基于LabVIEW的微機械陀螺自動測試系統開發

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境條件、易于集成和實現智能化等優點[1],因此,微機械陀螺可廣泛應用于汽車牽引控制系統、行駛穩定系統、攝像機穩定系統、飛機穩定系統、以及軍事等領域[2-3],因而相關研究備受國內外的關注和重視。

隨著微機械陀螺技術的快速發展,陀螺的性能測試的效率與精確度要求也越來越高。目前,國際上已經研發出一些測試設備,如 Samsung Advanced Institute of Technology研制的陀螺綜合測試系統[4],Pavia大學電子系運用光干涉法研制的掃頻測試系統[5],以及國內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[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,但是僅僅依靠有限的中測參數,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良的陀螺芯片。因此,開發一套能夠評估陀螺若干關鍵性能指標的測試系統成為研發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陀螺的閉環驅動控制、角速率信號解調和相關性能指標測試,包括陀螺掃頻測試、閉環控制測試、標度因數和零偏測試,可以快速可靠地挑選出性能優良的陀螺芯片。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了“軟”處理,避免了外圍硬件電路的復雜調試,大大降低了原有硬件電路帶來的噪聲和漂移。

1 陀螺測試系統構成

1.1 儀器選擇

傳統的測試系統一般包括動態信號分析儀、萬用表、示波器和數據采集卡等儀器設備,它們經常需要較多的人工設置操作,并且無法自動完成數據處理,因此難以提高測試效率。而結合自主開發的LabVIEW應用軟件可以將 NI PXI 1033機箱和 NI PXI 4461數據采集卡融入系統中自動完成陀螺芯片的性能參數測試以及后續數據處理、報表生成等功能,具有較高的精確度,提高了測試效率。數據采集卡采用 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以內的陀螺測試來說已經非常足夠。

數據采集卡精度分析：本文設計的微機械陀螺系統以達到分辨率和零位穩定性為 0.01 deg/s、滿量程為 500 deg/s的性能指標為目標,通過實驗調節與測量可得陀螺的標度因數為 2.61mV/deg?s-1,因此要求 NI數據采集卡的電壓測量有效值的分辨率和穩定性為 26.1μV,以及量程為 1.305 V,換為峰值量程應為 1.845 V。由于數據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]。

系統工作在諧振頻率時,將數據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,在分辨率與穩定性的要求范圍內。因此對于工作在10 kHz以內的陀螺測試來說,該數據采集卡能夠很好地滿足設計的精度要求。

1.2 陀螺測試系統框圖及通道分配

微機械陀螺的測試系統框圖主要包括三大部分,即外圍硬件電路、NIPXI 4461數據采集卡和 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動信號產生電路以及陀螺敏感結構驅動軸和檢測軸讀出信號的電容/電壓轉換電路。

圖1 陀螺測試系統框圖

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數據采集卡的 AO0通道發出掃頻信號,該信號一方面輸入到數據采集卡的 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動信號,并將驅動軸的響應信號由采集卡的 AI1通道采集進 LabVIEW軟件進行數據分析,得出驅動軸的諧振頻率、Q值和噪聲電壓等參數。

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

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發出高或低電平來控制繼電器進行開關選擇。因此,數據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,另外還包括數據圖片保存功能、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、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據處理與分析的效率。

(2)閉環驅動控制模塊：即在 LabVIEW軟件上基于已經開發的實際電路,采用直流自動增益控制(AGC)來實現,優點在于可以自動捕捉諧振頻率,進行穩幅控制[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。

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

在 LabVIEW軟件中實現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)后放大 k倍再與原來信號相加,然后再放大 B倍來實現,則：

因為 ω,θ已知,因此可以通過算出 B和 k從而容易構建軟件程序來實現相移。從公式中可以看到該方法只能實現 -90°到 90°的相移,如果要實現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 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：

