Исследование точности прецизионных акселерометров и повышение их качества измайлов андрей евгеньевич. Лабораторная работа исследование статистической характеристики акселерометра типа бдлу–0,5 теоретические сведенья Исследование характеристик акселерометр

Приборы, предназначенные для измерения линейных ускорений летательных аппаратов и угловых ускорений вращающихся элементов их агрегатов, называются акселерометрами .

Сигналы акселерометров используются в инерциальных навигационных системах для вычисления скоростей и координат, в системах управления полетом и двигателями, а также в указателях визуальных приборов. Визуальные приборы индикации ускорений нужны летчику на маневренных самолетах для контроля перегрузок, возникающих при управлении самолета.

Акселерометры классифицируются по различным признакам, в частности, по областям применения, виду подвесов чувствительного элемента, способу снятия сигналов, числу измеряемых компонентов ускорения, по виду выходного сигнала и др.

Требования к акселерометрам в отношении точности измерения определяются областью применения. Так, погрешности акселерометров в инерциальных системах не должно превышать 0,001%. Акселерометры, используемые в системах управления, имеют погрешности 0,001-1,0%. Погрешности акселерометров, применяемых в качестве визуальных приборов, составляют 1–3%.

Принцип действия акселерометра состоит в следующем.

Рис.1 Схема акселерометра.

1 – инерционная масса; 2 – пружина; 3 – демпфер; 4 – шкала; 5 – корпус прибора; 6 – ось чувствительности акселерометра

Инерционная масса 1, связанная с корпусом прибора 5 при помощи пружины 2 и демпфера 3, может перемещаться в направлении оси 6 называемой осью чувствительности. Перемещение массы по отношению к корпусу прибора, отсчитываемое по шкале 4, пропорционально измеряемому ускорению, направленному по оси чувствительности.

Чувствительным элементом акселерометра является инерционная масса.

На инерционную массу
акселерометра действуют следующие силы:

– сила инерции

,

где – перемещение массы по отношению к корпусу прибора;

–перемещение корпуса прибора относительно фиксированной точки пространства.

– сила, пропорциональная скорости движения массы и создаваемая демпфером:

,

где
– коэффициент демпфирования.

– позиционная сила, создаваемая упругостью пружины:

,

где – коэффициент упругости.

Сумма этих сил равна нулю, т.е.

,

,

где
– собственная частота;

;

–коэффициент относительного затухания.

Основными элементами акселерометров являются подвесы инерционных масс, датчики сигналов перемещения массы, моментные (силовые) устройства, обеспечивающие ввод сигналов обратной связи, усилители сигналов и корректирующие устройства (демпферы).

Для того чтобы акселерометр реагировал только на ту составляющую ускорения, для измерения которой он предназначен, его инерционная масса должна иметь специальный подвес, удовлетворяющий следующим требованиям: 1) минимальное трение в осях подвеса; 2) отсутствие перекрестных связей между измерительными осями; 3) обеспечение линейной зависимости между отклонениями инерционной массы и измеряемым ускорением.

Подвесы на простых опорах создают значительное трение, которое снижает чувствительность акселерометра. Для уменьшения трения чувствительный элемент укрепляют на рычаге или помещают в жидкость с удельным весом, равным удельному весу чувствительного элемента (рис. 2–4). Подвесы на пружинах и гофрированных упругих мембранах свободны от трений, однако недостатком их является то, что при отклонении массы прибор начинает реагировать на составляющие ускорения, перпендикулярные к оси чувствительности. Поэтому такие подвесы применяют в акселерометрах с силовой компенсацией, когда отклонения массы практически отсутствуют.

