Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
акселерометр пьезоэлектрический м икросхема
Прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разность между абсолютным ускорением объекта и гравитационным ускорением, точнее ускорением свободного падения) называется акселерометр. Существуют трёхкомпонентные (трёхосевые) акселерометры, которые позволяют измерять ускорение сразу по трём осям.
Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя, при регистрации амплитуд выше собственной резонансной частоты можно измерять непосредственно собственную скорость акселерометра.
Электронные акселерометры часто встраиваются в мобильные устройства (в частности, в телефоны) и применяются в качестве шагомеров, датчиков для определения положения в пространстве, автоматического поворота дисплея и других целей.
В устройствах управления игровых приставок акселерометр совместно с гироскопом используются для управления в играх без использования кнопок -- путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д. Например, в контролерах Wii Remote и Playstation Move присутствует акселерометр.
Акселерометры используют в жестких дисках для активации механизма защиты от повреждений, полученных в результате ударов, встрясок и падений. Акселерометр реагирует на внезапное изменение положения устройства и паркует головки жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.
Акселерометр в промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.
Интегральные акселерометры. Общие сведения
Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. Сравнение основных типов акселерометров дано в табл. 1. На рис. 1 показаны области, занимаемые акселерометрами различного типа на диаграмме «цена-качество».
Рис. 1. Диаграмма «цена-качество» для различных типов акселерометров
Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.
Пленочные пьезоэлектрические акселерометры
Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы. Основная область применения -- схемы управления надувными подушками безопасности.
Объемные интегральные акселерометры
Примером объемного датчика может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor , предназначенный для применения в системах управления надувными подушками безопасности автомобилей. Этот датчик состоит из двух пластин кремния 1 и 2, которые сплавлены друг с другом (рис. 2). Тремя тонкими кремниевыми балками c, d и e, имеющимися в пластине 1, инерционная масса а соединена с кремниевой рамкой b на пластине 2. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края (точки f на рис. 2). Каждая из коротких внешних (изгибных) балок содержит пару имплантированных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему.
Когда происходит столкновение автомобиля с препятствием, масса движется вниз, изгибая балки c, d, e и вызывая деформацию пьезорезисторов.
Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы, вызываемый деформацией пьезорезисторов, включенных по схеме моста Уитстона.
Рис. 2. Интегральный акселерометр объемной конструкции
Поскольку к надежности системы управления надувными подушками безопасности предъявляются чрезвычайные требования (представьте себе последствия ложного срабатывания подушки безопасности на оживленной автостраде при скорости 150 км/час), датчик снабжен системой самоконтроля. Ключевую роль в системе самоконтроля играет резистор-возбудитель, который нагревается пропусканием через него электрического импульса с силой тока 50 мА, напряжением 9 В и длительностью 50 мс. Когда балка, расположенная в средней части пластины 1, нагревается, происходит ее удлинение, поскольку температурный коэффициент расширения кремния положителен. А так как концы ее закреплены, она прогибается, отклоняет инерционную массу и изгибает балку, содержащую пьезорезисторы. Эта балка смещается примерно на 3 мкм в том же направлении, что и масса при столкновении автомобиля с препятствием.
Рис. 3. Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения
Микросхема датчика не содержит схемы обработки сигнала измерительного моста. Варианты датчика отличаются тем, что NAC-203 содержит встроенные толстопленочные схемы, позволяющие произвести лазерную подстройку чувствительности и температурной коррекции в процессе производства, а в NAC-201 реализация этих функций предоставляется пользователю. Входное и выходное сопротивления измерительного моста модели NAC-201 равны 2 кОм. Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 500 Гц. Резонансная частота приборов, смонтированных в полном соответствии с рекомендациями изготовителя, -- не менее 10 кГц.
Рис. 4. Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50
Интегральные датчики ускорения объемной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, поскольку операции формирования объемных структур не очень просто совмещаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно иметь датчик минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента требуется от 6,5 до 16 мм2 площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала может увеличить эту площадь еще в два раза. Поэтому, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola имеет двухкристальную конструкцию. На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом -- схема обработки сигнала.
Зарядные/пьезоэлектрические акселерометры
Пьезоэлектрические акселерометры используют пружинно-массовую систему для генерации силы, эквивалентной амплитуде и частоте вибрации. Эта сила прикладывается к пьезоэлектрическому элементу, который создает на своих выходах заряд, пропорциональный вибрационному перемещению. Уникальная конструкция пьезоэлектрических акселерометров компании Bruel&Kj?r обеспечивает одновременно высокий сейсмический резонанс и прочность, поэтому акселерометры данного типа являются универсальными акселерометрами общего назначения. Их исключительные высокочастотные характеристики также идеально подходят для измерения высокочастотных вибраций: например, при анализе шума редуктора или мониторинге турбины высокоскоростного ротационного оборудования. Пьезоэлектрические материалы являются самогенерирующими, и поэтому не требуют внешнего источника энергии.
Они способны работать при экстремальных температурах, но их отличает низкая выходная чувствительность (что характерно для конструкции пружинно-массового датчика). Поскольку большинство высокочастотных акселерометров являются недемпфированными, высокочастотные гармоники конструкции могут вызвать «звон» акселерометра и привести к перегрузке в последующих электронных схемах. Поэтому резонансная частота акселерометра должна быть достаточно высокой, чтобы быть выше высокочастотных сигналов, присутствующих в конструкции
IEPE-акселерометры
IEPE-акселерометры - это пьезоэлектрические акселерометры с интегральными предусилителями, которые выдают в линии питания выходной сигнал в виде модуляции напряжения. IEPE-акселерометры компании Bruel&Kj?r специально предназначены для измерения вибраций в малых структурах (например, малогабаритных). Их высокая выходная чувствительность, высокое отношение сигнал/шум и широкая полоса пропускания позволяют использовать их и как устройства общего назначения, и для измерения высокочастотных вибраций. Эти дешевые и легкие акселерометры являются инструментами с очень хорошими рабочими характеристиками, имеющими более высокую выходную чувствительность, чем стандартные пьезоэлектрические акселерометры (без интегральных предусилителей). Они герметизированы для защиты от загрязнений окружающей среды, имеют низкую восприимчивость к электромагнитному излучению на радиочастотах и низкое выходное полное сопротивление благодаря внешнему источнику постоянного тока. Низкоимпедансный выход позволяет использовать недорогие коаксиальные кабели. IEPE-акселерометры являются недемпфированными высокочастотными акселерометрами. При измерениях следует принимать меры, чтобы избежать «звона» акселерометра и возникновения условий перегрузки.
Пьезорезистивные акселерометры
Датчики деформации пьезорезистивных акселерометров изменяют электрическое сопротивление пропорционально приложенному механическому напряжению. Монолитный датчик акселерометра включает в себя встроенные механические ограничители и обладает очень высокой прочностью при очень хорошем соотношении сигнал/шум. Акселерометры этого типа идеально подходят для измерения перемещения, низкочастотной вибрации и ударного воздействия и предназначены для испытаний на столкновение с препятствием, на флаттер, на езду по трудным дорогам, а также для биодинамических измерений и тому подобных приложений, требующих минимальной нагрузки массы и широкой частотной характеристики. Их можно также использовать для ударных испытаний легких систем или конструкций, они соответствуют спецификациям SAEJ 211 для антропоморфной макетной измерительной аппаратуры. Имея частотную характеристику, которая простирается до постоянного тока, т.е. до установившегося ускорения, эти акселерометры идеально подходят для измерений длительных переходных процессов, а также кратковременных ударных воздействий. Во многих случаях чувствительность оказывается достаточно высокой и предусиления выходного сигнала не требуется. Пьезорезистивные акселерометры имеют минимальное демпфирование, поэтому не создают фазового сдвига на низких частотах. Однако им присущи проблемы при измерениях на низких частотах, и для преодоления этих недостатков требуется принимать специальные меры.
