Akcelerometri za kompenzaciju povratne informacije o položaju zamjenjuju mehaničku oprugu "električnom oprugom". Potonji se shvaća kao elektromehanički uređaj koji stvara moment koji kompenzira inercijski moment koji nastaje pod utjecajem izmjerenog ubrzanja.
Riža. VI 1.23. Kompenzacijski akcelerometar tipa njihala
Riža. VI 1.24. Float varijanta kompenzacijskog akcelerometra tipa njihala: 1 - induktivni pretvarač pomaka; 2 - tekućina; 3 - plovak; 4 - senzor zakretnog momenta; 5 - pojačalo
Na sl. VI 1.23 prikazuje jednu od shema kompenzacijskog akcelerometra tipa njihala. Odstupanje njihala 1 pod djelovanjem ubrzanja pretvara se od strane induktivnog senzora 4 u električni signal, koji se nakon pojačanja dovodi do namota senzora momenta 2. Potonji stvara kompenzacijski moment. Električna struja na izlazu fazno osjetljivog pojačala 3 i pad napona Uiv (koja ga stvara ova struja na dodatnom otporu) proporcionalni su izmjerenom ubrzanju x. Za prigušivanje oscilacija njihala, pojačalo sadrži korektivni element.
Na sl. VI 1.24 prikazuje dijagram varijante akcelerometra s kompenzacijom plovka. Sila dizanja plovka je bliska težini cijelog pokretnog dijela uređaja. Težište plovka pomaknuto je u odnosu na os plovka za količinu koja osigurava potrebno njihalo. Uređaji s plovkom imaju visoku osjetljivost zbog malih grešaka od sila trenja.
Shema kompenzacijskog akcelerometra s masom na elastičnom ovjesu, kapacitivnog senzora signala i elektromehaničkog senzora koji stvara kompenzacijsku silu prikazana je na sl. VI 1.25. Ova shema omogućuje slabljenje utjecaja histereze elastičnog ovjesa i nelinearnosti njegovih karakteristika, pod uvjetom da je krutost "električne opruge" mnogo veća od krutosti elastičnog ovjesa.
Riža. VII.25. Kompenzacijski akcelerometar s elastičnim ovjesom: 1 - kapacitivni pretvarač pomaka, 2 - inercijska masa; 3 - elastični ovjes, 4 - namot senzora sile, 5 - pojačalo
Riža. VII.26. Shema integrirajućeg akcelerometra
U senzoru sile koji se koristi u krugu "električne opruge", razvijena sila mora biti proporcionalna struji koja teče u njegovom namotu.
Integrirani akcelerometri. Brzina na tlu može se odrediti kontinuiranim integriranjem horizontalnih ubrzanja od polijetanja. Da bi se odredila prijeđena udaljenost, rezultirajuća vrijednost mora se ponovno integrirati. Integracija se može izvršiti na dva načina sa:
zasebni električni ili elektromehanički integrator, čiji je ulaz signal akcelerometra proporcionalan ubrzanju;
mehanički ili elektromehanički integrirajući uređaj u kombinaciji s osjetljivim elementom akcelerometra.
Razmotrimo posljednju metodu detaljnije.
Na sl. VI 1.26 prikazuje jednu od mogućih shema integrirajućeg akcelerometra. Pod utjecajem ubrzanja usmjerenog okomito na ravninu crteža, njihalo 6 će odstupiti, a u induktivnom senzoru 5 javlja se signal. Taj signal, pojačan pojačalom, tjerat će da se zakreće elektromotor 3. Na njegovoj osi je postavljen trajni magnet 2, koji pri rotaciji izaziva vrtložne struje u vodljivoj kapici 1. Interakcija vrtložnih struja s poljem magneta stvara zakretni moment primijenjen na os njihala. Moment je proporcionalan brzini rotacije magneta a:
Ali moment uravnotežuje inercijski moment akcelerometra, dakle, u ustaljenom procesu
a kut rotacije magneta bit će proporcionalan vremenskom integralu izmjerenog ubrzanja:
gdje je duljina njihala; - masa njihala; x je izmjereno ubrzanje.
Riža. VII.27. Shema akcelerometra s dvostrukom integracijom ubrzanja
Kut a (smanjen reduktorom) je izlazna koordinata integrirajućeg akcelerometra. Shematski dijagram akcelerometra s dvostrukom integracijom ubrzanja prikazan je na sl. VI 1.27. Osjetljivi element akcelerometra je njihalo 5, na čijoj je osi postavljen stator 2 elektromotora.
Unutar statora može se slobodno okretati rotor 1. Odstupanje njihala od nulte pozicije uzrokuje signal u induktivnom senzoru 4, koji se primjenjuje na izlazno pojačalo pojačala - na stator elektromotora. Moment koji razvija elektromotor uzrokuje ubrzano okretanje rotora
gdje je moment inercije rotora.
Reaktivni moment primijenjen sa strane rotora na stator također je jednak i usmjeren je prema inercijskom momentu koji razvija njihalo 5 pod utjecajem ubrzanja X
U ravnotežnom položaju momenti i (primijenjeni na os njihala) su međusobno kompenzirani. Izjednačavanje Mjera nalazimo
Kut a (smanjen reduktorom) je izlazna vrijednost akcelerometra s dvostrukom integracijom. Pogreška uređaja uglavnom je posljedica sila trenja u ovjesu njihala i akumulira se proporcionalno kvadratu vremena njegova rada. Ta se pogreška može smanjiti smanjenjem sila trenja i povećanjem momenta tromosti rotora motora.
Za integraciju ubrzanja može se koristiti string akcelerometar. To je vibrirajući uređaj koji se sastoji od žice čija se prirodna frekvencija mijenja ovisno o njezinoj napetosti koju stvara inercijska masa pod utjecajem izmjerenog ubrzanja. Promjena prirodne frekvencije proporcionalna je kvadratnom korijenu sile napetosti strune, t.j.
gdje je K koeficijent koji ovisi o veličini strune i veličini inercijske mase.
Ako je inercijska masa obješena između dvije žice koje imaju početnu napetost, tada će se u prisutnosti ubrzanja usmjerenog duž struna napetost jedne žice povećati za vrijednost, a druga će se u skladu s tim smanjiti.
