Integrované akcelerometre. Príjem WRC na publikáciu v EBS SPBGETU "LETI" Najjednoduchší akcelerometer pozostáva z elektrického obvodu

Akcelerometre kompenzácie polohy spätnej väzby nahrádzajú mechanickú pružinu „elektrickou pružinou“. Ten sa chápe ako elektromechanické zariadenie, ktoré vytvára moment kompenzujúci zotrvačný moment, ktorý vzniká vplyvom nameraného zrýchlenia.

Ryža. VI 1.23. Akcelerometer kompenzácie typu kyvadla

Ryža. VI 1.24. Plavákový variant kompenzačného akcelerometra kyvadlového typu: 1 - indukčný prevodník posunu; 2 - kvapalina; 3 - plavák; 4 - snímač krútiaceho momentu; 5 - zosilňovač

Na obr. VI 1.23 ukazuje jednu zo schém kompenzačného akcelerometra kyvadlového typu. Výchylka kyvadla 1 pri pôsobení zrýchlenia je prevádzaná indukčným snímačom 4 na elektrický signál, ktorý je po zosilnení privádzaný do vinutia snímača krútiaceho momentu 2. Ten vytvára kompenzačný moment. Elektrický prúd na výstupe fázovo citlivého zosilňovača 3 a úbytok napätia Uiv (vytvorený týmto prúdom na prídavnom odpore) sú úmerné nameranému zrýchleniu x. Na tlmenie kmitov kyvadla obsahuje zosilňovač korekčný prvok.

Na obr. VI 1.24 znázorňuje schému variantu akcelerometra s kompenzáciou plaváka. Zdvíhacia sila plaváka je blízka hmotnosti celej pohyblivej časti zariadenia. Ťažisko plaváka je posunuté vzhľadom na os plaváka o hodnotu, ktorá poskytuje potrebné kyvadlo. Plavákové zariadenia majú vysokú citlivosť v dôsledku malých chýb od trecích síl.

Schéma kompenzačného akcelerometra s hmotou na elastickom závese, kapacitným snímačom signálu a elektromechanickým snímačom, ktorý vytvára kompenzačnú silu je na obr. VI 1.25. Táto schéma umožňuje oslabiť vplyv hysterézie pružného odpruženia a nelinearitu jeho charakteristík za predpokladu, že tuhosť "elektrickej pružiny" je oveľa vyššia ako tuhosť elastického odpruženia.

Ryža. VII.25. Kompenzačný akcelerometer s elastickým zavesením: 1 - kapacitný prevodník posunu, 2 - zotrvačná hmota; 3 - elastické zavesenie, 4 - vinutie snímača sily, 5 - zosilňovač

Ryža. VII.26. Schéma integračného akcelerometra

V snímači sily použitom v obvode "elektrickej pružiny" musí byť vyvinutá sila úmerná prúdu, ktorý tečie v jeho vinutí.

Integrácia akcelerometrov. Pozemnú rýchlosť možno určiť nepretržitou integráciou horizontálnych zrýchlení od vzletu. Na určenie prejdenej vzdialenosti je potrebné výslednú hodnotu znova integrovať. Integráciu je možné vykonať dvoma spôsobmi:

samostatný elektrický alebo elektromechanický integrátor, ktorého vstupom je signál akcelerometra úmerný zrýchleniu;

mechanické alebo elektromechanické integračné zariadenie kombinované s citlivým prvkom akcelerometra.

Pozrime sa podrobnejšie na poslednú metódu.

Na obr. VI 1.26 ukazuje jednu z možných schém integračného akcelerometra. Vplyvom zrýchlenia smerujúceho kolmo na rovinu výkresu sa kyvadlo 6 vychýli a v indukčnom snímači 5 sa objaví signál. Tento signál zosilnený zosilňovačom roztáča elektromotor 3. Na jeho osi je upevnený permanentný magnet 2, ktorý pri otáčaní spôsobuje vo vodivom uzávere 1 vírivé prúdy. Interakcia vírivých prúdov s poľom magnetu vytvára krútiaci moment pôsobiaci na os kyvadla. Krútiaci moment je úmerný rýchlosti otáčania magnetu a:

Moment však vyrovnáva zotrvačný moment akcelerometra, teda v ustálenom procese

a uhol natočenia magnetu bude úmerný časovému integrálu nameraného zrýchlenia:

kde je dĺžka kyvadla; - hmotnosť kyvadla; x je namerané zrýchlenie.

Ryža. VII.27. Schéma akcelerometra s dvojitou integráciou zrýchlení

Uhol a (zmenšený pomocou reduktora) je výstupná súradnica integračného akcelerometra. Schematický diagram akcelerometra s dvojitou integráciou zrýchlení je na obr. VI 1.27. Citlivým prvkom akcelerometra je kyvadlo 5, na ktorého osi je uložený stator 2 elektromotora.

Vo vnútri statora sa môže voľne otáčať rotor 1. Odchýlka kyvadla od nulovej polohy spôsobí v indukčnom snímači 4 signál, ktorý je privedený na výstupný zosilňovač zosilňovača - na stator elektromotora. Krútiaci moment vyvinutý elektromotorom spôsobuje, že rotor sa otáča so zrýchlením

kde je moment zotrvačnosti rotora.

Reakčný moment pôsobiaci zo strany rotora na stator je tiež rovnaký a smeruje k zotrvačnému momentu vyvinutému kyvadlom 5 pod vplyvom zrýchlenia X.

V rovnovážnej polohe sa momenty a (aplikované na os kyvadla) vzájomne kompenzujú. Rovnaká miera, ktorú nájdeme

Uhol a (zmenšený reduktorom) je výstupná hodnota akcelerometra s dvojitou integráciou. Chyba zariadenia je spôsobená najmä trecími silami v závese kyvadla a akumuluje sa úmerne druhej mocnine času jeho činnosti. Túto chybu je možné znížiť znížením trecích síl a zvýšením momentu zotrvačnosti rotora motora.

Na integráciu zrýchlení možno použiť strunový akcelerometer. Je to vibračné zariadenie pozostávajúce z struny, ktorej vlastná frekvencia sa mení v závislosti od jej napätia vytvoreného zotrvačnou hmotou pod vplyvom nameraného zrýchlenia. Zmena vlastnej frekvencie je úmerná druhej odmocnine sily ťahu struny, t.j.

kde K je koeficient závislý od veľkosti struny a veľkosti zotrvačnej hmoty.

