JJF(鄂) 183-2026 多轴MEMS惯性传感器校准规范

JJF(鄂)183-20262026-06-02发布2026-09-10实施JJF(鄂)183-2026规范JJF(鄂)183-2026主要起草单位：中国船舶集团有限公司第七○九研究所华中科技大学本规范委托中国船舶集团有限公司第七O九研究所负责解释JJF(鄂)183-2026罗锦晖(中国船舶集团有限公司第七○九研究所)丁超(中国船舶集团有限公司第七○九研究所)薄涛(中国船舶集团有限公司第七○九研究所)张明虎(中国船舶集团有限公司第七○九研究所)刘倩(中国船舶集团有限公司第七○九研究所)顾翼(中国船舶集团有限公司第七○九研究所)袁超(武汉大学)何强(华中科技大学)JJF(鄂)183-2026I 1 13术语 13.1MEMS惯性传感器 13.2横向加速度敏感系数 13.3磁强计交叉耦合系数 1 14.1原理 14.2用途 25计量特性 2 6.1环境条件 6.3测试标准及设备 7校准项目和校准方法 47.1校准项目 47.2校准方法 48校准结果表达 9复校时间间隔 C.1标度因数不确定度评定 C.2零偏不确定度评定 C.3零偏加速度灵敏度系数不确定度评定 C.4交叉耦合系数不确定度评定 ⅡC.5加速度计角速度灵敏度系数不确定度评定 D.1三轴MEMS加速度计校准模型 D.2三轴MEMS陀螺仪校准模型 D.3三轴MEMS磁强计校准模型 JJF(鄂)183-2026JJF(鄂)183-20261多轴MEMS惯性传感器校准规范本规范适用于最高集成有MEMS加速度计、陀螺仪、磁强计和气压计的十轴MEMS惯性传感器，在角速度±2000/s、加速度±1g、磁感应强度1μT~100μT、气压30kPa~130kPa范围的校准。其他三轴、六轴等MEMS惯性传感器的校准可参照本规范。2引用文件JJF1427-2023微机电(MEMS)线加速度计校准规范GJB7952-2012振动陀螺仪测试方法JJF1535-2015微机电(MEMS)陀螺仪校准规范JJF2003-2022微惯性测量组合(MIMU)校准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)适用本规范。3术语由MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS磁强计和MEMS气压计的一种或多种组成的用于测量载体在三维空间中的角速度、加速度、磁感应强度和气压强度信息的传注：一般至少包含三轴MEMS加速度计或三轴MEMS陀螺仪。MEMS惯性传感器由三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS磁强计和MEMS气压计中的一种或几种组成，MEMS惯性传感器系统原理框图如图1所示。三轴MEMS加速度计用于检测X轴、Y轴和Z轴方向的重力加速度分量，用于检测传感器旋转姿态；三轴MEMS陀螺仪用于检测X轴、Y轴和Z轴方向的角速度信号，用于检JJF(鄂)183-20262测传感器速度、位移信息；三轴MEMS磁强计用于检测X轴、Y轴和Z轴方向的磁场信号，用于检测传感器方位角，降低传感器导航时的累计误差；MEMS气压计用于检测气自测试模块自测试模块三轴陀螺仪三轴加速度计处理电源校准及滤波模块警报模块电源MEMS惯性传感器应用于各种运动参数测量，为载体提供三多轴MEMS惯性传感器的主要计量特性如表1所示。序号测量范围备注1角速度2加速度3磁感应强度45等参数决定适用于多轴MEMS加速度计、多轴MEMS陀螺仪、多轴MEMS磁强计6零偏一般不超过传感器测量范围的1%7交叉耦合系数归一化后一般在-0.1~0.1之间适用于多轴MEMS加速度8磁强计线性度9轴间角一般不大于2°陀螺加速度敏感系数一般不大于1(/s)/g一般不大于1mg/(/s)JJF(鄂)183-20263间，同一个校准点上示值的变化量一般不大于最大允许误差的绝对值气压计回程误差一般不大于最大允许误差绝对值的二分之一适用于模拟输出的多轴响应时间注：以上指标不是用于合格性判别，仅供参考。