Простейший акселерометр состоит из электрического контура. Колебательный LC контур: принцип действия, расчет, определение

В компенсационных акселерометрах с позиционной обратной связью механическая пружина заменена «электрической пружиной». Под последней понимается электромеханическое устройство, которое создает момент, компенсирующий инерционный момент, возникающий под влиянием измеряемого ускорения.

Рис. VI 1.23. Компенсационный акселерометр маятникового типа

Рис. VI 1.24. Поплавковый вариант компенсационного акселерометра маятникового типа: 1 - индуктивный преобразователь перемещения; 2 - жидкость; 3 - поплавок; 4 - моментный датчик; 5 - усилитель

На рис. VI 1.23 приведена одна из схем компенсационного акселерометра маятникового типа. Отклонение маятника 1 под действием ускорения преобразуется индуктивным датчиком 4 в электрический сигнал, который после усиления подается на обмотку моментного датчика 2. Последний создает компенсирующий момент. Электрический ток на выходе фазочувствительного усилителя 3 и падение напряжения ивих (создаваемое этим током на добавочном сопротивлении) пропорциональны измеряемому ускорению х. Для демпфирования колебаний маятника усилитель содержит корректирующее звено.

На рис. VI 1.24 приведена схема варианта поплавкового компенсационного акселерометра. Подъемная сила поплавка близка к весу всей подвижной части прибора. Центр тяжести поплавка смещен относительно оси поплавка на величину что и обеспечивает необходимую маятниковость. Поплавковые приборы имеют высокую чувствительность вследствие малых погрешностей от сил трения.

Схема компенсационного акселерометра с массой на упругом подвесе, емкостным датчиком сигналов и электромеханическим датчиком, создающим компенсирующую силу, изображена на рис. VI 1.25. Эта схема позволяет ослабить влияние гистерезиса упругого подвеса и нелинейности его характеристики при условии, что жесткость «электрической пружины» намного превышает жесткость упругого подвеса.

Рис. VII.25. Компенсационный акселерометр с упругим подвесом: 1 - емкостный преобразователь перемещения, 2 - инерционная масса; 3 - упругий подвес, 4 - обмотка датчика силы, 5 - усилитель

Рис. VII.26. Схема интегрирующего акселерометра

В силовом датчике, применяемом в схеме «электрической пружины», развиваемая сила должна быть пропорциональна току, протекающему в его обмотке.

Интегрирующие акселерометры. Путевую скорость полета можно определять путем непрерывного интегрирования горизонтальных ускорений, начиная с момента взлета. Для определения пройденного пути полученную величину нужно проинтегрировать еще раз. Интегрирование может быть выполнено двумя способами с помощью:

отдельного электрического или электромеханического интегратора, на вход которого подается сигнал акселерометра, пропорциональный ускорению;

механического или электромеханического интегрирующего устройства, совмещенного с чувствительным элементом акселерометра.

Рассмотрим последний способ подробнее.

На рис. VI 1.26 приведена одна из возможных схем интегрирующего акселерометра. Под влиянием ускорения направленного перпендикулярно плоскости чертежа, маятник 6 отклонится, а в индуктивном датчике 5 возникает сигнал. Этот сигнал, усиленный усилителем заставит вращаться электродвигатель 3. На его оси укреплен постоянный магнит 2, который при вращении вызывает в токопроводящем колпачке 1 вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с полем магнита создает вращающий момент прикладываемый к оси маятника. Вращающий момент пропорционален скорости вращения магнита а:

Но момент уравновешивает инерционный момент акселерометра , следовательно, в установившемся процессе

а угол поворота магнита будет пропорционален интегралу по времени от измеряемого ускорения:

где - длина маятника; - масса маятника; х - измеряемое ускорение.

Рис. VII.27. Схема акселерометра с двойным интегрированием ускорений

Угол а (уменьшаемый с помощью зубчатого редуктора) является выходной координатой интегрирующего акселерометра. Принципиальная схема акселерометра с двойным интегрированием ускорений изображена на рис. VI 1.27. Чувствительным элементом акселерометра является маятник 5, на оси которого укреплен статор 2 электродвигателя.

Внутри статора может свободно вращаться ротор 1. Отклонение маятника от нулевого положения вызывает сигнал в индуктивном датчике 4, подаваемый на усилитель выхода усилителя - на статор электродвигателя. Вращающий момент развиваемый электродвигателем, вызывает вращение ротора с ускорением

где - момент инерции ротора.

Реактивный момент, приложенный со стороны ротора к статору, также равен и направлен навстречу инерционному моменту, развиваемому маятником 5 под влиянием ускорения X

В положении равновесия моменты и (приложенные к оси маятника) взаимно компенсируются. Приравнивая Мер найдем

Угол а (уменьшаемый с помощью зубчатого редуктора) является выходной величиной акселерометра с двойным интегрированием. Погрешность прибора обусловлена главным образом силами трения в подвесе маятника и накапливается пропорционально квадрату времени его работы. Эту погрешность можно снизить уменьшением сил трения и увеличением момента инерции ротора электродвигателя.

Для интегрирования ускорений можно использовать струнный акселерометр. Он представляет собой вибрирующее устройство, состоящее из струны, собственная частота которой меняется в зависимости от ее натяжения, создаваемого инерционной массой под воздействием измеряемого ускорения. Изменение собственной частоты пропорционально корню квадратному из силы натяжения струны, т. е.