Ak je zotrvačná hmota zavesená medzi dvoma strunami, ktoré majú počiatočné napätie, potom v prítomnosti zrýchlenia smerovaného pozdĺž strún sa napätie jednej struny zvýši o hodnotu a druhej sa zodpovedajúcim spôsobom zníži.

V tomto prípade prirodzené frekvencie vibrácií strún

Spoločné riešenie týchto rovníc dáva

Ak je súčet frekvencií v meracom zariadení konštantný, potom je frekvenčný rozdiel úmerný nameranému zrýchleniu x.

Ryža. VII.28. Štrukturálny diagram kompenzačného akcelerometra kyvadlového typu

V tomto prípade je integrál rozdielu vo frekvenciách vlastných kmitov dvojstrunového akcelerometra za určité časové obdobie úmerný integrálu zrýchlenia, t.j. prírastku rýchlosti za rovnaké časové obdobie. Na integráciu signálov reťazcového akcelerometra možno použiť digitálne integrátory alebo počítadlá impulzov s vysokou presnosťou. Metódy integrácie zrýchlení pomocou gyroskopických integračných akcelerometrov s gyro-kyvadlami sú uvedené v kap. VIII, §6.

Stanovenie prenosových funkcií kompenzačných akcelerometrov. Prenosová funkcia kompenzačného akcelerometra kyvadlového typu (obr. VI 1.28) je určená pomocou blokovej schémy znázornenej na obr. VII.28:

kde a sú hmotnosť a rameno kyvadla;

Moment zotrvačnosti pohyblivého systému;

Prenosové koeficienty indukčného snímača, snímača krútiaceho momentu a zosilňovača;

R - výstupný elektrický odpor;

Prenosová funkcia opravného spojenia.

Výraz (VI 1.31) sa prevedie do tvaru

Predmetom štúdia je mikroelektromechanický (MEMS) trojosový akcelerometer LSM303DLH v kombinácii s trojosovým snímačom magnetického poľa.

Cieľom práce je štúdium chýb tohto akcelerometra, vytvorenie algoritmu a softvéru na určovanie štatistických chýb snímača.

Predmetom štúdie sú metódy a algoritmy na určovanie chýb akcelerometra LSM303DLH MEMS.

Obrázok 1 - Triaxiálny akcelerometer LSM303DLH

Princíp činnosti pohybových senzorov (akcelerometrov a gyroskopov) je založený na meraní posunutia zotrvačnej hmoty vzhľadom k telu a jej premene na proporcionálny elektrický signál. Kapacitná metóda na prevod nameraného posunu je najpresnejšia a najspoľahlivejšia, preto sa široko používajú kapacitné akcelerometre. Štruktúra kapacitného akcelerometra pozostáva z rôznych dosiek, z ktorých niektoré sú stacionárne, zatiaľ čo iné sa voľne pohybujú vo vnútri puzdra. V obvode rezonančného generátora sú zahrnuté kapacity. Pôsobením aplikovaných riadiacich elektrických signálov zavesená hmota kmitá. Medzi doskami je vytvorený kondenzátor, ktorého hodnota kapacity závisí od vzdialenosti medzi nimi. Pod vplyvom sily zrýchlenia sa mení kapacita kondenzátora. Obrázok 2 znázorňuje topológiu MEMS senzora.

Obrázok 2 - Topológia akcelerometra MEMS

Obrázok 3 - Typy SE akcelerometrov

Hlavnou konštrukčnou jednotkou mikroelektromechanických akcelerometrov je snímací prvok, ktorého schematické nákresy sú znázornené na obrázku 2. Snímací prvok (SE) obsahuje zotrvačnú hmotu (IM) - 1, pružné závesné prvky - 2, nosný rám - 3 .

Ryža. 4 - Schematický diagram MEMS akcelerometra: 1 - IM, 2 - pevné elektródy, 3 - kotva, 4 - pohyblivé elektródy, 5 - rám, 6 - pružný závesný prvok, 7 - základňa (telo)

Zotrvačná hmota (IM) je namontovaná v určitej vzdialenosti od základne (puzdra) pomocou dvoch párov elastických prvkov, závesu a kotiev. MI sa pohybuje podľa nameraného zrýchlenia b. Kapacitný merač objemu je tvorený hrebeňovými štruktúrami elektród, z ktorých pohyblivé elektródy tvoria jednu konštrukciu s MI a pevné, spojené rámom, sú upevnené na základni (puzdre).

Hlavnými príčinami chýb merania v akcelerometri MEMS sú teplota, vibrácie a priečne zrýchlenie.

Zmena teploty okolia vedie k zmene hodnoty dielektrickej konštanty e, medzery medzi doskou kyvadla a krytmi.

Pri pôsobení priečneho zrýchlenia dochádza k dodatočnej deformácii pružných prvkov zavesenia a zodpovedajúcemu pohybu kyvadla. Pohyby kyvadla po osi y sa zhodujú so smerom osi citlivosti a sú kompenzované snímačom krútiaceho momentu, t.j. chyby nie sú zavedené. Pohyby kyvadla pozdĺž osi z vzhľadom na stacionárne elektródy snímača posunu menia efektívnu oblasť prekrytia elektród a bez vykonania konštruktívnych opatrení môžu viesť k náhodnej chybe. Možnosť tejto chyby sa zabráni zväčšením plochy elektród na uzáveroch.

Najdôležitejšími parametrami akcelerometra sú rozsah meraných zrýchlení, citlivosť, zvyčajne vyjadrená ako pomer signálu vo voltoch k zrýchleniu, nelinearita v percentách plného rozsahu, šum, teplotné drifty nuly (offset) a citlivosť. Vďaka týmto vlastnostiam našli svoje uplatnenie v mnohých odvetviach: vojenské a civilné letectvo; automobilový priemysel; letecké prístroje; robotické; vojenský priemysel; ropný a plynárenský priemysel; šport; liek. V niektorých prípadoch je podstatnou charakteristikou vlastná frekvencia kmitov snímača alebo rezonančná frekvencia, ktorá určuje prevádzkové frekvenčné pásmo snímača. Vo väčšine aplikácií je dôležitý teplotný rozsah a maximálne dovolené charakteristiky preťaženia, ktoré súvisia s prevádzkovými podmienkami snímačov. Definujúcimi parametrami, ktoré ovplyvňujú presnosť určenia zrýchlenia, sú drifty nuly a citlivosti (hlavne teploty), ako aj šum snímača, ktorý obmedzuje prah rozlíšenia zariadenia.