6校准条件c)周围干扰磁场应不大于25nT,无腐蚀性气体或液体，无强震源；安装的夹具各垂直面相互垂直度10”,平面度不大于0.02mm。6.3测试标准及设备校准用标准装置及配套设备如表2所示。MEMS惯性传转台转角范围：连续无限；角速度测量范围：台面平面度：0.02mm;角速度相对误差及平稳性：1×10-⁵(360°平均);角位置定位精度：±10”;角位置测量重复性：±5";角速率平稳性：0.05%;轴线垂直度：±10”陀螺仪标度因数陀螺仪零偏陀螺仪交叉耦合系数陀螺仪轴间角陀螺仪零偏加速度灵敏度加速度计轴间角加速度计横向灵敏度加速度计角速度灵敏度磁感应强度测量范围：磁强计轴间角JJF(鄂)183-20264±(0.2%读数+25nT)示值误差气压回程误差电信号测量装置电压测量不确定度：0.1%时间测量不确定度：0.1%示值误差响应时间三轴磁场线圈磁场范围1μT~100μT,均匀度--7校准项目和校准方法校准项目见表3.项目名称1陀螺仪标度因数2陀螺仪轴间角3陀螺仪零偏4陀螺仪交叉耦合系数5陀螺仪零偏加速度灵敏度678加速度计轴间角9磁强计轴间角响应时间a)将陀螺仪通过夹具固定在转台上，使得Xb)陀螺仪上电预热10min,待输出稳定后记录陀螺仪输出；JJF(鄂)183-20265选取11个角速度校准点，包含零点、量程上下限及中间关键节点，启动速率转台；d)每个角速率输入后，待转台角速度输出平稳后，采集数据@:1min,取陀螺仪输出的平均值为本次测量值，计算得到X轴陀螺的标度因数Kg;e)将陀螺仪通过夹具固定在转台上，使得Y轴陀螺敏感轴与转台旋转轴一致，重复b)~d)校准步骤，得到陀螺仪Y轴的标度因数Kgy;b)~d)校准步骤，得到陀螺仪Z轴的标度因数Kgz;陀螺仪输出的平均值Rk按式(4)计算：式中R为第k个角速率校准点陀螺仪输出平均值，R为第k个角速率校准点陀螺仪建立陀螺输入输出线性模型，见式(5):利用最小二乘法求解标度因数K,计算公式见式(6):6a)将陀螺仪通过夹具固定在转台上，按照附录C所示的6种位置对陀螺仪进行翻转，每个位置保持30s以上，将陀螺仪的X、Y、Z轴依次朝天和朝地，测得各轴加速度b)利用6组数据，通过最小二乘法可求出陀螺仪的零偏和零偏加速度敏感系数。这样可根据角速度6组测量的数据得到包含陀螺仪g值敏感系数和角速度零偏的R其中，B为陀螺仪的零偏，G₈为陀螺仪的零偏加速度灵敏度系数。7陀螺仪的轴间误差系数矩阵为Z轴相对于基准Z轴的误差角。JJF(鄂)183-20268 如此，即可根据加速度6组测量的数据得到加速度标度因数矩阵K。的最小二乘估计，其中包含了3轴加速度的零偏、标度因数和交叉耦合系数。具体公式见下式：b)加速度计上电预热10min,待输出稳定后记录加速度计输出R₇;c)启动转台，输入角速率@,待输出稳定后记录加速度计输出R₈;d)转换转台轴向，使得Y轴加速度计敏感轴垂直于转台向上，重复步骤a)~c);e)转换转台轴向，使得Z轴加速度计敏感轴垂直于转台向上，重复步骤a)~c);JJF(鄂)183-20269a)将传感器放置于磁场线圈工作区内，使得磁强计X轴敏感轴与磁场线圈X轴磁轴平b)调节稳流源输出电流，使用磁场线圈补偿环境磁场得到零磁场空间，补偿环境磁场后，零磁场空间的残余磁感应强度≤5nT。将被校磁强计放入磁场线圈中心点，记录被校磁强计的示值B+,保持磁场空间不变，将被校磁强计方向改变180°,记录被校磁强计c)调节稳流源输出电流，根据磁强计测量范围选取11个磁场校准点，其中应包含100%量程、80%量程、60%量程、40%量程、20%量程、0、-20%量程、-40%量程、-60%量程、-80%量程、-100%量程，使用磁通门磁强计测量线圈中心磁感应强度，使磁场线圈工作区d)每个磁场输入后，待磁场输出平稳后，采集数据B1s,取磁强计输出的平均值为本次测量值，计算得到X轴磁强计的标度因数K及线性度；f)重复a)~d)校准步骤，得到磁强计Z轴的标度因数K,及线性度；g)根据采集数据，使用最小二乘法计算得到磁强计的零偏及交叉耦合系数。