基于LabVIEW的微机械陀螺自动测试系统开发

　　微机械陀螺具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力强、能适用于较为恶劣的环境条件、易于集成和实现智能化等优点[ 1] , 因此, 微机械陀螺可广泛应用于汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、飞机稳定系统、以及军事等领域[ 2 - 3 ] , 因而相关研究备受国内外的关注和重视。

　　随着微机械陀螺技术的快速发展, 陀螺的性能测试的效率与精确度要求也越来越高。目前, 国际上已经研发出一些测试设备, 如SamsungAdvanced Institu??te of Techno logy研制的陀螺综合测试系统[ 4] , Pav ia大学电子系运用光干涉法研制的扫频测试系统[ 5] , 以及国内清华大学研制的基于LabV IEW 软件的微机械陀螺管芯的扫频测试系统[ 6] , 它们都可用于测量谐振频率、谐振幅值和Q 值等相关参数, 但是仅仅依靠有限的中测参数, 如陀螺的谐振频率、谐振幅值以及Q值, 很难有效地筛选出性能优良的陀螺芯片。因此,开发一套能够评估陀螺若干关键性能指标的测试系统成为研发过程中的一项迫切需要的工作。

　　文献[ 7]曾对MEMS 陀螺振动特性实验的几种不同方法进行了深入的研究, 文献[ 8]对微机械陀螺的测试与标定技术进行了详细的原理性的介绍与分析, 为陀螺的性能测试方法提供了较好的参考。本文利用LabVIEW强大而丰富的信号处理模块来实现陀螺的闭环驱动控制、角速率信号解调和相关性能指标测试, 包括陀螺扫频测试、闭环控制测试、标度因数和零偏测试, 可以快速可靠地挑选出性能优良的陀螺芯片。此外, 不同于文献[ 9]的模拟信号检测硬件电路技术, 本文除陀螺前置读出电路外的所有信号处理全部实现了软处理, 避免了外围硬件电路的复杂调试, 大大降低了原有硬件电路带来的噪声和漂移。

　　1 陀螺测试系统构成

　　1. 1 仪器选择

　　传统的测试系统一般包括动态信号分析仪、万用表、示波器和数据采集卡等仪器设备, 它们经常需要较多的人工设置操作, 并且无法自动完成数据处理, 因此难以提高测试效率。而结合自主开发的LabV IEW 应用软件可以将N I PX I 1033 机箱和N IPX I 4461数据采集卡融入系统中自动完成陀螺芯片的性能参数测试以及后续数据处理、报表生成等功能, 具有较高的精确度, 提高了测试效率。数据采集卡采用N I 公司的PX I 4461, 其最大采样率为204. 8 kH z, 24位A /D 分辨率, 4模拟通道( A I0、A I1输入通道和AO0、AO1 输出通道) , 对于工作在10 kH z以内的陀螺测试来说已经非常足够。

　　数据采集卡精度分析: 本文设计的微机械陀螺系统以达到分辨率和零位稳定性为0. 01 deg / s、满量程为500 deg / s的性能指标为目标, 通过实验调节与测量可得陀螺的标度因数为2. 61 mV /deg?? s- 1,因此要求N I数据采集卡的电压测量有效值的分辨率和稳定性为26. 1 ??V, 以及量程为1. 305 V, 换为峰值量程应为1. 845 V。由于数据采集卡的可配置最大量程为正负10 V, 因此考虑一定的裕度, 可以配置采集卡的采样电压量程为[ - 3 V, 3 V ]。