Главная » Островский А.Н. » Приём вкр для публикации в эбс спбгэту "лэти". Интегральные акселерометры Объемные интегральные акселерометры

Приём вкр для публикации в эбс спбгэту "лэти". Интегральные акселерометры Объемные интегральные акселерометры

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.

Датчиками первичной инерциальной информации являются измерители ускорений - акселерометры, основанные законах классической механики Ньютона.

Простейший осевой акселерометр (рис. 15.5) состоит из инерционной массы m, с помощью пружины прикрепленной к основанию. При движении основания в направлении оси X, называемой осью чувствительности акселерометра, с ускорением а к к массе m будет приложена сила инерции F = m а к, в результате чего масса станет перемещаться относительно шкалы в направлении, противоположном вектору ускорения. Со стороны пружины на массу будет действовать обратная по знаку силе F сила

Fпр = Кпр * ΔX,

Рис.15.5. Принцип работы акселерометра

Рис. 15.7.К определению методических погрешностей акселерометра

где К П р - коэффициент жесткости пружины;

ΔХ - линейная величина перемещения массы.

По окончании переходного процесса сила F пр уравновесит силу F, при этом величина ΔХ оказывается пропорциональной измеряемому ускорению:

С помощью потенциометра значение ΔХ может быть преобразовано в электрический сигнал, пропорциональный а к.

Акселерометры измеряют только ускорения, обусловленные действием негравитационных сил, и не измеряют ускорений, вызванных гравитацией. Действительно, если основание, на котором установлен акселерометр, движется к земле с ускорением силы тяжести g (полагаем, что а к = 0), то, поскольку сила тяжести одинаково действует и на основание, и на массу m акселерометра, перемещения массы относительно нулевой отметки шкалы не будет.

Если а к - ускорение, создаваемое разностью сил тяги и лобового сопротивления, то полное абсолютное ускорение основания будет, а = а к - (-g). Знак " - " перед g учитывает отрицательное направление вектора g по оси X. Акселерометр же измерит только ускорение а к, то есть будет иметь место методическая погрешность в измерении полного абсолютного ускорения, равная ускорению силы тяжести. Поэтому в общем случае использование инерциальных систем возможно только в известном поле гравитации. Ускорение а к, измеряемое акселерометром, часто называют "кажущимся", при этом:

В случае горизонтального полета (на постоянной высоте) подъемная сила ЛА уравновешивает силу тяжести. За счет подъемной силы Y в вертикальном направлении создается ускорение а к у. В горизонтальном полете вертикальной составляющей ускорения нет, поэтому, а = а к у + g = 0, откуда а к у = -g, т.е. в этом случае акселерометр с вертикальной осью чувствительности будет измерять ускорение, создаваемое подъемной силой, численно равное, но противоположное по знаку ускорению силы тяжести. Именно в этом смысле следует понимать встречающееся утверждение, что "акселерометр реагирует на ускорение силы тяжести".

Кроме осевых акселерометров в инерциальных системах применяются маятниковые акселерометры, причем у тех и у других для повышения точности работы и диапазона измерений, ограниченных гистерезисом пружины, вместо механической пружины используется электрическая пружина.

Маятниковый акселерометр с электрической пружиной (рис. 15.6) работает следующим образом. При движении ЛА в направлении оси X чувствительности прибора с ускорением а к к массе маятника m, укрепленной на плече 1, будет приложена сила инерции F, создающая относительно оси Z момент силы инерции М = mlа к, в результате чего маятник станет поворачиваться вокруг оси Z. Угол поворота маятника с помощью датчика угла ДУ (потенциометрического, индукционного или другого типа) преобразуется в напряжениеU β = К ду * β (К ду - крутизна характеристики датчика угла), которое после усиления в усилителе до величины U y = K y * U β > (K y - коэффициент усиления усилителя) подается на датчик момента ДМ. Последний прикладывает к оси Z подвеса маятника момент обратной связи

где К дм - крутизна характеристики датчика момента;

К эп = К ду * К у * К дм - коэффициент передачи электрической пружины, таким образом, элементами электрической пружины являются датчик угла, усилитель и датчик момента.