JJF(鄂)183-2026 如此，即可根据磁场6组测量的数据得到磁强计标度因数矩阵K₆的最小二乘估计，其中包含了3轴磁强计的零偏、标度因数和交叉耦合系数。具体公式见式(15):是磁场零偏；K₆的对角线元素为磁场标度因数S,,即强计敏感轴X轴相对于基准X轴的误差角，θx、θ为MEMS磁强计敏感轴Y轴相对a)将气压计放置于气压箱内，使得气压计压力参考位置与标准器压力参考b)根据气压计的测量范围均匀地选取至少6个整10hPa检定点，其中应包含测量范围上限点和下限点，控制气压箱内部气压从测量范围下限点(1)示值平均值计算方法气压计在整个测量范围内有m个校准点，并进行n次循环校准。P为标准器第i个校准点示值平均值，hPa;P₁₅为标准器正行程第i个校准点第j次校准示值，hPa;Pb为标准器反行程第i个校准点第j次校准示值，hPa;P为气压计第i个校准点示值平均值，hPa;P′,为气压计正行程第i个校准点第j次校准示值，hPa;Pbi为气压计反行程第i个校准点第j次校准示值，hPa。(2)示值误差计算方法式中△p';为气压计正行程第i个校准点第j次校准示值误差，hPa;c,为标准器第i个hPa;为气压计反行程第i个校准点第j次校准示值误差，hPa。式中△p为气压计第i个校准点示值误差的平均值，hP(3)气压计各校准点示值修正值计算方法(4)稳定性计算方法 (5)回程误差计算方法传感器与电信号测量系统连接，接通电源，记录传感器供电接口电压上升至90%的时刻to与信号输出接口电压上升至90%的时刻t₁。8校准结果表达校准结果应在校准证书或校准报告上反映。校准证书或b)实验室名称和地址；JJF(鄂)183-20261)校准试验的操作人和核验人签名；9复校时间间隔在一般情况下建议复校的时间间隔为1年，送校单位也可根据实际使用情况自行确附录A多轴MEMS惯性传感器校准记录格式送检单位：出厂编号：温度：示值误差测量不确定度地点：其他：序号校准项目校准结果测量不确定度1陀螺仪标度因数2陀螺仪轴间角3陀螺仪零偏4陀螺仪交叉耦合系数5陀螺仪零偏加速度灵敏度678加速度计轴间角9加速度计角速度灵敏度磁强计线性度磁强计轴间角气压示值误差气压回程误差响应时间校准员：核验员：JJF(鄂)183-2026MEMS惯性传感器测量不确定度评定示例依据《多轴MEMS惯性传感器校准规范》进行不确定度分析，以验证本规范的校(1)环境条件：a)环境温度：21℃;b)相对湿度：52%;c)供电电源：电压220V,频率50Hz;(2)设备条件附表C-1校准用设备一览表序号设备名称型号测量范围期1陀螺仪运动中稳定性：8°/h,随机游走误差0.34/h,非线性度：0.25%-2线性度1×10-⁵3-4多功能校准源5时间标准最大允许误差：±2.5×10-76-C.1标度因数不确定度评定根据7.2.1.2中式(5),标度因数测量可表示为：R=KX+b+ε式中R为多个角速度校准点陀螺仪输出均值构成的向量，K为陀螺仪标度因数，X为JJF(鄂)183-2026标度因数的合成标准不确定度由式(A.2)求得：C.1.2不确定度分量C.1.2.1位置速率转台引入的不确定度分量u1位置速率转台测量不确定度为U=2×10⁴,k=2,则C.1.2.2数据采集系统引入的不确定度分量u2数据采集系统量化误差为式(A.3):式中δ为数据采集系统的量化误差，N为数据采集系统的有效位数。按B类评定，取N=16,假设服从均匀分布，不确定度分量为：C.1.2.3测量重复性引入的不确定度分量u₃C.1.3合成标准不确定度根据测量模型R=KX+b+ε,被测量为标度因数K,输入量为传感器输出R、角速度输入X和零偏b。由不确定度传播律，各输入量的灵敏系数为：c(X)=-1/(XTX)·XT·(b+ε)≈0(当零偏b和拟合误差ε足够小时)c(b)=0K/ab=-(XIX)-¹XT≈0(同上)因此，标度因数的合成标准不确定度主要由传感器输出R的不确定度传播而来。考虑到c(R)的矩阵形式，在实际评定中取其模值进行合成。