Trong các lĩnh vực như điều hướng quán tính, điều khiển máy bay không người lái và thiết bị đeo thông minh, độ chính xác đo lường của con quay hồi chuyển MEMS quyết định trực tiếp đến hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên, do các yếu tố như ứng suất đóng gói, trôi nhiệt độ và sai số zero-bias, con quay hồi chuyển MEMS dễ bị sai lệch dữ liệu sau khi xuất xưởng. Bàn xoay điều khiển nhiệt độ, là thiết bị hiệu chuẩn chuyên dụng , có thể loại bỏ các lỗi hệ thống thông qua các quy trình tiêu chuẩn, cho phép con quay hồi chuyển trở lại trạng thái đo tối ưu. Bài viết này trình bày chi tiết các bước cốt lõi và các công nghệ chính để hiệu chuẩn con quay hồi chuyển MEMS bằng bàn xoay điều khiển nhiệt độ, giúp các kỹ sư hoàn thành hiệu quả công việc hiệu chuẩn.
I. Chuẩn bị trước khi hiệu chuẩn: Xác minh kép thiết bị và thông số
Hiệu chuẩn chính xác đòi hỏi một môi trường thử nghiệm ổn định và công việc chuẩn bị cốt lõi xoay quanh "khớp thiết bị" và "đặt lại trạng thái":
Lựa chọn và kết nối thiết bị: Chọn bàn xoay điều khiển nhiệt độ với dải tốc độ góc bao phủ dải đo của con quay hồi chuyển (thường là ±1000°/s đến ±20000°/s) và độ chính xác vị trí góc ≤0,001°; hoàn thành giao tiếp dữ liệu giữa bàn xoay và con quay hồi chuyển thông qua giao diện RS485/USB và kết nối với hệ thống điều khiển nhiệt độ để ổn định nhiệt độ môi trường ở 25℃±2℃ (để loại bỏ nhiễu nhiệt độ).
Tiền xử lý con quay hồi chuyển : Cố định con quay hồi chuyển MEMS vào bệ lắp đặt trung tâm của bàn xoay, đảm bảo rằng bề mặt lắp đặt vuông góc với trục quay của bàn xoay (lỗi đồng trục ≤ 0,02mm); làm nóng trước trong 30 phút để cho mạch bên trong của con quay hồi chuyển đạt trạng thái cân bằng nhiệt và tránh trôi nhiệt độ ban đầu ảnh hưởng đến dữ liệu hiệu chuẩn.
Cài đặt thông số tham chiếu : Nhập các thông số cơ bản như kiểu con quay hồi chuyển, độ nhạy danh định (ví dụ: 10mV/(°/s)) và điện áp zero bias vào hệ thống điều khiển bàn xoay, điều chỉnh giao thức hiệu chuẩn tiêu chuẩn (ví dụ: IEEE 1554.2) và hoàn thành việc khớp thông số giữa các thiết bị.
II. Quy trình hiệu chuẩn cốt lõi: Hiệu chuẩn đa chiều từ Zero Bias tĩnh đến Tốc độ động
Bàn xoay điều khiển nhiệt độ đạt được hiệu chuẩn toàn diện về zero bias, độ nhạy và lỗi phi tuyến của con quay hồi chuyển thông qua sự kết hợp giữa định vị tĩnh và quay động. Quy trình cốt lõi bao gồm ba bước:
1. Hiệu chuẩn zero-bias tĩnh: Loại bỏ tham chiếu lỗi tĩnh
Lỗi zero bias là độ trôi đầu ra của con quay hồi chuyển khi nó đứng yên và là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo tĩnh. Bàn xoay điều khiển nhiệt độ được giữ đứng yên (tốc độ góc = 0°/s) và dữ liệu đầu ra của con quay hồi chuyển được thu thập liên tục trong 10 phút. Một giá trị điện áp được ghi lại sau mỗi 10ms và zero bias trung bình được tính bằng công thức sau:
Zero bias V₀ = (Σ Vᵢ ) / n ( i = 1 đến n , trong đó n là tổng số bộ dữ liệu)
Các giá trị ngoại lệ vượt quá phạm vi 3σ ( σ là độ lệch chuẩn) bị loại bỏ và giá trị zero bias cuối cùng được sử dụng làm chuẩn mực để hiệu chỉnh dữ liệu sau này.
