CN103389112B - 三轴微型陀螺仪测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三轴微型陀螺仪的测试装置，包括驱动马达、主转轴、副转轴、定位马达和测试电路板，主转轴顶面为第一斜面，主转轴下部安装在驱动马达上，主转轴的第一斜面上固定有定位马达，副转轴底面为第二斜面，第二斜面与第一斜面平行，副转轴与定位马达连接，测试电路板安装在副转轴的顶面上；驱动马达驱动主转轴、副转轴、测试电路板及待测试样品旋转，定位马达驱动副转轴沿第一斜面旋转。本装置只需一个驱动马达和一个定位马达，就可驱动测试电路板，对待测试样品施加X、Y、Z三个轴向的激励信号；具有设备简单，易控制，造价低等优点。本发明还涉及三轴微型陀螺仪的测试方法，该方法操作简单，一次可以测试多个样品，产能高。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种三轴微型陀螺仪测试技术，特别涉及到一种三轴微型陀螺仪测试装置及其测试方法。
背景技术
陀螺仪是测量物体旋转速度的传感器，在微型陀螺仪出现前，都是机械或光学式陀螺仪，体积大，价格昂贵，主要应用于航海，航空航天和军事工业。上世纪90年代开始，随着微型陀螺仪，特别是MEMS陀螺仪技术的成熟，陀螺仪被开始应用于汽车的主动安全装置，如ESP，防侧翻等，现在在中高端汽车上已成为标配。本世纪开始，微型陀螺仪已被广泛应用于消费类电子产品，如游戏机、手机、平板电脑、数码相机、机器人、GPS、玩具等，成为智能化移动电子设备的核心元器件之一。
由于微型陀螺仪制造过程相当复杂，以MEMS陀螺仪为例，涉及到MEMS圆片加工、ASIC圆片加工、芯片封装等制造过程，总共有几百道加工步骤，其中的任何一道工序的不完美，都会对MEMS陀螺仪的性能产生影响，特别是每个器件之间的性能不一致。而用户的需要是感知真实世界的物体旋转速度信号，同一型号的器件必须有同样的性能。所以在微型陀螺仪产品出厂前，必须逐个进行参数测试和校准，如零偏、灵敏度等，以保证客户得到性能一致的产品。另外，高精度的微型陀螺仪在使用一段时间后，由于机械冲击、材料老化、温湿度循环等原因引起其性能漂移，需要定期对产品的性能进行测试和校正。
要测试陀螺仪就必须对陀螺仪施加一定量的激励信号源，测量陀螺仪的初始输出值，再通过陀螺仪内部的控制电路调节输出值，得到符合规格的产品。也就是说，测试和校准微型陀螺仪，必须以一定速度旋转陀螺仪待测式样品。在对单轴微型陀螺仪测试时，只需用到最简单的单轴转台，由一个驱动马达和相应的转轴、导电滑环、转盘等组成，驱动马达工作产生激励信号。但在测试三轴的微型陀螺仪时，要完成三个轴向的性能测试，需在X、Y、Z三个轴向以一定速度转动待测试样品，这样就必须要用到二个驱动马达来产生三个轴向的激励信号源。
现有技术的校准装置的测试头如图1、图2所示，它有一个精密驱动马达11和一个精密驱动马达13分别控制框架12和转轴16，驱动测试电路板14沿Y轴心线A和X轴心线B转动。
进行测试时，在图1状态时，驱动马达13不动，驱动马达11驱动框架12沿Y轴心线A转动，通过转轴16和测试电路板14带动待测试样品3在Y轴方向旋转，对待测试样品3施加Y轴旋转信号激励；保持驱动马达11不动，驱动马达13驱动转轴16沿X轴心线B转动，通过测试电路板14带动待测试样品3在X轴方向旋转，对待测试样品3施加X轴旋转信号激励；然后控制驱动马达13驱动转轴16沿X轴心线B转动到达图2所示状态，此时待测试样品3的正面3′朝向-Y轴方向，驱动马达11驱动框架12沿Y轴心线A转动，通过转轴16和测试电路板14带动待测试样品3在Z轴方向旋转，对待测试样品3施加Z轴旋转信号激励。这样，待测试样品3的X、Y、Z三个轴向的初始输出值都测到了，通过微型陀螺仪内部的控制电路调节最终输出值，就完成了待测试样品3的测试。