Citlivosť snímača závisí od rezonančnej frekvencie mechanického podsystému, ako aj od kvality elektronického prevodníka. Zmena citlivosti s teplotou je spôsobená najmä zmenou koeficientu elasticity.

Nulový teplotný posun je spôsobený zmenou koeficientu pružnosti, tepelnou rozťažnosťou a technologickými chybami pri výrobe snímača. Zmena parametrov elektronickej časti snímača pod vplyvom teploty je spravidla výrazne menšia. Keďže akcelerometer meria zrýchlenie alebo silu spôsobujúcu zrýchlenie zotrvačnej hmoty, fyzikálnym modelom akcelerometra je zotrvačná hmota zavesená na pružine upevnenej v pevnom puzdre, jednoduchý systém s jedným stupňom voľnosti x v smere meracej osi. Zotrvačná hmota nadobudne zrýchlenie pôsobením zrýchľujúcej sily (výsledná zotrvačná sila pod vplyvom zrýchlenia) úmerná hmotnosti m a zrýchleniu a.

Výkonová spektrálna hustota (hustota šumu, µ g/vHz rms) vo fyzike a spracovaní signálov - funkcia, ktorá popisuje distribúciu výkonu signálu v závislosti od frekvencie, teda výkonu na jednotku frekvenčného intervalu. Tento termín sa často používa na opis spektrálnej sily tokov elektromagnetického žiarenia alebo iných fluktuácií v spojitom médiu, napríklad v akustickom. V tomto prípade to znamená výkon na jednotku frekvencie na jednotku plochy, napríklad: W/Hz/m 2 .

Hlavné charakteristiky akcelerometra LSM303DLH sú uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1 - Hlavné charakteristiky akcelerometra LSM303DLH

Obrázok 5 - Bloková schéma akcelerometra LSM303DLH

Obrázok 6 - Umiestnenie kolíkov akcelerometra LSM303DLH

Tabuľka 2 - Priradenie pinov akcelerometra LSM303DLH

Obrázok 7 - Štruktúra systému spracovania pohybu

Obrázok 8 - Bloková schéma modulu LSM303DLH

Mikroelektromechanické (MEMS) snímače majú malú hmotnosť a veľkosť, nízku spotrebu energie a náklady a sú vysoko odolné voči preťaženiu a otrasom. Ich hlavnou nevýhodou je relatívne nízka presnosť. Táto skutočnosť je spôsobená predovšetkým zásadnou absenciou dnes adekvátnych a v dlhých časových intervaloch možného použitia zamýšľaného využitia matematických modelov chýb takýchto snímačov.

Najpopulárnejšími aplikáciami v priemysle MEMS sú mikromechanické gyroskopy a akcelerometre. Ich hlavnými technickými charakteristikami sú dynamický rozsah, citlivosť, frekvenčná charakteristika, charakteristika šumových zložiek. Pri kalibrácii sú mikroobvody s dostatočnou presnosťou upevnené na sklopnej točni, čo umožní správne orientovať osi akcelerometrov vzhľadom na zemskú os a teda určiť ich systematické chyby. Implementovaná je aj schopnosť vypočítať koeficienty vplyvu teploty a napájacieho napätia na hlavnú systematickú chybu, najmä charakteristickú pre takéto snímače. Základom pre vývoj MEMS je mikroelektronická technológia, ktorá sa používa takmer vo všetkých produktoch na báze kremíka.

Využitím technológií MEMS v moderných elektronických systémoch možno výrazne zvýšiť ich funkčnosť. Pomocou technologických procesov, ktoré sú takmer rovnaké ako pri výrobe kremíkových mikroobvodov, vývojári zariadení MEMS vytvárajú miniatúrne mechanické štruktúry, ktoré môžu interagovať s prostredím a pôsobiť ako senzory, ktoré prenášajú vplyv na elektronický obvod, ktorý je s nimi integrovaný. Práve senzory sú najčastejším príkladom využitia MEMS technológie: používajú sa v gyroskopoch, akcelerometroch, tlakomeroch a iných zariadeniach. V súčasnosti takmer všetky moderné autá používajú na aktiváciu airbagov vyššie diskutované akcelerometre MEMS. Mikroelektromechanické snímače tlaku sú široko používané v automobilovom a leteckom priemysle. Gyroskopy sa používajú v rôznych aplikáciách, od sofistikovaných navigačných zariadení pre kozmické lode až po joysticky pre počítačové hry. MEMS zariadenia s mikroskopickými zrkadlami sa používajú na výrobu displejov a optických spínačov.

S príchodom mikroelektromechanických systémov (MEMS) sa inerciálne senzory výrazne rozvíjali. Výhody ako nízka cena, nízka spotreba energie, malá veľkosť a možnosť výroby pomocou dávkovej technológie umožnili inerciálnym MEMS senzorom široké uplatnenie v automobilovom, počítačovom a navigačnom trhu.

Na rozdiel od tradičnej technológie sú mikroakcelerometre leptané pomocou špecializovaných techník, ktoré kombinujú mechanické mikroobrábanie povrchu polykryštalického kremíka a technológiu elektronických obvodov.

Akcelerometer nazývané zariadenie, ktoré meria projekciu zdanlivého zrýchlenia*. Akcelerometer je spravidla citlivá hmota upevnená v elastickom závese. Ak dôjde k zjavnému zrýchleniu, odchýlka danej hmotnosti od jej počiatočnej polohy sa použije na posúdenie veľkosti tohto zrýchlenia.

* Zdanlivé zrýchlenie je rozdiel medzi skutočným zrýchlením objektu a gravitačným zrýchlením.

Dizajn

Akcelerometre sa dodávajú v jedno, dvoj a trojzložkových typoch. Podľa názvu merajú zdanlivé zrýchlenie pozdĺž jednej, dvoch a troch osí (X, Y, Z).

Stav beztiaže

Skutočné zrýchlenie objektu v stave beztiaže je spôsobené iba gravitačnou silou, a preto sú skutočné a gravitačné zrýchlenie rovnaké. V dôsledku toho neexistuje žiadne zjavné zrýchlenie a údaje akéhokoľvek akcelerometra sú 0 (nula). Všetky systémy, ktoré používajú akcelerometer ako snímač náklonu, prestanú fungovať. Príklad: Poloha obrazu na tablete alebo smartfóne sa pri otáčaní tela nezmení.