где К - коэффициент, зависящий от размеров струны и величины инерционной массы.

Если инерционную массу подвесить между двумя струнами, имеющими начальное натяжение то при наличии ускорения направленного вдоль струн, натяжение одной струны будет увеличиваться на величину а другой - соответственно уменьшится.

При этом собственные частоты колебаний струн

Совместное решение этих уравнений дает

Если в измерительном устройстве поддерживается постоянной сумма частот то разность частот пропорциональна измеряемому ускорению х.

Рис. VII.28. Структурная схема компенсационного акселерометра маятникового типа

При этом интеграл разности частот собственных колебаний двухструнного акселерометра за определенный промежуток времени пропорционален интегралу от ускорения, т. е. приращению скорости за тот же промежуток времени. Для интегрирования сигналов струнного акселерометра можно применить интеграторы цифрового типа или счетчики импульсов, обладающие высокой степенью точности. Методы интегрирования ускорений с помощью гироскопических интегрирующих акселерометров с гиромаятниками приведены в гл. VIII, § 6.

Определение передаточных функций компенсационных акселерометров. Передаточная функция компенсационного акселерометра маятникового типа (рис. VI 1.28) определяется с помощью структурной схемы, показанной на рис. VII.28:

где и - масса и плечо маятника;

Момент инерции подвижной системы;

Передаточные коэффициенты индуктивного датчика, моментного датчика и усилителя;

R - выходное электрическое сопротивление;

Передаточная функция корректирующего звена.

Выражение (VI 1.31) преобразуется к виду

Объектом исследования является микроэлектромеханический (МЭМС) трехосевой акселерометр LSM303DLH в сочетании с трехосевым датчиком магнитного поля.

Целью работы является исследование погрешностей данного акселерометра, создание алгоритмического и программного обеспечения для определения статистических погрешностей датчика.

Предметом исследования являются методики и алгоритмы определения погрешностей МЭМС-акселерометра LSM303DLH.

Рисунок 1 - Трехосевой акселерометр LSM303DLH

Принцип работы сенсоров движения (акселерометров и гироскопов) основан на измерении смещения инерционной массы относительно корпуса и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным, поэтому емкостные акселерометры получили широкое распространение. Структура емкостного акселерометра состоит из различных пластин, одни из которых являются стационарными, а другие свободно перемещаются внутри корпуса. Емкости включены в контур резонансного генератора. Под действием приложенных управляющих электрических сигналов подвешенная масса совершает колебания. Между пластинами образуется конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними. Под влиянием силы ускорения емкость конденсатора меняется. На рисунке 2 показана топология МЭМС-сенсора.

Рисунок 2 - Топология МЭМС-акселерометра

Рисунок 3 - Виды ЧЭ акселерометров

Основным конструктивным узлом микроэлектромеханических акселерометров являются чувствительный элемент, принципиальные схемы которых приведены на рисунке 2. Чувствительный элемент (ЧЭ) включает в себя инерциальную массу (ИМ) - 1, упругие элементы подвеса - 2, опорную рамку - 3.

Рис. 4 - Принципиальная схема МЭМС-акселерометра: 1 - ИМ, 2 - неподвижные электроды, 3 - анкер, 4 - подвижные электроды, 5 - рамка, 6 - упругий элемент подвеса, 7 - основание (корпус)

Инерциальная масса (ИМ) смонтирована на некотором расстоянии от основания (корпуса) с помощью двух пар упругих элементов, подвеса и анкеров. ИМ перемещается в соответствии с измеряемым ускорением б. Емкостный измеритель перемещений образован гребенчатыми структурами электродов, из которых подвижные электроды образуют единую структуру с ИМ, а неподвижные, объединенные рамкой, скреплены основанием (корпусом).

Основными причинами, вызывающими погрешность измерений МЭМС-акселерометра являются температура, вибрация и перекрестное ускорение.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению значения диэлектрической проницаемости е, зазора между пластиной маятника и крышками.

При действии перекрестного ускорения возникает дополнительная деформация упругих элементов подвеса и соответствующие им перемещение маятника. Перемещения маятника вдоль оси y совпадают с направлением оси чувствительности и компенсируется датчиком момента, т.е. ошибки не вносят. Перемещения маятника вдоль оси z относительно неподвижных электродов датчика перемещений изменяют эффективную площадь перекрытия электродов и без принятия конструктивных мер могут привести к случайной ошибке. Вероятность появления этой ошибки предотвращается увеличением площади электродов на крышках.

Важнейшими параметрами акселерометра являются диапазон измеряемых ускорений, чувствительность, выражаемая обычно как отношение сигнала в вольтах к ускорению, нелинейность в процентах от полной шкалы, шумы, температурные дрейфы нуля (смещения) и чувствительности. Благодаря этим качествам они нашли свое применение во множестве отраслей: военная и гражданская авиация; автомобилестроение; аэрокосмическое приборостроение; робототехника; военная промышленность; нефтяная и газовая промышленность; спорт; медицина. В ряде случаев существенной характеристикой оказывается собственная частота колебаний сенсора или резонансная частота, определяющая рабочую полосу частот датчика. В большинстве применений важны температурный диапазон и максимально допустимые перегрузки-характеристики, связанные с условиями эксплуатации датчиков. Определяющими параметрами, влияющими на точность определения ускорения, являются дрейфы нуля и чувствительности (в основном температурный), а также шумы датчика, ограничивающие порог разрешения устройства

Чувствительность датчика зависит от резонансной частоты механической подсистемы, а также качества электронного преобразователя. Изменение чувствительности с температурой связано в основном с изменением коэффициента упругости.

