JJF 1535-2015 微机电(MEMS)陀螺仪校准规范-(高清版).pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 5 3 52 0 1 5微机电(MEM S)陀螺仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rMEM SG y r o s c o p e s 2 0 1 5-0 6-1 5发布2 0 1 5-0 9-1 5实施国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 发 布微机电(MEM S)陀螺仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rMEM SG y r o s c o p e sJ J F1 5 3 52 0 1 5
2、归 口 单 位:全国惯性技术计量技术委员会 主要起草单位:南京理工大学中航工业北京长城计量测试技术研究所 参加起草单位:中国电子科技集团公司第十三研究所 本规范委托全国惯性技术计量技术委员会负责解释J J F1 5 3 52 0 1 5本规范主要起草人:裘安萍(南京理工大学)施 芹(南京理工大学)董雪明(中航工业北京长城计量测试技术研究所)参加起草人:朱欣华(南京理工大学)吝海锋(中国电子科技集团公司第十三研究所)J J F1 5 3 52 0 1 5目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语(1)3.1 MEM S陀螺仪(1)3.2 零偏重复性Br(1)3.3 零偏稳定性Bs(1
3、)3.4 零偏温度灵敏度Bt(1)3.5 零偏加速度灵敏度Ba(1)3.6 角度随机游走系数(2)3.7 带宽Bw(2)4 概述(2)5 计量特性(2)6 校准条件(3)6.1 校准环境条件(3)6.2 校准用设备(3)7 校准项目和校准方法(4)7.1 校准项目(4)7.2 校准方法(5)8 校准结果表达(1 1)9 复校时间间隔(1 2)附录A 微机电(MEM S)陀螺仪主要参数不确定度评定示例(1 3)附录B 校准证书内页格式(1 6)J J F1 5 3 52 0 1 5引 言陀螺仪按照特定的类型大部分都有专用的校准规范或测试方法,MEM S陀螺仪作为一种新型传感器,广泛应用于国民经济
4、各领域。依据MEM S陀螺仪校准的实际情况,参照I E E ES t d1 4 3 1TM2 0 0 4 科里奥利原理振动陀螺仪的I E E E标准技术规范格式指南和试验方法(I E E ES t a n d a r dS p e c i f i c a t i o nF o r m a tG u i d ea n dT e s tP r o c e d u r e f o rC o-r i o l i sV i b r a t o r yG y r o s)编写本规范。本规范为首次发布。J J F1 5 3 52 0 1 5微机电(MEM S)陀螺仪校准规范1 范围本规范规定了微机电(MEM
5、 S)陀螺仪(以下简称MEM S陀螺仪)的校准项目和校准方法,适用于单敏感轴MEM S陀螺仪,多敏感轴MEM S陀螺仪可以参照执行。2 引用文件本规范引用了下列文件:G B3 2 12 0 0 5 优先数和优先数系G J B5 8 5 A1 9 9 8 惯性技术术语G J B2 4 2 5 A2 0 0 4 光纤陀螺仪测试方法I E E ES t d1 4 3 1TM2 0 0 4 科里奥利原理振动陀螺仪的I E E E标准技术规范格式指南和试验方法(I E E ES t a n d a r dS p e c i f i c a t i o nF o r m a tG u i d ea n d