Schéma najjednoduchšieho akcelerometra

Takže najjednoduchší akcelerometer pozostáva z pružiny s pripevnenou záťažou a tlmiča, ktorý potláča vibrácie tohto zaťaženia. Čím väčšie je zdanlivé zrýchlenie, tým viac je pružina deformovaná a údaje prístroja sa menia.

Keď je rovnováha medzi zotrvačnou silou záťaže a silou pružiny, zaznamená sa veľkosť posunutia tejto záťaže z neutrálnej polohy, čo udáva veľkosť zrýchlenia (spomalenia). Táto hodnota je zaznamenaná nejakým snímačom posunutia a prevedená na elektrický signál na výstupe zariadenia.

Technológie na stavbu moderných akcelerometrov

V závislosti od technológie konštrukcie sa rozlišujú tieto akcelerometre:

piezoelektrické;

piezorezistívny;

na variabilných kondenzátoroch.

Piezoelektrické akcelerometre sú široko používané v testovacích a meracích úlohách. Majú veľmi široký frekvenčný rozsah a rozsah citlivosti. Okrem toho môžu mať rôzne veľkosti a tvary. Výstupným signálom takýchto akcelerometrov môže byť náboj alebo napätie. Senzory dokážu merať otrasy aj vibrácie.

Piezorezistívne akcelerometre sa zvyčajne vyznačujú malým rozsahom citlivosti, v dôsledku čoho sú použiteľnejšie na detekciu otrasov ako na detekciu vibrácií. Okrem toho sa používajú pri nárazových testoch bezpečnosti. Tieto akcelerometre majú hlavne široký frekvenčný rozsah a frekvenčná odozva môže klesnúť až na 0 Hz (takzvané DC senzory) alebo zostať nezmenená. To umožňuje merať dlhé signály.

Akcelerometre s variabilným kondenzátorom, rovnako ako piezorezistívne, majú DC odozvu. Takéto akcelerometre majú vysokú citlivosť, úzku šírku pásma, vynikajúcu teplotnú stabilitu a nízku chybu. Tieto akcelerometre merajú nízkofrekvenčné vibrácie, pohyb a pevné zrýchlenie.

Princíp činnosti akéhokoľvek akcelerometra je založený na vlastnosti telies udržiavať svoju polohu nezmenenú počas zrýchleného pohybu základne, na ktorej sú nejakým spôsobom upevnené.

Kyvadlové akcelerometre s elektrickou pružinou (obrázok 6) sa používajú v systémoch na stabilizáciu ťažiska nosnej rakety v polohových a integračných verziách. Je známa pomerne široká škála konštrukčných schém kyvadlových akcelerometrov. Spoločným znakom pre nich je však prítomnosť mechanického systému spojeného s kyvadlom a elektrického alebo fotooptického (ako aj elektrostatického, kapacitného) systému na zber užitočných informácií.

Metóda kompenzačného merania, ktorá je základom väčšiny kyvadlových akcelerometrov, v zásade zabezpečuje vysokú presnosť merania. Implementácia tejto metódy v akcelerometroch sa uskutočňuje pomocou kompenzačných výkonových alebo momentových zariadení založených na rôznych fyzikálnych princípoch - mechanickom, elektromagnetickom, elektrostatickom.

V súčasnosti sú najpoužívanejšie magnetoelektrické meniče, pri ktorých vzniká kompenzačný moment alebo sila v dôsledku interakcie magnetického poľa vytvoreného spätnoväzbovým prúdom, ktorý preteká vinutím meniča, s poľom permanentného magnetu. Takéto prevodníky poskytujú potrebné momenty (sily) s malými rozmermi a majú v tomto štádiu prijateľnú stabilitu parametrov.

Princíp činnosti kyvadlového akcelerometra s otvoreným kľúčom (možnosť integrácie) je nasledujúci. Keď nastane zdanlivé zrýchlenie Wz, smerujúce pozdĺž osi OZ, pohyblivý rám s kyvadlom, ktoré sa snaží udržať svoju polohu nezmenenú, sa začne otáčať okolo pevného rámu. V dôsledku relatívneho otáčania rámov spôsobí magnetický tok pohyblivého rámu, ktorý prechádza závitmi vinutia pevného rámu, v ňom elektromotorickú silu. Napätie odobraté z vinutia pevného rámu po zosilnení v zosilňovači vstupuje cez kondenzátor a ohybné vodiče do vinutia pohyblivého rámu a spôsobí v ňom spätnoväzbový prúd i os. Tento prúd zase spôsobí magnetický tok
pohyblivý rám. Interakcia magnetického toku permanentného magnetu s priemernou hodnotou magnetického toku zo spätnoväzbového prúdu spôsobí mechanický spätnoväzbový moment M os, nasmerovaný proti momentu zotrvačných síl M a.

Ak predpokladáme, že zdanlivé zrýchlenie W z je konštantné, tak v ustálenom stave bude medzi naznačenými momentmi rovnosť, t.j. M os =M a, a mierou nameraného zrýchlenia môže byť prúd i os v spätnoväzbovom obvode kyvadlového akcelerometra pretekajúceho vinutím pohyblivého rámu.

S otvoreným kľúčom a úplnou idealizáciou všetkých článkov v reťazci spätnej väzby to môžeme predpokladať

(1.1)

Pretože M a \u003d mlW x, potom keď M os \u003d M a dostaneme

alebo po integrácii za nulových počiatočných podmienok

(1.3)

Je zrejmé, že integrál zdanlivého zrýchlenia sa rovná zdanlivej rýchlosti, t.j.

(1.4)

kde t k je integračný interval, teda

So zatvoreným kľúčom a rovnakými počiatočnými údajmi

Rovnaký kyvadlový akcelerometer teda môže byť integrovaný s flexibilnou spätnou väzbou a polohový s pevnou spätnou väzbou. Táto okolnosť je široko používaná pri počiatočnej výstave riadiacich systémov lietadiel a pri riadení ich pohybu za letu. Takže s otvoreným kľúčom sa zvyšuje presnosť počiatočného nastavenia komplexu príkazových prístrojov, pretože s flexibilnou spätnou väzbou sú vylúčené štatistické chyby kyvadlového akcelerometra s elektrickou pružinou, ako najjednoduchšieho obvodu automatického riadiaceho systému.