2. Hiệu chuẩn độ nhạy động: Thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra.
Độ nhạy là tỷ lệ thay đổi đầu ra của con quay hồi chuyển so với tốc độ góc đầu vào; hiệu chuẩn phải bao gồm toàn bộ phạm vi của nó. Bàn xoay điều khiển nhiệt độ được quay đều ở năm tốc độ góc đặc trưng (ví dụ: 100°/s, 500°/s, 1000°/s, 1500°/s, 2000°/s). Sau khi ổn định trong 3 phút ở mỗi tốc độ, dữ liệu được thu thập và điện áp đầu ra trung bình Vᵢ tương ứng với mỗi tốc độ được tính toán.
Độ nhạy K = ( Vᵢ - V₀ ) / ωᵢ ( ωᵢ là vận tốc góc đặt của bàn xoay)
với ωᵢ là trục hoành và ( Vᵢ - V ₀) là trục tung. Tính phương trình phù hợp tuyến tính bằng phương pháp bình phương tối thiểu để đảm bảo rằng độ phù hợp R² ≥ 0,999. Độ dốc tại thời điểm này là độ nhạy thực tế sau khi hiệu chuẩn.
3. Hiệu chuẩn lỗi phi tuyến: Hiệu chỉnh các sai lệch trên toàn bộ phạm vi đo.
Dựa trên hiệu chuẩn độ nhạy, thêm 10 điểm vận tốc góc phân bố đều (ví dụ: 200°/s, 400°/s...1800°/s), lặp lại quá trình thu thập dữ liệu động và tính toán độ lệch giữa đầu ra thực tế và giá trị phù hợp tuyến tính tại mỗi điểm:
Lỗi phi tuyến δ = [( thực tế V - phù hợp V ) / ( toàn thang đo V - V₀ )] × 100%
Nếu δ vượt quá yêu cầu về hiệu suất của con quay hồi chuyển (thường là ≤0,5%), cần phải áp dụng hệ số bù lỗi thông qua hệ thống điều khiển bàn xoay để đạt được hiệu chỉnh phi tuyến trên toàn phạm vi .
III. Xác minh sau hiệu chuẩn: Một bước quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu
Sau khi hiệu chuẩn, hệ thống phải vượt qua cả xác minh "hiệu chuẩn lại" và xác minh "kiểm tra tình huống".
1. Hiệu chuẩn lại và xác minh : Chọn ngẫu nhiên 3 điểm tốc độ góc (ví dụ: 300°/s, 800°/s, 1600°/s), lặp lại quá trình hiệu chuẩn động và so sánh độ nhạy và zero bias của hai lần hiệu chuẩn. Độ lệch phải là ≤0,1%. Nếu không, cần kiểm tra lại độ chính xác lắp đặt và liên kết thu thập dữ liệu.
2. Kiểm tra tình huống : Kết nối con quay hồi chuyển đã hiệu chuẩn với đơn vị đo quán tính (IMU), mô phỏng các thay đổi về tư thế của máy bay không người lái (chẳng hạn như ±30° nghiêng và xoay) thông qua bàn xoay điều khiển nhiệt độ, thu thập dữ liệu vị trí góc do con quay hồi chuyển xuất ra và so sánh nó với vị trí góc tiêu chuẩn của bàn xoay. Lỗi phải được kiểm soát trong vòng 0,01°.
Thông qua hiệu chuẩn tiêu chuẩn bằng bàn xoay điều khiển nhiệt độ, độ ổn định zero-bias của con quay hồi chuyển MEMS có thể được cải thiện hơn 50% và lỗi độ nhạy có thể được kiểm soát trong vòng 0,1%, cung cấp sự đảm bảo cốt lõi cho hoạt động chính xác của các hệ thống sau này.