Рис. 2. Схема однокомпонентного акселерометра:

1 – инерционная масса; 2 – корпус; 3 – жидкость; 4 – направляющий стержень; 5 – усилитель; 6 – индуктивный датчик перемещения;

7 – электромагнитный привод

На схеме рис. 2 инерционная масса 1 подвешена на направляющей 4. Для уменьшения трения о направляющую масса 1, помещенная в жидкость 3, имеет нейтральную плавучесть, что исключает сильное прижатие к направляющей. Сигналы в рассматриваемой схеме, пропорциональные перемещению инерциальной массы, измеряются индуктивным датчиком 6. После усиления в усилителе 5 сигнал поступает на электромагнитный (силовой) привод 7. Выходным сигналом акселерометра является падение напряжения на сопротивлении, включенном последовательно в цепь обмотки силового привода. Демпфирование в приборе получается за счет сопротивления при движении инерциальной массы в жидкости. В акселерометрах рассматриваемого типа можно получить высокую собственную частоту и малую зону нечувствительности (достигается уменьшением сил трения за счет взвешивания инерциальной массы в жидкости). Для сохранения постоянства характеристик акселерометра необходимо поддерживать температуру жидкости постоянной, что достигается термостатированием.

Рис. 3. Схема маятникового поплавкового акселерометра:

1 – инерционная масса; 2 – жидкость; 3 – корпус; 4 – моментный двигатель;

5 – усилитель; 6 – датчик сигнала

На рис. 3 приведена схема маятникового поплавкового акселерометра. Поплавок (инерционная масса) конструируется так, чтобы его вес Q был близок к подъемной силе F. Необходимая маятниковость поплавка обеспечивается смещением центра тяжести относительно центра водоизмещения на величину L Сигнал поворота поплавка измеряется индуктивным датчиком 6, и после усиления в усилителе 5 поступает на моментный двигатель 4. Малое трение в опорах, являющихся подвесами, обеспечивается малым давлением, поскольку вес поплавка Q практически уравновешивается подъемной силой F. Демпфирование достигается тем, что масса движется в жидкости. Для сохранения постоянства характеристик прибора необходимо регулировать температуру жидкости. В поплавковых акселерометрах применяют кремниевые жидкости.

Ускорения, измеряемые акселерометрами, применяемыми в инерциальных системах, служат для получения скорости полета и пройденного расстояния. Для получения скорости ускорение интегрируется один раз, а для получения пути - дважды. Имеется определенный класс акселерометров, в которых выходной сигнал пропорционален не ускорению, а одно- или двукратному интегралу от ускорения.

Рис.4 Схема интегрирующего акселерометра

1-инерционный поплавок; 2-приводно двигатель; 3-гидравличесие перепускные каналы; 4-емкостной датчик; 5-цилиндр, заполненный силиконовой жидкостью; 6-реле системы обогрева; 7-термостат; 8-нагревательный элемент; 9-наружный цилиндр; 10-жидкость

Схема интегрирующего акселерометра поплавкового типа представлена на рис. 4. Поплавок 1 в форме цилиндра помещается в цилиндрической камере, заполненной жидкостью 10, причем плотность материала поплавка меньше плотности жидкости. Камера приводится во вращение двигателем 2 с постоянной скоростью. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении жидкости, поплавок устанавливается по оси симметрии, вдоль которой он может перемещаться. Интегрирующие акселерометры с конструкцией, приведенной на рис. 4 имеет чувствительность порядка 10 -5 g и погрешность не более 0,01%.

Перспективными являются электромагнитные и криогенные подвесы.

Для преобразования перемещений в электрические сигналы в акселерометрах применяются потенциометрические, индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и струнные преобразователи. Основные требования к преобразователям следующие: 1) большая разрешающая способность; 2) линейная зависимость выхода от входа; 3) отсутствие реакции преобразователя на чувствительный элемент. Этим требованиям не удовлетворяют потенциометрические датчики, поэтому в точных приборах они не применяются.

В качестве моментных (силовых) устройств в акселерометрах для ввода сигналов обратных связей применяются моментные двигатели (электродвигатели, работающие в заторможенном режиме) и электромагнитные устройства.

Для получения акселерометров с требуемыми частотными характеристиками в цепях обратной связи применяют корректирующие фильтры и специальные демпферы. В приборах с жидкостным подвесом для демпфирования используется вязкость самой жидкости.