因此在數字相移解調時,考慮 LabVIEW單頻測量模塊所帶來的誤差,數字系統也能正確解調信號,準確地測量微陀螺的性能指標。

(4)標度因數測試模塊：主要通過線性擬合等算法處理得到標度因數及其不對稱度、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,得到零偏穩定性和零偏重復性。

(6)數據報表生成模塊：將各項關鍵性能指標參數的測試結果保存在數據報表中,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,點數為 1 000點,采樣率為 100 kHz,可得到微機械陀螺驅動軸的掃頻測試圖如圖 4所示。可以看到掃頻的幅頻響應曲線(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°,通過調整信號讀出電路參數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,說明有結構耦合干擾,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構耦合干擾。

(2)為了更好地調整 AGC閉環控制參數,使陀螺能夠穩定工作,LabVIEW閉環驅動控制模塊還增加了開環控制功能,由掃頻測試得到的諧振頻率結合開環調試可以自動算出閉環后的相移以及信號放大倍數等參數,從而能快速實現驅動閉環。陀螺閉環驅動幅值響應波形圖如圖 5所示,由該圖可以看到閉環驅動實現了陀螺結構預期的穩幅振動。Lab-VIEW數字參數的在線靈活調試,免去了焊接模擬電路的麻煩,大大提高了系統開發的效率。

圖5 陀螺驅動端幅值響應圖

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

(3)標度因數測試：將微機械陀螺固定在溫控單軸速率位置轉臺上,上電預熱半小時后再控制轉臺從 -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值為 2.611 1mV/deg?s-1,標度因數非線性為 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據,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有效數據,測試 11號陀螺得到波形圖如圖 7所示。由該圖可得零偏穩定性為 0.51 deg/s;零偏重復性為 1.06%。由于零偏穩定性較大,說明該陀螺零偏穩定性較差,因此該陀螺性能并不優良。

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號陀螺的零偏穩定性能優于 11號陀螺的。

以上測試說明了自主開發的 LabVIEW測試軟件的處理流程,驗證了該自動測試系統的可行性和有效性,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 結束語

本文結合 NI PXI 4461數據采集卡,用 Lab-VIEW軟件來實現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、閉環控制測試、標度因數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。

[1]施芹.提高硅微機械陀螺儀性能若干關鍵技術研究[D].博士論文,南京：東南大學儀器科學與工程系,2005.

[2]Yazdi N,Ayazi F,Najafi K.Micromachined Inertial Sensors[J].Prec of the IEEE,1998,86(8)：1640-1659.

[3]Song Cimoo.Commercial Vision of Silicon Based Inertial Sensors[C]//Digest of Technical Papers of The 9thInternational Conference on Solid State Sensors and Actuators,Transducers'97,Chicage,1997：839-842.

[4]Skvortzov V,Yong C C,Byeung L L,et al.Development of a Gyro Test System at Samsung Advanced Institute of Technology[C]//Position Location and Navigation Symposium,PLANS 2004,26-29 April,2004：133-142.

[5]Donati S,Nogia M,LodiV A,etal.Measurement of MEMS Mechanical Parameters by Injection Interferometry[C]//Optical MEMS,2000 IEEE/LEOS International Conference on Aug,2000：89-90.

[6]劉忠卿,張嶸.微機械陀螺管芯測試方法[J].傳感器與微系統,2008,27(4)：111-116.

[7]遲曉珠,崔健,閆桂珍.MEMS陀螺振動特性試驗技術[J].傳感技術學報,2008,21(4)：559-562.

[8]楊金顯,袁贛南,徐良臣.微機械陀螺測試與標定技術研究[J].傳感技術學報,2006,19(5)：2264-2267.

[9]鐘舟,黃麗斌,楊波.硅微機械陀螺儀模擬信號檢測技術研究[J].傳感技術學報,2009,22(4)：495-498.

[10]Cui J,Chi X Z,Ding H T,et al.Transient Response and Stability of the AGC-PIClosed-Loop Controlled MEMS Vibratory Gyroscopes[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2009：19 1250156.