Акселерометры переменной емкости
В акселерометрах переменной емкости уникальный микродатчик переменной емкости создает емкостное устройство с параллельным расположением пластин. В результате получается датчик с реакцией на входные ускорения постоянного тока, со стабильной характеристикой демпфирования, которая максимизирует частотную характеристику, и с достаточной прочностью, чтобы противостоять очень высоким ударным и ускорительным нагрузкам.
Эти low-g акселерометры идеально подходят для измерения перемещений и низкочастотных вибраций и предназначены для использования в таких областях, как мониторинг траектории, оценка конструкции самолета/автомобиля, испытания на флаттер, испытание подвесок и тормозов автомобиля. Газовое демпфирование (gas damping) и встроенные ограничители на выход за пределы диапазона позволяют микродатчикам акселерометра противостоять ударным и ускорительным нагрузкам, присущим типичным high-g -приложениям. При high-g -испытаниях часты физические повреждения датчика; поэтому при выборе ударного акселерометра мы советуем переоценивать максимальный уровень ударного воздействия.
Общее правило: чем ближе акселерометр к источнику (взрывного или ударного воздействия), тем выше входной g-уровень. Также рекомендуется использовать припаянные клеммы и резиновые провода из-за их малого веса, но при установке и работе с этими нежными соединениями следует обращаться очень аккуратно.
Поверхностные интегральные акселерометры
Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLххх поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идет ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г.
Весь кристалл акселерометра размером 3,05 3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером 1ґ1 мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.
На рис. 3 показан основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика. Фактически датчик имеет 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок показывает только одну ячейку. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости. С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, аналогичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие ее на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и ее возврат в исходное положение. Говоря другими словами, сила инерции при воздействии ускорения
уравновешивается силой упругости пружины
где m -- масса, a -- ускорение, k -- жесткость пружины, x -- перемещение массы относительно исходного состояния. Отсюда следует, что a = x (k / m), причем k/m -- конструктивный параметр датчика.
Поскольку перемещение инерционной массы должно происходить в плоскости поликремниевой пленки, ось чувствительности датчика лежит в этой плоскости, и следовательно, она параллельна плоскости печатной платы, к которой припаивается датчик.
Рис. 6. Использование акселерометра для измерения наклона
Каждый из наборов неподвижных обкладок конденсатора (Y и Z) электрически соединен параллельно внутри схемного кристалла. В результате получается пара независимых конденсаторов X--Y и X--Z, подвижная обкладка которых образована всей совокупностью пальцеобразных выступов инерционной массы. Внутри кристалла эти три обкладки подключены ко встроенным схемам формирования сигнала акселерометра. В спокойном состоянии (движение с постоянной скоростью) все «пальцы» подвижной обкладки Х благодаря растяжкам находятся на одинаковом расстоянии от пар пальцев неподвижных обкладок. При каком-либо ускорении подвижные пальцы приближаются к одному из наборов неподвижных пальцев и удаляются от другого набора. В результате этого относительного перемещения соответствующие расстояния становятся неодинаковыми, и емкости между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок изменяются.
Хотя в ИМС акселерометра ADXL50 датчик и схема формирования сигнала фактически представляют собой замкнутый контур с обратной связью и уравновешиванием сил, опишем вначале работу устройства при разомкнутой обратной связи. Противофазные сигналы прямоугольной формы частотой 1 МГц одинаковой амплитуды подаются от генератора соответственно на верхнюю и нижнюю обкладки Y и Z (рис. 4).
Емкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при отсутствии ускорения одинаковы, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, поступающий на вход повторителя, равен нулю.
При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.
Фазочувствительный демодулятор преобразует этот сигнал в низкочастотный (полосой от 0 до 1000 Гц), характеризующий величину и знак ускорения. Это напряжение поступает на предусилитель, с выхода которого сигнал идет на внешний вывод ИМС.
Рис. 7. Блок-схема двухосного акселерометра ADXL202
Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды, временные изменения параметров, снизить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики ввели отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для этого напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм подается на подвижные обкладки датчика. Это напряжение создает электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в исходное состояние. Поскольку мы имеем в этом случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никогда не будет отклоняться от своего исходного положения более чем на 0,01 мкм.
В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя равно VO = 1,8 В, при полном ускорении ±50 g VO = 1,8±1,5 В.
В более поздних моделях ИМС акселерометров инженеры компании Analog Devices отказались от обратной связи по положению инерционной массы. С одной стороны, это позволило почти в два раза уменьшить площадь кристалла датчика, повысить его экономичность, увеличить размах выходного напряжения, практически исключить внешние компоненты, снизить стоимость, но с другой стороны, увеличилось смещение инерционной массы, что привело к некоторому реальному ухудшению линейности.
Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. В ADXL50 тестовый сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов низкой частоты подается на подвижную обкладку. Это вызывает колебания инерционной массы, аналогичные тем, которые вызываются воздействием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет изменяться с той же частотой.
Рис. 8. Упрощенная конструкция датчика ускорения микросхемы семейства XMMA
В моделях без обратной связи по положению только 42 ячейки датчика используются в схеме измерения ускорения. Остальные 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование осуществляется подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика действует электростатическая сила, соответствующая приблизительно 20 % ускорения полной шкалы.
Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально уменьшится. Таким образом проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.
Для того чтобы снизить требования к стабильности источника питания и сделать возможным питание акселерометров прямо от батарей, их выходное напряжение делают пропорциональным произведению ускорения на напряжение питания. В таком случае его следует включать по логометрической схеме, как это показано на рис. 5. В этой схеме удобно применить АЦП, который использует питающее напряжение в качестве опорного. Следует заметить, что между выходом акселерометра и входом УВХ АЦП должен быть буферный усилитель, так как выходной ток акселерометра изменяется в диапазоне ±100 мкА, и при достаточно высокой частоте выборок конденсатор УВХ не будет успевать заряжаться до напряжения на выходе акселерометра.
В настоящее время Analog Devices выпускает несколько моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальное ускорение ±5 g, ±50 g, ±100 g соответственно, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на максимальное ускорение по обеим осям ±2 g, ±10 g и ±50 g соответтвенно. Датчики изготавливаются в основном в плоских керамических корпусах QC-14 с планарными выводами, причем оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоскости выводов (то есть параллельно плоскости печатной платы). Вариант ADXL202Е выпускается в миниатюрном безвыводном кристаллоносителе LCC-8 размером 5ґ5ґ2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы ИМС ADXL202 и ADXL210 представляют собой прямоугольные импульсы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается относительной длительностью импульсов g .
Интересное применение акселерометров с малым значением максимального измеряемого ускорения (и, соответственно, высокой чувствительностью) -- определение угла наклона относительно горизонта.
Это можно использовать в охранных системах автомобилей, для определения местоположения бура при бурении наклонных скважин и др.
Рис. 9. График зависимости разности емкостей конденсаторов из ячейки датчика ускорения от перемещения подвижной пластины
Выходное напряжение акселерометра пропорционально синусу угла наклона оси его чувствительности относительно горизонта. Для того чтобы определить этот угол однозначно, необходимо использовать двухосный акселерометр. Для этой цели почти идеально подходит ADXL202. Зависимости выходных сигналов этого датчика, приведенных к 1 g, от угла его наклона представлены на рис. 6.