Температурный дрейф нуля обусловлен изменением коэффициента упругости, тепловым расширением и технологическими погрешностями изготовления сенсора. Изменение параметров электронной части датчика под действием температуры, как правило, существенно меньше. Поскольку акселерометр измеряет ускорение или силу, вызывающую ускорение инерционной массы, физическая модель акселерометра представляет собой инерционную массу, подвешенную на пружине, закрепленной в неподвижном корпусе, простую систему с одной степенью свободы x в направлении измерительной оси. Инерционная масса приобретает ускорение под действием ускоряющей силы (равнодействующей силы инерции при воздействии ускорения), пропорциональной массе m и ускорению a.

Спектральная плотность мощности (плотность шума, µg /vHz rms) в физике и обработке сигналов - функция, описывающая распределение мощности сигнала в зависимости от частоты, то есть мощность, приходящаяся на единичный интервал частоты. Часто термин применяется при описании спектральной мощности потоков электромагнитного излучения или других колебаний в сплошной среде, например, акустических. В этом случае подразумевается мощность на единицу частоты на единицу площади, например: Вт/Гц/м 2 .

Основные характеристики акселерометра LSM303DLH приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные характеристики акселерометра LSM303DLH

Рисунок 5 - Блок-диаграмма акселерометра LSM303DLH

Рисунок 6 - Расположение пинов акселерометра LSM303DLH

Таблица 2 - Назначение пинов акселерометра LSM303DLH

Рисунок 7 - Структура системы обработки движения

Рисунок 8 - Структурная схема модуля LSM303DLH

Микроэлектромеханические (MEMS) датчики имеют малые массогабаритные характеристики, низкое энергопотребление и стоимость, обладают высокой устойчивостью к перегрузкам и ударам. Основным их недостатком является сравнительно низкая точность. Этот факт в первую очередь обусловлен принципиальным отсутствием на сегодняшний день адекватных и возможных для использования в течение длительных временных интервалов применения по назначению математических моделей погрешностей подобных датчиков.

Наиболее востребованное применение в MEMS-индустрии имеют микромеханические гироскопы и акселерометры. Основными их техническими характеристиками являются динамический диапазон, чувствительность, частотный отклик, характеристики шумовых составляющих. При калибровках микросхемы с достаточной степенью точности фиксируются на наклонно-поворотном столе, что позволят соответствующим образом ориентировать оси акселерометров относительно земной оси и, следовательно, определять их систематические погрешности. Также реализована возможность расчета коэффициентов влияния температуры и напряжения питания на основную систематическую погрешность, особенно характерных для подобных датчиков. Основой развития МЭМС является микроэлектронная технология, которая применяется практически во всех изделиях на основе кремния.

Использование МЭМС-технологий в современных электронных системах позволяет значительно увеличить их функциональность. Используя технологические процессы, почти не отличающиеся от производства кремниевых микросхем, разработчики МЭМС-устройств создают миниатюрные механические структуры, которые могут взаимодействовать с окружающей средой и выступать в роли датчиков, передающих воздействие в интегрированную с ними электронную схему. Именно датчики являются наиболее распространенным примером использования МЭМС-технологии: они используются в гироскопах, акселерометрах, измерителях давления и других устройствах. В настоящее время почти все современные автомобили используют рассмотренные выше МЭМС-акселерометры для активации воздушных подушек безопасности. Микроэлектромеханические датчики давления широко используются в автомобильной и авиационной промышленности. Гироскопы находят применение во множестве устройств, начиная со сложного навигационного оборудования космических аппаратов и заканчивая джойстиками для компьютерных игр. МЭМС-устройства с микроскопическими зеркалами используются для производства дисплеев и оптических коммутаторов.

С появлением микроэлектромеханических систем (МЭМС), инерциальные датчики получили существенное развитие. Такие преимущества как дешевизна, низкое энергопотребление, малые размеры, и возможность изготовления методом групповой технологии позволили инерциальным МЭМС сенсорам получить широкий диапазон применений в автомобильном, компьютерном, и навигационном рынках.

В отличие от традиционной технологии микроакселерометры протравливаются с использованием специализированных методик, комбинирующих механическую микрообработку поверхности поликристаллического кремния и технологии электронных схем.

Голяев Ю.Д., к.ф.-м.н., Колбас Ю.Ю., Коновалов С.Ф., д.т.н., профессор,

Соловьева Т.И., к.т.н., Томилин А.В.

(ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха; МГТУ им. Н.Э.Баумана;

МИЭМ НИУ ВШЭ)
Анализируются результаты исследований и сравнительных испытаний кремниевых и кварцевых акселерометров в инерциальном измерительном блоке. Рассматриваются достоинства и недостатки двух типов акселерометров, связанные с материалом маятника, и их влияние на точностные параметры, определяющие класс точности инерциальных измерительных блоков на их основе.
Investigations and comparative tests of the accelerometers in the inertial measurement unit. Golyaev Yu.D., Kolbas Yu.Yu., Konovalov S.F., Solovieva T.I., Tomilin A.V.

