Untersuchung der Genauigkeit von Präzisionsbeschleunigungsmessern und Verbesserung ihrer Qualität Izmailov Andrey Evgenievich. Laborarbeit Untersuchung der statistischen Eigenschaften des Beschleunigungsmessers Typ bdlu-0.5 theoretische Informationen Untersuchung der Eigenschaften des Beschleunigungsmessers

Geräte zur Messung der linearen Beschleunigungen von Flugzeugen und der Winkelbeschleunigungen der rotierenden Elemente ihrer Einheiten werden genannt Beschleunigungsmesser.

Beschleunigungsmessersignale werden in Trägheitsnavigationssystemen zur Berechnung von Geschwindigkeiten und Positionen, in Flug- und Motorsteuerungssystemen und in visuellen Instrumentenanzeigen verwendet. Visuelle Beschleunigungsanzeiger sind für einen Piloten in manövrierfähigen Flugzeugen notwendig, um die Überlastungen zu kontrollieren, die auftreten, wenn das Flugzeug gesteuert wird.

Beschleunigungssensoren werden nach verschiedenen Kriterien eingeteilt, insbesondere nach Einsatzgebiet, Art der Aufhängung der Aufnehmer, Art der Signalaufnahme, Anzahl der gemessenen Beschleunigungskomponenten, Art des Ausgangssignals etc.

Die Anforderungen an Beschleunigungssensoren in Bezug auf die Messgenauigkeit werden von der Anwendung bestimmt. Daher sollten die Fehler von Beschleunigungssensoren in Inertialsystemen 0,001 % nicht überschreiten. Beschleunigungsmesser, die in Steuerungssystemen verwendet werden, haben Fehler von 0,001–1,0 %. Die Fehler von Beschleunigungssensoren, die als visuelle Instrumente verwendet werden, betragen 1–3 %.

Das Funktionsprinzip des Beschleunigungsmessers ist wie folgt.

Abb.1 Schema des Beschleunigungsmessers.

1 - Trägheitsmasse; 2 - Feder; 3 - Dämpfer; 4 - Skala; 5 – Gerätekörper; 6 - Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers

Trägheitsmasse 1, die dem Körper der Vorrichtung zugeordnet ist 5 mit Feder 2 und Dämpfer 3 , kann sich in 6-Achsen-Richtung bewegen wird als Empfindlichkeitsachse bezeichnet. Massenverschiebung relativ zum Körper des Geräts, gemessen auf einer Skala von 4 , proportional zu der entlang der Empfindlichkeitsachse gerichteten gemessenen Beschleunigung.

Das empfindliche Element des Beschleunigungsmessers ist die Trägheitsmasse.

Für träge Masse
Beschleunigungsmesser wirken folgende Kräfte:

- Trägheitskraft

,

wo – Verschiebung der Masse in Bezug auf den Gerätekörper;

– Bewegung des Gerätekörpers relativ zu einem festen Punkt im Raum.

- Kraft, die proportional zur Geschwindigkeit der Massenbewegung ist und vom Dämpfer erzeugt wird:

,

wo
- Dämpfungsfaktor.

- durch die Elastizität der Feder erzeugte Stellkraft:

,

wo ist der Elastizitätskoeffizient.

Die Summe dieser Kräfte ist gleich Null, d.h.

,

,

wo
- Eigenfrequenz;

;

ist der relative Dämpfungskoeffizient.

Die Hauptelemente von Beschleunigungsmessern sind Trägheitsmassenaufhängungen, Massenverschiebungssignalsensoren, Drehmoment-(Leistungs-)Vorrichtungen, die Rückkopplungssignale eingeben, Signalverstärker und Korrekturvorrichtungen (Dämpfer).

Damit der Beschleunigungsmesser nur auf die Beschleunigungskomponente anspricht, die er messen soll, muss seine Trägheitsmasse eine spezielle Aufhängung haben, die die folgenden Anforderungen erfüllt: 1) minimale Reibung in den Aufhängungsachsen; 2) das Fehlen von Querverbindungen zwischen den Messachsen; 3) Bereitstellen einer linearen Beziehung zwischen den Abweichungen der Trägheitsmasse und der gemessenen Beschleunigung.

Aufhänger auf einfachen Stützen erzeugen eine erhebliche Reibung, die die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers verringert. Um die Reibung zu verringern, wird das empfindliche Element auf einen Hebel montiert oder in eine Flüssigkeit gelegt, deren spezifisches Gewicht gleich dem spezifischen Gewicht des empfindlichen Elements ist (Abb. 2–4). Aufhängungen an Federn und gewellten elastischen Membranen sind reibungsfrei, haben aber den Nachteil, dass das Gerät bei Abweichung der Masse auf Beschleunigungskomponenten senkrecht zur Empfindlichkeitsachse zu reagieren beginnt. Daher werden solche Aufhängungen in kraftkompensierten Beschleunigungssensoren eingesetzt, wenn praktisch keine Massenabweichungen auftreten.

Reis. 2. Schema eines Einkomponenten-Beschleunigungsmessers:

1 - Trägheitsmasse; 2 - Körper; 3 - Flüssigkeit; 4 - Führungsstange; 5 - Verstärker; 6 – induktiver Wegsensor;

7 - elektromagnetischer Antrieb

Auf dem Diagramm von Abb. In Fig. 2 ist die Trägheitsmasse 1 an der Führung 4 aufgehängt. Zur Verringerung der Reibung an der in Flüssigkeit 3 ​​eingebrachten Führungsmasse 1 weist diese einen neutralen Auftrieb auf, wodurch ein starker Druck auf die Führung eliminiert wird. Die Signale im betrachteten Schema proportional zur Bewegung der Trägheitsmasse werden von einem induktiven Sensor 6 gemessen. Nach Verstärkung im Verstärker 5 wird das Signal dem elektromagnetischen (Leistungs-) Antrieb 7 zugeführt. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmesser ist ein Spannungsabfall auf Widerstand im Wicklungskreis des Leistungsantriebs in Reihe geschaltet. Die Dämpfung in der Vorrichtung wird aufgrund des Widerstands während der Bewegung der Trägheitsmasse in der Flüssigkeit erreicht. Bei Beschleunigungsmessern des betrachteten Typs kann man eine hohe Eigenfrequenz und eine kleine Totzone (erreicht durch Verringerung der Reibungskräfte durch Wiegen der trägen Masse in der Flüssigkeit) erhalten. Um die Eigenschaften des Beschleunigungsmessers konstant zu halten, ist es notwendig, die Temperatur der Flüssigkeit konstant zu halten, was durch Thermostatisierung erreicht wird.

Reis. 3. Schema eines Pendelschwimmer-Beschleunigungsmessers:

1 - Trägheitsmasse; 2 - Flüssigkeit; 3 - Körper; 4 – Drehmomentmotor;

5 - Verstärker; 6 - Signalsensor

Auf Abb. 3 zeigt ein Diagramm eines Pendelschwimmer-Beschleunigungsmessers. Der Schwimmer (Trägheitsmasse) ist so ausgelegt, dass sein Gewicht Q nahe der Auftriebskraft F liegt. Die notwendige Pendelung des Schwimmers ergibt sich durch die Verschiebung des Schwerpunkts gegenüber dem Verschiebungszentrum um den Wert L. 4. Geringe Reibung in den Trägern, die Aufhängungen sind, wird durch geringen Druck erreicht, da das Gewicht des Schwimmers Q praktisch durch die Auftriebskraft F ausgeglichen wird. Die Dämpfung wird dadurch erreicht, dass sich die Masse in der Flüssigkeit bewegt. Um die Eigenschaften des Geräts konstant zu halten, ist es erforderlich, die Temperatur der Flüssigkeit zu regulieren. Silikonflüssigkeiten werden in Schwimmer-Beschleunigungsmessern verwendet.

Beschleunigungen, die von Beschleunigungsmessern gemessen werden, die in Trägheitssystemen verwendet werden, dienen dazu, Fluggeschwindigkeit und zurückgelegte Entfernung zu erhalten. Um die Geschwindigkeit zu erhalten, wird die Beschleunigung einmal integriert, und um den Weg zu erhalten, wird sie zweimal integriert. Es gibt eine bestimmte Klasse von Beschleunigungsmessern, bei denen das Ausgangssignal nicht proportional zur Beschleunigung, sondern zum ein- oder zweifachen Beschleunigungsintegral ist.

Abb.4 Schema des integrierenden Beschleunigungssensors

1-Trägheitsschwimmer; 2-Antriebsmotor; 3 hydraulische Umgehungskanäle; 4-kapazitiver Sensor; 5-Zylinder gefüllt mit Silikonflüssigkeit; 6-Relais-Heizsystem; 7-Thermostat; 8-Heizelement; 9-Außenzylinder; 10-flüssig

Das Schema des integrierenden Beschleunigungsmessers vom Schwimmertyp ist in Abb. 1 dargestellt. Ein Schwimmer 1 in Form eines Zylinders wird in eine mit Flüssigkeit 10 gefüllte zylindrische Kammer eingebracht, wobei die Dichte des Materials des Schwimmers geringer ist als die Dichte der Flüssigkeit. Die Kamera wird vom Motor 2 mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben. Unter der Wirkung von Zentrifugalkräften, die durch die Rotation der Flüssigkeit entstehen, wird der Schwimmer entlang der Symmetrieachse eingestellt, entlang derer er sich bewegen kann. Integration von Beschleunigungssensoren mit dem in Abb. 1 gezeigten Design. 4 hat eine Empfindlichkeit in der Größenordnung von 10 –5 g und einen Fehler von nicht mehr als 0,01 %.

Elektromagnetische und kryogene Suspensionen sind vielversprechend.

Um Verschiebungen in elektrische Signale umzuwandeln, verwenden Beschleunigungssensoren potentiometrische, induktive, kapazitive, photoelektrische und String-Wandler. Die Hauptanforderungen an Konverter sind wie folgt: 1) hohe Auflösung; 2) lineare Abhängigkeit der Ausgabe von der Eingabe; 3) keine Reaktion des Wandlers auf das empfindliche Element. Diese Anforderungen werden von potentiometrischen Sensoren nicht erfüllt, weshalb sie in Präzisionsinstrumenten nicht verwendet werden.

Als Drehmoment-(Leistungs-)Vorrichtungen in Beschleunigungsmessern zum Eingeben von Rückkopplungssignalen werden Drehmomentmotoren (Elektromotoren, die in einem Bremsmodus arbeiten) und elektromagnetische Vorrichtungen verwendet.

Um Beschleunigungsmesser mit den erforderlichen Frequenzeigenschaften zu erhalten, werden Korrekturfilter und spezielle Dämpfer in den Rückkopplungsschaltungen verwendet. Flüssigkeitsgefederte Instrumente nutzen die Viskosität der Flüssigkeit selbst zur Dämpfung.