传感器输出R的不确定度包含数据采集系统量化误差和测量重复性两个分量，角速度输入X的不确定度由转台精度引C.1.4扩展不确定度C.2零偏不确定度评定C.2.1测量模型根据7.2.2.2中式(7),简化后零偏的测量模型为：B=(Rg₁+Rg×2+Rg₃+Rgx₄+Rg×5+Rg₆)/6(A.4)式中B为零偏，Rg、Rg.₂、Rg₃、Rg4、Rg.5、R₆为MEMS惯性传感器在6个位零偏的合成标准不确定度由式(A.5)求根据测量模型B=(R₁+R₂+…+R₆)/6,被测量为零偏B,输入量为6个位置的陀螺零偏测量模型的输入量仅为传感器在各位置的输出值，不直接依赖转台角速度。转台的作用是提供6个不同姿态(±1g),其定位精度影响的是各位置重力加速度在敏感轴方向的分量，该影响已体现在传感器输出R的测量重复性中。因此，不确定度来JJF(鄂)183-2026源重新分析如下：u₁为各位置传感器输出的测量重复性引入的不确定度分量(A类评定);u₂为数据采集系统量化误差引入的不确定度分量(B类评定)。C.2.2不确定度分量C.2.2.1数据采集系统引入的不确定度分量u2数据采集系统量化误差为式(A.6):式中δ为数据采集系统的量化误差，N为数据采集系统的有效位数。按B类评定，取N=16,假设服从均匀分布，不确定度分量为：C.2.2.2测量重复性引入的不确定度分量u₂u(Rgx)=u(Rg₂2)=u(Rg₃)=u(R则u₃=u(Rgxi)+u(Rg×₂2)+u(Rg×3)+uC.2.3合成标准不确定度C.2.4扩展不确定度取k=2,则扩展不确定度U=ku(B)=4C.3零偏加速度灵敏度系数不确定度评定C.3.1测量模型根据7.2.2.2中式(7),简化后零偏加速度灵敏度可表示为：JJF(鄂)183-2026u²(8g)=c²(Rg.)u²(R₅)+c²(R6)u²根据测量模型g=(R₁-R₂)/2,被测量为零偏加速度灵敏度系数g,输入量为两个c(R₁)=0g/8R₁=1/2;c(R此处通过翻转姿态获得±1g加速度输入，转台或分度头的定位精度影响的是重力加速度在敏感轴方向的分量准确性，该影响体现在传感器输出R₁和R₂的测量不确定度C.3.2不确定度分量C.3.2.1位置速率转台引入的不确定度分量u1位置速率转台测量不确定度为U=2×10⁻⁴,k=2,C.3.2.2数据采集系统引入的不确定度分量u₂数据采集系统量化误差为式(A.7):则式中δ为数据采集系统的量化误差，N为数据采集系统的有效位数。按B类评定，取N=16,假设服从均匀分布，不确定度分量为：C.3.2.3测量重复性引入的不确定度分量u₃C.3.3合成标准不确定度C.3.4扩展不确定度取k=2,则扩展不确定度U=ku。(8gu)=1.1×10⁻²。C.4交叉耦合系数不确定度评定C.4.1测量模型交叉耦合系数k;;(i≠j)描述的是第j轴角速度输入对第i轴输出的耦合影响，其测量模型基于多位置多速率标定实验。当仅考虑单一交叉耦合系数kj时，其简化测量模零偏。在实际标定中，kj通过最小二乘法对矩阵方程整体求解获得。C.4.2不确定度分量C.4.2.1位置速率转台引入的不确定度分量u1位置速率转台测量不确定度为U=2×10⁴,k=2,则C.4.2.2数据采集系统引入的不确定度分量u₂数据采集系统量化误差为式(A.8):式中δ为数据采集系统的量化误差，N为数据采集系统的有效位数。按B类评定，取N=16,假设服从均匀分布，不确定度分量为：C.4.2.3测量重复性引入的不确定度分量u3C.4.3合成标准不确定度u.(K)=√u²+u²+u²=2.12C.4.4扩展不确定度C.5加速度计角速度灵敏度系数不确定度评定C.5.1测量模型根据7.2.5.2中式(12)和式(13),MEMS惯性传感器的角速度灵敏度系数可表示Pzx=(Fa₇-Fa₈)/w²根据测量模型p=(F+-Fo)/w²,被测量为角速度灵敏度系数p,输入量为旋转时加由于p与w²成反比，角速率の的不确定度对p的影响显著,灵敏系数|c(w)|=2p|/w,不可忽略。因此，除传感器输出不确定度和采集系统量化误差外，还需补充角速率w的不确定