The results of investigations and comparative tests of Si-flex and Q-flex accelerometers in the inertial measurement unit are analyzed. The advantages and the problems of the above accelerometers connected with pendulum material are described and its influence on the accelerometers accuracy parameters as well as inertial measurement unit’s accuracy class are discussed.

Ключевые слова: кремниевый акселерометр, кварцевый акселерометр, инерциальный измерительный блок.

Key words: Si-flex accelerometer, Q-flex accelerometer, inertial measurement unit.

Введение
Наиболее перспективными для применения в системах, в которых требуется обеспечивать высокую точность при работе в большом диапазоне ускорений и в жестких условиях эксплуатации, являются компенсационные акселерометры с маятниками, изготовленными из кремния или кварца.

Они находят широкое применение в различных отраслях, начиная с навигационной техники для космической, ракетной , авиационной отраслей и заканчивая нетрадиционными применениями в строительстве, в системах мониторинга в инклинометрах для измерения профиля нефтяных и газовых скважин в процессе бурения.

Конструктивные схемы кремниевых и кварцевых акселерометров схожи (см. рис. 1,2). Основными элементами конструкции являются маятниковый узел, состоящий из установочной рамки, упругого подвеса и лопасти, емкостной датчик угла и магнитоэлектрический датчик момента, который обеспечивает компенсацию отклонения лопасти маятника под воздействием ускорения . Ключевую роль в различии характеристик двух типов акселерометров играет материал маятника. При этом следует иметь в виду главную особенность конструкционных материалов маятника. Она заключается в разности температурных коэффициентов расширения (ТКР) этих материалов. ТКР плавленого кварца практически равен ТКР материала магнитопровода магнитной системы акселерометра, выполненной из суперинвара 32НКД, в то время как ТКР кремния превышает его почти в 5 раз, что создает проблемы базирования кремниевых маятников на суперинваровых деталях. В то же время кремний имеет ряд очевидных технологических преимуществ перед кварцем, как в силу использования MEMS технологии, так и в силу дешевизны и доступности заготовок, в качестве которых используются стандартные кремниевые «вафли» электронной промышленности.

Рис. 1. Конструктивная схема

кварцевого акселерометра: 1 - лопасть маятника; 2 - упругая балочка подвеса маятника; 3, 8 - магнитная система; 4 - катушка датчика силы; 5 – кольцо маятникового узла с установочными платиками ; 6 - полюсный наконечник; 7 – постоянный магнит

Рис. 2. Конструктивная схема

кремниевого акселерометра: 1 – лопасть маятника; 2 – упругая балочка подвеса маятника; 3, 7 - магнитная система; 4, 8 – кварцевые кольца; 5 – катушка датчика силы; 6 – рамка маятникового узла с установочными платиками

Сравнительный анализ особенностей кремниевых и кварцевых акселерометров, обусловленных конструкционными материалами
Более детальное сравнение свойств кварца и кремния дает возможность отметить следующие особенности приборов, обусловленные различием материалов :

Модуль упругости кварца (107 ГПа) примерно в два раза меньше, чем у кремния (160 ГПа). Это позволяет при одинаковых прочностных свойствах упругого подвеса маятника иметь в два раза меньшую жесткость кварцевого подвеса по сравнению с кремниевым подвесом и по этой причине в два раза снизить требования в кварцевых приборах к величине временного и температурного дрейфа нуля усилителя компенсационного контура;

– теплопроводность кремния (157 Вт/(o C·м)) многократно превышает теплопроводность кварца (1,38 Вт/(o C·м)). По этой причине можно ожидать меньший перегрев лопасти и катушек у кремниевых маятников ;

– кварц имеет ТКР = 0,55·10 -6 1/ o С против ТКР = 2,6·10 -6 1/ o С у кремния. По этой причине детали из кварца имеют значительно меньшее изменение размеров при изменении температуры по сравнению с деталями из кремния;

– ТКР кварца (0,55·10 -6 1/ o С) идеально сочетается с ТКР магнитопроводов из суперинвара 32НКД, равным 0,56·10 -6 1/ o С. Поэтому в акселерометрах с кварцевым маятником существенно проще решается проблема фиксации маятника и, следовательно, легче может быть обеспечена существенно более высокая стабильность смещения нуля;

– кремний также может хорошо сочетаться по ТКР с рядом инвароподобных сплавов, однако у выпускаемых промышленностью материалов, например 39Н, имеется паспортное значение ТКР, близкое к кремнию. Но разброс ТКР при допустимой разнице содержания никеля в сплаве 39Н от 38 % до 40 % даёт разброс ТКР от 2·10 -6 до 4·10 -6 1/ o С. Это приводит к существенным проблемам при базировании маятника и к связанной с этим проблеме нестабильности смещения нуля. Приемлемой для кремния парой является пирекс, но использование промежуточных слоев при соединении маятника с инваровыми деталями магнитопроводов приводит к усложнению конструкции акселерометра;

– кварц является изолятором, следовательно, его нельзя использовать без напыления электродов, применяемых в качестве подвижных электродов емкостного датчика угла и токоподводов к ним. Кремний обладает достаточной электропроводностью для использования его в качестве подвижного электрода емкостного датчика угла без дополнительного напыления электродов и токоподводов;

