英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于具有自校准功能旋转编码器的角速度校准系统
Wataru Kokuyama , Tsukasa Watanabe, Hideaki Nozato, Akihiro Ota
National Metrology Institute of Japan (NMIJ), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba Central 3, 1-1-1 Umezono,Tsukuba, Ibaraki 305-8563, Japan
摘要
陀螺仪是电子稳定控制系统(ESC)的重要组成部分，目前已被纳入汽车，以减少车祸。满足可追溯性，根据ESC测试系统对陀螺仪的要求，日本国家计量院研制了一种新型的角速度校准系统。该系统是配备自校准旋转编码器(SELFA)，工作原理与日本国家角度标准相同。同时对系统的角速度稳定性进行了测试了定义域和阿伦方差。同时测量了滑环的噪声效应。通过对光纤陀螺仪在30/秒间隔内从180/秒到180/秒的响应监测，验证了标定过程。结果表明，该系统的性能满足中性MEMS陀螺仪角速度标定的要求。
关键词:角速度；校准；转盘；旋转编码器；MEMS陀螺仪
1. 介绍
随着微电子机械系统(MEMS)技术的不断发展，各种高性能的MEMS陀螺仪已经以合理的价格投入市场。因此，汽车工业已经开始将陀螺仪应用于车载电子产品，特别是安全系统，如电子稳定控制系统(ESC)和侧翻检测系统。ESC通过车载陀螺仪监测汽车的偏航率，并将其与转向角进行比较，以检测危险车辆的打滑情况。
由于ESC已被证明在减少交通事故的数量方面是有效的，现在许多国家和地区的法规都要求ESC，包括日本[1]。因此，在一些国家已经建立了ESC测试系统的性能规则。例如，美国交通部发布的FMVSS 126[2]要求陀螺仪的精度在全尺寸的0.05%以内，如表1所示。因此，需要制定通用的MEMS陀螺仪角速度标定标准。在汽车方面，陀螺仪是通过测量其输入角速度的电输出信号来校准的。重要的参数是比例因子、偏差和线性。
目前，已有多家国家计量机构建立了符合ISO 16063-15[3]标准的角加速度校准系统，该系统描述了一种用于正弦角振动传感器校准的主要方法。德国物理技术公司 (PTB)的角加速度校准系统是基于一个电动角振动激励器和激光干涉仪测量[4]。韩国标准与科学研究所(KRISS, Korea)开发了一种基于相同方法的角加速度标定系统[5]。两种系统的校准范围均为0.4 Hz-1 kHz。长城计量研究所(CIMM，中国)还开发了角加速度校准系统[6]。
与这些系统不同的是，我们正在开发一种新型的角速度校准系统，使用自校准旋转编码器(SELFA)[7-10]。MEMS陀螺仪的目标角速度范围为5-300。/s;原因在第2节中解释。
本文的其余部分描述了我们的校准系统，并对其性能进行了评估。第2节详细介绍了系统的结构和原理。角速度校准分别在第3节和第4节中描述和评估。第5节评估了角速度校准在时域和根阿伦方差中的稳定性。讨论可在第5节中找到。结论见第6节。
2. 校准系统
2.1系统配置
为了满足ESC测试系统中陀螺仪的可溯源性要求，我们开发了一种基于旋转台并配备SELFA的角速度标定系统。大多数MEMS陀螺仪制造商将转盘应用于传感器的装运前检验。这些校准系统通过普通的旋转编码器检测旋转角度。我们的校准系统不同于普通的旋转工作台，它使用SELFA，能够精确、可靠地测量旋转角度。
校准系统概述如图1所示。测试设备，即，在角速度发生器的工作台上设置一个陀螺仪。工作台的角速度由安装在FPGA接口箱内的商用伺服控制模块控制(图1中心)，工作台的转速由安装在FPGA接口箱内的SELFA测量。SELFA的信号由FPGA用我们的原始算法记录。陀螺仪的模拟输出由高速数字化仪(NIPCI-6250, 16位，1 MS/s, National Instruments, Inc.， U.S.A.)同时测量。从SELFA和数字化仪获取的数据被发送到一台个人计算机进行分析。
该系统的角速度发生器是基于无刷直接驱动伺服电机。发电机包括由空气轴承支撑的转台、SELFA、无刷电机、用于传输信号的滑环、基于FPGA的运动控制器和基于PC的数据采集单元。发电机原理图如图2所示。发电机与无刷伺服电机相连，其角速度输出(1 - 1080/s)满足系统标定要求。它由4个线圈和9个磁铁构成，赋予了36倍的机械对称性，这影响了角速度的稳定性，我们将在后面讨论。