U ovom slučaju, frekvencije prirodnih vibracija struna
Zajedničko rješenje ovih jednadžbi daje
Ako se zbroj frekvencija održava konstantnim u mjernom uređaju, tada je razlika frekvencija proporcionalna izmjerenom ubrzanju x.
Riža. VII.28. Strukturni dijagram kompenzacijskog akcelerometra tipa njihala
U ovom slučaju, integral razlike u frekvencijama vlastitih oscilacija akcelerometra s dvije žice za određeno vremensko razdoblje proporcionalan je integralu ubrzanja, tj. prirastu brzine tijekom istog vremenskog razdoblja. Za integraciju signala string akcelerometra mogu se koristiti digitalni integratori ili brojači impulsa s visokim stupnjem točnosti. Metode za integraciju ubrzanja pomoću žiroskopskih integrirajućih akcelerometara s žiro-njihalima dane su u pogl. VIII, §6.
Određivanje prijenosnih funkcija kompenzacijskih akcelerometara. Prijenosna funkcija kompenzacijskog akcelerometra tipa njihala (slika VI 1.28) određena je pomoću blok dijagrama prikazanog na sl. VII.28:
gdje su i masa i krak njihala;
Moment tromosti pomičnog sustava;
Prijenosni koeficijenti induktivnog senzora, senzora momenta i pojačala;
R - izlazni električni otpor;
Prijenosna funkcija korektivne veze.
Izraz (VI 1.31) se pretvara u oblik
Predmet istraživanja je mikroelektromehanički (MEMS) troosni akcelerometar LSM303DLH u kombinaciji s troosnim senzorom magnetskog polja.
Svrha rada je proučavanje pogrešaka ovog akcelerometra, izrada algoritama i softvera za određivanje statističkih pogrešaka senzora.
Predmet istraživanja su metode i algoritmi za određivanje pogrešaka akcelerometra LSM303DLH MEMS.
Slika 1 - Triaksijalni akcelerometar LSM303DLH
Princip rada senzora pokreta (akcelerometara i žiroskopa) temelji se na mjerenju pomaka inercijalne mase u odnosu na tijelo i pretvaranju u proporcionalni električni signal. Kapacitivna metoda za pretvaranje izmjerenog pomaka je najtočnija i najpouzdanija, pa se kapacitivni akcelerometri široko koriste. Struktura kapacitivnog akcelerometra sastoji se od raznih ploča, od kojih su neke nepokretne, dok se druge slobodno kreću unutar kućišta. Kapacitivnosti su uključene u krug rezonantnog generatora. Pod djelovanjem primijenjenih upravljačkih električnih signala, suspendirana masa oscilira. Između ploča formira se kondenzator čija vrijednost kapacitivnosti ovisi o udaljenosti između njih. Pod utjecajem sile ubrzanja mijenja se kapacitet kondenzatora. Slika 2 prikazuje topologiju MEMS senzora.
Slika 2 - topologija MEMS akcelerometra
Slika 3 - Vrste SE akcelerometara
Glavna strukturna jedinica mikroelektromehaničkih akcelerometara je senzorski element, čiji su shematski dijagrami prikazani na slici 2. Osjetni element (SE) uključuje inercijsku masu (IM) - 1, elastične elemente ovjesa - 2, potporni okvir - 3 .
Riža. četiri - Shematski dijagram MEMS akcelerometra: 1 - IM, 2 - fiksne elektrode, 3 - sidro, 4 - pomične elektrode, 5 - okvir, 6 - elastični ovjesni element, 7 - baza (kućište)
Inercijska masa (IM) montirana je na određenoj udaljenosti od baze (kućišta) pomoću dva para elastičnih elemenata, ovjesa i ankera. MI se kreće prema izmjerenom ubrzanju b. Kapacitivni mjerač pomaka se sastoji od češljastih struktura elektroda, od kojih pomične elektrode čine jednu strukturu s IM, a fiksne, spojene okvirom, pričvršćene su bazom (tijelom).
Glavni uzroci mjerne pogreške u MEMS akcelerometru su temperatura, vibracije i unakrsno ubrzanje.
Promjena temperature okoline dovodi do promjene vrijednosti dielektrične konstante e, razmaka između ploče njihala i poklopaca.
Pod djelovanjem križnog ubrzanja dolazi do dodatne deformacije elastičnih elemenata ovjesa i odgovarajućeg kretanja njihala. Kretanja njihala po osi y poklapaju se sa smjerom osi osjetljivosti i kompenziraju se senzorom momenta, t.j. greške se ne unose. Pokreti njihala duž osi z u odnosu na nepomične elektrode senzora pomaka mijenjaju efektivnu površinu preklapanja elektroda i, bez poduzimanja konstruktivnih mjera, mogu dovesti do slučajne pogreške. Mogućnost ove greške sprječava se povećanjem površine elektroda na kapama.
Najvažniji parametri akcelerometra su raspon izmjerenih ubrzanja, osjetljivost, obično izražena kao omjer signala u voltima prema ubrzanju, nelinearnost kao postotak pune skale, šum, temperaturni pomaci od nule (offset) i osjetljivost. Zahvaljujući tim kvalitetama, našli su svoju primjenu u mnogim industrijama: vojnom i civilnom zrakoplovstvu; automobilska industrija; zrakoplovna instrumentacija; robotika; vojna industrija; industrija nafte i plina; sport; Lijek. U nekim slučajevima bitna karakteristika je prirodna frekvencija oscilacija senzora ili rezonantna frekvencija, koja određuje radni frekvencijski pojas senzora. U većini primjena važan je temperaturni raspon i maksimalno dopuštene karakteristike preopterećenja, koje su povezane s radnim uvjetima senzora. Definirajući parametri koji utječu na točnost određivanja ubrzanja su pomaci nule i osjetljivosti (uglavnom temperatura), kao i šum senzora, koji ograničava prag razlučivosti uređaja.
Osjetljivost senzora ovisi o rezonantnoj frekvenciji mehaničkog podsustava, kao i o kvaliteti elektroničkog pretvarača. Promjena osjetljivosti s temperaturom uglavnom je posljedica promjene koeficijenta elastičnosti.
