CN109781145B - 激光导引头mems陀螺的筛选测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光导引头MEMS陀螺的筛选测试系统，它包括测试数据采集单元、动态筛选测试单元和温度补偿筛选测试单元，本发明能够将采购回来的MEMS陀螺进行单独的性能筛选，避免将陀螺装机后才能进行性能筛选测试，若不合格只能报废处理，本方法可将单独的陀螺进行筛选测试，通过设计的三大筛选测试系统能够有效筛选出零位漂移误差小、不同转速环境下动态性稳定、不同温度环境下的角速度输出值稳定的MEMS陀螺，通过标定补偿方式能够将不同环境下筛选出来的有效MEMS陀螺的精度得到进一步的提高，使得产品的指标精度得到提高。

Description

激光导引头MEMS陀螺的筛选测试系统及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，具体地指一种激光导引头MEMS陀螺(Micro-Electro-Mechanical System，微机电陀螺)的筛选测试系统及方法。

背景技术

在导弹的导引头中，光电探测器为了获取稳定的目标图像，要求平台稳定系统能隔离弹体角位移对导弹射击线的扰动，实现导引头精确跟随目标瞄准线，从而为大视场目标捕获与跟踪和小视场目标识别提供测量和计算基准，提高导弹在行进间的命中率；平台稳定系统以陀螺为核心敏感元件，陀螺的测量精度在很大程度上决定了系统的稳定精度。由于传统的陀螺体积较大，早期的稳定跟踪平台在实际应用中常存在体积庞大、质量较重、可靠性差、价格昂贵、故障率高、难以保养维护等缺点。MEMS陀螺具有重量轻、体积小、低价格、低功耗及高可靠性等优点，广泛应用于军事装备和民用设施中。MEMS陀螺微型化特性决定了其能完成一些传统传感器无法在微米量级特征尺寸下实现的功能。目前，MEMS陀螺是国内外已实现并投入使用的最重要的MEMS惯性传感器之一。MEMS陀螺是激光导引头位标器中的核心部件，但由于MEMS陀螺自身的加工材料以及加工工艺水平等方面的制约，容易受到外界的温度影响及力矩干扰，造成陀螺的零位漂移误差大及动态性能不稳定等结果，所以需要对MEMS陀螺性能进行筛选，筛选出满足性能要求的陀螺，但是目前MEMS陀螺厂家不能进行性能筛选，只能采购回来后通过装机测试来筛选出性能合格的MEMS陀螺，不能单独对MEMS陀螺进行筛选。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种激光导引头MEMS陀螺的筛选测试系统及方法，本发明能够有效筛选出零位漂移误差小及动态性能稳定、温度感应好的陀螺。

为实现此目的，本发明所设计的激光导引头MEMS陀螺的筛选测试系统，其特征在于：它包括测试数据采集单元、动态筛选测试单元和温度补偿筛选测试单元，所述测试数据采集单元包括测试计算机和陀螺静态数据采集装置，陀螺静态数据采集装置的陀螺静态数据通信端连接测试计算机的通信端，陀螺静态数据采集装置的陀螺数据采集端用于连接MEMS陀螺的数据输出端；

所述动态筛选测试单元包括第一激光引导头筛选测试设备、第一陀螺数据采集设备、三轴转台、对三轴转台进行控制及数据采集的三轴转台控制器、设置在MEMS陀螺外围的第一静电释放装置、将MEMS陀螺固定到三轴转台上的第一陀螺固定块，所述第一激光引导头筛选测试设备的通信端连接第一陀螺数据采集设备的第一通信端，第一陀螺数据采集设备的第二通信端连接三轴转台控制器的通信端，第一陀螺数据采集设备的第三通信端连接MEMS陀螺的数据输出端；

所述温度补偿筛选测试单元包括第二激光引导头筛选测试设备、第二陀螺数据采集设备、温控箱、对温控箱进行控制及数据采集的温控箱控制器、设置在MEMS陀螺外围的第二静电释放装置、将MEMS陀螺固定到温控箱上的第二陀螺固定块，所述第二激光引导头筛选测试设备的通信端连接第二陀螺数据采集设备的第一通信端，第二陀螺数据采集设备的第二通信端连接温控箱控制器的通信端，第二陀螺数据采集设备第三通信端连接MEMS陀螺的数据输出端。

一种利用上述系统的激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：检测MEMS陀螺的阻抗值是否大于等于阻抗阈值，当陀螺的阻抗值大于等于阻抗阈值时进入步骤2，否则停止测试；