在该系统中，输出信号通过滑环(SRC100;Kyoei电机、日本)，通过四端法测量串联电阻的变异性来评价滑环的信号扰动。如图3所示，串联电阻变化小于5 mX。考虑到电子测量仪器的输入阻抗。即，我们推断滑环不影响陀螺仪输出信号。请注意，电磁干扰噪声是排除在这个测量中。
我们将系统的校准范围设置为5-300。/s，以满足校准要求。汽车安全系统中采用的典型陀螺仪，如ESC和侧翻检测系统，其最大角速度通常为30-300。/s。如第3节所述，陀螺仪校准通常在工厂中以最大角速度的五分之一的倍数进行。因此，选择校准范围的上限为300/s，下限为5/s。在此，请注意，对于汽车碰撞测试，校准范围必须扩大到2*104/s。今后的工作将考虑对该系统进行这种升级。
2.2使用自校正旋转编码器(SELFA)
该系统最重要的特性是SELFA。图4所示为带有6个编码器读出头的SELFA示例。NMIJ[9]的国家角度标准采用SELFA(有效头部13个)，其校准能力在《互认协议》(MRA)附录C维护的校准和测量能力(CMC)中注册。国家标准的扩展不确定度(覆盖系数2)为0.01弧秒，是旋转编码器的最高校准能力之一。
SELFA是基于等除平均(EDA)方法[8]，其应用如下。SELFA安装在一个增量旋转编码器上，具有多个等间距的读出头。所有磁头同时输出脉冲信号。假设一个SELFA有n个正面，从第i个正面si(k)的输出角度为:
利用EDA方法对磁头数据进行处理，提取脉冲k处编码器尺度的角度偏差，表示为a(k)[7]。这一步承认ai(k)必须是a(k)的移位信号，即
这里将k视为循环索引，假设编码器标度的参考位置与第1个磁头对齐。换句话说，无法直接测量的编码器刻度本身的角度偏差，可以通过计算来自对称附加编码器磁头的信号来近似得出。详细的计算步骤和解释可以在[10]中找到。为了便于说明，图5中绘制了与前三个头的角度偏差曲线。在这个测量中，角速度被设置为30/s。这三条曲线虽然表面上相似，但由于分别受到轴向偏心和角速度波动的影响，其细观结构有所不同。SELFA的一个优点是，角度偏差可以由系统本身知道，不需要每次由外部工件进行校准。这意味着当SELFA安装在转台上时，原位角度可以校准。此外，可以测量和补偿由倾斜、振动和离心力引起的角度误差。该特性有利于角运动标定系统在高扰动力作用下精确测量静态或动态角运动。SELFA的另一个优点是它比传统的旋转编码器更低的成本和更高的精度。如2.3节所示，0.1弧秒左右的不确定性在传统的旋转编码器中很难实现。因此，为了满足非常精确的角度测量，传统编码器的成本要比SELFA高得多。
SELFA的一个局限性是，原则上[7]不能提取角度偏差A (k)的第n个和多个傅里叶分量。不可检测的成分被认为是太小，不足以造成完全的不确定性。这一限制的详细验证将在以后的论文中报告。
2.3角度测量性能
SELFA提取的角度偏差示例如图6所示。角速度发生器旋转轴上的SELFA有12个读出头，每转18000个脉冲。6弧秒(峰间)偏差是由于旋转轴偏心造成的。在这里，请注意SELFA检测到的角度偏差曲线在不同的测量值之间是不同的，因为旋转工作台引入了运动误差。因此，我们检验了角度偏差的重复性，并将结果绘制在图7中。在绘制这幅图时，首先测量了连续10圈的角度偏差，并对这10圈进行平均，得到A。然后从第一次旋转的角度偏差中减去A，从而确定一次旋转中数据的可重复性。如图7所示，转台的可重复性估计约为0.1弧秒，对于陀螺仪校准来说已经足够精确。我们推测这种不可重复性主要是由信号中的电噪声、空气轴承的机械不稳定性和温度不稳定性造成的。为了确保系统的角度测量是可靠的，系统内部的SELFA应至少与国家角度标准进行一次比较，最好是在系统装配期间。由于SELFA在多年的时间内足够稳定，因此它支持更长的比较间隔，并有望成为一个固有的角度标准[9]
3.角速度校准
3.1校准方法及数量
定角速度的标定方法不同于定角速度或定线速度的标定方法。这是因为角速度是与时间无关的运动，即静态物理量。到目前为止，对于等速角速度的一次标定和二次标定还没有统一的方法。IEEE陀螺仪标准，如IEEE std. 1431[11]，是规范格式指南和测试程序标准，而不是校准标准。因此，必须开发和研究适合我们系统的校准方法。到目前为止，在制造商场所的测试程序(图8所示)似乎是我们方法的一个合适的基础。这种类型的陀螺仪测试通常在MEMS陀螺仪行业中进行。