V akcelerometroch kompenzačného typu sa na získanie informácie o veľkosti zrýchlenia používa uhlový snímač (DU). Fotosenzory (PD) a kapacitné snímače (CU) sú najpoužívanejšie v navigačných aj priemyselných modeloch akcelerometrov.

Použitie PD umožňuje použitie relatívne jednoduchých elektronických obvodov na zosilnenie užitočného signálu. V typickom akcelerometri kompenzačného typu sa takéto ovládanie používa.

Hlavné prvky tohto meracieho zariadenia sú:

SD LED;

Dve fotodiódy VD1 a VD2;

Uzávierka pevne pripevnená ku kyvadlu a umiestnená medzi svetlom a fotodiódami;

Analógový (lineárny) signálový predzosilňovač DA obklopený spätnoväzbovým odporom Roc;

Odpor, ktorý premieňa napätie na spätnoväzbový prúd RI;

Vinutie snímača krútiaceho momentu (DM) L.

Princíp činnosti tohto kyvadlového akcelerometra v analógovom (štandardnom) režime je nasledujúci. Keď nastane zdanlivé zrýchlenie Ain, nasmerované pozdĺž osi citlivosti, kyvadlo a s ním pevne spojená uzávierka, snažiac sa udržať polohu nezmenenú, sa začnú odvíjať vzhľadom na telo akcelerometra. V dôsledku relatívneho otáčania sa jedna z LED rozsvieti viac ako druhá. V dôsledku toho bude na výstupe diaľkového ovládača potenciálny rozdiel. Toto napätie bude privedené na vstup predzosilňovača a po zosilnení vo forme spätnoväzbového prúdu vstúpi do DM vinutia. DM vytvorí kompenzačný moment, ktorý vráti kyvadlo do pôvodného stavu. Teda podľa
hodnotu spätnoväzbového prúdu možno posudzovať podľa hodnoty zdanlivého zrýchlenia.

V momente, keď sa kyvadlo akcelerometra začne pohybovať, pôsobí naň statická trecia sila, ktorá vnáša do meraní chybu (prah citlivosti).

Golyaev Yu.D., Ph.D., Kolbas Yu.Yu., Konovalov S.F., doktor technických vied, profesor,

Solovieva T.I., Ph.D., Tomilin A.V.

(JSC Research Institute Polyus pomenovaný po M.F. Stelmakh; Moskovská štátna technická univerzita pomenovaná po N.E. Bauman;

MIEM NRU HSE)
Analyzujú sa výsledky štúdií a porovnávacích testov kremíkových a kremenných akcelerometrov v inerciálnej meracej jednotke. Uvažuje sa o výhodách a nevýhodách dvoch typov akcelerometrov súvisiacich s materiálom kyvadla a ich vplyve na parametre presnosti, ktoré na ich základe určujú triedu presnosti inerciálnych meracích jednotiek.
Skúšky a porovnávacie testy akcelerometrov v inerciálnej meracej jednotke. Golyaev Yu.D., Kolbas Yu.Yu., Konovalov S.F., Solovieva T.I., Tomilin A.V.

Analyzujú sa výsledky skúšok a porovnávacích skúšok akcelerometrov Si-flex a Q-flex v inerciálnej meracej jednotke. Popísané sú výhody a problémy vyššie uvedených akcelerometrov spojených s materiálom kyvadla a rozoberá sa ich vplyv na parametre presnosti akcelerometrov, ako aj triedu presnosti inerciálnej meracej jednotky.

Kľúčové slová: kremíkový akcelerometer, quartzový akcelerometer, inerciálna meracia jednotka.

Kľúčové slová: akcelerometer Si-flex, akcelerometer Q-flex, inerciálna meracia jednotka.

Úvod
Najsľubnejšie pre použitie v systémoch vyžadujúcich vysokú presnosť pri prevádzke v širokom rozsahu zrýchlení a v náročných prevádzkových podmienkach sú kompenzačné akcelerometre s kyvadlami vyrobenými z kremíka alebo kremeňa.

Nachádzajú široké uplatnenie v rôznych odvetviach, od navigačnej techniky pre vesmír, raketový, letecký priemysel a končiac netradičnými aplikáciami v stavebníctve, v monitorovacích systémoch v sklonomeroch na meranie profilu ropných a plynových vrtov pri vŕtaní.

Konštrukčné schémy kremíkových a kremenných akcelerometrov sú podobné (pozri obr. 1.2). Hlavnými konštrukčnými prvkami sú zostava kyvadla, ktorá pozostáva z inštalačného rámu, pružného závesu a lopatky, kapacitného snímača uhla a snímača magnetoelektrického momentu, ktorý zabezpečuje kompenzáciu výchylky lopatky kyvadla pod vplyvom zrýchlenia. Materiál kyvadla hrá kľúčovú úlohu v rozdiele v charakteristikách dvoch typov akcelerometrov. V tomto prípade je potrebné mať na pamäti hlavnú vlastnosť konštrukčných materiálov kyvadla. Spočíva v rozdiele tepelných koeficientov rozťažnosti (TEC) týchto materiálov. TEC taveného kremeňa sa takmer rovná TEC materiálu magnetického obvodu akcelerometrového magnetického systému vyrobeného zo superinvaru 32NKD, pričom TEC kremíka ju prevyšuje takmer 5-krát, čo spôsobuje problémy pri zakladaní kremíkových kyvadiel na častiach superinvaru. . Zároveň má kremík oproti kremeňu množstvo zrejmých technologických výhod, a to vďaka použitiu technológie MEMS, ako aj vďaka lacnosti a dostupnosti polotovarov, ktoré sa používajú ako štandardné kremíkové „platničky“ v elektronickom priemysle.