Trong các lĩnh vực như điều hướng quán tính, điều khiển máy bay không người lái và thiết bị đeo thông minh, độ chính xác đo lường của con quay hồi chuyển MEMS quyết định trực tiếp đến hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên, do các yếu tố như ứng suất đóng gói, trôi nhiệt độ và sai số zero-bias, con quay hồi chuyển MEMS dễ bị sai lệch dữ liệu sau khi xuất xưởng. Bàn xoay điều khiển nhiệt độ, là thiết bị hiệu chuẩn chuyên dụng , có thể loại bỏ các lỗi hệ thống thông qua các quy trình tiêu chuẩn, cho phép con quay hồi chuyển trở lại trạng thái đo tối ưu. Bài viết này trình bày chi tiết các bước cốt lõi và các công nghệ chính để hiệu chuẩn con quay hồi chuyển MEMS bằng bàn xoay điều khiển nhiệt độ, giúp các kỹ sư hoàn thành hiệu quả công việc hiệu chuẩn.
I. Chuẩn bị trước khi hiệu chuẩn: Xác minh kép thiết bị và thông số
Hiệu chuẩn chính xác đòi hỏi một môi trường thử nghiệm ổn định và công việc chuẩn bị cốt lõi xoay quanh "khớp thiết bị" và "đặt lại trạng thái":
Lựa chọn và kết nối thiết bị: Chọn bàn xoay điều khiển nhiệt độ với dải tốc độ góc bao phủ dải đo của con quay hồi chuyển (thường là ±1000°/s đến ±20000°/s) và độ chính xác vị trí góc ≤0,001°; hoàn thành giao tiếp dữ liệu giữa bàn xoay và con quay hồi chuyển thông qua giao diện RS485/USB và kết nối với hệ thống điều khiển nhiệt độ để ổn định nhiệt độ môi trường ở 25℃±2℃ (để loại bỏ nhiễu nhiệt độ).
Tiền xử lý con quay hồi chuyển : Cố định con quay hồi chuyển MEMS vào bệ lắp đặt trung tâm của bàn xoay, đảm bảo rằng bề mặt lắp đặt vuông góc với trục quay của bàn xoay (lỗi đồng trục ≤ 0,02mm); làm nóng trước trong 30 phút để cho mạch bên trong của con quay hồi chuyển đạt trạng thái cân bằng nhiệt và tránh trôi nhiệt độ ban đầu ảnh hưởng đến dữ liệu hiệu chuẩn.
Cài đặt thông số tham chiếu : Nhập các thông số cơ bản như kiểu con quay hồi chuyển, độ nhạy danh định (ví dụ: 10mV/(°/s)) và điện áp zero bias vào hệ thống điều khiển bàn xoay, điều chỉnh giao thức hiệu chuẩn tiêu chuẩn (ví dụ: IEEE 1554.2) và hoàn thành việc khớp thông số giữa các thiết bị.
II. Quy trình hiệu chuẩn cốt lõi: Hiệu chuẩn đa chiều từ Zero Bias tĩnh đến Tốc độ động
Bàn xoay điều khiển nhiệt độ đạt được hiệu chuẩn toàn diện về zero bias, độ nhạy và lỗi phi tuyến của con quay hồi chuyển thông qua sự kết hợp giữa định vị tĩnh và quay động. Quy trình cốt lõi bao gồm ba bước:
1. Hiệu chuẩn zero-bias tĩnh: Loại bỏ tham chiếu lỗi tĩnh
Lỗi zero bias là độ trôi đầu ra của con quay hồi chuyển khi nó đứng yên và là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo tĩnh. Bàn xoay điều khiển nhiệt độ được giữ đứng yên (tốc độ góc = 0°/s) và dữ liệu đầu ra của con quay hồi chuyển được thu thập liên tục trong 10 phút. Một giá trị điện áp được ghi lại sau mỗi 10ms và zero bias trung bình được tính bằng công thức sau:
Zero bias V₀ = (Σ Vᵢ ) / n ( i = 1 đến n , trong đó n là tổng số bộ dữ liệu)
Các giá trị ngoại lệ vượt quá phạm vi 3σ ( σ là độ lệch chuẩn) bị loại bỏ và giá trị zero bias cuối cùng được sử dụng làm chuẩn mực để hiệu chỉnh dữ liệu sau này.