Beschleunigungsmesserfehler

Beschleunigungsmesser sind durch methodische und instrumentelle Fehler gekennzeichnet.

Methodologische Fehler von Beschleunigungsmessern können in zwei Gruppen eingeteilt werden: 1) Fehler, die sich aus der Tatsache ergeben, dass Beschleunigungsmesser nur Beschleunigungen von aktiven Kräften messen, während diese Geräte nicht auf Beschleunigungen reagieren, die durch Gravitationskräfte verursacht werden; 2) Fehler, die sich aus der Nichtübereinstimmung der Empfindlichkeitsachse mit der Wirkungsrichtung der gemessenen Beschleunigung ergeben.

Wenn beispielsweise die Empfindlichkeitsachse und die Beschleunigungsrichtung nicht um 1° zusammenfallen, beträgt der Fehler bei der Messung der Beschleunigungsgröße 0,02 %. Dieser Fehler ist an sich klein und von geringem Interesse. Von größerer Bedeutung ist der Winkel zwischen den angezeigten Richtungen, da er die Diskrepanz zwischen der instrumentellen und der wahren Achse des Koordinatensystems bestimmt. Darüber hinaus führt bei Trägheitsnavigationssystemen die Nichtübereinstimmung der Empfindlichkeitsachsen mit der Richtung der gemessenen Beschleunigungen zum Auftreten von Querverbindungen zwischen den Beschleunigungsmessern, wodurch der Beschleunigungsmesser nicht nur "seine" misst, sondern auch " fremde" Beschleunigungen.

Instrumentelle Fehler von Beschleunigungsmessern werden bestimmt durch: 1) Empfindlichkeitsschwelle (aufgrund von Reibung in Suspensionen) – das minimale Eingangssignal, bei dem ein Ausgangssignal erscheint; 2) Verletzung der linearen Beziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen; 3) Hysterese in den Eigenschaften von elastischen und anderen Elementen; 4) Temperaturabhängigkeit der Parameter und Eigenschaften des Beschleunigungsmessers.

Um Instrumentenfehler zu reduzieren, werden Maßnahmen ergriffen, um die Reibung in Aufhängungen, an Thermostatelementen zu reduzieren und die Empfindlichkeitseigenschaften des Beschleunigungsmessers zu verbessern. Bei den besten Konstruktionen von Beschleunigungsmessern für Trägheitssysteme werden instrumentelle Fehler auf 0,002 % gebracht.

Sensorblock für lineare Beschleunigung BDLU - 0,5 entwickelt, um lineare Beschleunigungen relativ zum normalen Koordinatensystem zu messen und ein elektrisches Signal proportional zu linearen Beschleunigungen an das Bordflugsystem (BOC) und andere Bordsysteme auszugeben.

Strukturell besteht der Beschleunigungsmesser vom Typ BDLU aus den Haupteinheiten:

– Der lineare Beschleunigungssensor vom Typ DLUV-42 ist ein einachsiger Beschleunigungsmesser und dient zur Messung der entlang der Empfindlichkeitsachse wirkenden linearen Beschleunigung und zur Ausgabe eines elektrischen Signals, dessen Spannungswert proportional zur entlang der Messachse wirkenden linearen Beschleunigung ist, und das Vorzeichen entspricht der Richtung der linearen Beschleunigungswirkung.

– Netzteil Typ MUBP-1-1;

– Rückkopplungsverstärker Typ BU-44-2-11.

Das Aussehen der BDLU ist in Abb. 5 dargestellt

Abb.5 Aussehen von BDLU

Das Schema eines einachsigen Beschleunigungssensors ist in Abb. 6 dargestellt. (Typ DLUV-42)

Reis. 6. Schema eines einachsigen Beschleunigungssensors mit Kraftrückkopplung:

1 – Sensorwicklung; 2 - Erregerwicklung; 3 – Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers; 4 – Dauermagnet; 5 - Wiederherstellung Wicklung; 6 - Wechselstromverstärker; 7 – Demodulator; 8 - Phasenverschiebungskette; 9 - Gleichstromverstärker; 10 – Erregerkreisgenerator; 11 - Ausgangswiderstand; 12 – gemessenes Beschleunigungssignal.

Ein Beschleunigungsmesser ist ein Kraftrückkopplungsgerät, bei dem die auf das Sensorelement wirkende Trägheitskraft (proportional zur Beschleunigung) durch die elektromagnetische Kraft ausgeglichen wird, die durch den Strom in einer Spule erzeugt wird, die in einem Magnetfeld angeordnet ist.

Das empfindliche Element des DLUV-Beschleunigungsmessers ist das Pendel 4, das ein Permanentmagnet ist.

Unter der Einwirkung linearer Beschleunigungen, die entlang der sensitiven Achse des Sensors gerichtet sind, entsteht ein Trägheitsmoment, das das sensitive Element (Pendel) aus der Null-Gleichgewichtsposition in die der Wirkung dieser Kraft entgegengesetzte Richtung auslenkt.

Das Trägheitsmoment des Pendels ist:

,

wo
ist die Masse des Pendels; – Arm der Unwucht des Pendels; ist die effektive Linearbeschleunigung.

Gleichzeitig erzeugt jede Abweichung von der Nulllage in der darauf montierten Sensorspule 1 EMK, die proportional zur Größe der einwirkenden Kraft und damit zur Beschleunigung ist. Das Signal des Sensors wird dem Eingang des amplitudenphasenempfindlichen Detektorverstärkers BU-44-2-11 (7, 8, 10) zugeführt, wo es in eine Gleichspannung bestimmter Polarität umgewandelt und durchgeleitet wird der DC-Verstärker UPT-9 an die Wicklungen der Erholungsspule 5, die sich an der elastischen Aufhängung des empfindlichen Elements befindet.

Das Magnetfeld der Erholungsspule 5 interagiert mit dem Feld des Permanentmagneten 4, der das pendelempfindliche Element des Sensors ist, und es entsteht eine elektromagnetische Kraft, die das Trägheitsmoment des Pendels ausgleicht und dazu neigt, es auf Null zurückzubringen Position.

Das elektromagnetische Drehmoment wird durch den durch die Wicklungen der Erholungsspule fließenden Strom erzeugt

,

wo
- Übertragungskoeffizient der Leistungsrückkopplungsschaltung;

ist der Strom, der durch die Spule fließt.

Die Einführung einer Kraftrückkopplung in den Beschleunigungsmesser entspricht einer zusätzlichen Steifigkeit, die viel größer ist als die Steifigkeit des elastischen Elements.

Wenn die Verstärkung des Verstärkers 9 groß genug ist, gleicht die elektromagnetische Rückstellkraft die zur Beschleunigung proportionale Kraft aus, und das Sensorelement nimmt die Null-Gleichgewichtsposition ein, und die Gleichheit findet statt:

oder
,

Daher das Verhältnis

.

Somit fließt im Stromkreis der Erholungsspule 5 ein Strom, der direkt proportional zur aktuellen Linearbeschleunigung (Überlast) ist.

Indem ein Lastwiderstand in Reihe mit der Spule geschaltet wird
erhalten wir die Ausgangsspannung proportional zur aktuellen Linearbeschleunigung:

. (1)

Einführung

Kapitel 1. Analyse der qualitativen Eigenschaften von Präzisionsbeschleunigungsmessern und Untersuchung von Möglichkeiten zur Verbesserung der Genauigkeit.

1.1. Analyse moderner Präzisionsbeschleunigungsmesser und Auswahl des Untersuchungsgegenstandes. elf

1.2. Aufbau und Aufbautechnik des Beschleunigungssensors 18

1.3. Die Hauptparameter, die die Genauigkeit des Beschleunigungsmessers bestimmen, und der Grad ihrer Implementierung 24

1.4. Darstellung des Forschungsproblems. 31

Kapitel 2 Entwicklung eines mathematischen Modells zur Bewertung der statischen Parameter der Genauigkeit des Beschleunigungssensors . 33

2.1. Nullsignalmodell des Beschleunigungsmessers AK-6. 35

2.2. Bewertung des Einflusses primärer konstruktiver und technologischer Parameter auf den Wert und die Stabilität der „Null“ und „Basis“ von Beschleunigungssensoren. 48

2.3. Erkenntnisse 51

Kapitel 3. Analyse der physikalischen Prozesse, die die dominanten Fehler des Beschleunigungsmessers bestimmen, und Entwicklung von Möglichkeiten zur Reduzierung des Fehlers. 53

3.1. Untersuchung des Einflusses der Befestigung des empfindlichen Elements im Körper des Beschleunigungsmessers auf die Stabilität der Position der Empfindlichkeitsachse des Geräts. 54

3.2. Analyse der Arbeit von Teilen und Einheiten der SE bei Temperaturänderungen. 61

3.3. Experimentelle Untersuchung der Gründe für die Instabilität des Nullsignals und der Basis des Beschleunigungsmessers während der Herstellung und des Betriebs. 67

3.5. Ergebnisse 77

Kapitel 4 Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Bewertung der Qualitätsmerkmale von Beschleunigungssensoren während ihrer Prüfung . 79

4.1. Analyse des bestehenden technologischen Prozesses der Kalibrierung von Beschleunigungsmessern. 80

4.2. Entwicklung eines Verfahrens zur Kalibrierung eines Blocksystems von Beschleunigungssensoren für hochpräzise Trägheitsnavigationssysteme. 83

4.3. Skalare Methode zur Kalibrierung von Beschleunigungsmessern. 85

4.3.1. Analyse der konstruktiven und technologischen Faktoren, die die Hauptfehler der Triade der Beschleunigungssensoren verursachen, und Entwicklung eines Fehlermodells. 85

4.3.2. Herleitung der Verbindungsgleichungen der Triade der Beschleunigungsmesser. 89

4.4. Möglichkeiten zur Verbesserung der Genauigkeit der Schätzung der Parameter der Triade von Beschleunigungsmessern. 93

4.5. Schlussfolgerungen. 97

Kapitel 5. Bestimmung der Anforderungen an die technologische Ausrüstung und experimentelle Überprüfung der Angemessenheit der Bestimmung der Parameter durch das vorgeschlagene Kalibrierverfahren. 98

5.1. Primäre Faktoren, die bei der Modellierung des Kalibrierungsprozesses zu berücksichtigen sind. 98

5.2. Beschreibung des Modellierungsalgorithmus der vorgeschlagenen Technik. 101

5.3. Mathematische Modellierung des Prozesses der Kalibrierung der Triade von Beschleunigungsmessern. 109

5.4. Analyse der Ergebnisse der mathematischen Modellierung 111

5.5. Experimentelle Überprüfung und Analyse der Genauigkeit der Bestimmung von Instrumentenparametern mit Basis und Skalar

Kalibrierungsmethoden. 137

5.6. Analyse des Einflusses der quadratischen Komponente des Fehlers auf die Ergebnisse von Kontrollmessungen in einem weiten Bereich von Beschleunigungsänderungen. 141

5.7. Schlussfolgerungen. 151

Die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit. 152

Referenzliste.