现有技术结构复杂，需要用到二个驱动马达，他们既要提供高精度的旋转动力，又要提供高精度的位置控制，测试系统控制复杂，设备价格昂贵。特别是待测试样品置于转动框架内部，由于受到可利用空间的限制，每次测试的样品数量少，产能低。
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，提供一种三轴微型陀螺仪测试装置，本装置只需一个驱动马达和一个定位马达，就可驱动测试电路板，对微型陀螺仪待测试样品施加X、Y、Z三个轴向的旋转激励信号；而且可一次性在测试电路板上安装多个待测试样品，具有设备简单，易控制，造价低，产能高。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种三轴微型陀螺仪测试装置，包括驱动马达、主转轴、副转轴、定位马达和测试电路板；
主转轴顶面为第一斜面，主转轴下部安装在驱动马达上，主转轴的第一斜面上固定有定位马达；副转轴底面为第二斜面，第二斜面与第一斜面相平行，副转轴第二斜面上固定有法兰，副转轴通过法兰与定位马达连接；测试电路板上具有线路布局，有导线与电信号测试仪器相连，测试电路板安装在副转轴的顶面上；
所述驱动马达驱动主转轴、定位马达、副转轴、测试电路板以及安装于测试电路板上的微型陀螺仪待测试样品旋转；
所述定位马达驱动副转轴沿第一斜面旋转。
为简单说明问题起见，以下对本发明所述三轴微型陀螺仪测试装置均简称为本装置。
驱动马达驱动主转轴，带动待测试样品旋转，为待测试样品提供旋转激励信号；定位马达控制待测试样品的方向，使待测试样品可沿X、Y、Z三个轴向旋转，感知三个轴向的激励信号。定位马达通过副转轴控制安装于测试电路板上的待测试样品在X、Y、Z三个不同位置，待测试样品就可感应到由驱动马达提供的X、Y、Z三个轴向的旋转激励信号，记录待测试样品的每个轴的初始输出值，再通过待测试样品内置的控制电路调节最终输出值，完成三轴微型陀螺仪待测试样品的测试。
本发明的驱动马达只负责提供精确的旋转动力，不需精确控制位置；同样，定位马达只负责精确定位控制，不提供精确旋转动力。这样，不但硬件成本低，而且测试系统的控制也比较简单；
主转轴的第一斜面与副转轴的第二斜面具有相同的倾斜角度，两个斜面始终保持平行，定位马达驱动副转轴沿主转轴斜面旋转；
测试电路板固定在副转轴上，由于没有框架的限制，测试电路板可以做得足够大，一次装载多个待测试样品，产能大，效率高。
为减轻所述主转轴和副转轴的重量，主转轴和副转轴为空心轴。
本发明还提供了三轴微型陀螺仪的测试方法，具体为：
（1）在三轴微型陀螺仪测试装置的测试电路板上安装三轴微型陀螺仪待测试样品（以下均简称为待测试样品）；
（2）定位马达通过副转轴控制安装于测试电路板上的待测试样品在X、Y、Z三个不同方向；
（3）驱动马达驱动主转轴，带动待测试样品旋转，为待测试样品提供旋转激励信号；
（4）记录待测试样品在X、Y或Z轴的初始输出值，通过待测试样品内置的控制电路调节最终输出值，完成待测试样品的测试。
其中步骤（2）中定位马达控制副转轴在主转轴斜面内分别转动0°、120°和240°，使待测试样品分别位于Z、Y、X三个不同轴向，从而能够接受三个轴向的旋转激励信号。
当副转轴与主转轴在同一条直线上时，待测试样品的Z轴向与驱动马达的旋转轴心线平行，驱动马达转动，为待测试样品提供Z轴向的激励信号，计算机系统读出样品的初始Z轴输出值，通过待测试样品内置的控制电路调节最终输出值，完成Z轴测试；
当副转轴在定位马达驱动下，沿主转轴斜面转过120°时，待测试样品的Y轴向与驱动马达的旋转轴心线平行，驱动马达转动，为待测试样品提供Y轴向的激励信号，计算机系统读出样品的初始Y轴输出值，通过待测试样品内置的控制电路调节最终输出值，完成Y轴测试；
