一 方案概述

芯片級MEMS 陀螺儀/IMU（以陀螺通道為主）的性能評估與校準，難點往往不在“能測到數據”，而在于“輸入工況可控、數據一致可追溯、計算口徑統一、結論可復現”。因此，本文給出一套面向芯片級 MEMS 陀螺/IMU 的自動化測試方案，目標是把測試過程標準化并實現一鍵化輸出結果。

方案系統由：數據采集與分析系統、自動化測試軟件、角振動臺、雙軸位置臺、溫箱內置速率轉臺一體化系統組成，可覆蓋靜態、動態與溫度相關的關鍵指標測試。數據采集與分析系統作為統一采集與控制平臺，完成多通道同步采集、長時間記錄與基礎時域/頻域分析；自動化測試軟件運行于采集系統上，實現測試臺聯動控制、測試序列編排、數據自動處理、指標計算與報告輸出。溫箱內置速率轉臺提供溫控下穩定角速度激勵，用于標度因數及派生項、閾值/分辨力、溫度靈敏度/溫漂等測試；雙軸位置臺提供姿態精確翻轉，用于零偏加速度靈敏度（g 敏感）；角振動臺提供可控角振動激勵，用于幅頻/相頻與帶寬等動態指標測試。測試系統結構圖如下：

圖1 測試系統結構示意圖

實際測試時，被測陀螺芯片安裝在測試臺工裝上并完成供電/信號連接；軟件控制測試臺施加角速度/角振動/姿態與溫度等激勵，采集系統同步采集陀螺輸出并長時間記錄；測試結束后軟件自動完成數據處理與指標計算，給出判定結論并輸出報告。

二 測試依據

2.1 參考標準

本方案面向芯片級 MEMS 陀螺儀/IMU（以陀螺通道為主）的性能測試與校準，需選取一套能夠系統規定“測試項目、測試方法與結果表達”的規范作為技術主線依據。JJF 1535—2015《微機電（MEMS）陀螺儀校準規范》針對 MEMS 陀螺儀建立了完整的校準體系：在適用范圍方面，以單敏感軸 MEMS 陀螺儀為主要對象，并對多敏感軸器件提供可參照的執行口徑；在技術內容方面，將芯片級評估的關鍵性能指標固化為標準化條目，并給出相應的校準/測試方法及結果表達要求。

該規范覆蓋芯片級測試的核心性能要素，包括：標度因數及其非線性度、不對稱度與重復性；零偏及其穩定性與重復性；零偏溫度靈敏度、零偏加速度靈敏度；角度隨機游走（ARW）與帶寬等。這些指標能夠直接表征 MEMS 陀螺儀的靜態精度、噪聲水平、環境敏感性與動態響應能力。與此同時，規范對校準環境條件與關鍵設備配置提出了明確建議（例如速率轉臺、溫箱、角振動裝置與位置裝置等及其推薦指標），便于將測試系統配置、設備選型指標與測試流程設計形成一致的工程實現路徑。

綜上，JJF 1535—2015適合作為本方案芯片級 MEMS 陀螺儀/IMU 測試系統的主參考標準。若后續測試范圍擴展至更高環境應力條件或模塊級器件（如高等級 IMU 模塊、FOG/HRG 模塊等），可在此基礎上補充相應的環境/可靠性標準與模塊級測試規范，以滿足擴展場景的適用性要求。

2.2 測試指標

三 核心測試設備介紹

3.1 數據采集與分析系統

JJF 1535—2015 在速率轉臺類校準與頻率特性校準中，配套給出了電壓表（頻率計）分辨率 6 位半、頻譜分析儀 1 Hz～10 kHz、示波器 20 MHz 等推薦配置，用于輸出測量、頻譜/波形觀測與記錄。本方案采用基于 PXIe 的模塊化數據采集與分析平臺，將控制、采集與存儲集成在同一機箱內，通過統一時基與同步采集實現多通道數據的一致記錄，并在軟件側完成頻率/周期測量與 FFT 頻譜分析，從而對標準所需的“頻率計/頻譜儀/示波器”功能進行等效覆蓋。