Einführung in die Arbeit

Die Entwicklung der Luftfahrtinstrumentierung ist untrennbar mit der Schaffung neuer Flugzeugtypen (LA) mit hoher Geschwindigkeit und Flugreichweite verbunden, die einen immer höheren Automatisierungsgrad von Flugsteuerungsprozessen erfordern.

Unter den vielen Informationssystemen, die Daten zu den aktuellen Parametern der Bewegung des Flugzeugs liefern, nehmen Trägheitsnavigationssysteme (INS) einen besonderen Platz ein. Autonom sein, d.h. Sie sind vollständig lärmgeschützt und liefern die erforderlichen Informationen für alle Bewegungssteuerungssysteme des Flugzeugs.

Es sei darauf hingewiesen, dass die derzeit vorhandenen Satellitennavigationssysteme zur Verwendung in Bordgeräten als zusätzliche und korrigierende Mittel betrachtet werden. Die Einschränkung der Nutzung der Satellitennavigation ist in erster Linie mit den Problemen der Konstanz des Signalempfangs, der geringen Häufigkeit von Informationsaktualisierungen, Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Winkelbewegung des Flugzeugs relativ zum Schwerpunkt usw. verbunden. Die hohe Genauigkeit von die Bestimmung der aktuellen Koordinaten schafft Voraussetzungen für den Einsatz solcher Systeme zur Korrektur von Drifts trägheitsempfindlicher Elemente, um die integrale Genauigkeit des KNN zu verbessern.

In letzter Zeit ist es gelungen, die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit von Onboard-Computing-Geräten deutlich zu erhöhen, wodurch sich strapdown (kardanlose) Inertialnavigationssysteme (SINS) durchgesetzt haben, bei denen das physikalische Bezugssystem durch ein mathematisches ersetzt wird.

Besitzen eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zur Plattform INS, zu denen eine erhebliche Vereinfachung des Designs gehört, was zu einer Verringerung der Gewichts- und Größenparameter und einer Erhöhung führt

PLATTFORM-TRÄGHEITSNAVIGATIONSSYSTEME

Plattformunabhängige Trägheitsnavigationssysteme

physikalischer 3-Eder

mathematisches 3-eder

Null Instabilität und

Beschleunigungsmesser Basis von

starten, um zu starten

Gyro-Drift-Instabilität beim Start

Dynamisch

Kreiselbereich

^h

o "a o s

Blockumkehr Ch.E. in jedem Winkel um eine der 3 Achsen.

Nivellierung

Kalibrierung Ch.E. bei jedem Lauf

„Wahnsinniger Kreiselkompass

Beschleunigungsmesser Null und Basisinstabilität beim Start

Die Lage der Achsen des SE-Satzes bleibt im gewählten Koordinatensystem unverändert

^MB~

Dynamisch

Bereich des Beschleunigungsmessers

Instabilität

Skalierungsfaktor

Beschleunigungsmesser

Gerätebereitschaftszeit F.E.

-sl 4 ^

Starre Bindung des C.E.-Blocks zu den Objektachsen OI.A).

Mathematischer Kreiselkompass

Drift-Instabilität

Gyroskop vom Start bis

starten

Die Position der Achsen des SE-Blocks ändert sich entsprechend der Änderung der Achsen des L.A.

Skaleninstabilität

Kreiselkoeffizient

Fehlende thermische Stabilisierung

Energieverbrauch

Instabilität Temp. Koeffizient

Reis. 1.1.1. Anforderungen an SE durch moderne Inertialsysteme

Navigation.

Zuverlässigkeit, reduzierter Lebenszyklus, reduziert

Energieverbrauch, eine Erhöhung der Menge der generierten Informationen, SINS erhöht die Anforderungen an die Parameter von Primärinformationssensoren erheblich. Der Unterschied zwischen den Anforderungen der Plattform INS und SINS für Gyroskope und Beschleunigungsmesser ist in Abb. 1.1.1.

Die Erhöhung der Genauigkeit jedes Trägheitsnavigationssystems steht in direktem Zusammenhang mit der Lösung des Problems der Schaffung von Beschleunigungsmessern der Präzisionsklasse. Die Tendenz, Plattformsysteme durch Anschnallsysteme zu ersetzen, erschwert die Aufgabe noch mehr, da sie die Anforderungen an die Genauigkeitsparameter von Beschleunigungsmessern stark verschärft. Dies bezieht sich zunächst auf die Größe und Stabilität seines Nullsignals („Null“), den Skalierungsfaktor (MC) und die Position der Empfindlichkeitsachse („Basis“) in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen, die bestimmt werden durch die Unmöglichkeit, den Beschleunigungsmesser bei jedem Einschalten des SINS zu kalibrieren. Die Lösung dieses Problems ist ohne eine eingehendere Analyse der Ursachen von Beschleunigungsmesserfehlern und des Einflusses von Konstruktions- und technologischen Parametern auf die Werte und die Stabilität von "Null", "Basen" und dem Skalierungsfaktor nicht möglich. auf deren Grundlage technische Vorschläge entwickelt werden können, sowohl zur Verbesserung des Designs als auch der Technologie Herstellung des Beschleunigungsmessers.

Die Zertifizierung der oben genannten Qualitätsparameter von Beschleunigungsmessern ist ein wesentlicher Bestandteil des technologischen Prozesses ihrer Herstellung. Da die erhaltenen Schätzungen der Parameter des Beschleunigungsmessers direkt in den Zertifizierungsfehler einfließen, bedeutet die Erhöhung der Genauigkeit des Beschleunigungsmessers eindeutig eine Verschärfung der Anforderungen an die Genauigkeit der Messausrüstung. Die derzeit in der Massenproduktion verwendete Bescheinigungs- (Kalibrierungs-) Methode basiert auf der Verwendung von Geräten, deren Fehler den geschätzten Parametern entspricht. Darüber hinaus sind die Kosten für diese Ausrüstung (hauptsächlich optische Präzision

Teilköpfe) ist sehr hoch, und das Verfahren selbst ist sehr arbeitsintensiv, hauptsächlich wegen der Unmöglichkeit seiner Automatisierung.

In Übereinstimmung mit dem Obigen ist die Untersuchung der Faktoren, die den Fehler des Beschleunigungsmessers bestimmen, und die Entwicklung auf der Grundlage von Konstruktions- und Technologieempfehlungen zur Verbesserung der Genauigkeit sowie die Schaffung einer effizienteren Kalibriertechnik dringend erforderlich Aufgabe.

In diesem Artikel betrachten wir die Probleme, die Parameter des AK-6-Quarzbeschleunigungsmessers, der am JSC "Moscow Institute of Electromechanics and Automation" entwickelt wurde, an die Anforderungen moderner SINS anzupassen, in Verbindung damit ein mathematisches Modell der Hauptsache Es werden Parameter des Geräts entwickelt, technologische Aspekte des Designs und der Montage dieses Beschleunigungsmessers betrachtet. , basierend auf der Analyse, welche Möglichkeiten zur Modernisierung des Designs vorgeschlagen werden, und ein neues modulares Modell der Bwird in Betracht gezogen.

Der Zweck der Arbeit ist die Entwicklung konstruktiver und technologischer Lösungen, die eine Erhöhung der Genauigkeit des Beschleunigungsmessers ermöglichen, sowie die Schaffung einer neuen Methode zur Kalibrierung des Beschleunigungsmessers, die die erforderliche Genauigkeit bei der Bestimmung der Parameter von Geräten bietet, vorbehaltlich einer Reduzierung die Arbeitsintensität des Prozesses und die Verwendung weniger teurer Ausrüstung.

Forschungsschwerpunkte.

Entsprechend dem Zweck der Arbeit lassen sich folgende Forschungsziele formulieren:

Identifizierung von Genauigkeitsparametern von massenproduzierten Beschleunigungsmessern, die die Anforderungen von Advanced SINS nicht erfüllen;

Studium der strukturellen und technologischen Gründe und Analyse der physikalischen Natur der Bildung der dominanten Fehler des Beschleunigungsmessers;

Formalisierung der Verbindung zwischen dem Design und den technologischen Parametern des Beschleunigungsmessers und seinen Fehlern;

Entwicklung und experimentelle Überprüfung der Wirksamkeit von Konstruktions- und Technologieempfehlungen zur Verbesserung der Konstruktions- und Montagetechnologie des Beschleunigungsmessers;

Entwicklung und Bestätigung der Wirksamkeit eines Verfahrens zum Kalibrieren von Beschleunigungsmessern, das die erforderliche Genauigkeit bietet, die Komplexität des Prozesses reduziert und keine teure Ausrüstung für seine Implementierung erfordert. Forschungsmethoden.

Die erzielten Ergebnisse basieren auf der komplexen Anwendung der Hauptbestimmungen der theoretischen Mechanik, der Theorie der elektrischen Schaltungen, der Theorie der Produktionsgenauigkeit, der mathematischen Analysemethoden, der Theorie der linearen Vektorräume, der Näherungs- und Linearisierungsmethoden sowie vollständige und mathematische Modellierung. Wissenschaftliche Neuheit Arbeit besteht aus:

Konstruktion und experimentelle Bestätigung eines physikalischen Modells des Beschleunigungsmesserfehlers im Zusammenhang mit der Instabilität der Position der Sensorelementplatte und des Sensorelements selbst im Gehäuse des Beschleunigungsmessers;

Entwicklung eines mathematischen Modells beschreiben : : dominante Fehler des Beschleunigungsmessers in seinem Design und seinen technologischen Parametern;

Entwicklung eines modularen Verfahrens zur Kalibrierung von Beschleunigungssensoren; , Formulierung und Begründung der Anforderungen an spezielle Einrichtungen zur Kalibrierung von Beschleunigungsmessern nach dem vorgeschlagenen Verfahren. Praktischer Wert Arbeit ist:

Entwicklung technischer Lösungen zur Verbesserung des Designs und des technologischen Prozesses der Montage von Beschleunigungsmessern, um die Verringerung der dominanten Fehler zu gewährleisten;

Anwendung des entwickelten mathematischen Modells des Beschleunigungsmesserfehlers zur Auswahl rationaler Werte der Parameter seiner elektronischen Schaltung und angemessener Toleranzen für die Abweichung dieser Parameter im Hinblick auf die Gewährleistung der erforderlichen Genauigkeit des Beschleunigungsmessers;

Entwicklung und experimentelle Bestätigung

die Wirksamkeit einer neuen Methode zur Kalibrierung von Beschleunigungsmessern,

was eine deutliche Erhöhung der Genauigkeit der Schätzungen für

ein starker Rückgang der Anforderungen an die Genauigkeit von Prüfgeräten;

Implementierung der entwickelten technischen Lösungen in

Konstruktionsdokumentation und Montageprozess

im Handel erhältlicher Beschleunigungsmesser AK-6.