当副转轴在定位马达驱动下，沿主转轴斜面转过240°时，待测试样品的X轴向与驱动马达的旋转轴心线平行，驱动马达转动，为待测试样品提供X轴向的激励信号，计算机系统读出样品的初始X轴输出值，通过待测试样品内置的控制电路调节最终输出值，完成X轴测试。
本发明的三轴微型陀螺仪测试方法操作简单，可以一次性在测试电路板上安装多个待测试样品，同时测试，产量较高；本发明的方法不仅可以测试三轴微型陀螺仪样品，也可以测试一轴或二轴微型陀螺仪样品。
附图说明
图1是现有技术的测试装置的测试头在状态1时的示意图。
图2是现有技术的测试装置的测试头在状态2时的示意图。
图3是本装置的主转轴的结构示意图。
图4是本装置的副转轴的结构示意图。
图5是本装置测试Z轴方向（0o）的示意图。
图6是本装置测试Y轴方向（120o）的示意图。
图7是本装置测试X轴方向（240o）的示意图。
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。
如图3—图5所示，三轴微型陀螺仪测试装置，包括驱动马达21、主转轴22、定位马达23、副转轴24和测试电路板26；
主转轴22为四棱柱，主转轴22顶面有第一斜面22a，第一斜面22a与主转轴22的两个侧面22b和22c分别相交于棱边22d和22e，侧面22b和侧面22c相交与棱边22f，第一斜面22a的两个棱边22d和22e都与棱边22f成135o角，主转轴22下部安装在驱动马达21上，主转轴22的第一斜面22a上固定有定位马达23；
副转轴24为四棱柱，副转轴24底面为第二斜面24a，第二斜面24a与副转轴24的两个侧面24b和24c分别相交于棱边24d和24e，侧面24b和侧面24c相交与棱边24f，第二斜面24a的两个棱边24d和24e都与棱边24f成135o角，第二斜面24a与第一斜面22a相平行，第二斜面24a上固定有法兰25，副转轴24通过法兰25与定位马达23连接；测试电路板26上具有线路布局，有导线与电信号测试仪器相连，测试电路板26安装在副转轴24的顶面上，测试电路板26与副转轴24相垂直；
所述驱动马达21驱动主转轴22、定位马达23、副转轴24、测试电路板26以及安装于测试电路板26上的待测试样品3以一定的速度旋转；
所述定位马达23驱动副转轴24沿第一斜面22a旋转，保持副转轴24旋转轴心线D与第一斜面22a垂直。
三轴微型陀螺仪的测试方法，使用如图3所示的测试装置，具体为：
Z轴方向的测试：如图5所示，副转轴24与主转轴22在同一条直线上，测试电路板26与副转轴24和主转轴22垂直，待测试样品3的Z轴方向与主转轴轴心线C平行，在驱动马达21和定位马达23都不转动时，待测试样品3输出的信号为待测试样品Z轴的零偏值Vz1；当驱动马达21以转速ω绕主转轴轴心线C旋转时，待测试样品3受到Z轴方向的旋转激励信号，输出感应信号Vz2，计算得出样品3的灵敏度Sz为：
Sz=(Vz2-Vz1)/ω，单位为：v/°/s
如果测得的待测试样品3的零偏Vz1或灵敏度Sz超出微型陀螺仪的产品规范，则控制测试装置的计算机系统通过待测试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，就完成了微型陀螺仪的Z轴的测试和校准；
Y轴方向的测试：待测试样品3的Z轴测试完成后，控制定位马达23驱动副转轴24绕副转轴轴心线D在主转轴斜面22a内逆时针转过120o，到达图6所示位置，此时，待测试样品3的Y轴方向与主转轴轴心线C平行，在驱动马达21和定位马达23都不转动时，待测试样品3输出的信号为微型陀螺仪Y轴的零偏值Vy1；当驱动马达21以转速ω绕主转轴轴心线C旋转时，待测试样品3受到Y轴方向的旋转激励信号，输出感应信号Vy2，计算得出待测试样品3的灵敏度Sy为：