Погрешности акселерометров

Акселерометрам присущи методические и инструментальные погрешности.

Методические погрешности акселерометров можно разделить на две группы: 1) погрешности, возникающие из-за того, что акселерометры измеряют только ускорения от активных сил, тогда как на ускорения, вызванные гравитационными силами, эти приборы не реагируют; 2) погрешности, возникающие из-за несовпадения оси чувствительности с направлением действия измеряемого ускорения.

Так, например, при несовпадении оси чувствительности и направления ускорения в 1° погрешность в измерении величины ускорения составляет 0,02%. Эта погрешность сама по себе мала и не представляет большого интереса. Большее значение имеет угол между указанными направлениями, поскольку он определяет несовпадение приборной и истинной осей системы координат. Кроме того, в инерциальных системах навигации несовпадение осей чувствительности с направлением измеряемых ускорений приводит к появлению перекрестных связей между акселерометрами, в результате чего акселерометр измеряет не только «свое», но и «чужие» ускорения.

Инструментальные погрешности акселерометров определяются: 1) порогом чувствительности (обусловленным трением в подвесах) - минимальным сигналом на входе, при котором появляется сигнал на выходе; 2) нарушением линейной зависимости между входным и выходным сигналами; 3) гистерезисом в характеристиках упругих и других элементах; 4) температурной зависимостью параметров и характеристик акселерометра.

Для уменьшения инструментальных погрешностей применяются меры по уменьшению трения в подвесах, по термостатированию элементов и по улучшению характеристик чувствительности акселерометра. В лучших конструкциях акселерометров для инерциальных систем инструментальные погрешности доведены до 0,002%.

Блок датчика линейных ускорений БДЛУ – 0,5 предназначен для измерения линейных ускорений относительно нормальной системы координат и выдачи электрического сигнала пропорционального линейным ускорениям в бортовой пилотажный комплекс (БПК) и другие бортовые системы.

Конструктивно акселерометр типа БДЛУ состоит из основных узлов:

– датчик линейных ускорений типа ДЛУВ-42 является одноосевым акселерометром и предназначен для измерения линейного ускорения, действующего вдоль оси чувствительности и выдачи электрического сигнала, величина напряжения которого пропорциональна линейному ускорению, действующему по измерительной оси, а знак соответствует направлению действия линейного ускорения.

– блока питания типа МУБП–1–1;

– усилителя обратной связи типа БУ–44–2–11.

Внешний вид БДЛУ представлен на рис.5

Рис.5 Внешний вид БДЛУ

Схема одноосевого акселерометра показана на рис.6.(типа ДЛУВ-42)

Рис. 6. Схема одноосного акселерометра с силовой обратной связью:

1 – обмотка датчика; 2 – обмотка возбуждения; 3 – ось чувствительности акселерометра; 4 – постоянный магнит; 5 – восстанавливающая обмотка; 6 – усилитель переменного тока; 7 – демодулятор; 8 – фазосдвигающая цепочка; 9 – усилитель постоянного тока; 10 – генератор цепи возбуждения; 11 – выходное сопротивление; 12 – сигнал измеряемого ускорения.

Акселерометр представляет собой устройство с силовой обратной связью, в котором сила инерции, действующая на чувствительный элемент, уравновешивается (пропорционально ускорению) электромагнитной силой, создаваемой током в катушке, помещенной в магнитное поле.

Чувствительным элементом акселерометра ДЛУВ является маятник 4, который представляет собой постоянный магнит.

При действии линейных ускорений, направленных вдоль чувствительной оси датчика возникает момент инерции, отклоняющий чувствительный элемент (маятник) от нулевого положения равновесия в направлении, обратном действию этой силы.

Момент инерции маятника равен:

,

где
– масса маятника;– плечо небаланса маятника;– действующее линейное ускорение.