Temperaturni pomak od nule posljedica je promjene koeficijenta elastičnosti, toplinskog širenja i tehnoloških pogrešaka u izradi senzora. Promjena parametara elektroničkog dijela senzora pod utjecajem temperature u pravilu je znatno manja. Budući da akcelerometar mjeri ubrzanje ili silu koja uzrokuje ubrzanje inercijske mase, fizički model akcelerometra je inercijska masa obješena na oprugu pričvršćenu u fiksno kućište, jednostavan sustav s jednim stupnjem slobode x u smjeru mjernu os. Inercijska masa dobiva ubrzanje pod djelovanjem sile ubrzanja (rezultantna sila tromosti pod utjecajem akceleracije) proporcionalna masi m i akceleraciji a.
Spektralna gustoća snage (gustoća šuma, µ g/vHz rms) u fizici i obradi signala - funkcija koja opisuje raspodjelu snage signala ovisno o frekvenciji, odnosno snage po jedinici frekvencijskog intervala. Često se izraz koristi za opisivanje spektralne snage tokova elektromagnetskog zračenja ili drugih fluktuacija u kontinuiranom mediju, na primjer, akustičnom. U ovom slučaju to znači snaga po jedinici frekvencije po jedinici površine, na primjer: W/Hz/m 2 .
Glavne karakteristike akcelerometra LSM303DLH prikazane su u tablici 1.
Tablica 1 - Glavne karakteristike akcelerometra LSM303DLH
Slika 5 - Blok dijagram akcelerometra LSM303DLH
Slika 6 - Položaj pinova akcelerometra LSM303DLH
Tablica 2 - Dodjela pinova akcelerometra LSM303DLH
Slika 7 - Struktura sustava za obradu pokreta
Slika 8 - Blok dijagram modula LSM303DLH
Mikroelektromehanički (MEMS) senzori imaju male karakteristike težine i veličine, nisku potrošnju energije i cijenu, te su vrlo otporni na preopterećenja i udarce. Njihov glavni nedostatak je relativno niska točnost. Ova činjenica je prvenstveno posljedica temeljnog nepostojanja danas adekvatnih i mogućih za korištenje u dugim vremenskim intervalima, namjenske uporabe matematičkih modela pogrešaka takvih senzora.
Najpopularnije primjene u MEMS industriji su mikromehanički žiroskopi i akcelerometri. Njihove glavne tehničke karakteristike su dinamički raspon, osjetljivost, frekvencijski odziv, karakteristike komponenti buke. Prilikom kalibracije, mikrosklopovi su fiksirani s dovoljnim stupnjem točnosti na nagibnom gramofonu, što će omogućiti pravilno orijentiranje osi akcelerometara u odnosu na zemaljsku os i, prema tome, određivanje njihovih sustavnih pogrešaka. Također je implementirana mogućnost izračuna koeficijenata utjecaja temperature i napona napajanja na glavnu sustavnu pogrešku, posebno karakterističnu za takve senzore. Osnova za razvoj MEMS-a je mikroelektronička tehnologija koja se koristi u gotovo svim proizvodima na bazi silicija.
Korištenje MEMS tehnologija u suvremenim elektroničkim sustavima može značajno povećati njihovu funkcionalnost. Koristeći tehnološke procese koji su gotovo jednaki proizvodnji silicijevih mikrosklopova, programeri MEMS uređaja stvaraju minijaturne mehaničke strukture koje mogu komunicirati s okolinom i djelovati kao senzori koji prenose udar na elektronički sklop koji je s njima integriran. Upravo su senzori najčešći primjer korištenja MEMS tehnologije: koriste se u žiroskopima, akcelerometrima, mjeračima tlaka i drugim uređajima. Trenutno gotovo svi moderni automobili koriste MEMS akcelerometre o kojima smo gore govorili za aktiviranje zračnih jastuka. Mikroelektromehanički senzori tlaka naširoko se koriste u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji. Žiroskopi se koriste u raznim primjenama, od sofisticirane navigacijske opreme za svemirske letjelice do joysticka za računalne igre. MEMS uređaji s mikroskopskim zrcalima koriste se za proizvodnju zaslona i optičkih prekidača.
S pojavom mikroelektromehaničkih sustava (MEMS), inercijski senzori su dobili značajan razvoj. Prednosti kao što su niska cijena, niska potrošnja energije, mala veličina i mogućnost izrade pomoću tehnologije serije omogućile su inercijskim MEMS senzorima širok raspon primjena na tržištu automobila, računala i navigacije.
Za razliku od tradicionalne tehnologije, mikroakcelerometri se urezuju korištenjem specijaliziranih tehnika koje kombiniraju mehaničku mikroobradu površine polikristalnog silicija i tehnologiju elektroničkih sklopova.
Brzinomjer naziva se naprava koja mjeri projekciju prividnog ubrzanja*. U pravilu, akcelerometar je osjetljiva masa fiksirana u elastičnom ovjesu. Ako postoji prividno ubrzanje, odstupanje zadane mase od njenog početnog položaja koristi se za prosuđivanje veličine tog ubrzanja.
* Prividna akceleracija je razlika između stvarne akceleracije objekta i akceleracije gravitacije.
Oblikovati
Akcelerometri dolaze u jednoj, dvokomponentnoj i trokomponentnoj vrsti. Prema nazivu, oni mjere prividno ubrzanje duž jedne, dvije i tri osi (X, Y, Z).
bestežinsko stanje
Pravo ubrzanje objekta u bestežinskom stanju uzrokovano je samo gravitacijskom silom, pa su stoga istinsko i gravitacijsko ubrzanje jednake. Kao posljedica toga, nema vidljivog ubrzanja i podaci bilo kojeg akcelerometra su 0 (nula). Svi sustavi koji koriste akcelerometar kao senzor nagiba prestaju funkcionirati. Primjer: Položaj slike na tabletu ili pametnom telefonu neće se promijeniti kada zakrenete tijelo.
Shema najjednostavnijeg akcelerometra
Dakle, najjednostavniji akcelerometar sastoji se od opruge na koju je pričvršćen teret i prigušivača, koji potiskuje vibracije ovog opterećenja. Što je prividno ubrzanje veće, opruga je više deformirana, a očitanja instrumenta se mijenjaju.
Kada postoji ravnoteža između sile tromosti tereta i sile opruge, bilježi se količina pomaka tog tereta iz neutralnog položaja, što označava količinu ubrzanja (usporenja). Ovu vrijednost bilježi neki senzor pomaka i pretvara je u električni signal na izlazu uređaja.
Tehnologije za izradu modernih akcelerometara
Ovisno o tehnologiji izrade, razlikuju se sljedeći akcelerometri:
piezoelektrični;
piezorezistivan;
na promjenjivim kondenzatorima.
Piezoelektrični akcelerometri naširoko se koriste u zadacima ispitivanja i mjerenja. Imaju vrlo širok frekvencijski raspon i raspon osjetljivosti. Osim toga, mogu imati različite veličine i oblike. Izlazni signal takvih akcelerometara može biti naboj ili napon. Senzori mogu mjeriti i udar i vibracije.
Piezorezistivni akcelerometri obično se karakteriziraju malim rasponom osjetljivosti, zbog čega su primjenjiviji na detekciju udara nego na detekciju vibracija. Osim toga, koriste se u testovima sigurnosti sudara. Ovi akcelerometri uglavnom imaju širok raspon frekvencija, a frekvencijski odziv se može spustiti do 0 Hz (tzv. DC senzori) ili ostati nepromijenjen. To omogućuje mjerenje dugih signala.
Promjenjivi kondenzatorski akcelerometri, kao i piezorezistivne, imaju DC odziv. Takvi akcelerometri imaju visoku osjetljivost, uski pojas, izvrsnu temperaturnu stabilnost i nisku pogrešku. Ovi akcelerometri mjere niskofrekventne vibracije, gibanje i fiksno ubrzanje.Princip rada bilo kojeg akcelerometra temelji se na svojstvu tijela da zadrže svoj položaj nepromijenjen tijekom ubrzanog kretanja baze na kojoj su nekako učvršćena.
Njihalni akcelerometri s električnom oprugom (slika 6) koriste se u sustavima za stabilizaciju težišta lansirne rakete u pozicijskoj i integrirajućoj izvedbi. Poznata je prilično velika raznolikost shema dizajna akcelerometara njihala. Međutim, zajednička značajka za njih je prisutnost mehaničkog sustava povezanog s njihalom, te električnog ili fotooptičkog (kao i elektrostatičkog, kapacitivnog) sustava za prikupljanje korisnih informacija.
Metoda mjerenja kompenzacije koja je u osnovi većine akcelerometara njihala u načelu osigurava visoku točnost mjerenja. Implementacija ove metode u akcelerometrima provodi se pomoću kompenzacijskih uređaja za snagu ili moment koji se temelje na različitim fizikalnim principima - mehaničkim, elektromagnetskim, elektrostatičkim.
Trenutno su najviše korišteni magnetoelektrični pretvarači u kojima se stvara kompenzacijski moment ili sila zbog interakcije magnetskog polja stvorenog povratnom strujom koja teče kroz namot pretvarača s poljem trajnog magneta. Takvi pretvarači osiguravaju potrebne momente (sile) malih dimenzija i imaju prihvatljivu stabilnost parametara u ovoj fazi.
Princip rada akcelerometra njihala s otvorenim ključem (integrirajuća opcija) je sljedeći. Kada se pojavi prividno ubrzanje W z , usmjereno duž OZ osi, pomični okvir s njihalom, koji pokušava zadržati svoj položaj nepromijenjen, počet će se odvijati u odnosu na fiksni okvir. Kao rezultat relativne rotacije okvira, magnetski tok pomičnog okvira, koji prelazi zavoje namota fiksnog okvira, prouzročit će u njemu elektromotornu silu. Napon uzet s namota fiksnog okvira, nakon pojačanja u pojačalu, ulazi kroz kondenzator i savitljive vodiče do namota pomičnog okvira i u njemu će izazvati povratnu struju i os. Ova struja će pak uzrokovati magnetski tok pokretni okvir. Interakcija magnetskog toka trajnog magneta sa prosječnom vrijednošću magnetskog toka iz povratne struje prouzročit će mehanički povratni moment M os, usmjeren protiv momenta inercijskih sila M i.
Ako pretpostavimo da je prividno ubrzanje W z konstantno, tada će u ustaljenom stanju postojati jednakost između naznačenih momenata, t.j. M os =M i, a mjera izmjerenog ubrzanja može biti struja i os u povratnom krugu akcelerometra njihala koja teče kroz namot pokretnog okvira.
S otvorenim ključem i potpunom idealizacijom svih karika u lancu povratnih informacija, možemo to pretpostaviti
(1.1)
Budući da M i \u003d mlW x, onda kada M os \u003d M i dobijemo
ili nakon integracije pod nultim početnim uvjetima
(1.3)
Očito je integral prividnog ubrzanja jednak prividnoj brzini, t.j.
(1.4)
gdje je t k interval integracije, dakle
Sa zatvorenim ključem i istim početnim podacima
Dakle, isti akcelerometar njihala može biti integrirajući s fleksibilnom povratnom spregom, a pozicijski s krutom povratnom spregom. Ova se okolnost naširoko koristi u početnoj izložbi sustava upravljanja zrakoplovima i u kontroli njihovog kretanja u letu. Dakle, s otvorenim ključem, povećava se točnost početnog poravnanja kompleksa zapovjednih instrumenata, budući da su fleksibilnom povratnom spregom isključene statističke pogreške akcelerometra njihala s električnom oprugom, kao najjednostavnijeg kruga automatskog upravljačkog sustava.
U akcelerometrima tipa kompenzacije, senzor kuta (DU) koristi se za dobivanje informacija o veličini ubrzanja. Foto senzori (PD) i senzori kapacitivnog tipa (CU) najčešće se koriste u navigacijskim i industrijskim modelima akcelerometara.
Korištenje PD omogućuje korištenje relativno jednostavnih elektroničkih sklopova za pojačanje korisnog signala. U tipičnom akcelerometru kompenzacijskog tipa koristi se takva kontrola.
Glavni elementi ovog mjernog uređaja su:
SD LED;
Dvije fotodiode VD1 i VD2;
Zatvarač, čvrsto pričvršćen na njihalo, smješten između svjetla i fotodioda;
Pretpojačalo analognog (linearnog) signala DA okruženo otporom povratne sprege Roc;
Otpor koji pretvara napon u povratnu struju RI;
Namot senzora momenta (DM) L.
Princip rada ovog akcelerometra njihala u analognom (standardnom) načinu rada je sljedeći. Kada se pojavi prividno ubrzanje Ain, usmjereno duž osi osjetljivosti, njihalo i zatvarač koji su čvrsto povezani s njim, nastojeći zadržati nepromijenjen položaj, počet će se okretati u odnosu na tijelo akcelerometra. Kao rezultat relativne rotacije, jedna od LED dioda će svijetliti više od druge. Kao rezultat toga, postojat će razlika potencijala na izlazu daljinskog upravljača. Ovaj napon će se primijeniti na ulaz pretpojačala i nakon pojačanja, u obliku povratne struje, ući će u DM namot. DM će formirati kompenzacijski moment, koji će visak vratiti u prvobitno stanje. Dakle, prema vrijednost povratne struje može se suditi o vrijednosti prividnog ubrzanja.
U trenutku kada se njihalo akcelerometra počne kretati, na njega djeluje statička sila trenja, što unosi grešku u mjerenja (prag osjetljivosti).
Golyaev Yu.D., Ph.D., Kolbas Yu.Yu., Konovalov S.F., Doktor tehničkih nauka, Prof.
Solovjeva T.I., dr., Tomilin A.V.
(JSC Istraživački institut Polyus nazvan po M.F. Stelmakhu; Moskovsko državno tehničko sveučilište nazvano N.E. Bauman;
MIEM NRU HSE)
Analizirani su rezultati istraživanja i usporednih ispitivanja silicijskih i kvarcnih akcelerometara u inercijskoj mjernoj jedinici. Razmatraju se prednosti i nedostaci dviju vrsta akcelerometara vezanih uz materijal njihala i njihov utjecaj na parametre točnosti koji određuju klasu točnosti inercijskih mjernih jedinica na temelju njih.
Istraživanja i usporedna ispitivanja akcelerometara u inercijskoj mjernoj jedinici. Golyaev Yu.D., Kolbas Yu.Yu., Konovalov S.F., Solovieva T.I., Tomilin A.V.
Analizirani su rezultati istraživanja i usporednih ispitivanja Si-flex i Q-flex akcelerometara u inercijskoj mjernoj jedinici. Opisani su prednosti i problemi navedenih akcelerometara povezanih s materijalom njihala te je razmotren njihov utjecaj na parametre točnosti akcelerometara kao i klasu točnosti inercijalne mjerne jedinice.
Ključne riječi: silicijski akcelerometar, kvarcni akcelerometar, inercijska mjerna jedinica.
Ključne riječi: Si-flex akcelerometar, Q-flex akcelerometar, inercijska mjerna jedinica.
Uvod
Najperspektivniji za korištenje u sustavima koji zahtijevaju visoku točnost pri radu u širokom rasponu ubrzanja i u teškim radnim uvjetima su kompenzacijski akcelerometri s njihalima od silicija ili kvarca.
Nalaze široku primjenu u raznim industrijama, od navigacijske tehnologije za svemirsku, raketnu, zrakoplovnu industriju i završavajući s netradicionalnim primjenama u građevinarstvu, u sustavima praćenja u inklinometrima za mjerenje profila naftnih i plinskih bušotina tijekom bušenja.
Sheme dizajna silicijskih i kvarcnih akcelerometara su slične (vidi sliku 1.2). Glavni konstruktivni elementi su sklop njihala, koji se sastoji od instalacijskog okvira, elastičnog ovjesa i oštrice, kapacitivnog senzora kuta i senzora magnetoelektričnog momenta, koji osigurava kompenzaciju odstupanja lopatice njihala pod utjecajem ubrzanja. Materijal njihala igra ključnu ulogu u razlici u karakteristikama dviju vrsta akcelerometara. U ovom slučaju treba imati na umu glavnu značajku konstrukcijskih materijala njihala. Leži u razlici toplinskih koeficijenata ekspanzije (TEC) ovih materijala. TEC topljenog kvarca gotovo je jednak TEC-u materijala magnetskog kruga magnetskog sustava akcelerometra od superinvara 32NKD, dok ga TEC silicija premašuje gotovo 5 puta, što stvara probleme za baziranje silicijskih njihala na dijelovima superinvara . Istodobno, silicij ima niz očitih tehnoloških prednosti u odnosu na kvarc, kako zbog korištenja MEMS tehnologije, tako i zbog jeftinosti i dostupnosti praznina, koje se koriste kao standardne silicijeve „vafere“ u elektroničkoj industriji.
 |
|
|
Riža. 1. Strukturna shema kvarcni akcelerometar: 1 - oštrica njihala; 2 - elastična greda suspenzija njihala; 3, 8 - magnetski sustav; 4 - svitak senzora sile; 5 - montažni prsten njihala s montažnim pločama; 6 - polni vrh; 7 - permanentni magnet |
Riža. 2. Strukturna shema silikonski akcelerometar: 1 – oštrica njihala; 2 – elastična greda za vješanje njihala; 3, 7 - magnetski sustav; 4, 8 – kvarcni prstenovi; 5 – svitak senzora sile; 6 - montažni okvir njihala s montažnim pločama |
Komparativna analiza značajki silicijskih i kvarcnih akcelerometara zbog konstrukcijskih materijala
Detaljnija usporedba svojstava kvarca i silicija omogućuje zabilježiti sljedeće značajke uređaja zbog razlike u materijalima:
Modul elastičnosti kvarca (107 GPa) je otprilike dva puta manji od modula silicija (160 GPa). To omogućuje, uz ista svojstva čvrstoće elastičnog ovjesa njihala, da ima upola manju krutost kvarcnog ovjesa u odnosu na silicijsku suspenziju i iz tog razloga svede zahtjeve u kvarcnim uređajima na vrijednost vremena i temperature nulti pomak pojačala kompenzacijskog kruga za polovicu;
– toplinska vodljivost silicija (157 W/(o C m)) višestruko je veća od toplinske vodljivosti kvarca (1,38 W/(o C m)). Zbog toga se kod silicijskih njihala može očekivati manje pregrijavanje oštrice i zavojnica;
- kvarc ima TKR = 0,55 10 -6 1/ o S naspram TKR = 2,6 10 -6 1/ o S za silicij. Iz tog razloga, kvarcni dijelovi imaju znatno manje promjene dimenzija s temperaturom u usporedbi sa silikonskim dijelovima;
– TCR kvarca (0,55 10 -6 1/o C) idealno je kombiniran s TCR magnetskih jezgri iz superinvara 32NKD, jednak 0,56 10 -6 1/o C. Stoga je u akcelerometrima s kvarcnim njihalom problem fiksiranja njihalo je mnogo lakše riješiti i stoga se može lakše postići znatno veća stabilnost pomaka nule;
- silicij se također može dobro kombinirati u TEC-u s brojnim legurama sličnim Invaru, međutim, komercijalno dostupni materijali, na primjer, 39N, imaju TEC vrijednost putovnice blisku siliciju. No širenje TCR-a s dopuštenom razlikom u sadržaju nikla u leguri 39N od 38% do 40% daje širenje TCR-a od 2 10 -6 do 4 10 -6 1/o C. To dovodi do značajnih problema pri baziranju njihalo i na pridruženi problem nestabilnosti nultog pomaka. Pyrex je prihvatljiv par za silicij, ali korištenje međuslojeva pri povezivanju njihala s invarnim dijelovima magnetskih jezgri komplicira dizajn akcelerometra;
- kvarc je izolator, stoga se ne može koristiti bez elektroda za raspršivanje koje se koriste kao pomične elektrode kapacitivnog senzora kuta i do njih vodi struja. Silicij ima dovoljnu električnu vodljivost da se može koristiti kao pomična elektroda kapacitivnog senzora kuta bez dodatnog taloženja elektroda i strujnih vodova;
– Monokristalno silicijevo njihalo može se proizvesti korištenjem dobro uhodanih metoda u elektroničkoj industriji i iz standardnih praznina. Obično se za silicij dopiran fosforom koristi metoda fotolitografije i tekućeg anizotropnog jetkanja u 33% vodenoj otopini KOH na temperaturi od 100°C do 107°C. Ponekad se koristi ionsko-plazma jetkanje. Važno je napomenuti da se proces tekućeg jetkanja odvija anizotropno, što omogućuje nedvosmislenu i točnu korespondenciju između predložaka koji se koriste u fotolitografiji i oblika proizvedenih njihala. Anizotropno jetkanje omogućuje dobivanje složenih oblika elastičnog ovjesa lopatice njihala (ravne grede, križni i X-nastavci). Zaštitni film tijekom jetkanja je sloj silicijevog oksida koji se uzgaja u oksidirajućem okruženju (vlažni kisik) na temperaturi od ~ 1100 ... 1200 ° C. Silikonske praznine - "vafere" koje se koriste u proizvodnji njihala, masovno se proizvode poduzeća elektroničke industrije i jeftini su. Grupna proizvodnja njihala se lako ostvaruje. Donedavno su se kvarcna njihala izrađivala pojedinačno od posebnih praznina i stoga su bila skupa. Spojene kvarcne "vafere" koje su se sada pojavile omogućuju prijelaz na tehnologiju serije. No, ovdje je tehnološki proces znatno kompliciran zbog potrebe za višestrukim taloženjem zaštitnih zlatnih filmova s podslojem kroma (debljine do 8 mikrona) i višestrukim fotolitografijama. Inače nije moguće dobiti traženi oblik elastičnog mosta – proces jetkanja kvarca u fluorovodičnoj kiselini je izotropan. Postignuti oblik elastičnog ovjesa je ravna elastična greda.
Dakle, danas je silicij tehnološki napredniji materijal i omogućuje dobivanje jeftinijih proizvoda. Istodobno, silicij je inferioran u odnosu na topljeni kvarc u smislu svoje sposobnosti da pruži veće karakteristike točnosti uređaja.
Iz navedenog je vidljivo da nije moguće dati prednost jednoj ili drugoj vrsti akcelerometara za korištenje u određenom sustavu bez provođenja usporednih ispitivanja uređaja koji se temelje i na siliciju i na kvarcu.
Izbor akcelerometara za usporedno ispitivanje
Svrha ovog istraživanja bila je odabrati akcelerometar koji najbolje udovoljava zahtjevima za akcelerometrijsku stazu za inercijsku mjernu jedinicu (IMU).
Na temelju specifičnosti primjene ISS-a, koja zahtijeva kratko vrijeme pripravnosti nakon uključivanja struje (kao rezultat odsutnosti termostata) u širokom rasponu ubrzanja i temperatura, za ISS su odabrani uređaji punjeni njihalom. To uključuje kvarcne akcelerometre tipova QA-2000, QA-3000, A-18, BA-3, AK-6, kao i novorazvijene AK-15, A-18T i AAK-02.
Budući da je kanale akcelerometra u IMB proizvodu nemoguće kalibrirati prije upotrebe, najvažniju ulogu dobiva neponovljivost parametara akcelerometra, odnosno faktora skale, pomaka nule i dva kuta koji određuju položaj osnovne ravnine. Pogreške se sve više povećavaju nakon izlaganja ekstremno visokim i niskim temperaturama, jer se u tom slučaju dodaje temperaturna histereza parametara s kratkotrajnim i dugotrajnim nestabilnostima.
Zato je za početnu ocjenu prikladnosti akcelerometara za korištenje u ISS odabrana neponovljivost navedenih parametara nakon izlaganja ekstremno visokim i niskim temperaturama.
Detaljna studija o raznim vrstama akcelerometara je data u nastavku.
Analiza akcelerometara za primjenu u ISS
Trenutno postoje i masovno proizvedeni i novosavladani u proizvodnji akcelerometri koji su po parametrima bliski zahtjevima za akcelerometre u IMU: faktor skale neponovljivost 9 10 -5 rel.un., nula offset neponovljivost 8 10 -5 g, kut promijeniti orijentaciju referentne ravnine 40 "
.
Karakteristike akcelerometara prema specifikacijama ili brošurama date su u tablici 1.
stol 1
|
Naziv parametra |
Jedinica mjere. |
Zahtjevi na akcelerometre |
A-18 |
AK-15 |
VA-3 |
A-18T |
AK-6 |
E1 |
|
Neponovljivost faktora skale |
Rel. |
9 10 -5 |
15 10 -5 |
20 10 -5 |
24 10 -5 |
10 10 -5 |
8 10 -5 |
5 10 -5 |
|
Neponovljivost pomaka |
g |
8 10 -5 |
20 10 -5 |
3 10 -5 |
16 10 -5 |
10 10 -5 |
6 10 -5 |
8 10 -5 |
|
|
" |
40 |
30 |
4 |
20 |
20 |
10 |
20 |
|
Raspon izmjerenih ubrzanja |
g |
40 |
40 |
20 |
50 |
40 |
20 |
50 |
|
Raspon radne temperature |
o C |
-50…+85 |
-60… |
-60… |
-55… |
-50… |
-60… |
-55… |
|
materijal njihala |
silicij |
kvarcni |
kvarcni |
silicij |
kvarcni |
kvarcni |
||
|
Proizvođač |
ITT |
MIEA |
Elektro-optika |
ITT |
biljka srpa metalac |
Kina |
||
|
Cijena |
tisuću rubalja. |
190 |
210 |
250 |
250 |
220 |
130 |
Preliminarne provjere akcelerometara prikazanih u tablici pokazale su da njihovi parametri ne odgovaraju uvijek oglašenim. Stoga je bilo potrebno razviti posebnu tehniku za njihovu temeljitu analizu u temperaturnom području. Ova tehnika omogućuje mjerenje neponovljivosti parametara s velikom točnošću zbog činjenice da ova karakteristika nije podložna algoritamskoj korekciji i da će imati odlučujući utjecaj na točnost kanala IMS akcelerometra.
Metoda ispitivanja akcelerometra
Prilikom ispitivanja neponovljivosti parametara korišten je sljedeći postupak koji se sastoji od 5 faza.
Akcelerometri su fiksirani na razdjelnoj glavi u toplinskoj i hladnoj komori. U komori je postavljena temperatura od +251 o C, a akcelerometri su držani na toj temperaturi 2 sata. Zatim su se akcelerometri uključili. Nakon 1,5 sata rada izmjeren je faktor skale, nulti pomak i kutovi devijacije osnovne ravnine akcelerometara. Istovremeno, temperatura akcelerometara kontrolirana je pomoću ugrađenog toplinskog senzora. Pogreške mjerenja u ovom slučaju bile su: prema faktoru skale 0,5·10 -5 rel. jedinice, po nultom pomaku 1 10 -5 g, po kutovima devijacije osnovne ravnine 10 " , na temperaturi od 0,2 o C.
Potom su akcelerometri isključeni, a temperatura u komori postavljena na -501 o C, a akcelerometri su držani na toj temperaturi 2 sata. Nakon toga su akcelerometri uključeni na 1,5 h na ovoj temperaturi i izmjerena je vrijednost faktora skale, pomaka nule i kutova devijacije osnovne ravnine.
Zatim je opisani postupak ponovljen na temperaturama od +251 o C, +751 o C, +251 o C uz mjerenje faktora skale, nulte pomaka i kutova devijacije bazne ravnine akcelerometara i kontrola temperature akcelerometra pomoću ugrađenog temperaturnog senzora.
Na temelju pet dobivenih vrijednosti za svaki akcelerometar izračunata je temperaturna ovisnost faktora skale, pomaka nule i kutova otklona osnovne ravnine (polinom drugog reda). Za tri vrijednosti na +251 o C izračunata je neponovljivost ovih parametara, jednaka maksimalnom odstupanju od temperaturne ovisnosti. Ova tehnika omogućuje uzimanje u obzir svih temperaturnih grešaka do trećeg reda male veličine i osigurava potrebnu točnost mjerenja u toplinskoj i hladnoj komori, koja ima grešku podešavanja temperature od 1 °C.
Rezultati ispitivanja specifičnih akcelerometara prikazani su u tablici 2. Za svaki parametar prikazani su rasponi vrijednosti dobivenih za nekoliko uzoraka akcelerometara koji su istovremeno sudjelovali u ispitivanjima.
tablica 2
Karakteristike akcelerometara prema rezultatima ispitivanja
|
Naziv parametra |
Jedinica mjere. |
A-18 |
AK-15 |
A-18T |
AK-6 |
E1 |
|
Neponovljivost faktora skale |
Rel.un. |
(10–15) · |
(16-18) |
(3–5) |
(3–7) |
(1-24) |
|
Neponovljivost nula offseta |
g |
(15–19) · |
(13) · |
(15–28) · |
(4-8) |
(4–6) |
|
Promijenite orijentacijske kutove referentne ravnine |
" |
20–32) |
21–24) |
9–13) |
3–6) |
10–12) |
Zaključak
Od svih uređaja koji su dostavljeni na ispitivanje, niti jedan akcelerometar ne zadovoljava u potpunosti zahtjeve za kanal akcelerometra IIB, međutim, u različitoj mjeri.
Akcelerometar AK-6 udovoljava zahtjevima za ISS, osim raspona mjerenih ubrzanja.
Akcelerometar A-18 ne udovoljava zahtjevima za ISS u pogledu neponovljivosti faktora skale, neponovljivosti nultog pomaka, promjene orijentacijskih kutova osnovne ravnine.
Akcelerometar AK-15 ne udovoljava zahtjevima za ISS u pogledu parametara neponovljivosti faktora skale i raspona izmjerenih ubrzanja.
Akcelerometar E1 ne ispunjava zahtjeve za IIB uređaj u smislu parametra neponovljivosti faktora skale (pet uređaja od šest) . Istovremeno, manji dio uređaja E1 pokazuje iznimno visoke karakteristike točnosti, što s jedne strane ukazuje na uspješan dizajn, koji je kopija američkog QA-3000 kvarcnog akcelerometra, a s druge strane, nerazvijena tehnologija za proizvodnju ovih akcelerometara.
Izgled akcelerometra A-18T ne udovoljava zahtjevima za IIB uređaj u smislu parametra nulte offset neponovljivosti.
Treba napomenuti da svi testirani akcelerometri, osim AK-6, A-18 i AK-15, zapravo ne odgovaraju parametrima navedenim u brošurama i specifikacijama.
zaključke
Svi akcelerometri sa silikonskim njihalom ne ispunjavaju zahtjeve za neponovljivost nulte pomaka. Ovo je očito nedostatak koji je temeljno svojstven akcelerometrima s konstruktivnom shemom koja se koristi u A-18.
Istodobno, svi akcelerometri s kvarcnim njihalom zadovoljavaju zahtjeve za neponovljivost nulte pomaka i promjene orijentacijskih kutova osnovne ravnine, a ostali parametri su vrlo blizu potrebnim.
Usklađenost sa zahtjevima za parametre neponovljivosti faktora skale i raspon izmjerenih ubrzanja za uređaje s kvarcnim njihalom određena je umijećem dizajnera i prilično je ostvariva, osobito kada se koriste moderni magneti s malom temperaturnom histerezom.
Organizacija grupne proizvodnje kvarcnih njihala od masovno proizvedenih kvarcnih tvoraca (vafera) velikog promjera s minimalnim ručnim operacijama korištenjem MEMS tehnologija uklonit će nedostatak kvarca u odnosu na silicij - nemogućnost korištenja grupnih tehnologija i značajno će smanjiti cijena kvarcnih akcelerometara u usporedbi s cijenama koje prevladavaju na ruskom tržištu . U ovom slučaju, odsutnost mehaničke obrade njihala pridonijet će povećanju točnosti instrumenata.
Budući da je upravo AK-6 po točnosti najbliži zahtjevima ISS-a, upravo njegov dizajn treba uzeti kao osnovu za ažuriranje akcelerometra prema zahtjevima ISS-a uz preporuku za uvođenje najnovijih grupnih tehnologija u proizvodnji koji osiguravaju povećanu produktivnost i smanjenje troškova. Povećanje mjernog raspona AK-6 postiže se bez strukturnih promjena. Kako bi se smanjilo vrijeme zagrijavanja i povećala stabilnost pomaka nule, glavne gorive elemente, prvenstveno elektroniku pojačala s povratnom spregom, treba pomaknuti izvan tijela samog akcelerometra. Provođenje ovih očitih poboljšanja omogućit će proizvodnju serijskih domaćih akcelerometara tipa AK-6, koji u potpunosti zadovoljavaju zahtjeve za akcelerometrijski trakt IIB-a.
Bibliografija
Konovalov S. F., Polynkov A. V., Seo J. B. i dr. Iskustvo u razvoju niskošumnog akcelerometra // Gyroscopy and navigation, 2000, br. 3(30), str. 68-77. ISSN 0869-7035.
Konovalov S. F., Konovchenko A. A., Mezhiritsky E. L. Kompenzacijski Si-flex akcelerometar za mjerenje velikih ubrzanja // Gyroscopy and navigation. - 2006. - Broj 2. - S. 44-51. ISSN 0869-7035.
Peters R. B., Stoddard D. R., Meredith K. Razvoj kvarcnog akcelerometra savijanja od 125 g za program RIMU // AlliedSignal Electronic and Avionics Systems. Komunikacijski i senzorski sustavi. IEEE. - 1998. -N1. – Str. 17-24.
Konovalov, S.F., Polynkov, A.V., Seo, J.B., et al., Iskustvo u razvoju niskošumnog akcelerometra, Dokl. VII Međunarodna konferencija u Sankt Peterburgu o integriranim navigacijskim sustavima. - Sankt Peterburg, 2000. - S. 72-79.
Pogladiti. 2155964 C1 (RF), MKI7 G 01 P 15/13. Akcelerometar kompenzacijskog njihala / V. M. Prokofjev, S. F. Konovalov, Je-Bom Seo et al.; Konovalov Sergej Feodosevič. - br. 99113694/28; App. 23.06.1999. // Otvorena. Izumi…. - 2000. - Broj 25.
Pogladiti. 6422076 B1 (SAD), Int. Kl.7 G 01 P 15/08. Kompenzacijski viseći akcelerometar / V. M. Prokofjev, S. F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al ; Agencija za razvoj obrane, Taejon (KR); Sergej Feodosijevič Konovalov, Moskva (RU). – br. 09/598386; srpnja 23. 2002.
Pogladiti. 0336151 (Koreja), Int. Cl. G 01 P 15/08. Kompenzacijski viseći akcelerometar // V. M. Prokofjev, S. F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al; Konovalov Sergej Feodosijevič. – travanj 24.2002.
Konovalov S. F., Polynkov A. V., Seo J. B. i sur. Istraživanje operabilnosti akcelerometara pri visoko-G linearnom ubrzanju, vibracijskim i udarnim učincima bez uporabe ispitnih centrifuga, stolova za ispitivanje vibracija i udara. // papir. XIV Sankt Peterburg međunarodna konferencija o integriranim navigacijskim sustavima. - Sankt Peterburg, 2007. - P. 125-132.
Konovalov S. F., Seo J. B. Uzroci neravnomjerne raspodjele magnetske indukcije u prazninama kompenzacijskih senzora akcelerometara tipa Q-flex // Žiroskopija i navigacija. - 2009. - Broj 2. - S. 72-79. ISSN 0869-7035.
Konovalov S. F., Seo J. B. Raspodjela magnetskog polja u prstenastom razmaku senzora momenta akcelerometra tipa Q-flex. // Sažeci izvještaja XXVI konferencije u spomen na N. N. Ostryakova. Žiroskopija i navigacija. - 2008. - Broj 4. – Str. 67. ISSN 0869-7035.
Seo Jae Bum. Optimizacija parametara i simulacija načina rada u