典型配置為：PXIe 機箱+嵌入式控制器+高速存儲卡，滿足長時間連續記錄與數據回放復算；機箱提供 10 MHz 時鐘 I/O，支持與轉臺/溫控/位置臺等系統統一時基與擴展同步；采集板卡按被測件輸出形態（模擬/頻率/數字）選配，兼顧時域觀測、統計均值/離散度計算與頻域分析需要。

圖2 數據采集模塊產品圖

3.2 速率轉臺與溫控系統（溫箱/溫控速率轉臺一體）

速率轉臺是標度因數及其派生項（非線性度、不對稱度、重復性）、閾值、分辨力等項目的核心標準裝置；JJF 1535—2015 推薦速率精度及平穩度 0.05%（速率>10°/s），并配套溫箱用于溫度靈敏度相關項目，溫箱推薦指標為溫度偏差 ±2 ℃、溫度波動度 1 ℃、溫度均勻度 2 ℃。

工程實現上，本方案優先采用溫箱內置速率轉臺或溫控轉臺一體化結構，使“角速率激勵+溫度環境”在同一工況下穩定建立，減少轉運與裝夾引入的誤差源；同時由數采系統完成輸出采樣與點位數據管理，保證后續最小二乘擬合與統計計算可追溯。

3.3 雙軸位置臺（翻轉臺）

雙軸位置臺用于零偏加速度靈敏度（g 敏感）校準。JJF 1535—2015 推薦角位置精度 ±3″、角位置測量重復性 ±3″，并配套 6 位半電壓表（頻率計）用于輸出測量。測量鏈路由數采系統完成靜止采樣、均值計算與姿態切換數據的自動歸檔，支持按“X/Y/Z 軸正反向分別指天”的 6 姿態流程形成標準化數據包，便于后續按規范口徑計算每軸 g 敏感并取最大值作為結果。

3.4 角振動臺（頻率特性校準裝置）

角振動臺用于幅頻特性、相頻特性與帶寬校準。JJF 1535—2015 推薦角振動臺波形失真度≤2%，并給出頻譜分析儀范圍 1 Hz～10 kHz、示波器 20 MHz 以及 6 位半電壓表（頻率計）作為配套測量設備。

本方案在測量鏈路上由數采系統同步采集角振動輸入參考量與陀螺輸出，完成幅值/相位提取與頻點曲線擬合，滿足標準對 1 Hz～10 kHz 頻率范圍內頻域分析與相位測量的需求，并形成可復算的原始記錄與處理結果文件，支撐帶寬（-3 dB）判定的全過程追溯。

3.5 自動化測試軟件

JJF 1535—2015 對校準項目與計算方法給出了明確規定，本方案在此基礎上增加自動化測試軟件，統一調度轉臺/溫控/位置臺/角振動臺與數采系統，固化測試序列與數據處理流程，實現點位/頻點自動生成、采樣與統計自動執行、指標計算與報告輸出自動化，從而降低人工操作差異并提升測試一致性。