– маятник из монокристаллического кремния может изготавливаться методами, хорошо освоенными электронной промышленностью , и из стандартных заготовок. Обычно для кремния, легированного фосфором, применяется метод фотолитографии и жидкостного анизотропного травления в 33 %-ном водном растворе КОН при температуре от 100 о C до 107 о C. Иногда используется ионно-плазменное травление. Важно отметить, что процесс жидкого травления идет анизотропно, что позволяет обеспечить однозначное и точное соответствие используемых при фотолитографии шаблонов и формы изготавливаемых маятников. Анизотропное травление позволяет получить сложные формы упругого подвеса лопасти маятника (плоские балочки, крестовидные и Х-образные растяжки). Защитной пленкой при выполнении травления является слой окиси кремния, выращенный в окислительной среде (влажного кислорода) при температуре ~ 1100 … 1200 о C. Кремниевые заготовки - «вафли», используемые при изготовлении маятников, массово выпускаются предприятиями электронной промышленности и дешевы. Легко реализуется групповое изготовление маятников. Кварцевые маятники до последнего времени изготавливались индивидуально из специальных заготовок и потому были дороги. Появившиеся в настоящее время «вафли» из плавленого кварца допускают переход к групповой технологии. Но здесь технологический процесс существенно затруднен из-за необходимости многократного нанесения защитных пленок золота с хромовым подслоем (толщиной до 8 микрон) и проведения многократных фотолитографий. Иначе не удается получить требуемую форму упругой перемычки – процесс травления кварца в плавиковой кислоте идёт изотропно. Достигнутая форма упругого подвеса – плоская упругая балочка.

Таким образом, на сегодняшний день кремний является более технологичным материалом и позволяет получить более дешевую продукцию. Вместе с тем кремний уступает плавленому кварцу по возможности обеспечивать более высокие точностные характеристики приборов.

Из изложенного видно, что отдать приоритет одному или другому типу акселерометров для применения в конкретной системе не представляется возможным без проведения сравнительных испытаний приборов на основе как кремния, так и кварца.

Выбор акселерометров для проведения сравнительных испытаний
Целью настоящих исследований явился выбор акселерометра, наиболее соответствующего требованиям по акселерометрическому тракту для инерциального измерительного блока (ИИБ).

Исходя из специфики применения ИИБ, требующей обеспечения малого времени готовности после подачи питания (как следствие – отсутствие термостата) в условиях широкого диапазона ускорений и температур, для ИИБ были выбраны маятниковые газонаполненные приборы. К ним относятся кварцевые акселерометры типа QA-2000, QA-3000, A-18, BA-3, АК-6, а также вновь разработанные АК-15, A-18Т и ААК-02.

Поскольку в изделии ИИБ невозможна калибровка по каналам акселерометров перед началом использования, важнейшую роль приобретает невоспроизводимость параметров акселерометров, а именно масштабного коэффициента , смещения нуля и двух углов, определяющих положение базовой плоскости. Ошибки тем более возрастают после воздействия предельных повышенных и пониженных температур, поскольку при этом складываются температурные гистерезисы параметров с кратковременными и долговременными нестабильностями.

Именно поэтому для первичной оценки пригодности акселерометров к применению в ИИБ были избраны невоспроизводимость вышеуказанных параметров после воздействия предельных как повышенных, так и пониженных температур.

Подробное исследование различных типов акселерометров приводится далее.
Анализ акселерометров для применения в ИИБ
В настоящее время имеются как серийно выпускаемые, так и вновь освоенные в производстве акселерометры, близкие по параметрам требованиям для акселерометров в ИИБ: невоспроизводимость масштабного коэффициента 9·10 -5 отн.ед., невоспроизводимость смещения нуля 8·10 -5 g, изменение углов ориентации базовой плоскости 40" . Характеристики акселерометров по ТУ или рекламным проспектам приведены в таблице 1.

Таблица 1

Наименование параметра	Ед. измер.	Требования к акселеро-метрам	А-18	АК-15	ВА-3	А-18Т	АК-6	Е1
Невоспроизводи-мость масштабного коэффициента	Отн.	9·10 -5	15·10 -5	20·10 -5	24·10 -5	10·10 -5	8·10 -5	5·10 -5
Невоспроизводи-мость смещения	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
Диапазон измеряемых ускорений	g	40	40	20	50	40	20	50
Диапазон рабочих температур	о С	-50…+85	-60…	-60…	-55…	-50…	-60…	-55…
Материал маятника			кремний	кварц	кварц	кремний	кварц	кварц
Производитель			ИТТ	МИЭА	Электро-оптика	ИТТ	Серп.завод Металлист	Китай
Цена	тыс. руб.		190	210	250	250	220	130

Предварительные проверки акселерометров, представленных в таблице, показали, что их параметры не всегда соответствуют рекламируемым. Поэтому потребовалась разработка специальной методики для проведения их тщательного анализа в температурном диапазоне. Этой методикой предусматривается измерение невоспроизводимости параметров с высокой точностью в связи с тем, что данная характеристика не подлежит алгоритмической коррекции и окажет решающее влияние на точность канала акселерометров ИИБ.

Методика испытаний акселерометров
При проведении испытаний на невоспроизводимость параметров была использована следующая методика, состоящая из 5 этапов.