步骤2：通过测试数据采集单元对MEMS陀螺进行上电测试，陀螺静态数据采集装置获取MEMS陀螺静态下的零位值，当MEMS陀螺静态下的零位值处于预设的零位值误差范围内时进入步骤3，否则停止测试；

步骤3：通过动态筛选测试单元进行MEMS陀螺的动态筛选测试，通过三轴转台控制器控制三轴转台进行预设的A个不同预设转速下的MEMS陀螺状态测试，在每个预设转速下进行MEMS陀螺状态测试时判断MEMS陀螺的零位值是否处于预设的零位值误差范围内，同时确定MEMS陀螺的零位值时间曲线是否有跳点，当每个预设转速下进行MEMS陀螺状态测试时观察MEMS陀螺的零位值均在预设的零位值误差范围内，且MEMS陀螺的零位值时间曲线无跳点时进入步骤4，否则停止测试；

步骤4：通过温度补偿筛选测试单元进行MEMS陀螺的温度补偿筛选测试，通过温控箱控制器控制温控箱进行B个不同预设测试温度下的MEMS陀螺状态测试，在每个预设测试温度下进行MEMS陀螺状态测试时判断MEMS陀螺的零位值是否处于预设的零位值误差范围内，同时确定MEMS陀螺的零位值时间曲线是否有跳点，当每个预设测试温度下进行MEMS陀螺状态测试时的MEMS陀螺的零位值均在预设的零位值误差范围内，且MEMS陀螺的零位值时间曲线无跳点时，进入步骤5，否则停止测试；

步骤5：通过温控箱控制器控制温控箱在每个预设温度下保温15～25min，然后采集3～6min的MEMS陀螺的零位值作为陀螺零位值标定参考数据，陀螺温度补偿标定系统根据每个预设温度下的陀螺零位值标定参考数据对MEMS陀螺进行温度补偿标定使MEMS陀螺的零位值误差处于0°/S±0.06°/S之内。

本发明能够将采购回来的MEMS陀螺进行单独的性能筛选，避免将陀螺装机后才能进行性能筛选测试，若不合格只能报废处理，本方法可将单独的陀螺进行筛选测试，通过设计的三大筛选测试系统能够有效筛选出零位漂移误差小、不同转速环境下动态性稳定、不同温度环境下的角速度输出值稳定的MEMS陀螺，通过标定补偿方式能够将不同环境下筛选出来的有效MEMS陀螺的精度得到进一步的提高，使得产品的指标精度得到提高，从而满足产品的使用要求，且该方法能用于大批量的MEMS陀螺的筛选测试，具有良好的推广前景。

附图说明

图1为本发明的测试方法流程图；

图2为本发明的原始数据曲线图；

图3为本发明的温度补偿后的曲线图；

图4为本发明的数据对比图；

图5为本发明的陀螺数据采集系统；

图6为本发明的动态筛选测试系统；

图7为本发明的温度补偿标定筛选测试系统；

其中，1—测试数据采集单元、1.1—测试计算机、1.2—陀螺静态数据采集装置、2—动态筛选测试单元、2.1—三轴转台、2.2—三轴转台控制器、2.3—第一静电释放装置、2.4—第一陀螺固定块、2.5—第一激光引导头筛选测试设备、2.6—第一陀螺数据采集设备、3—温度补偿筛选测试单元、3.1—温控箱、3.2—温控箱控制器、3.3—第二静电释放装置、3.4—第二陀螺固定块、3.5—第二激光引导头筛选测试设备、3.6—第二陀螺数据采集设备、4—MEMS陀螺。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的一种激光导引头MEMS陀螺的筛选测试系统，它包括测试数据采集单元1、动态筛选测试单元2和温度补偿筛选测试单元3，所述测试数据采集单元1包括测试计算机1.1和陀螺静态数据采集装置1.2，陀螺静态数据采集装置1.2的陀螺静态数据通信端连接测试计算机1.1的通信端，陀螺静态数据采集装置1.2的陀螺数据采集端用于连接MEMS陀螺4的数据输出端，如图1所示；