Approbation der Arbeit. Die darin vorgestellten Materialien

Dissertationsarbeiten, wurde auf folgenden Konferenzen berichtet:

Allrussische wissenschaftlich-technische Konferenz "Neue Materialien und Technologien" NMT - 2000, "Neue Materialien und Technologien" NMT - 2002, Internationale wissenschaftliche Jugendkonferenz "XXVII Gagarin Readings" 2001 "XXVIII Gagarin Readings" 2002, "XXIX Gagarin Readings" 2003 . , Internationales Symposium "Aerospace Instrumentation Technologies" 2002.

Veröffentlichungen. Die Ergebnisse der Dissertationsarbeit wurden 2000/01 in 8 Druckwerken und Fachberichten des MIEA veröffentlicht.

Aufbau und Umfang der Dissertation: Die Dissertation besteht aus einer Einleitung, fünf Kapiteln, einer Schlussfolgerung und einer Bibliographie von 111 Titeln. Das Material wird auf 153 Seiten präsentiert, die mit 70 Abbildungen, Grafiken und 35 Tabellen illustriert sind. Der Inhalt der Dissertation. Die Arbeit besteht aus fünf Kapiteln.

In verwaltet die Relevanz und der praktische Wert der Arbeit werden kurz betrachtet. Der Zweck der Arbeit, Aufgaben und Methoden der Forschung, wissenschaftliche Neuheit, Ergebnisse der Approbation und Umsetzung dieser Arbeit werden formuliert. Die Struktur der Dissertation und eine Zusammenfassung der Hauptabschnitte werden angegeben.

v erstes Kapitel Es wird ein Überblick über die Konstruktionen, Funktionsprinzipien und Eigenschaften einer Reihe von Beschleunigungsmessern gegeben, die Hauptparameter, die die Genauigkeit des Beschleunigungsmessers bestimmen, werden identifiziert, und die Konstruktion des AK-6-Quarz-Beschleunigungsmessers wird im Detail betrachtet.

In zweites Kapitel Es wurde ein mathematisches Modell des Nullsignals des Beschleunigungsmessers erstellt, auf dessen Grundlage der Grad des Einflusses der Parameter des Designs und der technologischen Elemente auf die Größe und Stabilität des "Nullpunkts" und der "Basis" des Beschleunigungsmessers bewertet wurde.

v drittes Kapitel Auf der Grundlage experimenteller und theoretischer Studien wurde eine Analyse durchgeführt und Anforderungen an das Design des sensitiven Elements und seine Befestigung im AK-6-Gehäuse formuliert, um die Genauigkeit und Stabilität der "Basis" und der Null zu verbessern Signal des Beschleunigungssensors in einem weiten Temperaturbereich. Das vorgeschlagene Design und die Montagetechnologie des Geräts wurden in die Produktion eingeführt.

v fünftes Kapitel Es wurde eine mathematische Modellierung durchgeführt, auf deren Grundlage die Anforderungen an die Ausrüstung zum Testen von Beschleunigungsmessern formuliert wurden, sowie eine experimentelle Überprüfung der Angemessenheit der durch das vorgeschlagene Verfahren bestimmten Parameter.

v Haft Die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit und Schlussfolgerungen dazu werden vorgestellt.

Aufbau und Aufbautechnik des Beschleunigungssensors

Beschleunigungsmesser AK-6 - Pendel, Kompensationstyp mit elastischer Aufhängung des empfindlichen Elements, implementiert auf zwei Torsionsstäben mit einer Dicke von 20 Mikrometern.

Das Funktionsprinzip des Beschleunigungsmessers AK-6 wird durch das Grundgesetz der Dynamik bestimmt, nach dem sich ein Objekt bewegt, auf dem der Beschleunigungsmesser in Richtung der Achse seiner Empfindlichkeit mit der Beschleunigung a installiert ist, ein Trägheitsmoment Mi relativ zur Aufhängungsachse der Referenzmasse auftritt, was zu ihrer Winkelabweichung D führt, die von den Sensoreinrichtungen (DP) gemessen wird. Das Signal vom DP wird über den Rückkopplungsverstärker (FB) der Wicklung des Kraftsensors (DS) zugeführt. DS entwickelt ein Moment M relativ zur Achse der Massenaufhängung, das das Trägheitsmoment Mi kompensiert. Die Ausgangsspannung U am Lastwiderstand RH ist dabei proportional zur gemessenen Beschleunigung a.

Strukturell besteht der AK-6-Beschleunigungsmesser aus den folgenden Hauptteilen, Abb. 1.2.1.:

1. Ein empfindliches Element, das für die Fixierung der Referenzmasse sorgt und DP und DS realisiert.

2. Ein Rückkopplungsverstärker, der das DP-Signal in ein DS-Steuersignal umwandelt, das auch das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers ist.

3. Wärmesensor, der ein elektrisches Signal proportional zur tatsächlichen Temperatur im inneren Hohlraum des Beschleunigungsmessers erzeugt.

4. Hermetisches Gehäuse, das die obigen Knoten enthält. Das Strukturschema des betrachteten Quarz-Beschleunigungssensors mit der Zuordnung von Zwischenbaugruppen ist in Abb. 1.2.2. sensibles Element.

Es besteht aus zwei Gehäusen (19 und 32) mit angeformten Platten des Wegsensors und Magneten (31) des Kraftsensors, einer Quarzplatte (34) bestehend aus einem Außenring, der zur Fixierung zwischen den SE-Gehäusen entlang der Platten dient, über Torsionsstäbe mit dem Pendel verbunden, auf dem die Platten DP aufgespritzt sind und Spulen (28) mit Magneten an den Gehäusen des DS-Systems sowie dem Verbindungsring befestigt sind.

Der technologische Prozess zur Herstellung einer Quarzplatte ist originell und umfasst eine Reihe von Arbeitsgängen zur Bildung eines Pendels und von Torsionsstäben und zur Gewährleistung strenger Anforderungen an die Frequenz, Ebenheit und Parallelität seiner Oberflächen.

Dann werden mit Hilfe des chemischen Ätzens unter Verwendung von Schutzmasken in zwei Übergängen zuerst Platten aus Pecine und dann Torsionsstäbe mit einer bestimmten Dicke gebildet. Nachdem die Platte vollständig gebildet ist, werden Platten eines kapazitiven DP und Leiter der DS-Schaltung darauf durch das Verfahren der thermischen Vakuumabscheidung von Gold mit einer Dicke von 0,1 μm erzeugt. Um die notwendige Haftung zu gewährleisten, wird Gold auf eine Chrom-Unterschicht gesprüht, die auf ähnliche Weise gebildet wird.

Der Rahmen mit der gewickelten Spule des Kraftsensors wird mit Klebstoff auf Epoxidbasis auf die Zunge der Platte geklebt, und die Spulenanschlüsse werden durch Thermokompressionsschweißen an den gespritzten Leitern befestigt.

Das Schweißen des empfindlichen Elements erfolgt in einer speziellen Vorrichtung, die eine gegenseitige Zentrierung des oberen und unteren SE-Gehäuses relativ zur Platte gewährleistet. Das Gerät verfügt über eine verstellbare Klemme, die die Druckkraft der Hülsen bereitstellt, während der Angriffspunkt der Druckkraft im „Druckmittelpunkt“ der Platten anliegt, d.h. im Schwerpunkt des von den Platten gebildeten Dreiecks. Diese Vorgänge werden durchgeführt, um die Platte nur auf den Platten zu befestigen und einen gleichmäßigen Abstand zwischen dem Pendel der Platte und den SE-Gehäusen zu gewährleisten.

SE-Gehäuse werden durch einen starren Ring aus dem gleichen Material mittels Laserpunktschweißen verbunden, das nach einem speziellen Algorithmus durchgeführt wird.

Bewertung des Einflusses primärer konstruktiver und technologischer Parameter auf den Wert und die Stabilität der „Null“ und „Basis“ von Beschleunigungssensoren.

Unter Berücksichtigung der erhaltenen Gleichung (2.32.) ist ersichtlich, dass der statische Fehler der Position der Masse unter der Bedingung a = 0, der der Abweichung der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers von der Basis entspricht, bestimmt wird durch die technologischen Fehler bei der Herstellung des Positionssensors sowie der Differenz- und Integrierverstärker und hängt nicht von den elastischen Eigenschaften der Torsionsstab-Massenaufhängung und den elektrostatischen Kräften des Positionssensors ab. Ausdruck (2.32.) bestätigt die Tatsache, dass es in einem realen Beschleunigungsmesser unmöglich ist, den methodischen Fehler vollständig zu beseitigen.

Die Analyse der Gleichung (2.35.) zeigt eindeutig, dass es unabhängige Komponenten des Nullsignals gibt, von denen eine durch die Fehler in der Ausführung elektronischer Schaltungen und die zweite durch die relativen Fehler des elektromechanischen Teils des Beschleunigungsmessers bestimmt wird - die Differenz der Nullpositionen jeder der Störkräfte und der Nullposition des Informationssignals des Positionssensors. Unabhängig von der Art der Fehler kann ihr Einfluss jedoch durch eine rationale Wahl der geometrischen Parameter der Torsionsstäbe und der Erregerspannung des Positionssensors, die die Erfüllung der Bedingung kt = ke gewährleisten, deutlich reduziert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bedingung kt – 0 und ke – 0 allgemein falsch ist, da sie andere wesentliche Anforderungen an den Beschleunigungsmesser nicht berücksichtigt. Dies gilt insbesondere für die mechanische Festigkeit der Torsionsstäbe und die minimal zulässige Steilheit der Kennlinie des Informationssignals des Positionssensors. Daher sollte der vollständige Satz von Bedingungen wie folgt aussehen: kt = ke mit kt- min und ke - min, d. h. es liegt ein Optimierungsproblem vor. Die Wahl der übrigen in (2.35.) enthaltenen Nominalparameter ist ebenfalls ein Optimierungsproblem, zu dessen Lösung die erhaltenen Beziehungen mit Ausnahme von (2.15.) ein notwendiger, aber eindeutig nicht hinreichender Satz mathematischer Modelle sind. Bei den gewählten Nennparametern ermöglichen diese Verhältnisse jedoch die Lösung des Problems der rationellen Verteilung von Toleranzen für diese Parameter.