Рис. 7, а показывает упрощенную блок-схему двухосного акселерометра ADXL202. Его выходными сигналами являются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению. Такой тип выхода обеспечивает повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала по одной линии и прием его любым микроконтроллером, имеющим таймер (АЦП не нужен!). Сигнал на выходе каждого канала датчика имеет форму, показанную на рис. 7, б, причем ускорение в единицах g рассчитывается по формуле:
Обратите внимание, что относительная длительность = 0,5 соответствует нулевому ускорению. Период импульсов Т2 не нужно измерять на каждом импульсе. Его нужно уточнять только при изменении температуры.
Так как частота выходных импульсов одинакова для обоих каналов, период Т2 достаточно измерить только на одном канале. Эта величина устанавливается в пределе от 0,5 до 10 мс внешним резистором RSET. Недостатком акселерометров с ШИМ-выходом является необходимость применения весьма быстродействующих микроконтроллеров для получения высокой разрешающей способности при широкой полосе пропускания.
Завершая описание акселерометров компании Analog Devices, приведем несколько интересных цифр, характеризующих конструкцию и уровень технологии производства этих микросхем.
· Масса инерционного грузика -- 0,1 мкг.
· Емкость каждой части дифференциального конденсатора -- 0,1 пФ.
· Минимальное обнаруживаемое отклонение емкости -- 20 aФ (10-18 Ф).
· Изменение емкости, соответствующее ускорению полной шкалы -- 0,01 пФ.
· Расстояние между обкладками конденсатора -- 1,3 мкм.
· Минимальное обнаруживаемое отклонение подвижных обкладок конденсатора -- 0,2 ангстрема (пятая часть диаметра атома!).
Акселерометры семейства XMMA компании Motorola состоят из планарной емкостной ячейки датчика ускорения и КМОП-схемы нормализации сигнала, выполненных в отличие от ранних моделей , на одном кристалле. Чувствительный элемент (G-ячейка) занимает большую часть кристалла. Он сформирован из поликристаллического кремния посредством поверхностной микрообработки и состоит из двух неподвижных пластин, между которыми расположена пластина, закрепленная на упругом подвесе и способная перемещаться под действием инерционных сил (рис. 8). Когда центральная пластина отклоняется от среднего положения в результате ускорения, расстояние от нее до одной из неподвижных пластин увеличится на ту же самую величину, на которую расстояние до другой пластины уменьшится. Изменение расстояний характеризует ускорение.
Ось чувствительности к ускорению направлена перпендикулярно поверхности пластинки кремния (чипа), поэтому датчики, изготавливаемые в DIP-корпусе, измеряют ускорение, направленное нормально к печатной плате. Для того чтобы сделать возможным измерение ускорений, направленных параллельно печатной плате, фирма выпускает эти датчики также и в корпусах SIP, в которых чип расположен перпендикулярно печатной плате.
Рис. 10. Блок-схема акселерометра MMAS500G
Пластины G-ячейки формируют два противовключенных конденсатора. При движении датчика с ускорением, направленным перпендикулярно плоскости пластин, подвижная пластина отклонится в направлении, противоположном ускорению, и произойдет перераспределение расстояний между пластинами. Емкости обоих конденсаторов изменятся в соответствии с формулой
где S -- площадь пластин, e -- диэлектрическая постоянная и x -- расстояние между пластинами. Как видно, эта зависимость нелинейна. На рис. 9 приведен график зависимости разности емкостей этих конденсаторов (С1-С2) от перемещения подвижной пластины. Схемы определения рассогласования емкостей конденсаторов G-ячейки измеряют изменение напряжения на подвижной пластине (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) или заряда на ней (XMMA1000, XMMA2000).
Напряжение измеряется электрометрическим усилителем, а заряд -- усилителем заряда. Судя по техническим описаниям этих микросхем, представленным фирмой-изготовителем, постоянное ускорение они не воспринимают. На рис. 10 приведена блок-схема акселерометра XMMAS500G, имеющего диапазон измеряемых ускорений 500 g. Сигнал с выхода электрометрического усилителя поступает на фильтр нижних частот 4-го порядка, а с него -- на схему температурной компенсации.
Акселерометры компании Motorola также могут быть использованы в логометрическом включении.
Точность интегральных акселерометров . Статическая точность
Точность преобразования ускорения в электрический сигнал акселерометрами так же, как и точность датчиков другого типа, определяется величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а также температурным и временным дрейфом этих параметров. Важными составляющими погрешности являются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность.
Смещение нуля и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность может быть уменьшена путем калибровки и запоминания калибровочных констант в памяти микроконтроллера. Калибровка акселерометра возможна двумя способами: на вибростенде с образцовым датчиком ускорения и с использованием силы тяжести.
Рис. 11. Графики ускорения и скорости интегрального акселерометра в условиях сильных продольных вибраций
Использование вибростенда имеет следующие преимущества:
· возможность калибровки, в том числе и датчиков, восприимчивых только к переменному ускорению;
· возможность калибровки датчиков с ускорениями, многократно превышающими g;
и недостатки:
· требуется дорогостоящий вибростенд;
· проблема закрепления датчика при калибровке на высоких g.
Преимущества применения силы тяжести для калибровки:
· не требуется дорогостоящее оборудование;
· метод мало чувствителен к погрешности установки датчика;
· можно применить только для датчиков, восприимчивых к постоянному ускорению;
· нельзя калибровать полную шкалу датчиков, способных преобразовывать большие ускорения.
Температурный дрейф смещения нуля и чувствительности также может быть скомпенсирован.
Для этой цели некоторые модели (например, XMMA1000, ADXL105) снабжаются встроенными датчиками температуры. Одной из причин нелинейности характеристики преобразования интегральных акселерометров с датчиками емкостного типа является нелинейная зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками (см. рис. 9).
При использовании усилителя заряда, как это сделано в XMMA1000, потенциал подвижной пластины постоянен и равен половине напряжения питания, которое мы будем считать равным 2V (см. рис. 8). В этом случае из формулы q = CV с учетом (1) следует, что приращение заряда подвижной обкладки при ее перемещении на расстояние x составит
Как видно, зависимость приращения заряда от изменения расстояния между пластинами не линейна. Если в акселерометре применяется усилитель напряжения (электрометрический), то заряд конденсаторов датчика меняться не будет.
Тогда приращение напряжения на подвижной пластине будет линейно зависеть от изменения расстояния между пластинами:
По указанным причинам акселерометр XMMA1000 (усилитель заряда) имеет типичную погрешность линейности 1 % от полной шкалы против 0,5 % у MMAS40G (усилитель напряжения). Акселерометры семейства ADXL имеют емкостный датчик дифференциального типа, неподвижные пластины которого питаются равными, но противофазными напряжениями возбуждения V1 и V2 с частотой 1 МГц. Поэтому комплексное действующее значение напряжения на средней пластине, согласно методу двух узлов, определяется формулой:
где -- круговая частота возбуждения. С учетом того, что V1 = -V2
Таким образом, зависимость напряжения на подвижных пластинах датчика от перемещения получается линейной. Акселерометры семейства ADXL имеют типовую погрешность линейности 0,2 %.