Акселерометры закреплялись на делительной головке в камере тепла и холода. В камере устанавливалась температура +251 о С, и акселерометры выдерживались при этой температуре 2 часа. Затем акселерометры включались. Через 1,5 часа работы производилось измерение масштабного коэффициента, смещения нуля и углов отклонения базовой плоскости акселерометров. При этом по встроенному термодатчику контролировалась температура акселерометров. Погрешности измерения при этом составляли: по масштабному коэффициенту 0,5·10 -5 отн. ед., по смещению нуля 1·10 -5 g, по углам отклонения базовой плоскости 10" , по температуре 0,2 о С.

Затем акселерометры выключались, а в камере устанавливалась температура –501 о С, и акселерометры выдерживались при этой температуре 2 часа. После этого акселерометры включались на 1,5 ч при этой температуре, и производилось измерение значения масштабного коэффициента, смещения нуля и углов отклонения базовой плоскости.

Затем описанная процедура повторялась при температурах +251 о С, +751 о С, +251 о С с измерением масштабного коэффициента, смещения нуля и углов отклонения базовой плоскости акселерометров и контролем по встроенному термодатчику температуры акселерометров.

По пяти полученным для каждого акселерометра значениям рассчитывались температурная зависимость масштабного коэффициента, смещения нуля и углов отклонения базовой плоскости (полином второго порядка). Для трех значений при +251 о С рассчитывалась невоспроизводимость этих параметров, равная максимальному отклонению от температурной зависимости. Такая методика позволяет учесть все температурные погрешности до третьего порядка малости и обеспечить необходимую точность измерения в камере тепла и холода, имеющей погрешность установки температуры 1 о С.

Результаты испытаний конкретных акселерометров приведены в таблице 2. По каждому параметру указаны диапазоны значений , полученных для нескольких образцов акселерометров, которые одновременно участвовали в испытаниях.

Таблица 2

Характеристики акселерометров по результатам испытаний

Наименование параметра	Ед. измер.	А-18	АК-15	А-18Т	АК-6	Е1
Невоспроизводимость масштабного коэффициента	Отн.ед.	(10–15) ·	(16–18) ·	(3–5) ·	(3–7) ·	(1–24) ·
Невоспроизводимость смещения нуля	g	(15–19) ·	(1– 3) ·	(15–28) ·	(4–8) ·	(4–6) ·
Изменение углов ориентации базовой плоскости	"	20–32)	21–24)	9–13)	3–6)	10–12)

Заключение
Из всех представленных на испытания приборов ни один из акселерометров не соответствует полностью требованиям, предъявляемым к каналу акселерометров ИИБ, однако в разной степени.

Акселерометр АК-6 соответствует требованиям для ИИБ, за исключением диапазона измеряемых ускорений.

Акселерометр А-18 не соответствует требованиям для ИИБ по параметрам невоспроизводимости масштабного коэффициента, невоспроизводимости смещения нуля, изменению углов ориентации базовой плоскости.

Акселерометр АК-15 не соответствует требованиям для ИИБ по параметрам невоспроизводимости масштабного коэффициента и диапазону измеряемых ускорений.

Акселерометр Е1 не соответствует требованиям для прибора ИИБ по параметру невоспроизводимости масштабного коэффициента (пять приборов из шести). В то же время небольшая часть приборов E1 показывает исключительно высокие точностные характеристики, что свидетельствует, с одной стороны, об удачной конструкции , являющейся копией американского кварцевого акселерометра QA-3000, а с другой – о неотработанности технологии производства этих акселерометров.

Макет акселерометра А-18Т не соответствует требованиям для прибора ИИБ по параметру невоспроизводимости смещения нуля.

Необходимо отметить, что все испытанные акселерометры, кроме АК-6, А-18 и АК-15 реально не соответствуют указанным в рекламных проспектах и ТУ параметрам.

Выводы
Все акселерометры с маятником из кремния не соответствуют требованиям по параметру невоспроизводимости смещения нуля. Это, по-видимому, является недостатком, принципиально присущим акселерометрам с конструктивной схемой, используемой в А-18.

В то же время все акселерометры с маятником из кварца соответствуют требованиям по параметрам невоспроизводимости смещения нуля и изменения углов ориентации базовой плоскости, а остальные параметры весьма близки к требуемым.

Соответствие требованию по параметрам невоспроизводимости масштабного коэффициента и диапазону измеряемых ускорений для приборов с маятником из кварца определяется искусством конструктора и является вполне достижимым, особенно при использовании современных магнитов с малым температурным гистерезисом.

Организация группового изготовления кварцевых маятников из серийно выпускаемых кварцевых заготовок (вафель) большого диаметра при минимуме ручных операций с использованием MEMS технологий позволит устранить недостаток кварца по сравнению с кремнием – невозможность использования групповых технологий и существенно уменьшит стоимость кварцевых акселерометров по сравнению со сложившимися на российском рынке ценами. При этом отсутствие операций механической обработки маятников будет способствовать увеличению точности приборов.

Поскольку наиболее приближен по точностным параметрам к требованиям ИИБ именно АК-6, следует взять именно его конструкцию за основу для доработки акселерометра под требования ИИБ с рекомендацией внедрения при производстве новейших групповых технологий, обеспечивающих повышение производительности и снижение стоимости. Увеличение диапазона измерений АК-6 достигается без внесения конструктивных изменений. Для уменьшения времени прогрева и повышения стабильности смещения нуля следует вынести за пределы корпуса собственно акселерометра основные тепловыделяющие элементы, прежде всего электронику усилителя обратной связи. Проведение этих очевидных доработок позволит производить серийные отечественные акселерометры типа АК-6, полностью обеспечивающие требования к акселерометрическому тракту ИИБ.