In Anbetracht des Problems der rationalen Verteilung von Toleranzen im Hinblick auf die Analyse der Genauigkeit eines Produkts auf der Grundlage der Empfindlichkeitstheorie fahren wir mit der Bestimmung der Funktionen des Einflusses der Primärparameter auf Ueblxo und A0 fort. In diesem Fall betrachten wir in einigen Fällen die Abweichung der Konstruktionsparameter von den Nennwerten als primäre Parameter. In diesem Fall nehmen wir Null als Nennwert der Abweichung. Basierend auf der Ableitungsregel komplexer Funktionen und unter Berücksichtigung, dass die Beziehungen am Ableitungspunkt gültig sind, erhalten wir die folgenden Ausdrücke für die Funktionen des Einflusses von Primärparametern auf den Wert von D0:

Aufgrund der durchgeführten Analyse können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: - die Bildung eines der Hauptfehler des Beschleunigungsmessers - sein Nullsignal tritt in der Montagephase auf und ist auf die technologische Streuung der primären Parameter der Hauptfunktion zurückzuführen Elemente des Beschleunigungsmessers; - der methodologische Fehler des Beschleunigungsmessers, der mit der anfänglichen Verschiebung der Empfindlichkeitsachse verbunden ist, wird durch die Fehler seines informationsverstärkenden Pfads bestimmt, was eine Folge der Unvollkommenheit der Operationsverstärker ist und aus diesem Grund nicht vollständig ausgeschlossen werden kann; - der angezeigte methodische Fehler hängt nicht von den Parametern der Leistungscharakteristik der Torsionsstäbe der Massenaufhängung und der elektrostatischen Wirkung des Positionssensors ab; - das Nullsignal des Beschleunigungsmessers enthält zwei unabhängige Komponenten, von denen eine der Fehler der elektronischen Schaltung ist, die zweite der Fehler der Baugruppe des elektromechanischen Teils ist; die durchgeführte Analyse lässt den Schluss zu, dass technologische Fehler einen wesentlich größeren Einfluss auf die Parameter der elektrostatischen Kraft haben als auf das Informationssignal; - einige Anforderungen für die Auswahl von Nennparametern von Funktionselementen formuliert werden, ein vollständiger Satz von Anforderungen kann erhalten werden, indem das konstruierte mathematische Modell mit Funktionsmodellen ergänzt wird, die die Betriebsparameter des Beschleunigungsmessers beschreiben; - Das konstruierte mathematische Modell ermöglicht die Lösung der Probleme der rationalen Auswahl von Toleranzen für die primären Parameter der Hauptfunktionselemente des Beschleunigungsmessers, um die Stabilität seines Nullsignals und seiner "Basis" zu erhöhen.

Analyse der Arbeit von Teilen und Einheiten der SE bei Temperaturänderungen.

Basierend auf der geleisteten Arbeit wurden die folgenden Empfehlungen formuliert, um die Stabilität des Basisfehlers und des Nullsignals in AK-6 sicherzustellen.

Um mögliche Verschiebungen der Quarzplatte gegenüber den SE-Gehäusen auszuschließen, sind mit dem Übermaß der Spannungen im Außenring der Platte an den Extrempunkten des Temperaturbereiches die Reibungskräfte der Plattenebenen entlang der Anlageebenen verbunden der Gehäuse ist es erforderlich, eine garantierte Anpresskraft der SE-Gehäuse durch den Verbindungsring im gesamten Temperaturbereich zu gewährleisten, was umgesetzt werden kann: - eine konstruktive Änderung des Verbindungsrings, die dessen Vordehnung im vertikale Richtung, dh seine Ausführung in Form einer Feder; - eine Änderung des Montageverfahrens, die eine Vorstreckung des Verbindungsrings vorsieht. . Verbindungsring SE Zu diesem Zweck wurde das Design des Verbindungsrings entwickelt (Abb. 3.15.) mit einem Element reduzierter Steifigkeit (1), passenden Durchmessern für das untere und obere Gehäuse (jeweils 4 und 3) und einem Befestigungselement ( Flansch) - 2. Der Montageablauf wurde auch im Teil der Endmontage des SE (Bild 3.16.) so geändert, dass: - der Verbindungsring (1) am unteren Gehäuse (2) befestigt wird durch Laserpunktschweißen (3);

Schema der Endmontage der SE. - diese Baugruppe wird in einer speziellen Vorrichtung (5) basierend auf dem Flansch des Verbindungsrings installiert; - weiter wird die Platte mit Spulen und dem Topcase (4) montiert; - Auf den Oberkörper wird am Schnittpunkt der Seitenhalbierenden des durch die Platten der Quarzplatte gebildeten Dreiecks eine Druckkraft (6) ausgeübt, die dank des Grundschemas auf den Verbindungsring übertragen wird, der sich ändert seine geometrischen Abmessungen in vertikaler Richtung; - der Oberkörper wird relativ zum Verbindungsring durch Laserpunktschweißen fixiert.

Um mögliche Bewegungen des SE relativ zum Körper des Beschleunigungsmessers, verbunden mit dem Unterschied im TCLE der SE-Gehäuse, des Montagerings und des Instrumentengehäuses, auszuschließen, sowie um die Isolierung des SE vom Gehäuse sicherzustellen, es ist eine Änderung der Konstruktion und der Montagetechnik erforderlich, die umgesetzt werden kann durch: - Wegfall des Montagerings und der Klebeverbindung; - Befestigung von SE im Körper des Beschleunigungsmessers durch Befestigung. Verbindungsringflansch zwischen zwei als Isolator wirkenden Keramikbuchsen; - Einsatz einer Feder, um die Stabilität der Flanschschelle über den gesamten Betriebstemperaturbereich zu gewährleisten. Für das betrachtete Design Abb. 3.17. der Montageprozess sollte wie folgt durchgeführt werden: - eine Blattfeder 2 wird im oberen Teil des Beschleunigungsmesserkörpers 7 installiert, auf der eine Keramikbuchse 3 platziert wird; – Keramikbuchse 3 wird auf den Flansch des Verbindungsrings 2 SE 1 montiert und die zweite Keramikbuchse 5 wird installiert; - die Sicherungsscheibe anbringen und diese Baugruppe zentrieren; - eine kalibrierte Kraft auf die Sicherungsscheibe ausüben und sie durch Laserpunktschweißen 9 relativ zum Gerätekörper befestigen. 3.18. und Tabelle 3.7. Es werden die Ergebnisse der Tests einer Reihe von Geräten (Temperaturabhängigkeit von Nullsignalen) angegeben, die gemäß dem entwickelten Design und den technologischen Empfehlungen zusammengestellt wurden. Wie aus den angegebenen Daten ersichtlich ist, ist der betrachtete Parameter sowohl in Bezug auf die Temperaturabhängigkeit als auch die Temperaturhysterese stabiler im Vergleich zu einer ähnlichen Charge von Geräten, die mit der alten Technologie zusammengebaut wurden (Tabelle 1.3.2. und Abb. 1.3.2. ). Im Allgemeinen hat sich die Stabilität der Beschleunigungsmesserparameter (in Bezug auf Nullsignal und „Basis“) als Ergebnis der Umsetzung der entwickelten Empfehlungen um mehr als 20 % erhöht.

Entwicklung eines Verfahrens zur Kalibrierung eines Blocksystems von Beschleunigungssensoren für hochpräzise Trägheitsnavigationssysteme

Um eine perfektere Kalibrierungstechnik zu erhalten, wurde ein Versuch unternommen, darin einen skalaren Standard zu verwenden, dessen Wert nicht von der Ausrichtung des Beschleunigungsmessers abhängt. Als ein solcher Standard wurde vorgeschlagen, den quadratischen Modul des Erdbeschleunigungsvektors zu verwenden, der für jeden Punkt auf der Erde sehr genau bekannt ist und nicht von der Wahl des Koordinatensystems abhängt.

In Verbindung mit dem Ersetzen des Vektorstandards durch einen Skalarstandard weist die Technik eine Reihe von Merkmalen auf, von denen die wichtigsten die folgenden sind. Wie Sie wissen, ist es zur Bestimmung eines Vektors im dreidimensionalen Raum erforderlich, seine Projektionen in 3 Richtungen zu messen, die nicht in derselben Ebene liegen. Daher sollten bei Anwendung der Technik mindestens drei Instrumente gleichzeitig kalibriert werden. Dieser Umstand ist besonders wichtig beim Kalibrieren von Beschleunigungsmessern, beispielsweise für SINS, da er es erlaubt, eine Triade von Geräten auf einmal in einer Baugruppe zu kalibrieren, die in einem System ohne Demontage installiert werden kann, während die relative Position ihrer Achsen beibehalten wird.

Für die mathematische Beschreibung der Technik ist es notwendig, das Fehlermodell der Triade von Beschleunigungsmessern zu bestimmen und ein System von Kommunikationsgleichungen zu erstellen, die die berücksichtigten Fehler der Geräte durch ihre Ausgangssignale ausdrücken.

Bei der Erstellung des Fehlermodells eines einzelnen Beschleunigungsmessers gehen wir davon aus, dass im Idealfall, wenn keine Fehler vorliegen, sein Ausgangssignal vollständig durch den Wert der Projektion des Erdbeschleunigungsvektors G auf die Richtung der Empfindlichkeitsachse bestimmt wird des Gerätes analog zu (4.1.1): W = M (G e ) (4.3.1) Bezeichnet man das Skalarprodukt in (4.2.1) mit g und berücksichtigt man mögliche Fehler, so erhält man: W = M ( 8o + g + 5, g + 52 g2 + 83 g3 + 54 g4 + 55 g5 + .. .) (4.3.2) wobei 5j der Fehlerfaktor j-ter Ordnung ist. Jeder Term in Klammern von Gleichung (4.3.2) ist der Fehler der entsprechenden Ordnung, reduziert auf die Eingabe. Wenn wir beide Teile der Gleichung (4.2.2) durch den Modul des Sund durch den Skalierungsfaktor M dividieren, erhalten wir: A \u003d Do + a + D, a + D2 a2 + D3 a3 + D4 a4 + D5 a5 + ... (4.3 .3) wobei A das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors in dimensionsloser Form ist; a ist die vom Beschleunigungsmesser gemessene Beschleunigung, bezogen auf G; Aj - dimensionsloser Fehlerkoeffizient j-ten Grades: Aj = 574) 1

Der Koeffizient Do hat eine klare physikalische Bedeutung - er ist gleich dem Winkel zwischen den Vektoren G und (G + 50), wenn wir davon ausgehen, dass die Vektoren G und 50 senkrecht zueinander stehen. Daher ist es zweckmäßig, die verbleibenden Koeffizienten A im Winkelmaß darzustellen.