В в качестве еще одного источника погрешности указывается гистерезис (то есть неполная восстанавливаемость) при вибрациях и ударах. В фирменном описании микросхем никаких сведений о гистерезисе нет, но эксперименты по использованию интегральных акселерометров семейства ADXL для определения скоростей и перемещений, проведенные авторами этой статьи, показали, что при наличии вибраций большой амплитуды погрешность, обусловленная, по всей видимости, гистерезисом, может достигать совершенно недопустимых значений. По нашему мнению, этот гистерезис вызван тем, что при значительных ускорениях деформация растяжек, играющих роль пружин, может быть неупругой и при уменьшении ускорения инерционная масса либо очень медленно возвращается в исходное состояние (вязкая не упругость), либо не возвращается совсем. На рис. 11 приведены графики ускорения (а) и скорости (б) от времени акселерометра ADXL150, закрепленного на одном из концов стального стержня длиной 1,5 м, который перемещается с большими ускорениями на расстояние 0,5 м. Вследствие упругости стержня это перемещение сопровождается вибрацией довольно большой амплитуды с частотой приблизительно 300 Гц. График ускорения получен непосредственным считыванием сигнала акселерометра 12-разрядным АЦП с частотой выборки 80 кГц. График скорости является результатом численного интегрирования этих данных методом трапеций. В начале и в конце интервала наблюдения (0-0,9 с) скорость датчика равна нулю.
На графике скорости (рис. 11, б), точки которого рассчитаны по данным акселерометра, погрешность конечного значения скорости составила примерно 1,25 м/с при максимальной скорости 3,5 м/с
Рис. 12. Графики ускорения и скорости интегрального акселерометра при пониженной вибрации
На рис. 12 приведены графики ускорения (а) и скорости (б) того же датчика при близких параметрах движения, но закрепленного на более жесткой конструкции. Движение сопровождалось значительно меньшей продольной вибрацией. Как видно, погрешность определения скорости уменьшилась во много раз.
Поперечная чувствительность
Поперечная чувствительность характеризует способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика (поперечное). У идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю. В паспортных данных датчика указывается часть (в процентах) поперечного ускорения, которая проходит на выход.
Шум акселерометров
Уровень шума непосредственно связан с шириной полосы пропускания датчика. Уменьшение полосы пропускания путем включения ФНЧ на выходе датчика приводит к снижению уровня шума. Это улучшает отношение сигнал/шум и увеличивает разрешающую способность, однако вносит амплитудные и фазовые частотные искажения. Некоторые модели акселерометров содержат на кристалле ФНЧ (семейство XMMA -- 4-го порядка, ADXL190 -- 2-го). Двухосные датчики ADXL202/210 имеют выводы для подключения двух внешних конденсаторов, образующих с двумя внутренними резисторами по 32 кОм два ФНЧ первого порядка.
Пример. Микросхема ADXL150 имеет типичное значение спектральной плотности шума 1мg/ Гц в полосе 10-1000 Гц. При включении ФНЧ с частотой среза 100 Гц действующее значение шума на выходе фильтра составит 10 мg, а амплитудное, с вероятностью 0,997, -- в пределах 30 мg.
Поскольку полная шкала этого датчика составляет 50 g, динамический диапазон равен 20lg(50/0,03) = 64,4 дБ. Это неплохо, но по этому показателю интегральные акселерометры сильно уступают пьезоэлектрическим. Например, пьезоэлектрический акселерометр типа 4371 компании Bruel & Kjaer имеет динамический диапазон 140 дБ .
Основной динамической характеристикой акселерометров является полоса пропускания по уровню -3 дБ. В табл. 2 приведены основные характеристики некоторых типов интегральных датчиков ускорения.
З аключение
В данный период времени акселерометры активно используются в переносных устройствах типа мобильных телефонов, планшетов и ноутбуков, для того, что бы отслеживать их положение в пространстве и предоставлять дополнительные функции, связанные с этим. Более простые датчики используются в механических приводах жестких дисков (чего в будущем не будет). Назвать лучший акселерометр сложно, так как области применения постоянно расширяются и требования к чувствительности, выходным данным и размерам абсолютно различны. Разрабатываются технологии для внедрения в более крупных масштабах, чем ранее, акселерометров в архитектурные сооружения, что поможет избежать некоторого ряда аварий.
Список использованной литературы
1.Гудинаф Ф. Интегральный акселерометр на 50 G с самоконтролем, реализованным на нагреваемом возбудителе // Электроника. 1993. № 7-8. С. 54-57.
2.Гудинаф Ф. Емкостный датчик ускорения, выполненный на основе сочетания объемной и поверхностной микроструктур // Электроника. 1993. № 11-12. С. 86-87.
3.Гудинаф Ф. Интегральный датчик ускорения для автомобильных надувных подушек безопасности // Электроника. 1991. № 16. С. 7-14.
4.Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998.
5.Серридж М., Лихт Т. Р. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям. «Брюль и Къер». 1987.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Пьезоэлектрические акселерометры: общая характеристика, принцип работы и области применения. Основные варианты конструкции пьезоэлектрических акселерометров. Дешифраторы, операционные усилители и аналого-цифровые преобразователи, их предназначение.
курсовая работа , добавлен 16.05.2014
Этапы разработки конструкции и технологии изготовления ячейки датчика ускорения емкостного типа. Назначение акселерометра, выбор печатной платы, способы пайки, особенности сборки и монтажа. Функционально-стоимостной анализ ячейки датчика ускорения.
дипломная работа , добавлен 07.12.2011
Разработка конструкции и технологии изготовления полупроводниковой микросхемы выполненной в интегральном исполнении. Обоснование выбора технологии изготовления микросхемы, на основании которого разработан технологический процесс, топология кристалла.
курсовая работа , добавлен 13.07.2008
курсовая работа , добавлен 12.06.2010
Использование параметрических феррорезонансных стабилизаторов напряжения. Конструктивно-технологическое исполнение интегральной микросхемы. Расчет интегрального транзистора и его характеристики. Разработка технических требований и топологии микросхемы.
курсовая работа , добавлен 15.07.2012
курсовая работа , добавлен 30.01.2014
Обоснование выбора датчика. Выбор микросхемы AD594, микроконтроллера. Блок–схема для программирования МК АТmega8. Подключение микросхемы к термопарам. Подключение одиночного и двойного питания. Схема соединения, обеспечивающая равенство температур.
курсовая работа , добавлен 23.12.2015
Приборы, служащие для измерения ускорений - акселерометры. Выбор пьезоэлектрического материала. Форма инерционной массы, ее влияние на характеристики датчика. Описание конструкции акселерометра. Выбор электрической схемы. Выходное напряжение усилителя.
курсовая работа , добавлен 15.05.2014
Основные активные элементы, применяемые в устройствах, работающих в диапазоне радиоволн. Важные характеристики интегральных микросхем. Полупроводниковые и гибридные интегральные микросхемы. Источники и приемники оптического излучения, модуляторы.
реферат , добавлен 14.02.2016
Разработка и реализация устройства селекции бинарной подпоследовательности символов из бесконечной бинарной последовательности. Выбор микросхемы регистра сдвига. Методы отладки модели УСПБ, генератор слов. Выбор микросхемы для реализации блока индикации.
Особенностью микромеханических акселерометров является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремниевой технологии, что определяет: малые габариты и вес акселерометра, возможность применения групповой технологии изготовления и, следовательно, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.
Одной из основных причин, вызывающих погрешность измерений микромеханического акселерометра, является изменение температуры окружающей среды. Дополнительное смещение нуля из-за вариации температуры окружающей среды:
где k T - тепловой дрейф сдвигов нулей акселерометров; ?T - изменение температуры за время испытания, T-скорость изменения температуры; t - время испытания.
Известно, что точность измерений ограничена не только систематической погрешностью, но и спектральным составом шума измерений. Например, в измерениях MEMS-датчиков присутствует фликкер-шум, окрашивающий шумы измерений.