Список литературы

Коновалов С. Ф., Полынков А. В., Сео Дж. Б. и др. Опыт разработки малошумящего акселерометра // Гироскопия и навигация, 2000, №3(30), С. 68-77. ISSN 0869-7035.
Коновалов С. Ф., Коновченко А. А., Межирицкий Е. Л. Компенсационный Si-flex акселерометр для измерения больших ускорений // Гироскопия и навигация. – 2006. - №2. – С. 44-51. ISSN 0869-7035.
Peters R. B., Stoddard D. R., Meredith K. Development of a 125 g Quartz Flexure Accelerometer for the RIMU Program // AlliedSignal Electronic and Avionics Systems. Communication and Sensor Systems. IEEE. – 1998. –N1. – P. 17-24.
Коновалов С. Ф., Полынков А. В., Сео Дж. Б. и др. Опыт разработки малошумящего акселерометра // Докл. VII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - Санкт-Петербург, 2000. – С. 72-79.
Пат. 2155964 С1 (РФ), МКИ7 G 01 P 15/13. Компенсационный маятниковый акселерометр / В. М. Прокофьев, С. Ф. Коновалов, Дже-Бом Сео и др.; Коновалов Сергей Феодосьевич. - №99113694/28; Заяв. 23.06.1999. // Открыт. Изобретения…. – 2000. - №25.
Pat. 6422076 B1 (USA), Int. Cl.7 G 01 P 15/08. Compensation pendulous accelerometer / V. M. Prokofiev, S. F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al ; Agency For Defense Development, Taejon (KR); Sergei Feodosievich Konovalov, Moscow (RU). – No 09/598386; Jul. 23. 2002.
Pat. 0336151 (Korea), Int. Cl. G 01 P 15/08. Compensation pendulous accelerometer // V. M. Prokofiev, S. F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al; Konovalov Sergei Feodosievich. – Apr. 24.2002.
Konovalov S. F., Polynkov A. V., Seo J. B. et al. Research of operability of accelerometers at high-G linear acceleration, vibrating and shock effects without using test centrifuges, vibration and shock test tables. // Paper. XIV Saint Petersburg international conference on integrated navigation systems. – Saint Petersburg, 2007. – P. 125-132.
Коновалов С. Ф., Seo J. B. Причины неравномерного распределения магнитной индукции в зазорах компенсационных датчиков акселерометров типа Q-flex // Гироскопия и навигация. – 2009. – №2. – С. 72-79. ISSN 0869-7035.
Коновалов С. Ф., Seo J. B. Распределение магнитного поля в кольцевом зазоре моментного датчика акселерометра типа Q-flex. // Тезисы доклада XXVI конференция памяти Н. Н. Острякова. Гироскопия и навигация. – 2008. – №4. – С. 67. ISSN 0869-7035.
Сео Дже Бом. Оптимизация параметров и моделирование рабочих режимов в

компенсационных акселерометрах типа Q-flex и Si-flex. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Москва, 2012 г.

В основе принципа действия любого акселерометра лежит свойство тел сохранять свое положение неизменным при ускоренном движении основания, на котором они каким-то образом закреплены.

Маятниковые акселерометры с электрической пружиной (рисунок 6) используются в системах стабилизации центра масс РН в позиционном и интегрирующем вариантах. Известно достаточно большое разнообразие конструктивных схем маятниковых акселерометров. Однако общим для них признаком является наличие механической системы, связанной с маятником, и электрической или фотооптической (а также электростатической, емкостной) системы съема полезной информации.

Компенсационный метод измерения, положенный в основу большинства маятниковых акселерометров, в принципе, обеспечивает высокую точность измерения. Реализация этого метода в акселерометрах осуществляется с помощью компенсирующих силовых или моментных устройств, основанных на различных физических принципах - механических, электромагнитных, электростатических.

Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитоэлектрические преобразователи, в которых компенсирующие момент или сила создаются за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого током обратной связи, который протекает по обмотке преобразователя, с полем постоянного магнита. Подобные преобразователи обеспечивают получение необходимых моментов (сил) при малых габаритах и имеют приемлемую на данном этапе стабильность параметров.

Принцип действия маятникового акселерометра при разомкнутом ключе (интегрирующий вариант) заключается в следующем. При возникновении кажущегося ускорения W z , направленного по оси OZ, подвижная рамка с маятником, стремящимся сохранить свое положение неизменным, начнет разворачиваться относительно неподвижной рамки. В результате относительного вращения рамок магнитный поток подвижной рамки, пересекая витки обмотки неподвижной рамки, вызовет в ней электродвижущую силу. Напряжение, снимаемое с обмотки неподвижной рамки, после усиления в усилителе поступает через конденсатор и гибкие токопроводы на обмотку подвижной рамки и вызовет в ней ток обратной связи i ос. Этот ток, в свою очередь, вызовет магнитный поток
подвижной рамки. Взаимодействие магнитного потока постоянного магнита с осредненным значением магнитного потока от тока обратной связи явится причиной возникновения механического момента обратной связи M ос, направленного против момента инерционных сил M и.

Если допустить, что кажущееся ускорение W z постоянно, то в установившемся режиме наступит равенство между указанными моментами, т.е. M ос =M и, а мерой измеряемого ускорения может служить сила тока i ос в цепи обратной связи маятникового акселерометра, протекающего по обмотке подвижной рамки.