圖3 ASMC測試與分析軟件示意圖

四 測試方法舉例

4.1 測試準備

環境確認：溫度(20±5)℃；校準過程中溫度波動≤2℃；濕度≤85%；周圍無強電磁場/腐蝕介質/強震源。

確認被測陀螺信息：型號、量程、輸出形式（電壓/頻率/數字）、供電要求、通信與采樣方式。

檢查連接：供電、信號線、接地、屏蔽是否正確；上位機/記錄軟件是否能穩定采樣與存儲。

預熱：按規范建議，上電預熱一般≤30 min；以輸出穩定為準。

統一記錄：每次測試都記錄日期、環境、設備編號/校準有效期、采樣設置、姿態/軸向、輸入點位、原始數據文件名。

模塊A：速率轉臺多點采樣（用于K及其派生項）

用途：用一組“已知轉速點”去擬合出輸出與輸入的關系，得到標度因數K，并可派生非線性、不對稱、重復性等。

安裝：將陀螺固定在速率轉臺上，使輸入基準軸指天（與轉臺旋轉軸對齊）。

設置采樣：檢查電纜連接正確；啟動轉臺；建議采樣周期設為1 s（或按需求）。

預熱：接通陀螺電源，預熱一般不超過30 min，直到輸出穩定。

點位規劃：在量程內選取轉速點（正轉≥11點、反轉≥11點，均包含最大輸入角速率；點位盡量均勻；可參考 GB321 的 R5 系列選點并按需求圓整/刪點）。

逐點采樣：按點位順序逐一改變輸入角速率；每個點等轉臺穩定后采樣記錄輸出。小于±100°/s的點每點≥30個樣本；大于等于±100°/s的點每點≥5個樣本。

兩次零點測量：在校準開始與結束時，轉臺禁止（0°/s）各測一次輸出平均值；后續把它從各點輸出均值中剔除，減少零偏對K的影響。

重復：按需要隔一段時間重復整套流程（例如30 min后再測），用于統計重復性/穩定性。

計算：每個點先求輸出平均值；用最小二乘擬合“輸出 = K×輸入 + 擬合零位”，得到K（斜率）。

小提示：如果輸出是頻率/數字量，思路不變——核心是“輸入點位與輸出均值的線性擬合”。

模塊B：靜止采樣（用于零偏/準備時間/穩定性/ARW等）

用途：在“輸入角速度=0”時連續采樣，得到零偏及其隨時間變化特性。

安裝：將陀螺通過工裝固定在校準地基上，使輸入軸垂直于地基（姿態固定）。

預熱：接通電源，預熱一般不超過30 min，直到輸出穩定。

采樣設置：設定采樣間隔與總采樣時間（建議至少數十分鐘，做ARW時建議更長）。

開始記錄：保持陀螺靜止不動，連續記錄輸出并保存原始數據。

計算零偏：對采樣輸出求平均，再用K換算為等效角速度零偏（B0=平均輸出/K）。

如需重復性：斷電-等待-上電-預熱后重復上述采樣，做多次統計。

4.2具體測試流程舉例

● 標度因數K

用到設備：速率轉臺 + 采樣記錄系統

操作步驟：

按“模塊A”完整執行：安裝對齊→預熱→選點→逐點采樣→兩次零點測量→（可選）重復測量。

對每個輸入角速率點計算輸出均值（剔除零點影響）。

用最小二乘擬合得到K（輸出-輸入直線的斜率）。

結果/判據：按最小二乘法建立輸入—輸出線性模型 Fj = K·Ωij + F0 + vj，K 為擬合直線斜率（標度因數），F0 為擬合零位，vj 為擬合殘差；輸出應至少包含 K、F0 以及擬合殘差統計量（如殘差最大值/均方根等），并保留各校準點的輸出均值與點位表，用于后續非線性度與不對稱度計算。若按規范進行重復校準（Q 次），應給出 K 的統計結果（平均值及離散度）。

● 標度因數非線性度

用到設備：速率轉臺 + 采樣記錄系統

操作步驟：

復用“模塊A”的同一組數據或重新按模塊A采集。

用擬合直線計算每個點的理論輸出，與實測均值做差。

找到最大偏差并按標準公式歸一化（相當于：最大偏差占滿量程輸入范圍的比例）。

如做多次重復，取平均作為最終結果。

結果/判據：在同一組校準點上，計算各點擬合直線輸出值 F?j 與實測均值 Fj 的偏差，取最大偏差并按規范公式相對輸入全量程進行歸一化，得到單次非線性度 K′m；若重復校準 Q 次，則按規范對 K′m 求平均得到 K′。輸出應包含 K′（或 K′m 序列）、最大偏差對應點位以及歸一化所用的 Ωmax+、Ωmax? 等參數。

● 標度因數不對稱度

用到設備：速率轉臺 + 采樣記錄系統

操作步驟：

按模塊A采集正轉與反轉兩組點位數據。

分別對正轉數據擬合得到K+，對反轉數據擬合得到K-。

按標準公式計算K+與K-相對平均值的差異。

如做多次重復，取平均作為最終結果。

結果/判據：分別對正轉、反轉輸入角速率范圍內的數據擬合得到 K+ 與 K?，按規范公式計算相對標度因數平均值 K? 的差異，得到單次不對稱度 Kmu；若重復校準 Q 次，則對 Kmu 求平均得到 Ku。輸出應包含 K+、K?、K? 及 Ku（或 Kmu 序列）。

圖4 數據采集卡產品圖

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