Фликкер-шум (избыточный шум) - аномальные флуктуации, для которых характерна обратно пропорциональная зависимость спектральной плотности мощности от частоты в отличие от белого шума, у которого спектральная плотность постоянна. Фликкер-шум был обнаружен как медленные хаотичные изменения термоэмиссии катодов электронных ламп, получившие название "фликкер-эффект". В дальнейшем флуктуации с такими же свойствами были обнаружены во множестве физико-химических, биологических и даже социальных систем. В настоящее время термин "фликкер-шум", наряду с менее удобным, но более адекватным термином "1/f-шум", а также термином "макрофлуктуации" используется для обозначения аномальных флуктуаций в сложных системах. Разновидностью фликкер-шума является наблюдаемый в полупроводниках импульсный (взрывной) шум ступенчатые изменения уровня сигнала со случайно распределенными интервалами времени между изменениями уровня. Его спектральная плотность мощности растет с понижением частоты, ограничивает возможность увеличения точности путем усреднения и не позволяет снизить случайную составляющую погрешности до нуля. Кроме того, в цифровых датчиках всегда присутствует помеха с частотой тактового генератора, также придающая окраску белому шуму.
Акселерометры, как и гироскопы, страдают от смещения и дрейфов смещения, ошибок невыравнивания, дрейфов под воздействием температуры и ускорений, нелинейности (так называемой ошибки VRE), а также дрейфа чувствительности. Важнейшими характеристиками акселерометров для их сравнительного анализа являются смещение и его дрейфы, нестабильность смещения, а также шум. Также могут приниматься во внимание дрейф чувствительности, коэффициент нелинейности VRE и другие параметры.
Любое смещение акселерометра в отсутствие ускорения при двойном интегрировании вызывает ошибку скорости, пропорциональную времени интегрирования, и ошибку в вычисленном положении, растущую со временем квадратично. Неконтролируемое смещение нуля вызывает смещение вектора ускорения относительно его истинного направления, и это касается не только датчиков линейного ускорения, но и гравитационного, которое должно вычитаться из общего выхода акселерометра. В системах инерциальной навигации дрейф смещения акселерометра привносит существенный вклад в погрешность вычисления скорости и положения. При измерении ориентации наиболее существенными являются угловые ошибки вычислений наклонов продольном и поперечном направлениях.
Нестабильность смещения датчика представляет собой случайные вариации смещения, вычисленные в определенный временной интервал как усредненные значения. Этот параметр вычисляется по методу Аллана для стационарного датчика. При увеличении времени усреднения выходной шум снижается, и наклон достигает минимальной точки, а затем увеличивается вновь. Минимальная точка на кривой Аллана представляет собой нестабильность смещения, приводимую в спецификациях акселерометров в мg или мкg. Чем ниже значение этого параметра, тем меньше ошибка вычисления скорости, положения и ориентации. Нестабильность смещения акселерометра в большинстве спецификаций определяется производителями как наилучшая характеристика, достигнутая в лабораторных условиях (при 20 °C и отсутствии механических воздействий). Стабильность смещения в реальных условиях представляет собой максимальный дрейф остаточной ошибки смещения после компенсации воздействия внешних факторов - температуры, ударов, вибраций, старения.
Как было сказано выше, MEMS разделяют на два типа: сенсоры и актюаторы. Одним из самых используемых видов сенсоров являются датчики движения, которые в свою очередь делятся на акселерометры (датчики ускорения) и гироскопы (датчики поворота). Применение данных устройств на сегодняшний день очень широко: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются подобными сенсорами. В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном для развлечения. А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют головки диска. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально - именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.
Автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов. Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.
При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение - это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части - грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора - не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.
В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов.
Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung) - литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы. Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы "выращиваются" на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.
Введение
Глава 1. Анализ качественных характеристик прецизионных акселерометров и исследование путей повышения точности.
1.1. Анализ современных прецизионных акселерометров и выбор объекта исследования. 11
1.2. Конструкция и технология сборки акселерометра 18
1.3. Основные параметры, определяющие точность акселерометра, и уровень их реализации 24
1.4. Постановка задачи исследования. 31
Глава 2. Разработка математической модели по оценке статических параметров точности акселерометра . 33
2.1. Модель нулевого сигнала акселерометра АК-6. 35
2.2. Оценка степени влияния первичных конструкторско-технологических параметров на величину и стабильность "нуля" и "базы" акселерометров. 48
2.3. Выводы 51
Глава 3. Анализ физических процессов, определяющих доминирующие погрешности акселерометра и разработка путей уменьшения погрешности . 53
3.1. Исследование влияния крепления чувствительного элемента в корпусе акселерометра на стабильность положения оси чувствительности прибора. 54
3.2. Анализ работы деталей и узлов ЧЭ при изменении температуры. 61
3.3. Экспериментальное исследование причин нестабильности нулевого сигнала и базы акселерометра в процессе изготовления и эксплуатации. 67
3.5. Выводы 77
Глава 4. Разработка методов и средств оценки характеристик качества акселерометров в процессе их испытаний . 79
4.1. Анализ существующего технологического процесса калибровки акселерометров. 80
4.2. Разработка методики калибровки блочной системы акселерометров для высокоточных инерциальных систем навигации. 83
4.3. Скалярная методика калибровки акселерометров. 85
4.3.1. Анализ конструктивно-технологических факторов, обуславливающих основные погрешности триады акселерометров и разработка модели ошибок. 85
4.3.2. Вывод уравнений связи триады акселерометров. 89
4.4. Пути повышения точности оценки параметров триады акселерометров. 93
4.5. Выводы. 97
Глава 5. Определение требований к технологическому оборудованию и экспериментальная проверка адекватности определения параметров предлагаемой методикой калибровки . 98
5.1. Первичные факторы, учитываемые при моделировании процесса калибровки. 98
5.2. Описание алгоритма моделирования предлагаемой методики. 101
5.3. Математическое моделирование процесса калибровки триады акселерометров. 109
5.4. Анализ результатов математического моделирования 111
5.5. Экспериментальная проверка и анализ точности определения параметров приборов по базовой и скалярной
методикам калибровки. 137
5.6. Анализ влияния квадратичной составляющей погрешности на результаты контрольных замеров в широком диапазоне изменения ускорения. 141
5.7. Выводы. 151
Основные результаты работы. 152
Список литературы.
Введение к работе
Развитие авиационного приборостроения неразрывно связанно с созданием летательных аппаратов (ЛА) новых типов, обладающих большой скоростью и дальностью полета и требующих все более высокого уровня автоматизации процессов управления полетом .
Среди множества информационных систем, обеспечивающих формирование данных о текущих параметрах движения ЛА, особое место занимают инерциальные навигационные системы (ИНС) . Являясь автономными, т.е. полностью помехозащищенными, они обеспечивают необходимой информацией все системы управления движением ЛА .
Следует отметить, что существующие системы спутниковой навигации, в настоящее время, для применения в бортовом оборудовании рассматриваются в качестве дополнительных и корректирующих средств. Ограничение использования спутниковой навигации в первую очередь связанно с проблемами постоянства приема сигналов, малой частотой обновления информации, сложностями в определении углового движения летательного аппарата относительно центра масс и т.д.. Однако, высокая точность определения текущих координат создает предпосылки к применению таких систем для коррекции дрейфов инерциальных чувствительных элементов с целью повышения интегральной точности ИНС .