测试过程如下:待测设备(DUT)置于转台上，转台以恒定的角速度旋转。外部电源通过滑环提供给DUT。陀螺仪的输出电压由数据采集(DAQ)系统监控，该系统的输入可以是模拟的，也可以是数字的，这取决于陀螺仪的输出(注意，我们的系统只允许模拟输入)。该系统应引入最小噪声，以避免污染陀螺仪信号。工作环境温度应稳定。
陀螺仪最基本的标定量是比例因子和偏差。计算这些量的图形分析如图9所示。
在这种方法中，从DUT输出的电压是在不同的角速度下测量的。陀螺仪制造商规定的测试程序建议至少11个测量点。然后用最小二乘法拟合陀螺输出与输入曲线。即输出电压V(X)与输入角速度X的关系由线性模型方程表示为:
系数S叫做比例因子。其单位为V/s，用于模拟电压输出。V0和d(X)分别表示偏置(电压偏移)和拟合残差。
陀螺仪的另一个重要特性是非线性，简单定义为式(4)中拟合残差d(X)，非线性通常表示为曲线。注意，非线性有时表示陀螺仪的标量特征，定义为所有测量点的最大|d(X)|。在这两种情况下，非线性通常表示为整个测量范围的比值:
其中NL和FS分别表示非线性和全尺度。为了阐明其与全测量尺度的关系，通常将这类非线性赋值为单位% FS;例如0.05% FS。
我们用两个关于陀螺仪校准的备注来结束这一节。首先，高灵敏度的激光陀螺仪，如环形激光陀螺仪(RLGs)和光纤陀螺仪(FOGs)，有时使用地球自转作为参考角速度进行校准。该方法简单实用，深受RLG和FOG厂家的欢迎。然而，地球的自转(4*10 /s)比陀螺仪的全量程(通常为100-300 /s)的数量级要小。因此，该方法不能验证RLGs和FOGs的线性度。
第二点是关于线性假设的。非线性被认为是陀螺仪标定量，因为大多数陀螺仪表现出非线性行为，影响了测量精度。相反，在校准加速度计时，隐含地假设加速度计响应具有良好的线性。因此，加速度计的唯一标定量是灵敏度，定义为输出电压与输入加速度之比。换句话说，在加速度计标定方法中，灵敏度通常被认为是独立于输入加速度的。冲击标定是一个例外，它对加速度计的线性度提出了质疑，并对[12]进行了检验
4. 光纤陀螺仪的测试校正
将陀螺仪标定方法应用于某型光纤陀螺(JG - 35FD，日本航空电子工业株式会社，日本)。实物的照片如图10所示。其测量范围和相应的模拟输出范围plusmn;200 V / s和plusmn;5。其中，圆柱的外半径和高分别为45毫米和80毫米。物重约600g，耗电量约6w，直流输入功率为12v。其模拟输出的标称比例因子为25mV/s。
附加在陀螺仪上的测试报告表明它的非线性小于0.01% FS。覆盖全面的陀螺仪,测量范围设置为plusmn;180 / s。选取角速度步长为30/s，保证有足够的分辨率确定尺度因子。对于每一个角速度，输出电压记录在一次旋转的转台。模数转换器的数据采集时间与编码器的输出同步。因此，采样频率fs (Hz)与角速度x的关系为fs=200x。
这个数据,即角速度和实测输出电压最小二乘拟合线性模型方程，得到三个参数;即比例因子、偏差和非线性曲线。在连续五组测量中评估了校准的重复性。
输出电压和非线性曲线分别如图11(A)和(B)所示。由五组测量集的平均值计算出尺度因子S = 24.989mV/ S，偏差V0 = 1.067mV。这些参数的无偏标准差在五个测量(S) = 0.0005%, r = 4.2micro;v (V0)。陀螺仪的非线性小于0.008% FS，与试验报告一致。未观察到明显的滞后现象。
我们通过对所得结果的简单评述来总结这一节:(1)标称值与实测值的尺度因子差为0.044%，表现优异。典型的情况是，如果温度变化数十度，刻度系数变化plusmn;0.1%。(2)考虑陀螺仪内部的数模转换器产生模拟输出，1mV左右的偏置是合理的。(3)虽然非线性与试验报告一致，但应详细检查非线性曲线是否与试验报告一致。(4)可重复性必须比S和V0中的不确定性小得多，因为它们会受到较大的不确定性分量的影响。目前，我们正在用该系统评估角速度校准的不确定性预算，并将在未来的论文中报告结果。
5. 系统的角速度稳定性
5.1时域求值
由于第4节所述的标定方法要求有稳定的转速，因此角速度稳定性是角速度标定系统
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[17905]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