Bei Anwendung dieser Technik ist die Ordnung der betrachteten Fehlerkoeffizienten theoretisch unbegrenzt, jedoch reicht es für die meisten Anwendungen aus, Fehler höchstens zweiter Ordnung zu berücksichtigen. Somit haben die Fehlermodelle der in der Triade enthaltenen Beschleunigungsmesser die Form: + „2Ó az2 Messfehler des Beschleunigungsvektors durch eine Triade von Beschleunigungsmessern werden vom System (4.2.4) nicht vollständig bestimmt. Für eine vollständige Beschreibung der Fehler müssen auch die Fehler berücksichtigt werden, die durch die mögliche Abweichung zwischen der realen Ausrichtung der Empfindlichkeitsachse jedes Beschleunigungsmessers und der entsprechenden Achse des nominellen Koordinatensystems der Triade entstehen. 4.2.1. Betrachten wir das Fehlermodell der Triade von Beschleunigungsmessern insgesamt als Beschleunigungsvektormesser.

Chrabrow, Sergej Wassiljewitsch

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Als Manuskript

UDC 531. 781. 2

Vavilov Iwan Wladimirowitsch

ENTWICKLUNG EINES MIKROSYSTEMS BESCHLEUNIGUNGSMESSER

Kandidat der technischen Wissenschaften

Nischni Nowgorod - 2006

Die Arbeiten wurden in der Abteilung für Luftfahrtinstrumente und -geräte der Zweigstelle Arzamas der Staatlichen Technischen Universität Nischni Nowgorod durchgeführt.

Wissenschaftlicher Betreuer: Ph.D., außerordentlicher Professor. Posdjajew V.I.

Offizielle Gegner: Doktor der Technischen Wissenschaften, Professor Raspopov V.Ya.

Doktor der Technischen Wissenschaften, Forschungsleiter

Bundesstaatliches Einheitsunternehmen "KKW "Polyot" Keistovich A.V.

Führendes Unternehmen: OJSC "Arzamas Instrument-Making Plant",

Arzamas.

Die Verteidigung findet am 11. Oktober 2006 um 15:00 Uhr im Saal statt 1258 bei einer Sitzung des Dissertationsrates D 212.165.12 an der Staatlichen Technischen Universität Nischni Nowgorod unter der Adresse: 603600, GSP-41, Nischni Nowgorod, st. Minia, 24

Die Dissertation befindet sich in der Bibliothek der Staatlichen Technischen Universität Nischni Nowgorod

Wissenschaftlicher Sekretär des Dissertationsrates

Kandidat der Technischen Wissenschaften, außerordentlicher Professor ______________ V.V. Petrow

ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ARBEIT

Impulsgeber bei der Entwicklung integrierter Sensoren ist der wachsende Informationsbedarf in verschiedenen geregelten technischen Systemen. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) basieren auf dem Konzept vom „Sensor zum System“, dessen Essenz sich wie folgt formulieren lässt:

• Entwicklung, Erforschung und Herstellung von integrierten Direktmesssensoren, die ein primäres empfindliches Element und einen sekundären elektronischen Wandler kombinieren, vorausgesetzt, dass sie in einem einzigen technologischen Prozess ausgeführt werden
• Entwicklung, Erforschung und Herstellung von integrierten Kompensationssensoren, die ein primäres Sensorelement, einen sekundären elektronischen Wandler und einen Rückkopplungswandler zur Steuerung des Sensorelements kombinieren, vorausgesetzt, dass sie innerhalb eines einzigen technologischen Prozesses ausgeführt werden
• Entwicklung, Erforschung und Herstellung integrierter Sensoren mit Rechenfähigkeiten, z. B. Durchführung multifaktorieller Messungen, Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlungen, Anpassung an optimale Bedingungen, Durchführung von Steuer- und Diagnosefunktionen usw., sofern dies der Fall ist innerhalb eines einzigen technologischen Prozesses durchgeführt werden
• Entwicklung, Forschung und Herstellung von drahtlosen integrierten Sensoren mit geringem Stromverbrauch und mit den Eigenschaften der ersten drei Gruppen.

Eine der ersten systematisierenden Arbeiten zu Mikrosystemsensoren war der Artikel „Silicon as a Mechanical Material for Integrated Structures“ von Petersen K., veröffentlicht in IEEE No. 5, 1982. Die Entwicklungszeit integrierter Sensoren beträgt etwas mehr als dreißig Jahre. In dieser Zeit wurde eine breite Palette von Sensoren entwickelt: vom integrierten Dehnungsmessstreifen bis zum Kompensationsbeschleunigungssensor. Der erfolgreichste Entwickler im Bereich Mikrosystem-Navigationsgeräte ist derzeit Analog Devices (USA). In unserem Land werden Mikrosystemsensoren entwickelt von: Arzamas Research and Production Enterprise „TEMP-AVIA“ (Ph.D. Bilinkin S.F.), Pensa Research Institute of Physics (D.Sc. Mokrov E.A.), Zelenograd NIIET (D.T. Timoshenkov SP ), Staatliche Technische Universität Tula (D.Sc. Raspopov V.Ya.), Moskauer Höhere Technische Schule (D.Sc. Konovalov SF) usw. Es kann jedoch nicht gesagt werden, dass sich diese Periode in der Endphase befindet. Ein besonders schwaches Glied ist die Entwicklung integrierter Sensoren für Bewegungsparameter, wie Linear- und Winkelbeschleunigungsmesser. Bisher gibt es keine Beschleunigungssensoren mit 100 % Integration, und die tatsächliche Genauigkeit bekannter Entwicklungen hat 12 % des gemessenen Bereichs nicht überschritten. Unter Integration versteht man die Vereinigung von Funktionseinheiten und Blöcken zu einem einzigen Konstrukt, das ein monolithisches „Detail“ darstellt. Es ist möglich, die Messgenauigkeit von integrierten Beschleunigungsmessern um mehr als eine Größenordnung zu erhöhen, indem man eine negative Rückkopplungsschaltung in die Verarbeitungsschleife einführt, aber dies liegt an der Komplexität der Schaltung.

Die Relevanz der Arbeit. Ein charakteristisches Merkmal der weltweiten Entwicklung der Informationstechnologien Ende des 20. und Anfang des 21. Jahrhunderts ist die Allokation von integral gebildeten (komplexen) Technologien, zu denen auch die Technologien der mikromechanischen Systeme gehören. Sowohl in unserem Land als auch im Ausland wächst das Interesse an der Entwicklung integrierter Sensoren stetig, was mit der Möglichkeit verbunden ist, mit ihrer Hilfe eine Reihe von Überwachungs- und Steuerungsproblemen effektiv zu lösen. Seit dem 30. März 2002 ist die Mikrosystemtechnik in Russland offiziell zur kritischen Technologie erklärt worden. In der vom russischen Präsidenten genehmigten Liste kritischer Technologien ist der Wortlaut wie folgt definiert: „Superminiaturmechanismen, Geräte, Maschinen mit bisher unerreichbaren Gewichten und Abmessungen, Energieindikatoren und Funktionsparametern, die durch kostengünstige Prozesse integrierter Gruppen erstellt wurden Mikro- und Nanotechnologie.“ Die Fähigkeiten von Messsystemen wie Trägheitsnavigationssystemen (INS), Neigungsmessern, Kursen usw. wurden schon immer durch die Eigenschaften von Primärwandlern bestimmt. Die bestehenden Konstruktionen integraler Beschleunigungssensoren erfüllen aufgrund der hohen Arbeitsintensität bei der Herstellung sowie der vorübergehenden Instabilität der messtechnischen Eigenschaften und der geringen Ressourcen die modernen Anforderungen nicht.

Diese Arbeit wurde in Übereinstimmung mit dem Thema der wissenschaftlichen Forschung des Arzamas Wissenschafts- und Produktionsunternehmens „TEMP-AVIA“ sowie dem Plan der wichtigsten wissenschaftlichen Arbeiten des Arzamas Polytechnic Institute (NSTU-Zweig) zum Problem „Entwicklung und Erforschung integrierter Sensoren für Primärinformationen“.

Zielsetzung. Ziel der Dissertation ist die Erforschung und Entwicklung eines neuen Mikrosystem-Beschleunigungssensors und seiner Komponenten sowie der Aufbau mathematischer Modelle des Sensors und berechneter Verhältnisse zur theoretischen Bestimmung seiner statischen, dynamischen und Genauigkeitseigenschaften.

Die Aufgaben der Dissertationsarbeit:

1. Untersuchung der Struktur eines neuen Mikrosystem-Beschleunigungsmessers und seiner mechanischen und elektrischen Komponenten unter Verwendung von Halbleitermaterialien und Mikrobearbeitungstechnologie.

2. Entwicklung mathematischer Modelle des Sensors zur Analyse in den Stadien der Forschung und Entwicklung aller Eigenschaften des Mikrosystem-Beschleunigungsmessers: statisch, Amplitude-Frequenz, Phasen-Frequenz, Transient, Genauigkeit und Eigenschaften seiner einzelnen Knoten.

3. Durchführung experimenteller Untersuchungen der statischen und dynamischen Eigenschaften neuer Mikrosystem-Beschleunigungssensoren, deren Ergebnisse es ermöglichen, die Genauigkeit und die Vorteile integraler Konstruktionen gegenüber herkömmlichen nicht-integralen zu beurteilen.

4. Vergleich experimenteller und theoretischer Ergebnisse der Dissertation.

Studienobjekt. Gegenstand der Untersuchung sind folgende Geräte:

1. Siliziumpendelempfindliche Elemente.
2. Kapazitive Wegaufnehmer in ein elektrisches Signal umwandeln.
3. Geräte zum Testen von linearen Beschleunigungsmessern.
4. Mikroelektronische Wandler und Baugruppen eingebettet in integrierte Beschleunigungssensoren.

Forschungsmethoden. Bei der Lösung der gestellten Aufgaben wurden Methoden der mathematischen und Computermodellierung der Eigenschaften des Beschleunigungsmessers, ein Experiment in Originalgröße, Methoden der theoretischen Mechanik, der Elastizitätstheorie und der automatischen Steuerung verwendet.

Wissenschaftliche Neuheit arbeiten ist wie folgt:

1. Die Struktur wurde untersucht und ein neues empfindliches Element entwickelt (RF-Patent Nr. 2231795), das einen zweimal kleineren Messfehler als Analoga aufweist, und ein mathematisches Modell eines neuen Mikrosystem-Beschleunigungsmessers mit einer Verfeinerung des Einflusses der Eigenschaften entwickelt der konstituierenden Elemente, wodurch die berechneten Daten mit den experimentellen Daten übereinstimmten.

2. Ein origineller kapazitiver Wandler wurde entwickelt (Patente: Nr. 2231796 und Nr. 2272298). Theoretische Beziehungen für die Berechnungen von mikroelektronischen Wandlern, die für den gemeinsamen Betrieb mit mikromechanischen SEs ausgelegt sind, wurden erhalten, was den Entwicklern ein neues effektives Entwurfswerkzeug an die Hand gab.