Любое его отклонение относительно нулевого положения при этом создаёт в укреплённой на нём катушке датчика 1 э.д.с., пропорциональна величине действующей силы, а значит и ускорению. Сигнал с датчика поступает на вход амплитудного фазочувствительного детектора-усилителя БУ–44–2–11 (7, 8, 10), где преобразуется в напряжение постоянного тока определенной полярности и через усилитель постоянного тока УПТ – 9 подается на обмотки восстанавливающей катушки 5, которая расположена на упругой подвеске чувствительного элемента.

Магнитное поле восстанавливающей катушки 5 взаимодействует с полем постоянного магнита 4, который является маятниковым чувствительным элементом датчика, при этом возникает электромагнитная сила, уравновешивающая момент инерции маятника и стремящаяся вернуть его в нулевое положение.

Электромагнитный вращающий момент, создаваемый током, протекающим по обмоткам восстанавливающей катушки равен

,

где
- передаточный коэффициент цепи силовой обратной связи;

- ток, протекающий по катушке.

Введение в акселерометр силовой обратной связи эквивалентно дополнительной жесткости, которая намного больше по величине, чем жесткость упругого элемента.

Если коэффициент усиления усилителя 9 достаточно большой, то электромагнитная восстанавливающая сила уравновешивает силу, пропорциональную ускорению и чувствительный элемент примет нулевое положение равновесия, при этом будет иметь место равенство:

или
,

Отсюда имеет место соотношение

.

Таким образом, в цепи восстанавливающей катушки 5 протекает ток, который прямо пропорционален действующему линейному ускорению (перегрузке).

Включив последовательно с катушкой сопротивление нагрузки
, получаем напряжения на выходе, пропорциональное действующему линейному ускорению:

. (1)

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

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 531. 781. 2

Вавилов Иван Владимирович

РАЗРАБОТКА МИКРОСИСТЕМНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена на кафедре «Авиационные приборы и устройства» Арзамасского филиала Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель: к.т.н., доцент. Поздяев В.И.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Распопов В.Я.

д.т.н., главный научный сотрудник

ФГУП "НПП "Полет" Кейстович А.В.

Ведущее предприятие: ОАО "Арзамасский приборостроительный завод",

г.Арзамас.

Защита состоится 11 октября 2006 г, в 15:00 в ауд. 1258 на заседании диссертационного Совета Д 212.165.12 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н., доцент______________ В.В. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Стимулирующим фактором развития интегральных датчиков служит нарастающая потребность в информации в различных управляемых технических системах. В основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) лежит концепция от “датчика к системе”, формулировка сущности которой может быть представлена в виде следующих положений:

• разработка, исследование и создание интегрированных датчиков прямого измерения, объединяющих первичный чувствительный элемент и вторичный электронный преобразователь, при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
• разработка, исследование и создание интегрированных компенсационных датчиков, объединяющих первичный чувствительный элемент, вторичный электронный преобразователь и преобразователь обратной связи для управления чувствительным элементом, при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
• разработка, исследование и создание интегрированных датчиков с вычислительными возможностями, например, реализующих многофакторность измерений, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования, адаптацию к оптимальным условиям, выполнение контрольно-диагностических функций и др., при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
• разработка, исследование и создание беспроводных интегрированных датчиков с малым потреблением электроэнергии и обладающих свойствами первых трех групп.