所述动态筛选测试单元2包括第一激光引导头筛选测试设备2.5、第一陀螺数据采集设备2.6、三轴转台2.1、对三轴转台2.1进行控制及数据采集的三轴转台控制器2.2、设置在MEMS陀螺4外围的第一静电释放装置2.3(绝缘用)、将MEMS陀螺4固定到三轴转台2.1上的第一陀螺固定块2.4，所述第一激光引导头筛选测试设备2.5的通信端连接第一陀螺数据采集设备2.6的第一通信端，第一陀螺数据采集设备2.6的第二通信端连接三轴转台控制器2.2的通信端，第一陀螺数据采集设备2.6的第三通信端连接MEMS陀螺4的数据输出端；

所述温度补偿筛选测试单元3包括第二激光引导头筛选测试设备3.5、第二陀螺数据采集设备3.6、温控箱3.1、对温控箱3.1进行控制及数据采集的温控箱控制器3.2、设置在MEMS陀螺4外围的第二静电释放装置3.3、将MEMS陀螺4固定到温控箱3.1上的第二陀螺固定块3.4，所述第二激光引导头筛选测试设备3.5的通信端连接第二陀螺数据采集设备3.6的第一通信端，第二陀螺数据采集设备3.6的第二通信端连接温控箱控制器3.2的通信端，第二陀螺数据采集设备3.6第三通信端连接MEMS陀螺4的数据输出端。

本发明分析了陀螺在平台稳定系统中陀螺误差产生机理，设计了以DSP为核心的测试数据采集单元1，用于采集MEMS陀螺静态下的零位值，如图5。

动态筛选测试单元2根据模拟激光导引头在飞行过程中受到外界力矩干扰时，检测陀螺对加速度的敏感度(动态性能稳定性)而设计，通过动态筛选测试单元2筛选出动态性能性好的陀螺(陀螺的零位及角速度输出的稳定状态)，将动态性能的最大误差源最小化，以此筛选出动态性能误差小的陀螺，如图6，MEMS陀螺4在三轴转台2.1上在三轴转台控制器2.2的控制下进行预设的A个不同预设转速下的MEMS陀螺状态测试，第一陀螺数据采集设备2.6采集对应的转速信息和MEMS陀螺零位值信息；第一激光引导头筛选测试设备2.5根据采集的转速信息和MEMS陀螺零位值信息进行陀螺性能分析。

MEMS陀螺的性能受环境温度的变化影响非常大，当环境温度及功耗等发生变化时，MEMS陀螺的零位误差也发生变化，造成输出信号也发生相应的改变，严重影响陀螺输出信号的精度。因此，为了降低温度变化对MEMS陀螺使用精度的影响，设计了温度补偿筛选测试单元3，如图7，MEMS陀螺4在温控箱3.1内在温控箱控制器3.2的控制下进行B个不同预设测试温度下的MEMS陀螺状态测试，第二陀螺数据采集设备3.6采集对应的转速信息和MEMS陀螺零位值信息；第二激光引导头筛选测试设备3.5根据采集的转速信息和MEMS陀螺零位值信息进行陀螺性能分析。

一种利用上述系统的激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，如图1所示，它包括如下步骤：

步骤1：检测MEMS陀螺4的阻抗值是否大于等于阻抗阈值，当陀螺4的阻抗值大于等于阻抗阈值时进入步骤2，否则停止测试；

步骤2：通过测试数据采集单元1对MEMS陀螺进行上电测试，陀螺静态数据采集装置1.2获取MEMS陀螺静态下的零位值，当MEMS陀螺静态下的零位值处于预设的零位值误差范围内时进入步骤3，否则停止测试；

步骤3：通过动态筛选测试单元2进行MEMS陀螺的动态筛选测试，通过三轴转台控制器2.2控制三轴转台2.1进行预设的A个不同预设转速下的MEMS陀螺状态测试，在每个预设转速下进行MEMS陀螺状态测试时判断MEMS陀螺的零位值是否处于预设的零位值误差范围内，同时确定MEMS陀螺的零位值时间曲线是否有跳点，当每个预设转速下进行MEMS陀螺状态测试时观察MEMS陀螺的零位值均在预设的零位值误差范围内，且MEMS陀螺的零位值时间曲线无跳点时进入步骤4，否则停止测试；

步骤4：通过温度补偿筛选测试单元3进行MEMS陀螺的温度补偿筛选测试，通过温控箱控制器3.2控制温控箱3.1进行B个不同预设测试温度下的MEMS陀螺状态测试，在每个预设测试温度下进行MEMS陀螺状态测试时判断MEMS陀螺的零位值是否处于预设的零位值误差范围内，同时确定MEMS陀螺的零位值时间曲线是否有跳点，当每个预设测试温度下进行MEMS陀螺状态测试时的MEMS陀螺的零位值均在预设的零位值误差范围内，且MEMS陀螺的零位值时间曲线无跳点时，进入步骤5，否则停止测试；

