个大小为M，方向如图3所示的均匀磁场激励信号31，以待校准样品29a为例，在x、y、z三个轴向上的激励信号大小分别为：

M(x)＝-M*sinβ

M(y)＝M*cosβ

M(z)＝0

初始输出值分别为W(x₀)、W(y₀)、W(z₀)。

当马达21顺时针转过90°时，到达图4所示位置，此时校准电路板27a、27b与地球引力32平行，待校准样品29a在x、y、z三个轴向上受到的激励信号大小分别为：

M(x)＝M*sinθ*cosβ

M(y)＝M*sinθ*sinβ

M(z)＝-G*cosθ

初始输出值分别为W(x₉₀)、W(y₉₀)、W(z₉₀)。

当马达21顺时针转过180°，到达如图5所示位置，待校准样品29a在x、y、z三个轴向上受到的激励信号大小分别为：

M(x)＝M*sinβ

M(y)＝-M*cosβ

M(z)＝0

初始输出值分别为W(x₁₈₀)、W(_y180)、W(z₁₈₀)。

当马达21顺时针转过270°时，待校准样品29a在x、y、z三个轴向上的激励信号大小分别为：

M(x)＝-G*sinθ*cosβ

M(y)＝-G*sinθ*sinβ

M(z)＝G*cosθ

初始输出值分别为W(x₂₇₀)、W(_y270)、W(z₂₇₀)。

根据在上述各位置时初始输出值的记录下，计算待校准样品29a的地磁传感器在x、y、z三个轴向的初始零偏，单位为v：

W₀(x)＝[W(x₁₈₀)+W(x₀)]/2

W₀(x)＝[W(y₁₈₀)+W(y₀)]/2

W₀(x)＝[W(z₁₈₀)+W(z₀)]/2

待校准样品29a的初始灵敏度计算如下，单位为v/g:

S(x)＝[V(x₁₈₀)-V(x₀)]/(2*sinβ)

S(y)＝[V(y₀)-V(y₁₈₀)]/(2*cosβ)

S(z)＝[V(z₂₇₀)-V(z₉₀)]/(2*cosθ)

通过待校准样品内置的微控制电路调整参数，将零偏最终输出值和灵敏度最终输出值调整到产品规范以内，就完成了地磁传感器的校准。

Claims (5)

1.多轴微型运动传感器的校准设备，其特征在于：包括马达、传动轴、三角架和校准电路板；

三角架由一个竖直面和两个等边斜面组成，竖直面与地球引力方向平行，两个等边斜面与轴心线成一角度；

校准电路板具有对称结构和线路布局，有导线与电信号测试仪器联接；

马达与传动轴连接，传动轴与三角架的竖直面连接，马达产生的转动力通过传动轴传输到三角架上，校准电路板对称地固定在三角架的两个等边斜面上。

2.如权利要求1所述的多轴微型运动传感器的校准设备，其特征在于：马达上有法兰、法兰与联轴器的一端连接，联轴器另一端与传动轴连接，传动轴通过轴承固定在支架上。

3.如权利要求1所述的多轴微型运动传感器的校准设备，其特征在于：所述三角架材料为非磁性材料。

4.多轴微型运动传感器的校准方法，其特征是，所述方法为：在权利要求1至3中任一项所述的校准电路板上安装待校准样品，所述待校准样品在校准电路板上的安装位置与轴心线的投影成一固定角度，在待校准样品上施加激励信号源，马达带动三角架转动，待校准样品受到激励信号，记录待校准样品的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值，完成待校准样品的校准。

5.根据权利要求4所述的多轴微型运动传感器的校准方法，其特征在于：所述方法具体为：

重力传感器的校准：利用地球引力的反作用力作为激励信号源，马达转动90^o、180^o、270^o，记录转动前、后各个位置下待校准样品的在x，y，z三个轴向的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值，达成重力传感器的校准目的；

角速度传感器的校准：马达匀速转动，利用马达匀速转动产生的角速度作为激励信号源，待校准样品受到x，y，z三个轴向的角速度分量的激励信号，记录待校准样品的每个轴的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值，完成角速度传感器的校准；

地磁传感器的校准：利用一个固定方向、大小的外部磁场作为激励信号源，马达转动90^o、180^o、270^o，记录转动前、后各个位置下待校准样品的x，y，z三个轴的初始输出值，再通过待校准样品内置的控制电路调节最终输出值，完成地磁传感器的校准。