Одной из первых систематизирующих работ по микросистемным датчикам была статья Петерсена К. “Кремний как механический материал для интегральных конструкций”, опубликованная в журнале IEEE № 5 за 1982 год. Период развития интегральных датчиков составляет немногим более тридцати лет. За это время разработан широкий спектр датчиков: от интегрального тензорезистора до компенсационного акселерометра. Наиболее успешным разработчиком в области микросистемных приборов навигации в настоящее время является фирма Analog Devices (США). В нашей стране микросистемные датчики разрабатывают: Арзамасское НПП “ТЕМП-АВИА” (к.т.н. Былинкин С.Ф.), Пензенский НИИФИ (д.т.н. Мокров Е.А.), Зеленоградский НИИЭТ (д.т.н. Тимошенков С.П.), Тульский ГТУ (д.т.н. Распопов В.Я.), МВТУ (д.т.н. Коновалов С.Ф.) и др. Однако нельзя сказать, что данный период находится в своей завершающей стадии. Особенно слабым звеном является разработка интегральных датчиков параметров движения, таких, как линейные и угловые акселерометры. До сих пор отсутствуют акселерометры со стопроцентной интеграцией, а реальная точность известных разработок не превзошла рубеж 12 % от измеряемого диапазона. Под интеграцией понимается объединение функциональных узлов и блоков в единый конструктив, представляющий одну монолитную “деталь”. Повысить точность измерения интегральных акселерометров более чем на порядок возможно введением в контур отработки цепи отрицательной обратной связи, однако это связано с усложнением схемы.

Актуальность работы . Характерной чертой мирового развития информационных технологий конца XX и начала ХХI века является выделение интегрально образующихся (комплексных) технологий, к которым относятся и технологии микромеханических систем. Как в нашей стране, так и за рубежом наблюдается устойчивый рост интереса к разработкам интегральных датчиков, что связано с возможностью эффективного решения с их помощью ряда задач контроля и управления. С 30 марта 2002 года в России микросистемная техника официально объявлена критической технологией. В перечне критических технологий, утвержденном Президентом России, формулировка определена следующим образом: “Сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее не достижимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффективными процессами микро- и нанотехнологии.” Возможности измерительных систем, таких как инерциальные навигационные системы (ИНС), инклинометры, курсовертикали и т. д., всегда определялись характеристиками первичных преобразователей. Существующие конструкции интегральных датчиков ускорений не удовлетворяют современным требованиям из-за высокого уровня трудоемкости изготовления, а также временной нестабильности метрологических характеристик и малого ресурса.

Данная работа проводилась в соответствии с тематикой научных исследований предприятия Арзамасского НПП “ТЕМП-АВИА”, а также планом основных научных работ Арзамасского политехнического института (филиала НГТУ) по проблеме “Разработка и исследование интегральных датчиков первичной информации”.

Цель работы. Целью диссертации является исследование и разработка нового микросистемного датчика ускорений и его узлов, а также построение математических моделей датчика и расчетных соотношений для теоретического определения его статических, динамических и точностных характеристик.

Задачи диссертационной работы:

1. Исследование структуры нового микросистемного акселерометра и его составляющих механических и электрических узлов с использованием полупроводниковых материалов и микромашинной технологии.

2. Разработка математических моделей датчика для анализа на стадиях НИР и ОКР всех характеристик микросистемного акселерометра: статической, амплитудно-частотной, фазо-частотной, переходной, точностной и характеристик его отдельных узлов.

3. Проведение экспериментальных исследований статических и динамических характеристик новых микросистемных датчиков ускорений, результаты которых позволяют судить о точности и преимуществах интегральных конструкций перед традиционными не интегральными.

4. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов диссертации.

Объект исследования. Объектом исследования являются следующие устройства:

1. Кремниевые маятниковые чувствительные элементы.
2. Емкостные преобразователи перемещений в электрический сигнал.
3. Устройства для испытаний линейных акселерометров.
4. Микроэлектронные преобразователи и узлы, встраиваемые в интегральные датчики ускорений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического и компьютерного моделирования характеристик акселерометра, натурный эксперимент, методы теоретической механики, теории упругости и автоматического управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследована структура и разработан новый чувствительный элемент (патент РФ № 2231795) имеющий в два раза меньшую погрешность измерения, чем аналоги и разработана математическая модель нового микросистемного акселерометра с уточнением влияния характеристик составляющих элементов, в результате чего расчетные данные совпали с экспериментальными.

2. Разработан оригинальный емкостный преобразователь (патенты: № 2231796 и № 2272298). Получены теоретические соотношения для расчетов микроэлектронных преобразователей, предназначенных для совместной работы с микромеханическими ЧЭ, что дало разработчикам новый эффективный инструмент проектирования..