步骤5：通过温控箱控制器3.2控制温控箱3.1在每个预设温度下保温15～25min，然后采集3～6min的MEMS陀螺的零位值作为陀螺零位值标定参考数据，陀螺温度补偿标定系统根据每个预设温度下的陀螺零位值标定参考数据对MEMS陀螺进行温度补偿标定使MEMS陀螺的零位值误差处于0°/S±0.06°/S之内，确保MEMS陀螺角速度稳定。

上述技术方案中，所述阻抗阈值为8.6kΩ。只有阻抗值大于8.6kΩ时，才能满足激光导引头中陀螺性能要求。

上述技术方案中，所述预设的零位值误差范围为0±15°/S，即-15°/S～15°/S。陀螺本身有零位，但是一般情况下需要通过设计的筛选方法选出误差范围为0±15°/S的陀螺，然后后续才能通过软件补偿到满足要求的陀螺零位。

上述技术方案中，通过三轴转台控制器2.2控制三轴转台2.1进行预设的6个不同预设转速下的MEMS陀螺状态测试，6个不同预设转速分别为-1°/s、1°/s、-2°/s、2°/s、-3°/s和3°/s。因为产品飞行特点设置的转速。看陀螺能否在这几个转速下零位满足要求。

上述技术方案中，三轴转台2.1在每个不同预设转速下转动3圈。

上述技术方案中，通过温控箱控制器3.2控制温控箱3.1进行8个不同预设测试温度下的MEMS陀螺状态测试，8个不同预设测试温度分别为-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃和40℃。根据模拟产品飞行过程中的温度范围。看陀螺能否在这个温度范围内零位达到要求。

通过温度补偿标定筛选测试得到了原始数据样本，并选取样本中较稳定数据中的部分数据，将温度值和零位值进行绘制曲线图，如图2所示，MEMS陀螺零位受温度影响，原始数据中的零位误差范围在-1.2～1.7左右，在不同温度下的零位误差相差较大。

根据MEMS陀螺误差模型原理，MEMS陀螺的零位误差受环境温度等因素的影响，可表达为环境温度等因素的线性多项式形式。由于温度场是作为一种分布式参数持续作用于陀螺的不同结构及部件，陀螺内部不同部位温度客观上存在差异，且都对陀螺零位误差有不同程度的影响，综合作用的结果使陀螺输出偏离输入形成零位误差。因此，MEMS陀螺的零位误差可以看成温度场在多个典型空间位置上的取值及其对时间倒数的线性组合采用多元线性回归统计的方法建立此类模型，根据已建立的数学模型对原始采样点进行零位补偿，经温度补偿后的采样点曲线如图3所示。

将图2与图3数据放在一起进行比较，具体如图4所示：经温度补偿后的MEMS陀螺零位不会随着温度发生漂移；该方法对MEMS陀螺受温度影响的零位进行了补偿，零位误差在±0.06左右，MEMS陀螺精度提高。

通过上述方法对激光导引头中的MEMS陀螺进行装机前测试、静态筛选测试、动态筛选测试后能够有效筛选出零位误差小、动态性能较好的陀螺，筛选后再经过温度补偿筛选测试采集原始数据样本后，通过建立MEMS陀螺温度补偿标定数学模型能够有效对MEMS陀螺零位进行精度补偿，经温度补偿后的MEMS陀螺零位精度提高，满足使用要求。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种利用激光导引头MEMS陀螺的筛选测试系统的激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，所述激光导引头MEMS陀螺的筛选测试系统包括测试数据采集单元(1)、动态筛选测试单元(2)和温度补偿筛选测试单元(3)，所述测试数据采集单元(1)包括测试计算机(1.1)和陀螺静态数据采集装置(1.2)，陀螺静态数据采集装置(1.2)的陀螺静态数据通信端连接测试计算机(1.1)的通信端，陀螺静态数据采集装置(1.2)的陀螺数据采集端用于连接MEMS陀螺(4)的数据输出端；