3. Es wurden experimentelle Studien und Computersimulationen der statischen und dynamischen Eigenschaften von Mikrosystem-Beschleunigungsmessern an Modellen und Endprodukten durchgeführt und mit theoretischen Ergebnissen verglichen, die die Angemessenheit der theoretischen Bestimmungen bestätigten.

Praktischer Wert der Arbeit:

1. Theoretische Lösungen wurden bei der Berechnung der Eigenschaften, bei der Optimierung der Parameter der zu entwickelnden integrierten Beschleunigungssensoren in die Praxis umgesetzt und wurden zur Grundlage für die Entwicklung von Schaltungen und Strukturen, die durch Patente der Russischen Föderation geschützt sind.

2. Die Ergebnisse theoretischer und experimenteller Untersuchungen in Form von Empfehlungen und berechneten Kennziffern zur Bestimmung der wichtigsten Kenndaten der Sensoren wurden genutzt, um integrale Beschleunigungssensoren der Typen AT1105 und AT1112 für Bereiche von 0,5 g bis 50 g zu konstruieren und zu bauen.

3. Die entwickelten Methoden zur Bestimmung der statischen Eigenschaften integraler Beschleunigungssensoren und ihrer Fehler mit Prüfmitteln ermöglichen es, die wichtigsten metrologischen Parameter der Geräte zu erhalten.

4. Die Ergebnisse der Dissertationsarbeit werden in Serienprodukte des ANPP "TEMP-AVIA" und in den Bildungsprozess an der Arzamas-Filiale der Nationalen Staatlichen Technischen Universität am Institut für Luftfahrtinstrumente und -geräte in den Fachgebieten 190300 und eingeführt 190900.

Umsetzung in der Industrie. Die in der Dissertationsarbeit gewonnenen Schlussfolgerungen, Empfehlungen und Ergebnisse wurden im Unternehmen ANPP "TEMP-AVIA" (Arzamas) umgesetzt, was durch die im Anhang enthaltenen Dokumente bestätigt wird.

Approbation der Arbeit. Die Dissertation und ihre einzelnen Abschnitte wurden auf folgenden Konferenzen und Tagungen diskutiert und positiv bewertet:

1. Auf der regionalen wissenschaftlich-technischen Konferenz "Methoden und Mittel zur Messung physikalischer Größen", Nischni Nowgorod, 1997, 1998, 2002, 2003
2. Auf den Allrussischen wissenschaftlichen Konferenzen "Fortschrittliche Technologien im Maschinen- und Instrumentenbau". 2002, 2003, 2004
3. Bei einem erweiterten Treffen der Abteilung für Luftfahrtinstrumente und -geräte der Arzamas-Niederlassung der NSTU in den Jahren 1998, 2000, 2001, 2002, 2003 und 2004.

Veröffentlichungen. Basierend auf den Forschungsergebnissen wurden 17 Artikel veröffentlicht, darunter 13 Artikel und vier Patente für Erfindungen.

Arbeitsbelastung. Die Dissertation besteht aus einer Einleitung, vier Kapiteln, einer Schlussfolgerung, einem Anhang, einem Literaturverzeichnis, einer Liste akzeptierter Bezeichnungen und enthält 153 Seiten maschinengeschriebenen Textes: Abbildungen - 39 (Zeichnungen, Diagramme, Grafiken), Tabellen - 15, Liste Referenzen - 83 Titel.

FÜR DIE VERTEIDIGUNG

1. Strukturelle Schaltung und mathematisches Modell eines neuen pendelempfindlichen Elements mit Kompensation des Einflusses thermischer Spannungen.

2. Der originale kapazitive Mikrosystem-Wegaufnehmer mit Beschleunigungstest, kleinere Abmessungen bei gleichen Kosten.

3. Mathematisches Modell eines Mikrosystem-Beschleunigungsmessers, das es ermöglicht, seine Parameter sogar in den Stadien der Forschung und Entwicklung zu bewerten.

4. Verhältnisse zur Auswahl der optimalen Parameter eines Mikrosystem-Beschleunigungsmessers gemäß dem Kriterium minimaler Messfehler, die es ermöglichen, dass Beschleunigungsmesser für direkte Messungen eine Genauigkeit erhalten, die der eines Kommit elektrostatischer Rückkopplung entspricht.

5. Blockdiagramme von Installationen für experimentelle Studien der statischen und dynamischen Eigenschaften von Mikrosystem-Beschleunigungsmessern und Ergebnisse experimenteller Studien.

6. Zusammenhänge für theoretische Berechnungen: Steifigkeit elastischer Aufhängungen, absolute Koeffizienten der gasdynamischen Dämpfung, elastische Aufhängungen für die Längsstabilität und elektrische Schaltungselemente.

In der Einleitung die Relevanz des gewählten Themas wird begründet und basierend auf der Analyse des aktuellen Stands integrierter Primärinformationssensoren werden Zweck und Ziel der Forschung formuliert.

Erstes Kapitel Die Dissertation widmet sich einem Überblick über den aktuellen Stand von Mikrosystem-Beschleunigungsmessern, in dem eine vergleichende Analyse ihrer Eigenschaften vorgenommen wird. Es werden sowohl inländische als auch ausländische Lösungen berücksichtigt und die positiven und negativen Aspekte der Strukturen im Hinblick auf die Erzielung maximaler Genauigkeit identifiziert. Als Ergebnis der Analyse wurde einem Mikrosystem-Beschleunigungsmesser mit lokaler Rückkopplung der Vorzug gegeben.

Zweites Kapitel sodeRLeben theoretische Begründung für den Aufbau eines mikromechanischen Sensorelements und einer elektrischen Schaltung. Die Anzahl der Freiheitsgrade einer beweglichen Pendeleinheit wird basierend auf der Analyse der Steifigkeit elastischer Aufhängungen in verschiedenen Richtungen abgeschätzt. Aus der Analyse folgt, dass die Winkelbewegung des Pendels relativ zur y-Achse (Abb. 1) und die lineare Bewegung relativ zur x- und y-Achse fehlen, da ihre Steifigkeiten unendlich groß sind. Aus dem Vergleich der Winkelsteifigkeit in Bezug auf die x- und z-Achse können wir schließen, dass die Winkelsteifigkeit in Bezug auf die z-Achse die Winkelsteifigkeit in Bezug auf die x-Achse um einen Faktor übersteigt. Numerisch sind dies mindestens fünf Größenordnungen, was unter der Annahme gleicher Kräfte, die entlang der verglichenen Achsen wirken, erlaubt, die unendlich kleine Winkelverschiebung relativ zur z-Achse zu vernachlässigen.

Die axialen Steifigkeiten der Aufhängung entlang der positiven und negativen Richtungen der z-Achse sind im Allgemeinen nicht gleich. In positiver Richtung arbeitet die Federung auf Zug und in negativer Richtung auf Druck. In diesem Fall muss bei großen Lasten in negativer Richtung die Aufhängung auf Längsstabilität geprüft werden. Hierbei ist zu beachten, dass bei Aufhängungen mit Krümmung in Breite und Dicke ein kurzer Abschnitt im Mindestabschnitt der Aufhängung auf Druck beansprucht wird und die Aufhängung unter Beibehaltung ihrer Eigenschaften innerhalb der Elastizitätsgrenzen immer stabil ist.

Somit hat die betrachtete Konstruktion des Pendels SE des integralen Beschleunigungsmessers unter den eingeführten Annahmen zwei Freiheitsgrade: eine Winkelverschiebung relativ zur x-Achse und eine lineare Verschiebung entlang der y-Achse. Dementsprechend weist die mikromechanische Bewegungsbaugruppe eine Übertragungsfunktion vierter Ordnung auf. Bei Verwendung der Lagrange-Gleichung zweiter Art zur Analyse der Dynamik wurde die Übertragungsfunktion des bewegten Knotens definiert als:

, (1)

wobei die Koeffizienten der Übertragungsfunktion in Bezug auf die Parameter des sich bewegenden Knotens ausgedrückt werden:

(2)

wo ist das Trägheitsmoment des Pendels um die z-Achse; m ist die Masse des Pendels; Kd und Kdu - axiale und winklige absolute Dämpfungskoeffizienten; G und Gu - Axial- und Winkelsteifigkeit der elastischen Aufhängung; lц - Abstand vom Schwerpunkt zur Schwingachse des Pendels.

Die Steilheit der statischen Kennlinie des empfindlichen Elements ergibt sich aus (1) unter Berücksichtigung von (2) zu:

(3)

Ein spezieller elektrischer Wandler wurde entwickelt, um die Bewegungen des Pendels zu verarbeiten. Als Ausgangsvoraussetzungen für die Entwicklung des Aufnehmers wurden folgende Anforderungen angenommen: 1 - Gewährleistung der Linearität der statischen Kennlinie über den gesamten Messbereich; 2 - im Konverter muss der Einfluss der Dielektrizitätskonstante des Mediums, das den Raum zwischen den Messelektroden des Konverters ausfüllt, vollständig ausgeschlossen werden; 3 - in den Übersetzungsverhältnissen sollten die Werte der Widerstände in Form von Verhältnissen enthalten sein; 4 - Mindesttemperaturfehler beim Ändern von Parametern; 5 - ausreichende Filterung des Ausgangssignals von der Trägerfrequenz des Generators, der die kapazitive Brücke speist; 6 - Spannungsausschluss zwischen den beweglichen und festen Elektroden der kapazitiven Brücke; 7 - dynamisch muss der Wegaufnehmer ohne Berücksichtigung des Tiefpassfilters ein trägheitsloses Glied sein; 8 - Unabhängigkeit der Steilheit der statischen Kennlinie und des Nullsignals des Umrichters von der Frequenz des Versorgungsgenerators und Minimierung von Fehlern durch die Instabilität von Stromversorgungen.

Das in Abb. 1 dargestellte Schema erfüllt die am weitesten ausformulierten Anforderungen. 2, ein. Um die geforderten Eigenschaften hinsichtlich statischer und dynamischer Genauigkeit in der Schaltung zu erreichen, wurden mehrere Lösungen für einen bestimmten Knoten ausgearbeitet und die optimalen ausgewählt. Das Schema enthält in seiner Struktur: Differenzschaltung der Messkapazitäten C1 - C2; Vorrichtung zum Schalten von Referenzspannungen Kl1-Kl4; Verstärker auf OU1, Synchrondetektor (Demodulator) (Kl5 und Kl8); Taktfrequenzgenerator (Abb. 2, b) auf einem logischen Element vom Typ Schmidt-Trigger; Referenzspannungsquellen und ein Tiefpassfilter (LPF) auf OU2. Die elektrische Schaltung wird durch folgende Übertragungsfunktion beschrieben:

(4)

wo - Steilheitskoeffizient der statischen Kennlinie des Wandlers;

Filterzeitkonstante;

Die vollständige Übertragungsfunktion eines Mikrosystem-Beschleunigungssensors besteht aus dem Produkt der Übertragungsfunktionen der mechanischen und elektrischen Teile:

(5)

Die Koeffizienten der Übertragungsfunktion werden durch die Parameter des beweglichen Knotens gefunden: .