Sy=(Vy2–Vy1)/ω，单位为：v/°/s
如果测得的待测试样品3的零偏Vy1或灵敏度Sy超出微型陀螺仪产品规范，则控制测试装置的计算机系统通过待测试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，就完成了微型陀螺仪的Y轴的测试和校准；
X轴方向的测试：待测试样品3的Y轴测试完成后，控制定位马达23驱动副转轴24绕副转轴轴心线D在主转轴斜面22a内逆时针再转过120o，即累计从初始位置转过240o，到达图7所示位置，此时，待测试样品3的X轴方向与主转轴轴心线C平行，在驱动马达21和定位马达23都不转动时，待测试样品3输出的信号为微型陀螺仪X轴的零偏值Vx1；当驱动马达21以转速ω绕主转轴轴心线C旋转时，待测试样品3受到X轴方向的旋转激励信号，输出感应信号Vx2，计算得出样品3的灵敏度Sx为：
Sx=(Vx2–Vx1)/ω，单位为：v/°/s
如果测得的样品3的零偏Vx1或灵敏度Sx超出微型陀螺仪产品规范，则控制测试装置的计算机系统通过待测试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，就完成了微型陀螺仪的X轴的测试和校准。
这样，微型陀螺仪待测试样品3的X、Y、Z三个轴的零偏和灵敏度就测试、校准完成。
需要说明的是，本发明的测试装置和测试方法不仅可以用于三轴微型陀螺仪的测试和校准，还可以用于一轴或二轴微型陀螺仪测试和校准。
以上所述仅是本发明的最佳实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明的技术方案进行若干变形或者等同替换，例如，将主转轴和副转轴改为带斜面的圆柱体或为了减小重量，将主转轴和副转轴设计为空心轴，这些都能达到本发明的技术效果，也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.三轴微型陀螺仪测试装置，包括驱动马达、主转轴、副转轴、定位马达和测试电路板，其特征在于：
主转轴顶面为第一斜面，主转轴下部安装在驱动马达上，主转轴的第一斜面上固定有定位马达；副转轴底面为第二斜面，第二斜面与第一斜面相平行，副转轴第二斜面上固定有法兰，副转轴通过法兰与定位马达连接；测试电路板上具有线路布局，有导线与电信号测试仪器相连，测试电路板安装在副转轴的顶面上；
所述驱动马达驱动主转轴、定位马达、副转轴、测试电路板以及安装于测试电路板上的待测样品旋转；
所述定位马达驱动副转轴沿第一斜面旋转。
2.如权利要求1所述的三轴微型陀螺仪测试装置，其特征在于：所述主转轴和副转轴为空心轴。
3.利用如权利要求1所述的三轴微型陀螺仪测试装置的三轴微型陀螺仪测试方法，其特征在于，所述方法为：
（1）在三轴微型陀螺仪测试装置的测试电路板上安装三轴微型陀螺仪待测试样品；
（2）定位马达通过控制副转轴转动使安装于测试电路板上的三轴微型陀螺仪待测试样品的X轴、Y轴或Z轴分别与驱动马达的旋转轴心线平行；
（3）驱动马达驱动主转轴，带动三轴微型陀螺仪待测试样品旋转，为三轴微型陀螺仪待测试样品提供旋转激励信号；
（4）记录三轴微型陀螺仪待测试样品在X轴、Y轴或Z轴的初始输出值，通过三轴微型陀螺仪待测试样品内置的控制电路调节最终输出值，完成三轴微型陀螺仪待测试样品的X轴、Y轴或Z轴的测试。
4.如权利要求3所述的三轴微型陀螺仪测试方法，其特征在于，所述方法具体为：步骤（2）中定位马达控制副转轴在主转轴的第一斜面内分别转动0°、120°、240°，使三轴微型陀螺仪待测试样品的Z轴、Y轴和X轴分别与驱动马达的旋转轴心线平行。
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