В последнее время удалось существенно повысить быстродействие и надежность бортовых вычислительных устройств, благодаря чему большое распространение получили бесплатформенные (бескарданные) инерциальные навигационные системы (БИНС), в которых физическая опорная система заменена математической .
Обладая рядом преимуществ по, сравнению с платформенными ИНС, к которым можно отнести значительное упрощение конструкции, следствием чего является уменьшение массогабаритных параметров, повышение
ПЛАТФОРМЕННЫЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
БЕСПЛАТФОРМЕННЫЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
физический 3-х-гранник
математический 3-х-гранник
Нестабильность нуля и
базы акселерометра от
запуска к запуску
Нестабильность дрейфа гироскопа в запуске
Динамический
диапазон гироскопа
^h
о "a о с
Разворот блока Ч.Э. на любой угол вокруг любой из 3-х осей.
Горизонти-рование
Калибрсвка Ч.Э. в каждом запуске
«Ьвичеосе гирокомпасирование
Нестабильность нуля и базы акселерометра в запуске
Положение осей блока ЧЭ неизменно в выбранной системе координат
^МЬ~
Динамический
диапазон акселерометра
Нестабильность
масштабного коэффициента
акселерометра
Время готовности блока Ч.Э.
-sL 4 ^
Жесткая привязка блока Ч.Э. к осям объекта OI.A).
Математическое гирокомпасирование
Нестабильность дрейфа
гироскопа от запуска к
запуску
Положение осей блока ЧЭ меняется в соответствии с изменением осей Л.А.
Нестабильность масштабного
коэффициента гироскопа
Отсутствие термостабилизации
Энергопотребление
Нестабильность темп. коэф.
Рис. 1.1.1. Требования предъявляемые к ЧЭ современными системами инерциальной
навигации.
надежности, сокращение жизненного цикла, уменьшение
энергопотребления, увеличение объема формируемой информации , БИНС существенно повышает требования к параметрам датчиков первичной информации . Различие требований платформенных ИНС и БИНС к гироскопам и акселерометрам приведены на Рис. 1.1.1.
Повышение точности любой инерциальной навигационной системы прямо связано с решением проблемы создания акселерометров прецизионного класса . Тенденция вытеснения платформенных систем бесплатформенными еще более усложняет задачу, так как резко ужесточает требования к параметрам точности акселерометров . В первую очередь это относится к величине и стабильности его нулевого сигнала ("нуля"), масштабного коэффициента (МК) и положения оси чувствительности ("базы") в широком диапазоне эксплуатационных условий, что определяется невозможностью калибровки акселерометра при каждом включении БИНС. Решение данной задачи невозможно без более углубленного анализа причин возникновения погрешностей акселерометра и влияния конструкторско-технологических параметров на величины и стабильность "нуля", "баз" и масштабного коэффициента, на основе которого могут быть разработаны технические предложения, как по совершенствованию конструкции, так и технологии изготовления акселерометра.
Аттестация указанных выше параметров качества акселерометров является неотъемлемой составляющей технологического процесса его изготовления . Так как в погрешность аттестации непосредственно входит получаемые оценки параметров акселерометров, повышение точности акселерометра однозначно влечет за собой ужесточение требований к точности измерительного оборудования. Используемая в настоящее время в серийном производстве методика аттестации (калибровки) основана на использовании оборудования, погрешность которого соизмерима с оцениваемыми параметрами. Кроме того, стоимость этого оборудования (в первую очередь прецизионных оптических
делительных головок) очень высока, а сам процесс отличается большой трудоемкостью в основном ввиду невозможности его автоматизации.
В соответствии с изложенным, исследование факторов, определяющих погрешность акселерометра, и разработка на его основе конструкторско-технологических рекомендаций по повышению точности, а также создание более эффективной методики калибровки является актуальной задачей.
В данной работе рассмотрены вопросы доведения параметров кварцевого акселерометра АК-6, разработанного в ОАО "Московский Институт Электромеханики и Автоматики", до требований предъявляемых современными БИНС, в связи с чем, разработана математическая модель основных параметров прибора, рассмотрены технологические аспекты конструкции и сборки данного акселерометра, на основании анализа которых предложены пути модернизации конструкции, а также рассмотрена новая модульная модель калибровки акселерометров.
Целью работы является разработка конструктивно-технологических решений обеспечивающих повышение точности акселерометра, а так же создание новой методики калибровки акселерометра, обеспечивающей необходимую точность определения параметров приборов при условии снижения трудоемкости процесса и применения менее дорогостоящего оборудования.
Задачи исследования.
В соответствии с целью работы можно сформулировать следующие задачи исследования:
выявление параметров точности серийно выпускаемых акселерометров, не удовлетворяющих требованиям перспективных БИНС;
исследование конструктивно-технологических причин и анализ физической природы образования доминирующих погрешностей акселерометра;
формализация связи конструктивно-технологических параметров акселерометра с его погрешностями;
разработка и экспериментальная проверка эффективности конструкторских и технологических рекомендаций по совершенствованию конструкции и технологии сборки акселерометра;
разработка и подтверждение эффективности методики калибровки акселерометров, обеспечивающей требуемую точность, снижение трудоемкости процесса и не требующей для своей реализации дорогостоящего оборудования. Методы исследования.
Полученные результаты базируются на комплексном применении основных положений теоретической механики, теории электрических цепей, теории точности производства, математических методах анализа, теории линейных векторных пространств, методах аппроксимации и линеаризации, а также натурном и математическом моделировании. Научная новизна работы состоит в:
построении и экспериментальном подтверждении физической модели погрешности акселерометра, связанной с нестабильностью положения пластины чувствительного элемента и самого чувствительного элемента в корпусе акселерометра;
разработке математической модели, описывающей : : доминирующие погрешности акселерометра в его конструктивно-технологических параметрах;
разработке модульной методике калибровки акселерометров; , формулировке и обосновании требований к специальному оборудованию для калибровки акселерометров по предлагаемой методике. Практическая ценность работы заключается в:
разработке технических решений по совершенствованию конструкции и технологического процесса сборки акселерометров, обеспечивающих уменьшение его доминирующих погрешностей;
применение разработанной математической модели погрешности акселерометра для выбора рациональных величин параметров его электронного контура и обоснованных допусков на отклонение этих параметров, с точки зрения обеспечения требуемой точности акселерометра;
разработке и экспериментальном подтверждении
эффективности новой методики калибровки акселерометров,
обеспечивающей существенное повышение точности оценок при
резком снижении требований к точности испытательного оборудования;
внедрении разработанных технических решений в
конструкторскую документацию и технологический процесс сборки
серийно выпускаемого акселерометра АК-6.
Апробация работы . Материалы представленные в данной
диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях:
Всероссийская научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии" НМТ - 2000, "Новые материалы и технологии" НМТ - 2002, Международная молодежная научная конференция "XXVII Гагаринские чтения" 2001г„ "XXVIII Гагаринские чтения" 2002г, "XXIX Гагаринские чтения" 2003г., Международный симпозиум "Аэрокосмические приборные технологии" 2002.
Публикации . Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах и технических отчетах выпущенных в МИЭА в 2000/01 г.
Структура и объем диссертации : Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 111 наименований. Материал изложен на 153 страницах иллюстрированных 70 рисунками, графиками и 35 таблицами. Содержание диссертации. Работа состоит из пяти глав.
Во введении кратко рассмотрены актуальность и практическая ценность работы. Сформулированы цель работы, задачи и методы исследований, научная новизна, результаты апробации и внедрения данной работы. Приведена структура диссертации и краткое содержание основных разделов.