При разомкнутом ключе и полной идеализации всех звеньев цепи обратной связи можно считать, что

(1.1)

Так как М и =mlW x , то при М ос =М и получим

или после интегрирования при нулевых начальных условиях

(1.3)

Очевидно, что интеграл от кажущегося ускорения равен кажущейся скорости, т.е.

(1.4)

где t к – интервал интегрирования, поэтому

При замкнутом ключе и тех же исходных данных

Таким образом, один и тот же маятниковый акселерометр может быть при гибкой обратной связи интегрирующим, а при жесткой – позиционным. Это обстоятельство широко используется при начальной выставке систем управления летательных аппаратов и при управлении их движением в полете. Так, при разомкнутом ключе повышается точность начальной выставки комплекса командных приборов, поскольку при гибкой обратной связи исключаются статистические погрешности маятникового акселерометра с электрической пружиной, как простейшего контура системы автоматического регулирования.

В акселерометрах компенсационного типа для получения информации о величине ускорения используется датчик угла (ДУ). Наибольшее распространение как в навигационных, так и в промышленных образцах акселерометров получили фотодатчики (ФД) и датчики емкостного типа (ЕД).

Использование ФД позволяет для усиления полезного сигнала использовать относительно несложные электронные схемы. В типичном акселерометре компенсационного типа применен такой ДУ.

Основными элементами этого измерительного устройства являются:

Светодиод SD;

Два фотодиода VD1 и VD2;

Шторка, жестко закрепленная с маятником, и расположенная между свето- и фотодиодами;

Предварительный усилитель аналогового (линейного) сигнала DA, охваченный сопротивлением обратной связи Roc;

Сопротивление, преобразующее напряжение в ток обратной связи RI;

Обмотка датчика момента (ДМ) L.

Принцип действия данного маятникового акселерометра в аналоговом (штатном) режиме заключается в следующем. При возникновении кажущегося ускорения А вх, направленного вдоль оси чувствительности, маятник и жестко связанная с ним шторка, стремящаяся сохранить положение неизменным, начнет разворачиваться относительно корпуса акселерометра. В результате относительного вращения один из светодиодов будет засвечиваться больше, чем другой. Вследствие чего возникнет разность потенциалов на выходе ДУ. Это напряжение будет подано на вход предусилителя и после усиления в виде тока обратной связи поступит в обмотку ДМ. ДМ сформирует компенсирующий момент, который возвратит маятник в исходное состояние. Таким образом, по
величине тока обратной связи можно будет судить о значении кажущегося ускорения.

В момент начала движения маятника акселерометра на него действует сила трения покоя, которая вводит погрешность в измерения (порог чувствительности).

Сегодня нас интересует простейший колебательный контур , его принцип работы и применение.

За полезной информацией по другим темам переходите на наш телеграм-канал .

Колебания – процесс, повторяющийся во времени, характеризуется изменением параметров системы около точки равновесия.

Первое, что приходит на ум - это механические колебания математического или пружинного маятников. Но ведь колебания бывают и электромагнитными.

По определению колебательный контур (или – это электрическая цепь, в которой происходят свободные электромагнитные колебания.

Такой контур представляет собой электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью C . Соединены эти два элемента могут быть лишь двумя способами - последовательно и параллельно. Покажем на рисунке ниже изображение и схему простейшего колебательного контура.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы .

Принцип действия колебательного контура

Давайте рассмотрим пример, когда сначала мы заряжаем конденсатор и замыкаем цепь. После этого в цепи начинает течь синусоидальный электрический ток. Конденсатор разряжается через катушку. В катушке при протекании через нее тока возникает ЭДС самоиндукции , направленная в сторону, противоположную току конденсатора.

Разрядившись окончательно, конденсатор благодаря энергии ЭДС катушки, которая в этот момент будет максимальна, начнет заряжаться вновь, но только в обратной полярности.

Колебания, которые происходят в контуре – свободные затухающие колебания. То есть без дополнительной подачи энергии колебания в любом реальном колебательном контуре рано или поздно прекратятся, как и любые колебания в природе.

Это обусловлено тем, что контур состоит из реальных материалов (конденсатор, катушка, провода), обладающих таким свойством, как электрическое сопротивление, и потери энергии в реальном колебательном контуре неизбежны. В противном случае это нехитрое устройство могло бы стать вечным двигателем , существование которого, как известно, невозможно.

Еще одна важная характеристика – добротность Q . Добротность определяет амплитуду резонанса и показывает, во сколько раз запасы энергии в контуре превышают потери энергии за один период колебаний. Чем выше добротность системы, тем медленнее будут затухать колебания.

Резонанс LC-контура

Электромагнитные колебания в происходят с определенной частотой, которая называется резонансной Подробнее про резонанс – в нашей отдельной статье. Частоту колебаний можно менять, варьируя такие параметры контура, как емкость конденсатора C , индуктивность катушки L , сопротивление резистора R (для LCR-контура ).

Применение колебательного контура

Колебательный контур широко применяется на практике. На его основе строятся частотные фильтры, без него не обходится ни один радиоприемник или генератор сигналов определенной частоты.

Если вы не знаете, как подступиться к расчету LC-контура или на это совершенно нет времени, обратитесь в профессиональный студенческий сервис . Качественная и быстрая помощь в решении любых задач не заставит себя ждать!

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью