Dalam bidang-bidang seperti navigasi inersia, kendali drone, dan perangkat wearable pintar, akurasi pengukuran giroskop MEMS secara langsung menentukan kinerja sistem. Namun, karena faktor-faktor seperti tekanan pengemasan, drift suhu, dan kesalahan zero-bias, giroskop MEMS rentan terhadap penyimpangan data setelah keluar dari pabrik. Pengendali suhu meja putar, sebagai peralatan kalibrasi khusus , dapat menghilangkan kesalahan sistem melalui prosedur standar, memungkinkan giroskop kembali ke keadaan pengukuran optimalnya. Artikel ini merinci langkah-langkah inti dan teknologi kunci untuk mengkalibrasi giroskop MEMS menggunakan suhu- meja putar terkontrol, membantu para insinyur menyelesaikan pekerjaan kalibrasi secara efisien.

I. Persiapan sebelum kalibrasi: Verifikasi ganda peralatan dan parameter

Kalibrasi yang akurat memerlukan lingkungan pengujian yang stabil, dan pekerjaan persiapan inti berputar di sekitar "pencocokan peralatan" dan "reset status":

Pemilihan dan koneksi peralatan : Pilih meja putar terkontrol suhu dengan rentang laju sudut yang mencakup rentang pengukuran giroskop (biasanya ±1000°/s hingga ±20000°/s) dan akurasi posisi sudut ≤0,001° ; selesaikan komunikasi data antara meja putar dan giroskop melalui antarmuka RS485/USB, dan sambungkan ke sistem kontrol suhu untuk menstabilkan suhu sekitar pada 25℃±2℃ (untuk menghilangkan gangguan suhu).

Pra-pemrosesan giroskop : Pasang giroskop MEMS ke platform pemasangan tengah meja putar, pastikan bahwa permukaan pemasangan tegak lurus terhadap sumbu rotasi meja putar (kesalahan koaksialitas ≤ 0,02mm); panaskan selama 30 menit untuk memungkinkan sirkuit internal giroskop mencapai kesetimbangan termal dan menghindari drift suhu awal yang memengaruhi data kalibrasi.

Pengaturan parameter referensi : Masukkan parameter dasar seperti model giroskop, sensitivitas nominal (misalnya, 10mV/(°/s)), dan tegangan zero bias ke dalam sistem kontrol meja putar, sesuaikan protokol kalibrasi standar (misalnya, IEEE 1554.2), dan selesaikan pencocokan parameter antara perangkat.

II. Proses Kalibrasi Inti: Kalibrasi Dimensi Penuh dari Zero Bias Statis ke Laju Dinamis

Pengendali suhu meja putar mencapai kalibrasi komprehensif dari zero bias, sensitivitas, dan kesalahan nonlinier giroskop melalui kombinasi dari penentuan posisi statis dan rotasi dinamis. Proses intinya terdiri dari tiga langkah:

1. Kalibrasi zero-bias statis: Menghilangkan referensi kesalahan statis

Kesalahan zero bias adalah drift keluaran giroskop saat diam, dan itu adalah faktor kunci yang memengaruhi akurasi pengukuran statis. Suhu -terkontrol meja putar tetap diam (laju sudut = 0°/s), dan data keluaran giroskop terus dikumpulkan selama 10 menit. Nilai tegangan dicatat setiap 10ms, dan zero bias rata-rata dihitung menggunakan rumus berikut:

Zero bias V₀ = (Σ Vᵢ ) / n ( i = 1 hingga n , di mana n adalah jumlah total set data)

Pengecualian yang melebihi rentang 3σ ( σ adalah standar deviasi) dihapus , dan nilai zero bias akhir digunakan sebagai tolok ukur untuk koreksi data selanjutnya.

2. Kalibrasi sensitivitas dinamis: Menetapkan hubungan linier antara input dan output.

Sensitivitas adalah rasio perubahan keluaran giroskop terhadap laju sudut masukannya; kalibrasi harus mencakup rentang penuhnya. Pengendali suhu meja putar diputar secara seragam pada lima laju sudut karakteristik (misalnya, 100°/s, 500°/s, 1000°/s, 1500°/s, 2000°/s). Setelah stabil selama 3 menit pada setiap laju, data dikumpulkan, dan tegangan keluaran rata-rata Vᵢ yang sesuai dengan setiap laju dihitung .

Sensitivitas K = ( Vᵢ - V₀ ) / ωᵢ ( ωᵢ adalah kecepatan sudut yang ditetapkan dari meja putar)

dengan ωᵢ sebagai sumbu horizontal dan ( Vᵢ - V ₀) sebagai sumbu vertikal. Hitung persamaan fitting linier menggunakan metode kuadrat terkecil untuk memastikan bahwa kebaikan fitting R² ≥ 0,999. Kemiringan pada titik ini adalah sensitivitas sebenarnya setelah kalibrasi.

3. Kalibrasi kesalahan nonlinier: Mengoreksi penyimpangan di seluruh penuh rentang pengukuran.

Berdasarkan kalibrasi sensitivitas, tambahkan 10 titik kecepatan sudut yang terdistribusi secara seragam (misalnya, 200°/s, 400°/s...1800°/s), ulangi proses akuisisi data dinamis, dan hitung penyimpangan antara keluaran sebenarnya dan nilai fitting linier pada setiap titik:

Kesalahan nonlinier δ = [( _sebenarnya V - _pas V ) / ( skala penuh V - V₀ )] × 100%

Jika δ melebihi persyaratan kinerja giroskop (biasanya ≤0,5%), koefisien kompensasi kesalahan perlu diterapkan melalui sistem kontrol meja putar untuk mencapai koreksi nonlinier di seluruh penuh rentang.

III. Verifikasi pasca-kalibrasi: Langkah kunci dalam memastikan keandalan data

Setelah kalibrasi, sistem harus lulus verifikasi "verifikasi rekalibrasi" dan "pengujian skenario".

1. Rekalibrasi dan verifikasi : Pilih secara acak 3 sudut laju titik (misalnya, 300°/s, 800°/s, 1600°/s), ulangi proses kalibrasi dinamis, dan bandingkan sensitivitas dan zero bias dari dua kalibrasi. Penyimpangan harus ≤0,1%. Jika tidak, akurasi pemasangan dan tautan akuisisi data perlu diperiksa ulang.

2. Pengujian skenario : Hubungkan giroskop yang dikalibrasi ke unit pengukuran inersia (IMU), simulasikan perubahan sikap drone (seperti ±30° pitch dan rotasi) melalui suhu-terkontrol meja putar, kumpulkan data posisi sudut yang dikeluarkan oleh giroskop, dan bandingkan dengan posisi sudut standar meja putar. Kesalahan harus dikendalikan dalam 0,01°.

Melalui kalibrasi standar menggunakan suhu-terkontrol meja putar, stabilitas zero-bias giroskop MEMS dapat ditingkatkan lebih dari 50%, dan kesalahan sensitivitas dapat dikendalikan dalam 0,1%, memberikan jaminan inti untuk pengoperasian sistem selanjutnya yang akurat.