所述动态筛选测试单元(2)包括第一激光引导头筛选测试设备(2.5)、第一陀螺数据采集设备(2.6)、三轴转台(2.1)、对三轴转台(2.1)进行控制及数据采集的三轴转台控制器(2.2)、设置在MEMS陀螺(4)外围的第一静电释放装置(2.3)、将MEMS陀螺(4)固定到三轴转台(2.1)上的第一陀螺固定块(2.4)，所述第一激光引导头筛选测试设备(2.5)的通信端连接第一陀螺数据采集设备(2.6)的第一通信端，第一陀螺数据采集设备(2.6)的第二通信端连接三轴转台控制器(2.2)的通信端，第一陀螺数据采集设备(2.6)的第三通信端连接MEMS陀螺(4)的数据输出端；

所述温度补偿筛选测试单元(3)包括第二激光引导头筛选测试设备(3.5)、第二陀螺数据采集设备(3.6)、温控箱(3.1)、对温控箱(3.1)进行控制及数据采集的温控箱控制器(3.2)、设置在MEMS陀螺(4)外围的第二静电释放装置(3.3)、将MEMS陀螺(4)固定到温控箱(3.1)上的第二陀螺固定块(3.4)，所述第二激光引导头筛选测试设备(3.5)的通信端连接第二陀螺数据采集设备(3.6)的第一通信端，第二陀螺数据采集设备(3.6)的第二通信端连接温控箱控制器(3.2)的通信端，第二陀螺数据采集设备(3.6)第三通信端连接MEMS陀螺(4)的数据输出端；

其特征在于，激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，包括如下步骤：

步骤1：检测MEMS陀螺(4)的阻抗值是否大于等于阻抗阈值，当陀螺(4)的阻抗值大于等于阻抗阈值时进入步骤2，否则停止测试；

步骤2：通过测试数据采集单元(1)对MEMS陀螺进行上电测试，陀螺静态数据采集装置(1.2)获取MEMS陀螺静态下的零位值，当MEMS陀螺静态下的零位值处于预设的零位值误差范围内时进入步骤3，否则停止测试；

步骤3：通过动态筛选测试单元(2)进行MEMS陀螺的动态筛选测试，通过三轴转台控制器(2.2)控制三轴转台(2.1)进行预设的A个不同预设转速下的MEMS陀螺状态测试，在每个预设转速下进行MEMS陀螺状态测试时判断MEMS陀螺的零位值是否处于预设的零位值误差范围内，同时确定MEMS陀螺的零位值时间曲线是否有跳点，当每个预设转速下进行MEMS陀螺状态测试时观察MEMS陀螺的零位值均在预设的零位值误差范围内，且MEMS陀螺的零位值时间曲线无跳点时进入步骤4，否则停止测试；

步骤4：通过温度补偿筛选测试单元(3)进行MEMS陀螺的温度补偿筛选测试，通过温控箱控制器(3.2)控制温控箱(3.1)进行B个不同预设测试温度下的MEMS陀螺状态测试，在每个预设测试温度下进行MEMS陀螺状态测试时判断MEMS陀螺的零位值是否处于预设的零位值误差范围内，同时确定MEMS陀螺的零位值时间曲线是否有跳点，当每个预设测试温度下进行MEMS陀螺状态测试时的MEMS陀螺的零位值均在预设的零位值误差范围内，且MEMS陀螺的零位值时间曲线无跳点时，进入步骤5，否则停止测试；

步骤5：通过温控箱控制器(3.2)控制温控箱(3.1)在每个预设温度下保温15～25min，然后采集3～6min的MEMS陀螺的零位值作为陀螺零位值标定参考数据，陀螺温度补偿标定系统根据每个预设温度下的陀螺零位值标定参考数据对MEMS陀螺进行温度补偿标定使MEMS陀螺的零位值误差处于0°/S±0.06°/S之内。

2.根据权利要求1所述激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，其特征在于：所述阻抗阈值为8.6kΩ。

3.根据权利要求1所述激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，其特征在于：所述预设的零位值误差范围为0±15°/S。

4.根据权利要求1所述激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，其特征在于：通过三轴转台控制器(2.2)控制三轴转台(2.1)进行预设的6个不同预设转速下的MEMS陀螺状态测试，6个不同预设转速分别为-1°/s、1°/s、-2°/s、2°/s、-3°/s和3°/s。

5.根据权利要求4所述激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，其特征在于：三轴转台(2.1)在每个不同预设转速下转动3圈。

6.根据权利要求4所述激光导引头MEMS陀螺的筛选测试方法，其特征在于：通过温控箱控制器(3.2)控制温控箱(3.1)进行8个不同预设测试温度下的MEMS陀螺状态测试，8个不同预设测试温度分别为-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃和40℃。

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