6、T e s tP r o c e d u r e f o rC o r i-o l i sV i b r a t o r yG y r o s)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语G J B5 8 5 A1 9 9 8、G J B2 4 2 5 A2 0 0 4确立的以及下列术语、定义和符号适用于本规范。3.1 MEM S陀螺仪 MEM Sg y r o s c o p e s微电子与微机械相结合的基于高频振动的质量被基座带动旋转时存在哥氏效应原理的微型化速率陀螺仪。3.2 零偏重复性Br b i a s
7、r e p e a t a b i l i t y在同样的条件下及规定的时间间隔内,多个工作周期的MEM S陀螺仪零偏之间的一致程度。重复性一般包括逐日和逐次重复性。用零偏的标准偏差或零偏变化量表示,/h,/s。3.3 零偏稳定性Bs b i a ss t a b i l i t y一个工作周期内MEM S陀螺仪的零偏稳定程度。用零偏的标准偏差或零偏的最大变化量表示,/h,/s。3.4 零偏温度灵敏度Bt b i a s t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y相对于室温零偏,由温度变化引起的零偏变化量与温度变化量之比,一般用绝对值的最大值表示,(/
8、h)/,(/s)/。3.5 零偏加速度灵敏度Ba或Bg b i a sg-s e n s i t i v i t y由加速度引起的MEM S陀螺仪零偏变化程度。一般利用重力加速度进行测量,(/h)/g,(/s)/g。1J J F1 5 3 52 0 1 53.6 角度随机游走系数 a n g l er a n d o m w a l kc o e f f i c i e n t,A RW由白噪声产生的随时间累积的MEM S陀螺仪输出误差系数,A l l a n方差法数据处理得到的MEM S陀螺仪输出噪声特性参数之一,/h1/2。3.7 带宽Bw b a n d w i d t hMEM S陀螺
9、仪频率特性校准中,规定在测得的幅频特性中幅值降低3d B所对应的频率范围,H z。4 概述MEM S陀螺仪一般由驱动结构、敏感质量、检测结构和转换线路等构成;工作原理为驱动结构在激励力作用下产生高频振动,当有外界角速率输入时,产生哥氏加速度,敏感质量块在哥氏加速度产生的惯性力作用下产生一定位移,该位移与输入角速率相关,其物理模型可简化为式(1)和式(2):Mdd2ddt2+Dddddt+Kdd=Fd(1)Msd2sdt2+Dsdsdt+Kss=2Msdddt(2)式中:Md、Ms 分别为驱动结构质量和敏感结构质量,k g;Dd、Ds 分别为驱动模态和检测模态的阻尼系数,NS/m;Kd、Ks 分
10、别为驱动模态和检测模态的支撑刚度,N/m;d 敏感质量块在驱动作用下产生的相对位移,m;s 敏感质量块在哥氏加速度作用下产生的相对位移,m;输入角速率,r a d/s。将式(1)、式(2)进行拉普拉斯变换得到MEM S陀螺的传递函数为式(3):H(s)=FdsMds2+2dd+2d()1s2+2ss+2s(3)式中:s 为L a p l a c e变换的复变量;d=KdMd、s=KsMs 分别为驱动模态和检测模态的固有角频率,r a d;d=Dd2Mdd、s=Ds2Mss 分别为驱动模态和检测模态的阻尼比。5 计量特性MEM S陀螺仪的主要计量特性如表1所示。2J J F1 5 3 52 0
11、1 5表1 MEM S陀螺仪的主要计量特性序号计量特性名称单位1标度因数mV/(/s)2标度因数非线性度3标度因数不对称度4标度因数重复性5标度因数温度灵敏度1/6阈值/h,/s7分辨力/h,/s8零偏/h,/s9准备时间s1 0零偏稳定性/h,/s1 1零偏重复性/h,/s1 2零偏加速度敏感度(/h)/g,(/s)/g1 3角度随机游走系数/h,/s1 4零偏温度灵敏度(/h)/,(/s)/1 5带宽H z6 校准条件6.1 校准环境条件1)校准温度:(2 05),校准过程中温度波动量不超过2。2)相对湿度:8 5%。3)周围无强电磁场,无腐蚀性气体或液体,无强震源。6.2 校准用设备校准