В установившемся режиме момент обратной связи уравновесит момент ил инерции, так что угол поворота маятника и напряжение на выходе усилителя оказываются пропорциональны ускорению:

При повороте маятника вместе с ним на угол в повернется и ось чувствительности. При этом акселерометр будет измерять не все ускорение а к, а его составляющую а К, = a K cos β.

Кроме того, акселерометр станет реагировать и на поперечные ускорения, направленные вдоль оси Y. Это обстоятельство приводит к методической погрешности, уменьшение которой возможно за счет уменьшения угла , что достигается увеличением коэффициента усиления усилителя.

Рассмотренные акселерометры имеют отрицательную обратную связь, обусловленную наличием пружины (механической или электрической). Поэтому такие приборы называют компенсационными .

Ввиду того, что опору с меньшим трением легче изготовить в случае вращательного движения массы m, чем в случае ее поступательного движения, то в инерциальных системах навигации наибольшее применение нашли маятниковые акселерометры.

Пороговая чувствительность современных акселерометров с электрической пружиной составляет порядка 10 -4 - 10 -5 g.

Акселерометры имеют также методические погрешности, обусловленные собственным вращением Земли и перемещением ЛА относительно Земли. Эти погрешности удобно анализировать по уравнениям акселерометров в 1-й или 2-й форме.

Первая форма связывает измеряемые ускорения с абсолютными линейными скоростями ЛА, абсолютными угловыми скоростями вращения ГСП в инерциальной системе отсчета и составляющими удельной гравитационной

силы

Вторая форма измеряемые ускорения связывает с составляющими путевой скорости, относительными угловыми скоростями вращения ГСП и составляющими удельной силы тяжести g T .

Более просто выводятся и выглядят уравнения акселерометров в первой форме. Выше было показано, что акселерометр измеряет не абсолютное, а кажущееся ускорение:

Приведенные зависимости записаны в общем виде, в инерциальной же системе отсчета

Определим вначале значение абсолютного ускорения. В соответствии с теоремой о производной от вектора во вращающейся системе координат:

- производная абсолютной скорости в инерциальном пространстве; - производная абсолютной скорости в относительной (связанной с Землей) системе координат; - абсолютная угловая скорость вращения ГСП;

- векторное произведение скоростей.

Далее разложим по осям с учетом правила для произведения двух векторов:

Теперь, помня, что для инерциальной системы координат(
- вектор удельной гравитационной силы), определим окончательно составляющие абсолютной скорости, значения которых и есть уравнения акселерометра в 1-й форме :

где V x (t o), V y (t o), V z (t o) - начальные значения абсолютной скорости;

g ox , g oy , g oz - составляющие вектора удельной гравитационной силы;

a K X , a K y , а К z - сигналы акселерометров. Из уравнений видно, что для определения скорости (а в последующем и линейных координат) интегрирования одних только сигналов акселерометров недостаточно, необходимо учитывать остальные члены в подынтегральном выражении. Эти члены носят название компенсационных , и неучет их приводит к появлению основных методических погрешностей акселерометров. Компенсационные члены имеют первый или второй порядок малости и не учитываются только в ИКВ-системах. Такое упрощение объясняется следующими рассуждениями:

1)м/с 2 - второй порядок малости;

4) Vz и в особенности вертикальная координата z в ИКВ-системах не вычисляются вследствие вычислительной неустойчивости вертикального канала; в остальных ИНС также из-за вычислительной неустойчивости канала вычисляется только значение Vz.

Полные уравнения акселерометров во 2-й форме имеют вид:

Таким образом, для ИКВ-систем алгоритм вычисления скоростей выглядит так:

где: W - путевые скорости;

Угловые скорости вращения ГСП относительно Земли;

Угловые скорости вращения Земли;

Составляющие удельной силы тяжести.

В ИНС используется как 1-я, так и 2-я Формыуравнений.

Основой любой ИНС является ИКВ. Все ИКВ- это фактически ГСП, удерживаемые в заданном положении специальными гиростабилизаторами.

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.

Акселерометр предназначен для измерения линейных ускорений. Изобретение может найти применение в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации, а также в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, кл. G01P 15/13, опубл. 10.12.97 г.), содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора, а вход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства. Для повышения помехоустойчивости при воздействии электрических помех в него введен источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары, три резистора, два конденсатора, позволяющих за счет охвата усилителей отрицательной обратной связью, осуществить компенсацию электрических помех.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (описанное в АС №742801, опубл. в БИ №23, 1980), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент. Причем первый выход датчика угла подключен через интегрирующий усилитель обратной связи к датчику момента, а второй выход датчика угла через пороговый элемент и дополнительный интегрирующий усилитель подключен к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком акселерометра является малая полоса пропускания, обусловленная работой интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, полоса пропускания зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Акселерометр имеет погрешность измерения, обусловленную конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации. Малая полоса пропускания акселерометра, невысокое быстродействие и малый коэффициент усиления по разомкнутому контуру, определяют точность в установившемся режиме.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания акселерометра и повышение точности измерения.

Это достигается за счет того, что в акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, датчик момента, включенный в отрицательную обратную связь, введены две отрицательные интегрирующие обратные связи, одна с выхода датчика угла на один из входов датчика момента одновременно через усилитель обратной связи и первый интегратор, другая, отрицательная интегрирующая обратная связь, реализована с выхода датчика угла на другой вход датчика момента последовательно по информационным входам через усилитель, фильтр, компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, второй интегратор, триггер, и электронный ключ. Причем, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с выходом генератора вспомогательной частоты. Вход схемы сравнения соединен с выходом генератора вспомогательной частоты через суммирующий двоичный счетчик. Вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока. Выход с реверсивного двоичного счетчика является цифровым кодом акселерометра.

Введение двух отрицательных интегрирующих обратных связей, одна из которых стабилизирующая обратная связь, с выхода датчика угла на один из входов датчика момента через усилитель обратной связи и первый интегратор, другая - с выхода датчика угла на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам усилитель, фильтр, компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, второй интегратор, триггер, электронный ключ позволяют создать акселерометр, работающий в режиме автоколебаний с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием.

На фиг.1 изображена функциональная схема акселерометра, на фиг.2 - схема моделирования, на фиг.3 - результаты моделирования прототипа и предлагаемого устройства.

Акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входами усилителя обратной связи 3, первого интегратора 4, и с усилителем 5. Выход усилителя 5 соединен с входом фильтра 6. Выход фильтра 6 соединен с входом компаратора 7. Выход компаратора 7 соединен с входом преобразователя уровня 8, выходы которого соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 9 и 10. Выходы ЖСГ 9 и 10 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 11. Выход реверсивного двоичного счетчика 11 соединен с входом схемы сравнения 12. Другой вход схемы сравнения 12 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 13. Выход схемы сравнения 12 соединен с входом второго интегратора 14. Выход второго интегратора 14 соединен с входом триггера 15, выход которого соединен с входом электронного ключа 16, другой вход электронного ключа 16 соединен с выходом генератора тока 17. Выход электронного ключа 16 соединен с одним из входов датчика момента 18, другие входы датчика момента 18 соединены с выходом усилителя обратной связи 3 и с выходом первого интегратора 4. Дополнительные входы компаратора 7, ЖСГ 9 и 10, реверсивного двоичного счетчика 11 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 19. Вход схемы сравнения 12 соединен с выходом генератора вспомогательной частоты 19 через суммирующий двоичный счетчик 13.

Внутреннее содержание интеграторов, усилителя, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, порогового элемента, триггера, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, интеграторов, фильтра приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т 1-3, 1993.

Акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент равный m·l·W (где m, l - масса и длинна маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2. Выходной сигнал с датчика угла 2, в виде напряжения, поступает как на вход усилителя обратной связи 3, так и на вход первого интегратора 4. Выходные сигналы с усилителя обратной связи 3 и первого интегратора 4, после преобразования в ток, поступают на один из входов датчика момента 18. Элементы, входящие в структуру акселерометра, 2, 3, 4, 18, образуют первую интегрирующую отрицательную обратную связь. Сигнал с датчика угла 2 поступает также на вход усилителя 5, а затем в виде напряжения на вход фильтра 6. Сигнал с выхода фильтра 6, в виде напряжения, поступает на вход компаратора 7. В компараторе 7 происходит сравнение сигнала с выхода фильтра 6 с сигналом, выделенного стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 19. Если сигнал с выхода фильтра 6 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 19, то на выходе компаратора 7 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 7 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 7 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 7, в виде уровня, поступают на вход преобразователя уровня 8, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 9 и 10, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 19, выдают сигналы в виде импульса, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 8), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 11, по сигналу с генератора вспомогательной частоты 19, производит подсчет единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 9 и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 10. Реверсивный двоичный счетчик 11 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 12 и суммирующим двоичным счетчиком 13. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 12, сигнал с выхода 12 поступает на вход второго интегратора 14, а затем на вход триггера 15. Сигнал, в виде уровня, с триггера 15 поступает на вход электронного ключа 16. Стабилизацию параметров электронного ключа 16 осуществляет генератор тока 17. На выходе электронного ключа 16 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 12. На вход датчика момента 18 поступает сигналы с выходов усилителя обратной связи 3 и первого интегратора 4, также с выхода электронного ключа 16. Сигнал, поступающий на обмотку датчика момента 18, будет со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 11. Выход реверсивного двоичного счетчика 11 является выходом цифрового кода акселерометра. Первая отрицательная интегрирующая обратная связь, содержащая усилитель обратной связи 3 первый интегратор 4 и датчик момента 18, осуществляет стабилизацию параметров акселерометра. Вторая интегрирующая отрицательная обратная связь, образованная элементами 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, 16 и 18, осуществляет расширение полосы пропускания и повышение точности.

Введение в акселерометр двух интегрирующих отрицательных обратных связей с выхода датчика угла на вход датчика момента позволяет создать устройство с астатизмом по отклонению, работающее в автоколебательном режиме с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием.

На фиг.2 изображена схема моделирования предлагаемого устройства. На фиг.3 переходные процессы в прототипе (1) и в предлагаемом устройстве (2). Из их анализа следует, что предлагаемое устройство, работающее в автоколебательном режиме, имеет значительную полосу пропускания и быстродействие.

Предложенный способ изменения полосы пропускания и точности может быть использован в устройствах компенсационного типа (акселерометры и датчики угловой скорости) выпускаемых промышленностью без изменения их конструкции и технологии изготовления.

Акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, датчик момента, включенный в отрицательную обратную связь, отличающийся тем, что в него введены две отрицательные интегрирующие обратные связи, одна с выхода датчика угла на один из входов датчика момента одновременно через усилитель обратной связи и первый интегратор, другая, отрицательная интегрирующая обратная связь, реализована с выхода датчика угла на другой вход датчика момента последовательно по информационным входам через усилитель, фильтр, компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, второй интегратор, триггер, электронный ключ, причем дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, кроме того, вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока, и вход схемы сравнения соединен с выходом генератора вспомогательной частоты через суммирующий двоичный счетчик, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым кодом устройства.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейного ускорения. Компенсационный акселерометр содержит корпус со стойкой, первую пластину из монокристаллического кремния, вторую пластину с двумя неподвижными электродами дифференциального емкостного преобразователя положения, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом, усилитель, причем последовательно по длине стойки от основания стойки установлены постоянный магнит, вторая пластина, первая пластина и третья пластина.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических компенсационных акселерометрах. Чувствительный элемент содержит инерционную массу, упругие элементы, катушку обратной связи, проводящие дорожки для электрической связи катушек обратной связи со схемой управления, стеклянные обкладки, внешнюю рамку, с расположенными на ней площадками крепления к стеклянным обкладкам.

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении маятниковых компенсационных акселерометров, предназначенных для измерения значительных линейных ускорений.

Акселерометр предназначен для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Акселерометр содержит чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, выходы которого соединены с входами сумматора через пороговый элемент и интегрирующий усилитель, и датчик момента, включенный в отрицательную обратную связь. Выход сумматора является аналоговым выходом устройства. Для повышения точности и расширения полосы пропускания в акселерометр введены две отрицательные обратные связи: одна - с выхода датчика угла на один из входов датчика момента через дифференцирующий фильтр, другая - отрицательная интегрирующая обратная связь, реализована с выхода сумматора на другой вход датчика момента последовательно по информационным входам через компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ. Дополнительные входы компаратора, реверсивного двоичного счетчика, ждущих синхронных генераторов соединены с генератором вспомогательной частоты. Кроме того, вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока. Вход схемы сравнения соединен с выходом генератора вспомогательной частоты через суммирующий двоичный счетчик. Выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства. Отрицательная обратная связь, реализованная с выхода датчика угла на вход датчика момента, через дифференцирующий фильтр, осуществляет стабилизацию параметров акселерометра. Введение в акселерометр интегрирующей отрицательной обратной связи позволяет создать устройство с астатизмом по отклонению, работающее в автоколебательном режиме, с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения ускорений в системах коррекции дальности полета реактивных снарядов. Целью предлагаемого изобретения является уменьшение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра. Компенсационный акселерометр содержит инерционный элемент (1), колебательную систему (2), преобразователь перемещения (3), усилитель цепи уравновешивания (4), обратный преобразователь (5), узел подключения масштабирующего резистора (6), термокомпенсирующий усилитель (7). В цепь отрицательной обратной связи термокомпенсирующего усилителя между его инвертирующим входом и резистором обратной связи включена цепь, состоящая из датчика температуры R01, зашунтированного резистором RШ1, значение электрического сопротивления которого выбирается из условия: где где K∑(t) - скомпенсированное значение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра; Kt0(t0), Kt0(Δt1), Kt0(Δt2) - температурная характеристика усилителя термокомпенсации при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно; KA(t0), KA(Δt1), KA(Δt2) - температурная характеристика акселерометра при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно; Kt(t0), Kt(Δt1), Kt(Δt2) - температурная характеристика выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно; R0, R01 - электрическое сопротивление медных катушек, подключенных ко входу термокомпенсирующего усилителя и в цепь его отрицательной обратной связи соответственно, при номинальном значении окружающей среды; αR, αM - температурные коэффициенты сопротивления резисторов RП, RП1 и медных катушек R0, R01 соответственно; Δt - приращение значения температуры окружающей среды акселерометра относительно ее номинального значения. Подключение двух датчиков температуры в схему термокомпенсирующего усилителя позволяет линеаризовать скомпенсированную температурную характеристику акселерометра, что обеспечивает уменьшение температурной нестабильности его коэффициента преобразования и снижение трудоемкости процесса его температурной отладки. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорений и может быть использовано в системах стабилизации и навигации. Сущность: устройство содержит чувствительный элемент (1), датчик положения (2), выход которого соединен с входом усилителя (4) со стабильным коэффициентом усиления, магнитоэлектрический силовой преобразователь (15), включенный в отрицательную обратную связь. При этом в него введены аналоговая, интегрирующая и дискретная отрицательные обратные связи. Аналоговая отрицательная обратная связь реализована с выхода датчика (2) положения на один из входов магнитоэлектрического силового преобразователя (15) через последовательно соединенные по информационным входам усилитель (4) переменного тока, первый логический элемент (5), схему (8) исключающее ИЛИ, фильтр (9), первый преобразователь (10) напряжение-ток и сумматор (11). Интегрирующая отрицательная обратная связь реализована с выхода схемы (8) исключающее ИЛИ на вход магнитоэлектрического силового преобразователя (15) через последовательно соединенные по информационным входам первый интегратор (12), второй преобразователь (13) напряжение-ток и сумматор (11). Дискретная отрицательная обратная связь введена с выхода схемы (8) исключающее ИЛИ на вход магнитоэлектрического силового преобразователя (15) через последовательно соединенные по информационным входам триггер (14) и сумматор (11). Кроме того, генератор (3) опорного напряжения соединен как с датчиком (2) положения, так и с фазовым сдвигателем (6). Выход фазового сдвигателя (6) соединен с одним из входов схемы (8) исключающее ИЛИ через второй логический элемент (7). Один из выходов триггера (14) соединен с входом реверсивного двоичного счетчика (16), выход которого является дискретным выходом акселерометра. Технический результат: расширение полосы пропускания и увеличение точности измерения ускорений. 6 ил.

Компенсационный акселерометр предназначен для применения в системах стабилизации и навигации. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя со стабильным коэффициентом усиления, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь. При этом в него дополнительно введены аналоговая, интегрирующая и дискретная интегрирующая отрицательные обратные связи. Аналоговая отрицательная обратная связь реализована с выхода датчика положения на один из входов магнитоэлектрического силового преобразователя через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, первый логический элемент, схему исключающее ИЛИ, фильтр, первый преобразователь напряжение-ток и сумматор. Интегрирующая отрицательная обратная связь реализована с выхода схемы исключающее ИЛИ, на вход магнитоэлектрического силового преобразователя через последовательно соединенные по информационным входам первый интегратор, второй преобразователь напряжение-ток и сумматор. Дискретная интегрирующая отрицательная обратная связь введена с выхода схемы исключающее ИЛИ на вход магнитоэлектрического силового преобразователя через последовательно соединенные по информационным входам второй интегратор, триггер и сумматор. Кроме того, генератор опорного напряжения соединен как с датчиком положения, так и с фазовым сдвигателем, выход которого соединен с одним из входов схемы исключающее ИЛИ через второй логический элемент, а один из выходов триггера соединен с входом реверсивного двоичного счетчика, выход которого является дискретным выходом компенсационного акселерометра. Технический результат заключается в расширении полосы пропускания и увеличении точности измерения ускорений. 3 ил.

Изобретение относится к датчикам первичной информации (приборам) для измерения линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что в компенсационном маятниковом акселерометре, в котором магнитоэлектрический датчик момента представляет собой две магнитные системы, состоящие из постоянных магнитов, закрепленных с торцевой части в магнитопроводы в виде обода, катушка датчика момента напылена на верхней и нижней поверхностях единой пластины монокристаллического кремния маятникового чувствительного элемента, измерительный узел выполнен в виде компактного пакета, склеенного в не менее чем в четырех местах контакта пазов на плоских изолирующих платах и платиках единой пластины монокристаллического кремния маятникового чувствительного элемента, подача и вывод электрического сигнала на элементы измерительного узла от элементов электроники осуществляется с помощью токопроводящих контактов, выполненных в виде штырей, крепление элементов магнитных систем, измерительного узла и элементов электроники осуществляется с помощью направленных навстречу друг другу пар винтов, закрепленных в общей трубке с внутренней резьбой, при этом в основаниях головок которых расположены уплотняющие прокладки, элементы электроники и термодатчик расположены в отдельном отсеке, который изолируется крышкой, а в месте контакта элементов магнитной системы и платы электроники расположена изолирующая прокладка, кроме того, в защитном кожухе предусмотрено отверстие для осуществления вакуумирования внутреннего пространства прибора. Технический результат - повышение точности измерения. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой компенсационный акселерометр и предназначено для использования в качестве измерительного преобразователя линейных ускорений. Акселерометр содержит корпус, первую пластину из монокристаллического кремния с подвижной и неподвижной частями и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения с двумя неподвижными электродами на второй пластине, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, установленной на двух подставках на подвижной части, груз на подвижной части, усилитель. Для минимизации угловой деформации подвижной части первой пластины при температурных воздействиях на ней в области расположения установленных симметрично относительно оси подвеса подставок выполнены прорези. Техническим результатом является повышение точности измерения ускорения. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент, датчик угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующий усилитель. Генератор опорного напряжения соединен как с входом датчика угла, так и с входом фазового детектора отрицательной обратной связи. Выход компаратора соединен последовательно по информационным входам с входом датчика момента через преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, пороговый элемент, электронный ключ, генератор тока, соединенный с входом электронного ключа. Генератор вспомогательной частоты соединен с входами компаратора, пары ждущих синхронных генераторов, суммирующего двоичного счетчика и реверсивного двоичного счетчика. Один из выходов фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом датчика момента через фильтр. На вход компаратора введена стабилизирующая цепь, содержащая два контура, вход которой соединен с выходом фазового детектора отрицательной обратной связи. Выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. Технический результат заключается в возможности измерения ускорений, при этом компенсационный акселерометр работает в автоколебательном режиме, с астатизмом и с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием. 3 ил.