Ryža. 1. Štrukturálna schéma

quartzový akcelerometer: 1 - kyvadlová čepeľ; 2 - pružný nosník odpruženia kyvadla; 3, 8 - magnetický systém; 4 - cievka snímača sily; 5 - krúžok na montáž kyvadla s montážnymi doskami; 6 - hrot pólu; 7 - permanentný magnet

Ryža. 2. Štrukturálna schéma

kremíkový akcelerometer: 1 – kyvadlová lopatka; 2 – pružný nosník na zavesenie kyvadla; 3, 7 - magnetický systém; 4, 8 – kremenné prstene; 5 – cievka snímača sily; 6 - kyvadlový montážny rám s montážnymi doskami

Porovnávacia analýza vlastností kremíkových a kremenných akcelerometrov v dôsledku konštrukčných materiálov
Podrobnejšie porovnanie vlastností kremeňa a kremíka umožňuje v dôsledku rozdielu v materiáloch poznamenať nasledujúce vlastnosti zariadení:

Modul pružnosti kremeňa (107 GPa) je približne dvakrát menší ako modul kremíka (160 GPa). To umožňuje, pri rovnakých pevnostných vlastnostiach elastického závesu kyvadla, mať polovičnú tuhosť kremenného závesu v porovnaní s kremíkovým závesom a z tohto dôvodu znížiť požiadavky na kremenné zariadenia na hodnotu času a teploty. nulový drift zosilňovača kompenzačného obvodu o polovicu;

– tepelná vodivosť kremíka (157 W/(o C m)) je mnohonásobne vyššia ako tepelná vodivosť kremeňa (1,38 W/(o C m)). Z tohto dôvodu možno u kremíkových kyvadiel očakávať menšie prehrievanie čepele a cievok;

- kremeň má TKR = 0,55 10 -6 1/ o С oproti TKR = 2,6 10 -6 1/ o С pre kremík. Z tohto dôvodu majú kremenné diely podstatne menšiu zmenu rozmerov s teplotou v porovnaní s kremíkovými dielmi;

– TCR kremeňa (0,55 10 -6 1/ o C) je ideálne kombinovať s TCR magnetických jadier zo superinvaru 32NKD, rovných 0,56 10 -6 1/ o C. Preto pri akcelerometroch s kremenným kyvadlom vzniká problém fixácie kyvadlo sa oveľa ľahšie rieši, a preto možno ľahšie dosiahnuť podstatne vyššiu stabilitu nulového posunu;

- kremík možno v TEC tiež dobre kombinovať s množstvom zliatin podobných Invaru, avšak komerčne dostupné materiály, napríklad 39N, majú pasovú hodnotu TEC blízku kremíku. Ale rozšírenie TCR s prípustným rozdielom v obsahu niklu v zliatine 39N od 38 % do 40 % dáva rozptyl TCR od 2 10 -6 do 4 10 -6 1/ o C. To vedie k značným problémom pri zakladaní kyvadla a súvisiaci problém nestability s nulovým posunom. Pyrex je akceptovateľná dvojica pre kremík, avšak použitie medzivrstiev pri spájaní kyvadla s invarovými časťami magnetických jadier komplikuje konštrukciu akcelerometra;

- kremeň je izolant, preto ho nemožno použiť bez rozprašovacích elektród používaných ako pohyblivé elektródy kapacitného uhlového snímača a vedie k nim prúd. Kremík má dostatočnú elektrickú vodivosť, aby sa dal použiť ako pohyblivá elektróda kapacitného uhlového snímača bez dodatočného nanášania elektród a prúdových vodičov;

– Kyvadlo z monokryštalického kremíka je možné vyrobiť pomocou osvedčených metód v elektronickom priemysle a zo štandardných polotovarov. Zvyčajne sa pre kremík dopovaný fosforom používa metóda fotolitografie a tekutého anizotropného leptania v 33 % vodnom roztoku KOH pri teplote 100 ° C až 107 ° C. Niekedy sa používa iónovo-plazmové leptanie. Je dôležité poznamenať, že proces tekutého leptania prebieha anizotropne, čo umožňuje zabezpečiť jednoznačnú a presnú zhodu medzi šablónami používanými vo fotolitografii a tvarom vyrobených kyvadiel. Anizotropné leptanie umožňuje získať zložité tvary pružného zavesenia lopatky kyvadla (ploché nosníky, krížové a X-tvarované nástavce). Ochranný film pri leptaní je vrstva oxidu kremičitého narastená v oxidačnom prostredí (vlhký kyslík) pri teplote ~ 1100 ... 1200 ° C. Silikónové prírezy - "wafery" používané pri výrobe kyvadiel, sú sériovo vyrábané podnikmi elektronického priemyslu a sú lacné. Skupinová výroba kyvadiel je ľahko realizovateľná. Donedávna sa kremenné kyvadlá vyrábali individuálne zo špeciálnych polotovarov, a preto boli drahé. Teraz sa objavili tavené kremenné "oblátky", ktoré umožňujú prechod na dávkovú technológiu. Ale tu je technologický proces výrazne komplikovaný z dôvodu potreby viacnásobného nanášania ochranných zlatých filmov s chrómovou podvrstvou (hrúbka až 8 mikrónov) a viacnásobnými fotolitografiami. V opačnom prípade nie je možné získať požadovaný tvar elastického mostíka - proces kremenného leptania v kyseline fluorovodíkovej je izotropný. Dosiahnutý tvar pružného zavesenia je plochý elastický nosník.

Kremík je teda dnes technologicky vyspelejší materiál a umožňuje získať lacnejšie produkty. Kremík je zároveň horší ako tavený kremeň, pokiaľ ide o jeho schopnosť poskytovať zariadeniam vyššiu presnosť.

Z vyššie uvedeného je zrejmé, že nie je možné uprednostniť jeden alebo druhý typ akcelerometrov na použitie v určitom systéme bez vykonania porovnávacích testov zariadení na báze kremíka aj kremeňa.

Výber akcelerometrov na porovnávacie testovanie
Účelom tohto výskumu bolo vybrať akcelerometer, ktorý najlepšie spĺňa požiadavky na akcelerometrickú dráhu pre inerciálnu meraciu jednotku (IMU).

Na základe špecifík aplikácie ISS, ktorá si vyžaduje krátky čas pripravenosti po zapnutí (v dôsledku toho absencia termostatu) v širokom rozsahu zrýchlení a teplôt, boli pre ISS zvolené kyvadlové zariadenia plnené plynom. Patria sem quartzové akcelerometre typu QA-2000, QA-3000, A-18, BA-3, AK-6, ako aj novo vyvinuté AK-15, A-18T a AAK-02.