В первой главе дан обзор конструкций, принципов работы и характеристик ряда акселерометров, выявлены основные параметры, определяющие точность акселерометра, детально рассмотрена конструкция кварцевого акселерометра АК-6.
Во второй главе создана математическая модель нулевого сигнала акселерометра, на ее основе дана оценка степени влияния параметров конструкторско-технологических элементов на величину и стабильность "нуля" и "базы" акселерометров.
В третьей главе на основе экспериментальных и теоретических исследований произведен анализ и сформулированы требования к конструкции чувствительного элемента и креплению его в корпусе АК-6, с целью повышения точности и стабильности "базы" и нулевого сигнала акселерометра в широком температурном диапазоне. Предложенные конструкция и технология сборки прибора внедрены в производство.
В пятой главе проведено математическое моделирование, на основе которого сформулированы требования к оборудованию для испытания акселерометров, а также экспериментальная проверка адекватности определяемых параметров по предлагаемой методике.
В заключении приведены основные результаты работы и выводы по ней.
Конструкция и технология сборки акселерометра
Акселерометр АК-6 - маятниковый, компенсационного типа с упругим подвесом чувствительного элемента, реализованным на двух торсионах толщиной 20 мкм.
Принцип действия акселерометра АК-6 определяется основным законом динамики, в соответствии с которым, при движении объекта на котором установлен акселерометр в направлении оси его чувствительности с ускорением а возникает инерционный момент Ми относительно оси подвеса эталонной массы, приводящий к ее угловому отклонению Д которое измеряется датчиком положения (ДП). Сигнал с ДП поступает через усилитель обратной связи (УОС) на обмотку датчика силы (ДС). ДС развивает относительно оси подвеса массы момент М, компенсирующий инерционный момент Ми. При этом выходное напряжение U на нагрузочном сопротивлении RH пропорциональны измеряемому ускорению а.
Конструктивно акселерометр АК-6 состоит из следующих основных частей, Рис. 1.2.1.:
1. Чувствительного элемента, обеспечивающего фиксацию эталонной массы, а также реализующего ДП и ДС.
2. Усилителя обратной связи, преобразующего сигнал ДП в сигнал управления ДС, одновременно являющимся и выходным сигналом акселерометра.
3. Термодатчика, формирующего электрический сигнал пропорциональный фактической температуре во внутренней полости акселерометра.
4. Герметичного корпуса, в который заключены вышеперечисленные узлы. Конструктивно-структурная схема рассматриваемого кварцевого акселерометра с выделением промежуточных сборочных узлов показана на Рис. 1.2.2. Чувствительный элемент.
Состоит из двух корпусов (19 и 32) с сформированными обкладками датчика перемещения и магнитами (31) датчика силы, кварцевой пластины (34) состоящей из наружного кольца, используемого для ее закрепления между корпусами ЧЭ по платикам, соединенного торсионами с маятником на котором напылены обкладки ДП и закреплены катушки (28) составляющие с магнитами корпусов систему ДС, а также соединительного кольца.
Технологический процесс изготовления кварцевой пластины является оригинальными и содержит комплекс операций по формированию маятника и торсионов и обеспечению жестких требований к частоте, плоскостности и параллельности ее поверхностей.
Затем, с помощью химического травления, с использованием защитных масок, из пециина за два перехода формируют сначала платики, а затем заданную толщину торсионов. После полного формирования пластины на ней создаются обкладки емкостного ДП и проводники цепи ДС методом термовакуумного напыления золота толщиной 0,1 мкм. Для обеспечения необходимой адгезии, золото напыляют на подслой хрома, который формируют аналогичным способом.
Каркас с намотанной катушкой датчика силы приклеивается к язычку пластины клеем на эпоксидной основе, а выводы катушки присоединяются к напыленным проводникам термокомпрессионной сваркой.
Сварку чувствительного элемента производят в специальном приспособлении, которое обеспечивает взаимное центрирование верхнего и нижнего корпуса ЧЭ относительно пластины. В приспособлении имеется регулируемый прижим, обеспечивающий усилие сжатия корпусов, при этом точка приложения сжимающей силы прикладывается в «центре давления» платиков, т.е. в центре тяжести треугольника, образованного платиками. Данные операции проводятся для фиксации пластины только по платикам и обеспечения равномерного зазора между маятником пластины и корпусами ЧЭ.
Корпуса ЧЭ соединяются жестким кольцом из того же материала с помощью точечной лазерной сварки, выполняемой по специальному алгоритму.
Оценка степени влияния первичных конструкторско-технологических параметров на величину и стабильность "нуля" и "базы" акселерометров.
Рассматривая полученное уравнение (2.32.) видно, что статическая погрешность положения массы при условии а=0, которая равносильна отклонению оси чувствительности акселерометра от базовой, определяется технологическими погрешностями изготовления датчика положения, а так же дифференциального и интегрирующего усилителей и не зависит от упругих характеристик торсионов подвеса массы и электростатических сил датчика положения. Выражение (2.32.) подтверждает факт, что в реальном акселерометре полное исключение методической погрешности невозможно.
Анализ уравнения (2.35.) , однозначно показывает, что существуют независимые составляющие нулевого сигнала, одна из которых определяется погрешностями исполнения электронных цепей, а вторая относительными погрешностями электромеханической части акселерометра - разностью нулевых положений каждой из возмущающих сил и нулевым положением информационного сигнала датчика положения. Однако, не зависимо от природы погрешностей их влияние может быть значительно уменьшено рациональным выбором геометрических параметров торсионов и напряжения возбуждения датчика положения, обеспечивающих выполнение условия кт = кэ. Необходимо отметить, что условие кт- 0 и кэ - 0 в общем виде является некорректным, так как не учитывает других существенных требований к акселерометру. В частности это относится к механической прочности торсионов и минимально допустимой крутизне характеристики информационного сигнала датчика положения. Поэтому полная совокупность условий должна выглядеть, как кт = кэ при кт- min и кэ - min, т.е. имеет место оптимизационная задача. Выбор остальных номинальных параметров, входящих в (2.35.) так же является задачей оптимизации, при решении которой полученные соотношения за исключением (2.15.) являются необходимой, но явно не достаточной совокупностью математических моделей. Однако при выбранных номинальных параметрах данные соотношения позволяют решить задачу рационального распределения допусков на эти параметры.
Рассматривая задачу рационального распределения допусков в плане анализа точности изделия, основанного на теории чувствительности , перейдем к определению функций влияния первичных параметров на Ueblxo и Л0. При этом в качестве первичных параметров в ряде случаев будем рассматривать отклонение конструктивных параметром от номинальных величин. В этом случае за номинальное значение отклонения примем ноль. Основываясь на правиле дифференцирования сложных функций и принимая во внимание, что в точке дифференцирования справедливы соотношения: получим следующие выражения для функций влияния первичных параметров на величину Д0:
На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы: -формирование одной из основных погрешностей акселерометра - его нулевого сигнала происходит на этапе сборки и обусловлено технологическим разбросом первичных параметров основных функциональных элементов акселерометра; - методическая погрешность акселерометра, связанная с начальным смещением оси чувствительности, определяется погрешностями его информационно-усилительного тракта, являющимся следствием неидеальности операционных усилителей и по этой причине не может быть полностью исключена; - указанная методическая погрешность не зависит от параметров силовых характеристик торсионов подвеса массы и электростатического воздействия датчика положения; - нулевой сигнал акселерометра содержит две независимые составляющие, одна из которых суть погрешности электронной цепи, вторая - погрешность сборки электромеханической части; проведенный анализ позволяет заключить, что технологические погрешности оказывают существенно большее влияние на параметры электростатической силы, чем на информационный сигнал; - сформулированы некоторые требования к выбору номинальных параметров функциональных элементов, полная совокупность требований может быть получена за счет дополнения построенной математической модели функциональными моделями, описывающими эксплуатационные параметры акселерометра; -построенная математическая модель позволяет решить задачи рационального выбора допусков на первичные параметры основных функциональных элементов акселерометра с целью повышения стабильности его нулевого сигнала и "базы".