3. Проведены экспериментальные исследования и компьютерное моделирование статических и динамических характеристик микросистемных акселерометров на макетах и на готовых изделиях и сравнены с теоретическими результатами, что подтвердило адекватность теоретических положений.

Практическая ценность работы:

1. Теоретические решения доведены до практического использования в расчетах характеристик, в оптимизации параметров разрабатываемых интегральных датчиков ускорений и явились основой разработки схем и конструкций, защищенных патентами РФ.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде рекомендаций и расчетных соотношений для определения важнейших характеристик датчиков использованы для проектирования и построения интегральных датчиков ускорений типа АТ1105 и АТ1112 на диапазоны от 0,5 g до 50 g.

3. Разработанные методики определения статических характеристик интегральных датчиков ускорений и их погрешностей с помощью испытательного оборудования позволяют получить основные метрологические параметры приборов.

4. Результаты диссертационной работы внедрены в серийно выпускаемые изделия АНПП "ТЕМП-АВИА" и в учебный процесс в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре “Авиационные приборы и устройства” по специальностям 190300 и 190900.

Реализация в промышленности. Выводы, рекомендации и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии АНПП "ТЕМП-АВИА" (г. Арзамас), что подтверждается документами, приведенными в приложении.

Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:

1. На региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Н. Новгород, 1997, 1998, 2002, 2003 г.
2. На Всероссийских научных конференциях «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». 2002, 2003, 2004 г.
3. На расширенном заседании кафедры "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского филиала НГТУ в 1998, 2000, 2001, 2002, 2003 и 2004 г.г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ, из них 13 статей и четыре патента на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы, списка принятых обозначений и содержит 153 страниц машинописного текста: иллюстраций - 39 (рисунки, схемы, графики), таблиц - 15, список литературы - 83 наименований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Структурная схемотехника и математическая модель нового маятникового чувствительного элемента имеющего компенсацию от влияния температурных напряжений.

2. Оригинальный микросистемный емкостный преобразователь перемещений с тестированием акселерометра, меньших габаритов при той же стоимости.

3. Математическая модель микросистемного акселерометра, позволяющая оценить его параметры еще на стадиях НИР и ОКР.

4.Соотношения для выбора оптимальных параметров микросистемного акселерометра по критерию минимума погрешностей измерений, которые позволяют для акселерометров прямого измерения получить точность, эквивалентную точности компенсационного акселерометра с электростатической обратной связью.

5. Структурные схемы установок для экспериментальных исследований статических и динамических характеристик микросистемных акселерометров и результаты экспериментальных исследований.

6. Соотношения для теоретических расчетов: жесткостей упругих подвесов, абсолютных коэффициентов газодинамического демпфирования, упругих подвесов на продольную устойчивость и элементов электрической схемы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и на основе анализа современного состояния интегральных датчиков первичной информации сформулированы цель и задачи исследований.

Первая глава диссертации посвящена обзору современного состояния микросистемных акселерометров, в которой сделан сравнительный анализ их характеристик. Рассмотрены как отечественные, так и зарубежные решения и выявлены положительные и отрицательные стороны конструкций с точки зрения получения максимальной точности. В результате анализа предпочтение отдано микросистемному акселерометру с местной обратной связью.

Вторая глава соде р жит теоретическое обоснование построения микромеханического чувствительного элемента и электрической схемы. Проведена оценка числа степеней свободы маятникового подвижного узла на основе анализа жесткостей упругих подвесов в различных направлениях. Из анализа следует, что угловое движение маятника относительно оси y (рис. 1) и линейные относительно осей x и y отсутствуют, так как их жесткости являются бесконечно большими. Сравнивая угловые жесткости относительно осей x и z, можно заключить, что угловая жесткость относительно оси z превосходит угловую жесткость относительно оси x на множитель . Численно это составляет, как минимум, пять порядков, что при допущении одинаковых усилий, действующих по сравниваемым осям, позволяет пренебречь бесконечно малым угловым перемещением относительно оси z.