2. Hiệu chuẩn độ nhạy động: Thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra.
Độ nhạy là tỷ lệ thay đổi đầu ra của con quay hồi chuyển so với tốc độ góc đầu vào; hiệu chuẩn phải bao gồm toàn bộ phạm vi của nó. Bàn xoay điều khiển nhiệt độ được quay đều ở năm tốc độ góc đặc trưng (ví dụ: 100°/s, 500°/s, 1000°/s, 1500°/s, 2000°/s). Sau khi ổn định trong 3 phút ở mỗi tốc độ, dữ liệu được thu thập và điện áp đầu ra trung bình Vᵢ tương ứng với mỗi tốc độ được tính toán.
Độ nhạy K = ( Vᵢ - V₀ ) / ωᵢ ( ωᵢ là vận tốc góc đặt của bàn xoay)
với ωᵢ là trục hoành và ( Vᵢ - V ₀) là trục tung. Tính phương trình phù hợp tuyến tính bằng phương pháp bình phương tối thiểu để đảm bảo rằng độ phù hợp R² ≥ 0,999. Độ dốc tại thời điểm này là độ nhạy thực tế sau khi hiệu chuẩn.
3. Hiệu chuẩn lỗi phi tuyến: Hiệu chỉnh các sai lệch trên toàn bộ phạm vi đo.
Dựa trên hiệu chuẩn độ nhạy, thêm 10 điểm vận tốc góc phân bố đều (ví dụ: 200°/s, 400°/s...1800°/s), lặp lại quá trình thu thập dữ liệu động và tính toán độ lệch giữa đầu ra thực tế và giá trị phù hợp tuyến tính tại mỗi điểm:
Lỗi phi tuyến δ = [( thực tế V - phù hợp V ) / ( toàn thang đo V - V₀ )] × 100%
Nếu δ vượt quá yêu cầu về hiệu suất của con quay hồi chuyển (thường là ≤0,5%), cần phải áp dụng hệ số bù lỗi thông qua hệ thống điều khiển bàn xoay để đạt được hiệu chỉnh phi tuyến trên toàn phạm vi .
III. Xác minh sau hiệu chuẩn: Một bước quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu
Sau khi hiệu chuẩn, hệ thống phải vượt qua cả xác minh "hiệu chuẩn lại" và xác minh "kiểm tra tình huống".
1. Hiệu chuẩn lại và xác minh : Chọn ngẫu nhiên 3 điểm tốc độ góc (ví dụ: 300°/s, 800°/s, 1600°/s), lặp lại quá trình hiệu chuẩn động và so sánh độ nhạy và zero bias của hai lần hiệu chuẩn. Độ lệch phải là ≤0,1%. Nếu không, cần kiểm tra lại độ chính xác lắp đặt và liên kết thu thập dữ liệu.
2. Kiểm tra tình huống : Kết nối con quay hồi chuyển đã hiệu chuẩn với đơn vị đo quán tính (IMU), mô phỏng các thay đổi về tư thế của máy bay không người lái (chẳng hạn như ±30° nghiêng và xoay) thông qua bàn xoay điều khiển nhiệt độ, thu thập dữ liệu vị trí góc do con quay hồi chuyển xuất ra và so sánh nó với vị trí góc tiêu chuẩn của bàn xoay. Lỗi phải được kiểm soát trong vòng 0,01°.
Thông qua hiệu chuẩn tiêu chuẩn bằng bàn xoay điều khiển nhiệt độ, độ ổn định zero-bias của con quay hồi chuyển MEMS có thể được cải thiện hơn 50% và lỗi độ nhạy có thể được kiểm soát trong vòng 0,1%, cung cấp sự đảm bảo cốt lõi cho hoạt động chính xác của các hệ thống sau này.