Анализ работы деталей и узлов ЧЭ при изменении температуры.
На основании проделанной работы были сформулированы следующие рекомендации для обеспечения стабильности погрешности базы и нулевого сигнала в АК-6.
С целью исключения возможных перемещений кварцевой пластины относительно корпусов ЧЭ, связаных с превышением на крайних точках температурного диапазона напряжений во внешнем кольце пластины сил трения плоскостей платиков по посадочным плоскостям корпусов, необходимо обеспечить гарантированное усилие сжатия корпусов ЧЭ соединительным кольцом во всем температурном диапазоне, что можно реализовать: - изменением конструкции соединительного кольца, обеспечивающего его предварительное растяжение в вертикальном направлении, т.е. исполнением его в виде пружины; - изменением технологического процесса сборки, обеспечивающего предварительное растяжение соединительного кольца. . Соединительное кольцо ЧЭ С этой целью была разработана конструкция соединительного кольца (рис. 3.15.) с элементом уменьшенной жесткости (1), посадочными диаметрами для нижнего и верхнего корпусов (соответственно 4 и 3) и элементом крепления (фланцем) - 2. Процесс сборки также был изменен в части окончательной сборки ЧЭ (рис. 3.16.) таким образом, что: - соединительное кольцо (1) крепится к нижнему корпусу (2) точечной лазерной сваркой (3);
Схема окончательной сборки ЧЭ. - данная сборка устанавливается в спецприспособление (5) с базировкой на фланец соединительного кольца; - далее устанавливается пластина с катушками и верхний корпус (4); - к верхнему корпусу прикладывается усилие сжатия (6) в точке пересечения медиан треугольника образованного платиками кварцевой пластины, которое благодаря схеме базировки передается на соединительное кольцо, меняющее свои геометрические размеры в вертикальном направлении; - верхний корпус фиксируется относительно соединительного кольца точечной лазерной сваркой.
С целью исключения возможных перемещений ЧЭ относительно корпуса акселерометра, связанных с различием ТКЛР корпусов ЧЭ, установочного кольца и корпуса прибора, а также обеспечения изоляции ЧЭ от корпуса необходимо изменить конструкцию и технологию сборки, что можно реализовать: - исключением установочного кольца и клеевого соединения; - фиксацией ЧЭ в корпусе акселерометра путем закрепления. фланца соединительного кольца между двумя керамическими втулками выполняющих роль изолятора; - использованием пружины для обеспечения стабильности зажима фланца во всем рабочем диапазоне температур. Для рассмотренной конструкции Рис. 3.17. процесс сборки должен быть реализован следующим образом: - в верхнюю часть корпуса акселерометра 7 устанавливается плоская пружина 2, на которую помещают керамическую втулку 3; - на керамическую втулку 3 устанавливают на фланец соединительного кольца 2 ЧЭ 1 и устанавливают вторую керамическую втулку 5; - устанавливают запорную шайбу и осуществляют центрирование данной сборки; - прикладывают тарированное усилие к запорной шайбе и осуществляют ее фиксацию относительно корпуса прибора точечной лазерной сваркой 9. На Рис. 3.18. и таблице 3.7. приведены результаты испытаний партии приборов (температурная зависимость нулевых сигналов), собранных по разработанным конструкторско-технологическим рекомендациям. Как видно из приведенных данных, рассматриваемый параметр обладает большей стабильностью как по величине зависимости от температуры, так и по температурному гистерезису по сравнению с аналогичной партией приборов собранных по старой технологии (таблица 1.3.2. и Рис. 1.3.2.). В общем случае, стабильность параметров акселерометров (в части нулевого сигнала и "базы") в результате реализации разработанных рекомендаций возросла более чем на 20%.
Разработка методики калибровки блочной системы акселерометров для высокоточных инерциальных систем навигации
Для получения более совершенной методики калибровки была сделана попытка использовать в ней скалярный эталон, величина которого не зависит от ориентации акселерометра. В качестве такого эталона было предложено применить квадрат модуля вектора ускорения силы тяжести, весьма точно известного для любой точки Земного шара и не зависящего от выбора системы координат.
В связи с заменой векторного эталона на скалярный методика обладает рядом особенностей, главной из которых является следующая. Как известно, для определения вектора в трехмерном пространстве необходимо измерить его проекции на 3 направления не лежащие в одной плоскости. Таким образом, при использовании методики следует одновременно калибровать не менее трех приборов. Указанное обстоятельство особенно важно при калибровке акселерометров, например, для БИНС, поскольку позволяет калибровать сразу триаду приборов в сборке, которая может устанавливаться в систему без демонтажа с сохранением относительного расположения их осей.
Для математического описания методики следует определить модель погрешностей триады акселерометров и составить систему уравнений связи, выражающих рассматриваемые погрешности приборов через их выходные сигналы.
При составлении модели ошибок одиночного акселерометра будем предполагать, что в идеальном случае, когда погрешности отсутствуют, его выходной сигнал полностью определяется величиной проекции вектора ускорения силы тяжести G на направление оси чувствительности прибора по аналогии с (4.1.1): W = M (G e) (4.3.1) Обозначив скалярное произведение в (4.2.1) как g и учитывая возможные погрешности, получим: W = М (8о + g + 5, g + 52 g2 + 83 g3 + 54 g4 + 55 g5 +...) (4.3.2) где 5j - коэффициент погрешности j-ого порядка. Каждое слагаемое в круглых скобках уравнения (4.3.2) представляет собой приведенную ко входу погрешность соответствующего порядка. Разделив обе части уравнения (4.2.2) на модуль вектора ускорения силы тяжести и на масштабный коэффициент М, получим: А = До + а + Д, а + Д2 а2 + Д3 а3 + Д4 а4 + Д5 а5 +... (4.3.3) где А - выходной сигнал акселерометра в безразмерной форме; а - измеряемое акселерометром ускорение, отнесенное к G; Aj - безразмерный коэффициент погрешности j-ой степени: Aj = 574} 1
Коэффициент До имеет наглядный физический смысл - он равен углу между векторами G и (G + 5о), если считать, что вектора G и 50 перпендикулярны между собой. Поэтому и остальные коэффициенты А,- удобно представлять в угловой мере.
При использовании данной методики порядок рассматриваемых коэффициентов погрешностей теоретически не ограничен, однако для большинства приложений достаточно учета погрешностей не выше второго порядка. Таким образом, модели погрешностей акселерометров, входящих в триаду, имеют вид: Ах = А0х + ах + Д1х ах + Д2х ах2 Ау = Доу + ау + Д 1у ау + Д2у ау2 (4.3.4) Az = A0z + az + Alz az + Д2г az2 Погрешности измерения вектора ускорения триадой акселерометров не полностью определяются системой (4.2.4). Для полного описания погрешностей необходимо учитывать еще и ошибки, возникающие из-за возможного несовпадения реальной ориентации оси чувствительности каждого акселерометра с соответствующей осью номинальной системы координат триады Рис. 4.2.1. Рассмотрим модель ошибок триады акселерометров в целом как измерителя вектора ускорения.
Храбров, Сергей Васильевич