Осевые жесткости подвеса вдоль положительного и отрицательного направления оси z в общем случае не одинаковы. В положительном направлении подвес работает на растяжение, а в отрицательном - на сжатие. При этом при больших нагрузках в отрицательном направлении необходимо проводить проверку подвеса на продольную устойчивость. Здесь следует отметить, что для подвесов с кривизной по ширине и толщине сжатию подвергается короткий участок в минимальном сечении подвеса и при сохранении его характеристик в пределах упругости подвес всегда является устойчивым.

Таким образом, рассмотренная конструкция маятникового ЧЭ интегрального акселерометра, при введенных допущениях, имеет две степени свободы: угловое перемещение относительно оси x и линейное перемещение вдоль оси y. Соответственно микромеханический подвижный узел имеет передаточную функцию четвертого порядка. При использовании для анализа динамики уравнения Лагранжа второго рода, передаточная функция подвижного узла была определена в виде:

, (1)

где коэффициенты передаточной функции выражаются через параметры подвижного узла:

(2)

где - момент инерции маятника относительно оси z; m - масса маятника; Kд и Kду - осевой и угловой абсолютные коэффициенты демпфирования; G и Gу - осевая и угловая жесткости упругого подвеса; lц - расстояние от центра тяжести до оси качания маятника.

Крутизну статической характеристики чувствительного элемента определим из (1) с учетом (2) при :

(3)

Для обработки перемещений маятника разработан специализированный электрический преобразователь. В качестве исходных предпосылок при разработке преобразователя были приняты следующие требования: 1 - обеспечение линейности статической характеристики во всем диапазоне измерений; 2 – в преобразователе должно быть полностью исключено влияние диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между измерительными электродами преобразователя; 3 - в передаточные соотношения величины резисторов должны входить в виде отношений; 4 - минимум температурной ошибки при изменении параметров; 5 - достаточная фильтрация выходного сигнала от несущей частоты генератора, питающего емкостный мост; 6 - исключение тяжения между подвижным и неподвижным электродами емкостного моста; 7 - в динамическом отношении преобразователь перемещений должен представлять собой, без учета фильтра нижних частот, безынерционное звено; 8 - независимость крутизны статической характеристики и нулевого сигнала преобразователя от частоты питающего генератора и сведение к минимуму ошибки от нестабильности источников питания.

Наиболее полно сформулированным требованиям отвечает схема, представленная на рис. 2, а. Для достижения необходимых характеристик по статической и динамической точности в схеме осуществлялась проработка нескольких вариантов решений того или иного узла и выбор оптимальных. Схема содержит в своем составе: дифференциальную цепь измерительных емкостей C1 - C2; устройство переключения опорных напряжений Кл1-Кл4; усилитель на ОУ1, синхронный (демодулятор) детектор (Кл5 и Кл8); генератор тактовой частоты (рис. 2, b) на логическом элементе типа триггера Шмидта; источники опор­ных напряжений и фильтр нижних частот (ФНЧ) на ОУ2. Электрическая схема описывается следующей передаточной функцией:

(4)

где - коэффициент крутизны статической характеристики преобразователя;

Постоянная времени фильтра;

Полная передаточная функция микросистемного акселерометра состоит из произведения передаточных функций механической и электрической частей:

(5)

Коэффициенты передаточной функции находятся через параметры подвижного узла: .

Коэффициент наклона статической характеристики микросистемного акселерометра с местной единичной обратной связью получен из передаточной функции (5) в следующем виде:

В качестве альтернативной схемы были разработаны и исследованы схемы с силовой электростатической отработкой и с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). После сравнения предпочтение отдано схеме по рис. 2.

В работе были исследованы ЧЭ с внутренним и внешним креплением несущей пластины. Из исследований установлено, что внутреннее крепление по одной точке предпочтительнее с точки зрения меньшего влияния контактных напряжений, передаваемых от корпуса.

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.