12、用标准装置及配套设备如表2所示。表2 校准用标准装置及推荐技术指标序号校准用标准装置及配套设备技术指标用途1速率转台速率转台速率精度及平稳度:0.0 5%(速率1 0/s)电压表(频率计)分辨率:6位半温箱温度偏差:2温度波动度:1温度均匀度:2标度因数标度因数非线性度标度因数不对称度标度因数重复性标度因数温度灵敏度阈值分辨力零偏温度灵敏度3J J F1 5 3 52 0 1 5表2(续)序号校准用标准装置及配套设备技术指标用途2双轴位置台双轴位置台角位置精度:3角位置测量重复性:3电压表(频率计)分辨率:6位半零偏加速度灵敏度3角振动标准装置角振动台波形失真度2%频谱分析仪范围:1H z 1
13、 0k H z示波器2 0MH z电压表(频率计)分辨率:6位半幅频特性相频特性带宽7 校准项目和校准方法7.1 校准项目校准项目见表3。表3 校准项目一览表序号项目名称校准方法1标度因数7.2.12标度因数非线性度7.2.23标度因数不对称度7.2.34标度因数重复性7.2.45标度因数温度灵敏度7.2.56阈值7.2.67分辨力7.2.78零偏7.2.89准备时间7.2.91 0零偏稳定性7.2.1 01 1零偏重复性7.2.1 11 2零偏加速度灵敏度7.2.1 21 3角度随机游走系数7.2.1 31 4零偏温度灵敏度7.2.1 41 5带宽7.2.1 54J J F1 5 3 52
14、0 1 57.2 校准方法7.2.1 标度因数7.2.1.1 校准程序a)将陀螺仪固定在速率转台上,使其输入基准轴指天;b)检查电缆连接正确后启动速率转台,设定采样周期为1s;c)接通陀螺仪电源,预热时间一般不超过3 0m i n。预热后,控制转台处于正转、停止、反转工作状态稳定时,分别启动计算机采样程序,记录陀螺仪的输出。在输入角速率范围内,按照G B3 2 12 0 0 5规定的R 5系列,适当圆整、均匀删除后,选角速率校准点,在正转、反转方向输入角速率范围内,分别不少于1 1个角速率点,包括最大输入角速率。小于1 0 0/s速率点的采样数据不少于3 0个,大于等于1 0 0/s速率点的采
15、样数据不少于5个。转台输入角速率顺次改变;d)校准开始和结束时,按相同方法分别测量陀螺仪输出的平均值(转台禁止),并从输入角速率点的陀螺仪输出平均值中剔除,作为陀螺仪输出值;e)3 0m i n后重复上述步骤,重复进行3次校准。注:采样数据点数、每次校准间隔时间及重复次数可根据用户的具体要求设定。7.2.1.2 计算方法设F-j为第j个输入角速率j时陀螺仪输出的平均值,如式(4):F-j=1NNm=1Fj m(4)式中:Fj m 陀螺仪第m组输出值;N 采样次数。建立陀螺仪输入输出关系的线性模型为式(5):Fj=Ki j+F0+vj(5)式中:K 标度因数,mV/s();F0 最小二乘法,拟合
16、零位;vj 最小二乘法,拟合误差。7.2.2 标度因数非线性度7.2.2.1 校准程序校准程序同7.2.1.1。7.2.2.2 计算方法按式(6)、式(7)计算标度因数非线性度:K m=Fj-FjK m a x+-m a x-m a x(6)K=1QQm=1K m(7)5J J F1 5 3 52 0 1 5式中:K m 第m次校准得到的标度因数非线性度;Fj 第j次输入角速率对应拟合直线上的计算值;m a x+、m a x-分别对应正转和反转时的最大输入角速率;K 标度因数非线性度;Q 校准次数。7.2.3 标度因数不对称度7.2.3.1 校准程序校准程序同7.2.1.1。7.2.3.2 计
17、算方法按式(8)、式(9)计算标度因数不对称度:Km u=K+-K-K(8)Ku=1QQm=1Km u(9)式中:Km u 第m次校准对应的标度因数不对称度;K+正转输入角速率范围内拟合得到的标度因数;K-反转输入角速率范围内拟合得到的标度因数;K 标度因数平均值;Ku 标度因数不对称度。7.2.4 标度因数重复性7.2.4.1 校准程序按7.2.1.1的方法,重复Q次校准陀螺仪标度因数,在规定间隔时间内,陀螺仪处于断电状态。7.2.4.2 计算方法按式(1 0)计算标度因数重复性:Kr=1K1Q-1()Qm=1Km-K-()212(1 0)式中:Kr 标度因数重复性;Q 校准次数;Km 第m
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