Изобретение относится к средствам измерения линейных ускорений. Сущность: акселерометр содержит корпус (1), в котором размещены маятниковый пластинчатый чувствительный элемент (МЧЭ) (2), упругий подвес, посредством которого МЧЭ связан с корпусом (1); магнитоэлектрический датчик (3) момента, фотоэлектрический датчик (6) угла перемещения, компенсационный усилитель (10). Упругий подвес состоит из двух соосно расположенных металлических растяжек (7) с прямоугольным поперечным сечением, закрепленных в МЧЭ (2) и в корпусе (1), и устройства (8) крепления растяжек (7). Металлические растяжки (7) являются токопроводами к выводам катушек (5) магнитоэлектрического датчика (3) момента. При этом обе растяжки (7) установлены так, что их большая сторона сечения параллельна продольной оси катушек магнитоэлектрического датчика (3) момента. Технический результат: увеличение динамического диапазона измерений, обеспечение малой величины и высокой стабильности смещения нуля прибора, обеспечение надежности в условиях механических воздействий. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно - к инерционным датчикам порогового действия, осуществляющим регистрацию и запоминание в автономном режиме (без источника электропитания) информации о достижении ускорением заданных предельных уровней. Датчик предельных ускорений содержит корпус с установленным в нем инерционным телом, предварительно поджатым к упору упругим элементом, установленным с возможностью перехода из одного устойчивого положения в другое путем прощелкивания. Упругий элемент выполнен в виде гибкой тарельчатой пружины с краевыми гофрами, имеющей на участке рабочего хода отрицательную жесткость, при этом в центральном отверстии тарельчатой пружины установлено инерционное тело сферической формы. Технический результат: повышение точности срабатывания датчика при действии ускорений, действующих вдоль и под углом к оси датчика, в том числе ударных импульсов произвольной формы, и повышение устойчивости в условиях вибронагружений. 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Заявлен компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, датчик момента, отрицательную обратную связь, фазовый детектор отрицательной интегрирующей обратной связи, вход которой соединен с выходом усилителя. Дополнительные входы датчика угла и фазового детектора отрицательной интегрирующей обратной связи соединены с выходом генератора опорного напряжения. Выход фазового детектора отрицательной интегрирующей обратной связи соединен с входом интегрирующего усилителя, выходы которого соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов через управляемый релейный элемент и преобразователь уровня. Выходы пары ждущих синхронных генераторов соединены с входом двоичного умножителя через последовательно соединенные по информационным входам реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой и схему собирания, и выход двоичного умножителя соединен через цифровой фильтр с одним из входов знакового переключателя, другой вход которого соединен с выходом реверсивного двоичного счетчика. Выход знакового переключателя соединен с входом датчика моментов через сумматор. Выход двоичного умножителя является дискретным выходом. Дополнительные входы пары ждущих синхронных генераторов, управляемого релейного элемента соединены с выходом схемы синхронизации. В отрицательную обратную связь введен блок управления динамической ошибкой, вход которого соединен с выходом фазового детектора отрицательной обратной связи через сглаживающий фильтр, а выход блока управления динамической ошибкой соединен с одним из входов сумматора через преобразователь напряжение-ток. Кроме того, выход управляемого релейного элемента соединен с входом аналогового фильтра с передаточной функцией (где Т - постоянная времени, s - оператор преобразования Лапласа) и выход аналогового фильтра является аналоговым выходом устройства. Технический результат - повышение точности и расширение полосы пропускания. 3 ил.

Изобретение относится к системам навигации и может применяться в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения. Акселерометр содержит чувствительный элемент, датчик момента, включенный в отрицательную обратную связь. В акселерометр введены две отрицательные интегрирующие обратные связи, одна с выхода датчика угла на один из входов датчика момента одновременно через усилитель обратной связи и первый интегратор, другая, отрицательная интегрирующая обратная связь, реализована с выхода датчика угла на другой вход датчика момента последовательно по информационным входам через усилитель, фильтр, компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, второй интегратор, триггер, электронный ключ. Дополнительные входы компаратора соединены с выходом генератора вспомогательной частоты. Вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока, и вход схемы сравнения соединен с выходом генератора вспомогательной частоты через суммирующий двоичный счетчик, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым кодом устройства. 3 ил.

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

Приём вкр для публикации в эбс спбгэту "лэти". Интегральные акселерометры Объемные интегральные акселерометры

Популярное