Keďže nie je možné kalibrovať kanály akcelerometra v produkte IMB pred použitím, najdôležitejšiu úlohu zohráva nereprodukovateľnosť parametrov akcelerometra, konkrétne faktor mierky , nulový posun a dva uhly, ktoré určujú polohu základnej roviny. Chyby narastajú o to viac po vystavení extrémne vysokým a nízkym teplotám, keďže v tomto prípade sa pridáva teplotná hysterézia parametrov s krátkodobou a dlhodobou nestabilitou.

Práve preto bola pre prvotné posúdenie vhodnosti akcelerometrov na použitie v ISS zvolená nereprodukovateľnosť vyššie uvedených parametrov po vystavení extrémne vysokým aj nízkym teplotám.

Podrobná štúdia rôznych typov akcelerometrov je uvedená nižšie.
Analýza akcelerometrov pre aplikáciu v ISS
V súčasnosti existujú sériovo vyrábané a vo výrobe novo osvojené akcelerometre, ktoré sa parametrami približujú požiadavkám na akcelerometre v ISS: nereprodukovateľnosť mierkového faktora 9 10 -5 rel.un., nereprodukovateľnosť nulového posunu 8 10 -5 g, zmena uhla orientácia referenčnej roviny 40 " . Charakteristiky akcelerometrov podľa špecifikácií alebo brožúr sú uvedené v tabuľke 1.

stôl 1

Názov parametra	Jednotka meas.	Požiadavky k akcelerometrom	A-18	AK-15	VA-3	A-18T	AK-6	E1
Nereprodukovateľnosť mierkového faktora	Rel.	9 10 -5	15 10 -5	20 10 -5	24 10 -5	10 10 -5	8 10 -5	5 10 -5
Nereprodukovateľnosť posunu	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
Rozsah meraných zrýchlení	g	40	40	20	50	40	20	50
Rozsah prevádzkových teplôt	o C	-50…+85	-60…	-60…	-55…	-50…	-60…	-55…
materiál kyvadla			kremík	kremeň	kremeň	kremík	kremeň	kremeň
Výrobca			ITT	MIEA	Elektrooptika	ITT	kosáčikovitá rastlina klampiar	Čína
cena	tisíc rubľov.		190	210	250	250	220	130

Predbežné kontroly akcelerometrov uvedených v tabuľke ukázali, že ich parametre nie vždy zodpovedajú tým inzerovaným. Preto bolo potrebné vyvinúť špeciálnu techniku na ich dôkladnú analýzu v teplotnom rozsahu. Táto technika umožňuje meranie nereprodukovateľnosti parametrov s vysokou presnosťou vzhľadom na skutočnosť, že táto charakteristika nepodlieha algoritmickej korekcii a bude mať rozhodujúci vplyv na presnosť kanála akcelerometra IMS.

Testovacia metóda akcelerometra
Pri testovaní nereprodukovateľnosti parametrov bol použitý nasledujúci postup pozostávajúci z 5 stupňov.

Akcelerometre boli upevnené na deliacej hlave v tepelnej a studenej komore. V komore bola nastavená teplota +251 о С a akcelerometre boli udržiavané pri tejto teplote 2 hodiny. Potom sa zapli akcelerometre. Po 1,5 hodine prevádzky sa zmeral mierkový faktor, nulový posun a uhly odchýlky základnej roviny akcelerometrov. Zároveň bola teplota akcelerometrov riadená pomocou zabudovaného tepelného senzora. Chyby merania v tomto prípade boli: podľa mierkového faktora 0,5·10 -5 rel. jednotiek, o posun nuly 1 10 -5 g, o uhly odchýlky základnej roviny 10 " , pri teplote 0,2 o C.

Potom boli akcelerometre vypnuté a teplota v komore bola nastavená na -501 o C a akcelerometre boli na tejto teplote udržiavané 2 hodiny. Potom sa pri tejto teplote na 1,5 h zapli akcelerometre a zmerala sa hodnota faktora mierky, nulový posun a uhly odchýlky základnej roviny.

Potom sa popísaný postup opakoval pri teplotách +251 o C, +751 o C, +251 o C s meraním mierkového faktora, nulového offsetu a uhlov odchýlky základnej roviny akcelerometrov a ovládanie teploty akcelerometra pomocou vstavaného teplotného senzora.

Na základe piatich hodnôt získaných pre každý akcelerometer sa vypočítala teplotná závislosť faktora mierky, nulového posunu a uhlov vychýlenia základnej roviny (polynóm druhého rádu). Pre tri hodnoty pri +251 о С bola vypočítaná nereprodukovateľnosť týchto parametrov rovnajúca sa maximálnej odchýlke od teplotnej závislosti. Táto technika umožňuje zohľadniť všetky teplotné chyby až do tretieho rádu drobností a poskytnúť potrebnú presnosť merania v tepelnej a studenej komore, ktorá má chybu nastavenia teploty 1 °C.

Výsledky testov pre konkrétne akcelerometre sú uvedené v tabuľke 2. Pre každý parameter sú uvedené rozsahy hodnôt získaných pre niekoľko vzoriek akcelerometrov, ktoré sa súčasne zúčastnili testov.

tabuľka 2

Charakteristika akcelerometrov podľa výsledkov testov

Názov parametra	Jednotka meas.	A-18	AK-15	A-18T	AK-6	E1
Nereprodukovateľnosť mierkového faktora	Rel.un.	(10 – 15) ·	(16 – 18)	(3 – 5)	(3 – 7)	(1 – 24)
Nereprodukovateľnosť nulového posunu	g	(15 – 19) ·	(trinásť) ·	(15 – 28) ·	(4 – 8)	(4-6)
Zmeňte uhly orientácie referenčnej roviny	"	20 – 32)	21–24)	9–13)	3–6)	10–12)

Záver
Zo všetkých zariadení predložených na testovanie ani jeden z akcelerometrov plne nevyhovuje požiadavkám na kanál akcelerometra IIB, avšak v inej miere.

Akcelerometer AK-6 vyhovuje požiadavkám pre ISS, okrem rozsahu meraných zrýchlení.

Akcelerometer A-18 nespĺňa požiadavky na ISS z hľadiska nereprodukovateľnosti mierkového faktora, nereprodukovateľnosti nulového posunu, zmeny orientačných uhlov základnej roviny.

Akcelerometer AK-15 nespĺňa požiadavky na ISS z hľadiska parametrov nereprodukovateľnosti mierkového faktora a rozsahu meraných zrýchlení.

Akcelerometer E1 nespĺňa požiadavky na zariadenie IIB z hľadiska parametra nereprodukovateľnosti mierkového faktora (päť zariadení zo šiestich) . Malá časť prístrojov E1 zároveň vykazuje mimoriadne vysokú presnosť, čo svedčí na jednej strane o vydarenom dizajne, ktorý je kópiou amerického quartz akcelerometra QA-3000 a na druhej strane, nevyvinutá technológia na výrobu týchto akcelerometrov.

Usporiadanie akcelerometra A-18T nespĺňa požiadavky na zariadenie IIB z hľadiska parametra nereprodukovateľnosti nulového posunu.

Treba si uvedomiť, že všetky testované akcelerometre okrem AK-6, A-18 a AK-15 naozaj nezodpovedajú parametrom uvedeným v prospektoch a špecifikáciách.

zistenia
Všetky akcelerometre s kremíkovým kyvadlom nespĺňajú požiadavky na nereprodukovateľnosť nulového posunu. Toto je zjavne nevýhoda, ktorá je v zásade vlastná akcelerometrom s konštruktívnou schémou používanou v A-18.

Všetky akcelerometre s quartzovým kyvadlom zároveň spĺňajú požiadavky na nereprodukovateľnosť nulového posunu a zmenu orientačných uhlov základnej roviny a ostatné parametre sa veľmi približujú požadovaným.

Dodržanie požiadaviek na parametre nereprodukovateľnosti mierkového faktora a rozsah nameraných zrýchlení pre zariadenia s kremenným kyvadlom je dané umením konštruktéra a je celkom dosiahnuteľné najmä pri použití moderných magnetov s malou teplotnou hysteréziou.

Organizácia skupinovej výroby kremenných kyvadiel z sériovo vyrábaných kremenných polotovarov (waferov) veľkého priemeru s minimom ručných operácií pomocou MEMS technológií odstráni nevýhodu kremeňa v porovnaní s kremíkom - nemožnosť použitia skupinových technológií a výrazne zníži tzv. náklady na quartzové akcelerometre v porovnaní s cenami prevládajúcimi na ruskom trhu. Absencia operácií kyvadlového obrábania zároveň prispeje k zvýšeniu presnosti prístrojov.

Keďže je to AK-6, ktorý je z hľadiska presnosti najbližšie k požiadavkám ISS, práve jeho dizajn by sa mal brať ako základ pre aktualizáciu akcelerometra podľa požiadaviek ISS s odporúčaním zaviesť najnovšie skupinové technológie vo výrobe, ktoré poskytujú zvýšenú produktivitu a znížené náklady. Zvýšenie meracieho rozsahu AK-6 sa dosiahne bez štrukturálnych zmien. Aby sa skrátila doba zahrievania a zvýšila sa stabilita nulového posunu, mali by sa hlavné palivové články, predovšetkým elektronika zosilňovača spätnej väzby, presunúť mimo tela samotného akcelerometra. Uskutočnenie týchto zjavných vylepšení umožní vyrábať sériové domáce akcelerometre typu AK-6, ktoré plne spĺňajú požiadavky na akcelerometrický trakt IIB.

Bibliografia

Konovalov S. F., Polynkov A. V., Seo J. B. a kol. Skúsenosti s vývojom nízkošumového akcelerometra // Gyroskopia a navigácia, 2000, č. 3 (30), s. ISSN 0869-7035.
Konovalov S. F., Konovchenko A. A., Mezhiritsky E. L. Kompenzačný akcelerometer Si-flex na meranie vysokých zrýchlení // Gyroskopia a navigácia. - 2006. - č.2. - S. 44-51. ISSN 0869-7035.
Peters R. B., Stoddard D. R., Meredith K. Vývoj 125 g Quartz Flexure Accelerometer pre program RIMU // AlliedSignal Electronic and Avionics Systems. Komunikačné a senzorové systémy. IEEE. - 1998. -N1. – S. 17-24.
Konovalov, S.F., Polynkov, A.V., Seo, J.B., et al., Skúsenosti s vývojom nízkošumového akcelerometra, Dokl. VII Petrohradská medzinárodná konferencia o integrovaných navigačných systémoch. - Petrohrad, 2000. - S. 72-79.
Pat. 2155964 C1 (RF), MKI7 G 01 P 15/13. Akcelerometer kompenzačného kyvadla / V. M. Prokofiev, S. F. Konovalov, Je-Bom Seo a kol.; Konovalov Sergej Feodosevič. - číslo 99113694/28; App. 23.06.1999. // OTVORENÉ. Vynálezy…. - 2000. - Č. 25.
Pat. 6422076 B1 (USA), Int. Cl.7 G 01 P 15/08. Kompenzačný kyvadlový akcelerometer / V. M. Prokofiev, S. F. Konovalov, Jae-Beom Seo a kol.; Agentúra pre rozvoj obrany, Taejon (KR); Sergej Feodosievič Konovalov, Moskva (Rusko). – č. 09/598386; júl 23. 2002.
Pat. 0336151 (Kórea), Int. Cl. G 01 P 15/08. Kompenzačný kyvadlový akcelerometer // V. M. Prokofiev, S. F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al; Konovalov Sergej Feodosievič. – apríl 24.2002.
Konovalov S. F., Polynkov A. V., Seo J. B. a kol. Výskum prevádzkyschopnosti akcelerometrov pri vysokog lineárnom zrýchlení, vibračných a rázových efektoch bez použitia testovacích odstrediviek, vibračných a rázových testovacích stolov. // papier. XIV Petrohradská medzinárodná konferencia o integrovaných navigačných systémoch. - Petrohrad, 2007. - S. 125-132.
Konovalov S. F., Seo J. B. Príčiny nerovnomerného rozloženia magnetickej indukcie v medzerách kompenzačných snímačov akcelerometrov typu Q-flex // Gyroskopia a navigácia. - 2009. - č. 2. - S. 72-79. ISSN 0869-7035.
Konovalov S. F., Seo J. B. Rozloženie magnetického poľa v prstencovej medzere snímača krútiaceho momentu akcelerometra typu Q-flex. // Abstrakty správy XXVI. konferencia na pamiatku N. N. Ostryakova. Gyroskopia a navigácia. - 2008. - č.4. – S. 67. ISSN 0869-7035.
Seo Jae Bum. Optimalizácia parametrov a simulácia prevádzkových režimov v