Der Steigungskoeffizient der statischen Kennlinie eines Mikrosystem-Beschleunigungsmessers mit lokaler Einheitsrückkopplung ergibt sich aus der Übertragungsfunktion (5) in folgender Form:

Als alternative Schaltung wurden Schaltungen mit leistungselektrostatischer Prüfung und mit Pulsweitenmodulation (PWM) entwickelt und untersucht. Nach dem Vergleich wurde dem Schema nach Abb. 2.

In der Arbeit wurden SE mit Innen- und Außenbefestigung der Trägerplatte untersucht. Aus den Studien wurde festgestellt, dass eine interne Befestigung an einem Punkt im Hinblick auf einen geringeren Einfluss von Kontaktspannungen, die vom Körper übertragen werden, vorzuziehen ist.

Ein Merkmal von mikromechanischen Beschleunigungsmessern ist die überwiegende Herstellung von empfindlichen Elementen dieser Geräte aus Materialien auf der Basis von Siliziumtechnologie, die folgendes bestimmen: kleine Abmessungen und Gewicht des Beschleunigungsmessers, die Möglichkeit der Verwendung von Gruppenfertigungstechnologie und folglich niedrige Herstellungskosten in Massen Fertigung, hohe Zuverlässigkeit im Betrieb.

Einer der Hauptgründe für den Messfehler des mikromechanischen Beschleunigungsmessers ist die Änderung der Umgebungstemperatur. Zusätzliche Nullpunktverschiebung aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur:

wo k T - thermische Drift von Verschiebungen von Nullstellen von Beschleunigungsmessern; ΔT - Temperaturänderung während des Tests, T-Rate der Temperaturänderung; t ist die Testzeit.

Es ist bekannt, dass die Messgenauigkeit nicht nur durch den systematischen Fehler, sondern auch durch die spektrale Zusammensetzung des Messrauschens begrenzt wird. Beispielsweise gibt es bei den Messungen von MEMS-Sensoren Flickerrauschen, das das Messrauschen färbt.

Flimmerrauschen (übermäßiges Rauschen) - anomale Schwankungen, die durch eine umgekehrt proportionale Abhängigkeit der spektralen Leistungsdichte von der Frequenz gekennzeichnet sind, im Gegensatz zu weißem Rauschen, dessen spektrale Dichte konstant ist. Flimmerrauschen wurde als langsame chaotische Änderung in der thermischen Emission von Elektronenröhrenkathoden entdeckt, die als "Flickereffekt" bezeichnet wird. Anschließend wurden Fluktuationen mit den gleichen Eigenschaften in vielen physikalisch-chemischen, biologischen und sogar sozialen Systemen entdeckt. Zur Bezeichnung von anomalen Schwankungen in komplexen Systemen wird derzeit der Begriff "Flickerrauschen" zusammen mit dem weniger bequemen, aber adäquateren Begriff "1/f-Rauschen" sowie der Begriff "Makrofluktuationen" verwendet, um anomale Fluktuationen zu bezeichnen. Eine Variation des Flickerrauschens ist das in Halbleitern beobachtete gepulste (explosive) Rauschen – schrittweise Änderungen des Signalpegels mit zufällig verteilten Zeitintervallen zwischen Pegeländerungen. Seine spektrale Leistungsdichte nimmt mit abnehmender Frequenz zu, schränkt die Möglichkeit ein, die Genauigkeit durch Mittelwertbildung zu erhöhen, und erlaubt es nicht, die Zufallskomponente des Fehlers auf Null zu reduzieren. Außerdem kommt es bei digitalen Sensoren immer wieder zu Interferenzen mit der Frequenz des Taktgebers, die auch dem weißen Rauschen Farbe verleihen.

Beschleunigungsmesser leiden wie Gyroskope unter Bias- und Offset-Driften, Fehlausrichtungsfehlern, Temperatur- und Beschleunigungsdriften, Nichtlinearität (als VRE-Fehler bezeichnet) und Empfindlichkeitsdrift. Die wichtigsten Eigenschaften von Beschleunigungsmessern für ihre vergleichende Analyse sind Offset und seine Drifts, Offset-Instabilität und Rauschen. Empfindlichkeitsdrift, VRE und andere Parameter können ebenfalls berücksichtigt werden.

Jede Verschiebung des Beschleunigungsmessers ohne doppelte Integrationsbeschleunigung verursacht einen Geschwindigkeitsfehler proportional zur Integrationszeit und einen Fehler in der berechneten Position, der quadratisch mit der Zeit ansteigt. Eine unkontrollierte Nullpunktverschiebung bewirkt, dass sich der Beschleunigungsvektor relativ zu seiner wahren Richtung verschiebt, und dies gilt nicht nur für lineare Beschleunigungssensoren, sondern auch für die Erdbeschleunigung, die von der Gesamtausgabe des Beschleunigungsmessers subtrahiert werden muss. Bei Trägheitsnavigationssystemen trägt die Drift des Beschleunigungsmesser-Offsets erheblich zum Fehler bei der Berechnung der Geschwindigkeit und Position bei. Bei der Messung der Orientierung sind die Winkelfehler bei der Berechnung von Neigungen in Längs- und Querrichtung am wichtigsten.

Die Sensor-Bias-Instabilität ist eine zufällige Variation der Bias, die über ein bestimmtes Zeitintervall als gemittelte Werte berechnet wird. Dieser Parameter wird mit der Allan-Methode für einen stationären Sensor berechnet. Mit zunehmender Mittelungszeit nimmt das Ausgangsrauschen ab und die Steigung erreicht einen Minimalpunkt und steigt dann wieder an. Der Mindestpunkt auf der Allan-Kurve ist die Verschiebungsinstabilität, die in den Spezifikationen des Beschleunigungsmessers in mg oder µg angegeben ist. Je niedriger der Wert dieses Parameters ist, desto kleiner ist der Fehler bei der Berechnung von Geschwindigkeit, Position und Orientierung. In den meisten Spezifikationen wird die Bias-Instabilität des Beschleunigungsmessers von den Herstellern als die beste Leistung definiert, die unter Laborbedingungen erreicht wird (bei 20 °C und ohne mechanische Belastung). Offset-Stabilität unter realen Bedingungen ist die maximale Drift des verbleibenden Offset-Fehlers nach Kompensation externer Faktoren – Temperatur, Schock, Vibration, Alterung.

Wie oben erwähnt, werden MEMS in zwei Typen unterteilt: Sensoren und Aktuatoren. Eine der am häufigsten verwendeten Arten von Sensoren sind Bewegungssensoren, die wiederum in Accelerometer (Beschleunigungssensoren) und Gyroskope (Rotationssensoren) unterteilt werden. Die Verwendung dieser Geräte ist heute sehr weit verbreitet: Telefone, Kommunikatoren, Spielkonsolen, Kameras und Laptops werden zunehmend mit solchen Sensoren ausgestattet. In Mobiltelefonen und Video-Set-Top-Boxen wird die Empfindlichkeit gegenüber Benutzerbewegungen hauptsächlich zur Unterhaltung verwendet. Aber in tragbaren Computern erfüllen Beschleunigungsmesser eine sehr nützliche Funktion: Sie erfassen den Moment, in dem die Festplatte durch einen Aufprall beschädigt werden könnte, und parken die Festplattenköpfe. In der Fotografie ist der Einsatz von Bewegungssensoren nicht weniger relevant - auf ihrer Basis funktionieren ehrliche Bildstabilisierungssysteme.

Automobilhersteller (aus der Massenindustrie waren sie die ersten, die diese Art von Geräten getestet haben) nutzen seit mehreren Jahrzehnten aktiv Bewegungssensoren, beispielsweise in Airbags und Antiblockiersystemen. So sind die entsprechenden Chips längst entwickelt, von mehreren großen und kleineren Firmen produziert und in solchen Stückzahlen produziert worden, dass die Preise längst zuverlässig auf ein Minimum gedrückt werden. Ein typischer MEMS-Beschleunigungsmesser kostet heute ein paar Dollar pro Stück.

Bei Beschleunigung wird das Gewicht relativ zum feststehenden Teil des Beschleunigungsmessers verschoben. Die am Gewicht befestigte Kondensatorplatte wird relativ zur Platte am feststehenden Teil verschoben. Die Kapazität ändert sich, bei konstanter Ladung ändert sich die Spannung – diese Änderung kann gemessen und die Verschiebung des Gewichts berechnet werden. Von wo aus ist es einfach, die gewünschte Beschleunigung zu finden, wenn man seine Massen- und Aufhängungsparameter kennt. In der Praxis sind MEMS-Beschleunigungssensoren so konstruiert, dass es nicht so einfach ist, die Komponenten – Gewicht, Aufhängung, Gehäuse und Kondensatorplatten – voneinander zu trennen. Tatsächlich liegt die Eleganz von MEMS darin, dass es in den meisten Fällen möglich (oder besser gesagt einfach notwendig) ist, mehrere Elemente auf einmal in einem Detail zu kombinieren.

Hinsichtlich der Architektur besteht ein MEMS-Gerät aus mehreren interagierenden mechanischen Komponenten und einem Mikroprozessor, der die von diesen Komponenten empfangenen Daten verarbeitet.

Im Hinblick auf MEMS-Produktionstechnologien werden hier mehrere Hauptansätze verwendet. Dies sind die volumetrische Mikrobearbeitung, die Oberflächenmikrobearbeitung, die LIGA-Technologie (Litographie, Galvanoformung und Abformung) - Lithographie, Galvanisierung, Formgebung) und das tiefe reaktive Ionenätzen. Die volumetrische Verarbeitung gilt als die kostengünstigste Methode zur Herstellung von MEMS. Ihr Wesen liegt darin, dass durch chemisches Ätzen unnötige Materialteile vom Siliziumwafer entfernt werden, wodurch nur die notwendigen Mechanismen auf dem Wafer verbleiben. Das tiefe reaktive Ionenätzen wiederholt fast vollständig den Bulk-Mikrobearbeitungsprozess, mit der Ausnahme, dass anstelle des chemischen Ätzens Plasmaätzen verwendet wird, um Mechanismen zu erzeugen. Das genaue Gegenteil dieser beiden Prozesse ist der Prozess der Oberflächenmikromechanik, bei dem die notwendigen Mechanismen durch sequentielles Aufbringen dünner Schichten auf einen Siliziumwafer „gewachsen“ werden. Und schließlich verwendet die LIGA-Technologie Röntgenlithographiemethoden und ermöglicht es Ihnen, Mechanismen zu erstellen, deren Höhe viel größer als die Breite ist.