Дослідження показників акселерометра. Новинний та аналітичний портал "Час електроніки". Статичний режим випробування акселерометрів

Вступ

Глава 1. Аналіз якісних характеристик прецизійних акселерометрів та дослідження шляхів підвищення точності.

1.1. Аналіз сучасних прецизійних акселерометрів та вибір об'єкта дослідження. 11

1.2. Конструкція та технологія збирання акселерометра 18

1.3. Основні параметри, що визначають точність акселерометра, та рівень їх реалізації 24

1.4. Постановка завдання дослідження. 31

Розділ 2. Розробка математичної моделі з оцінки статичних параметрів точності акселерометра . 33

2.1. Модель нульового сигналу акселерометра АК-6. 35

2.2. Оцінка ступеня впливу первинних конструкторсько-технологічних параметрів на величину та стабільність "нуля" та "бази" акселерометрів. 48

2.3. Висновки 51

Глава 3. Аналіз фізичних процесів, що визначають домінуючі похибки акселерометра та розробка шляхів зменшення похибки. 53

3.1. Дослідження впливу кріплення чутливого елемента в корпусі акселерометра на стабільність осі чутливості приладу. 54

3.2. Аналіз роботи деталей та вузлів ЧЕ при зміні температури. 61

3.3. Експериментальне дослідження причин нестабільності нульового сигналу та бази акселерометра у процесі виготовлення та експлуатації. 67

3.5. Висновки 77

Розділ 4. Розробка методів та засобів оцінки характеристик якості акселерометрів у процесі їх випробувань . 79

4.1. Аналіз існуючого технологічного процесу калібрування акселерометрів. 80

4.2. Розробка методики калібрування блокової системи акселерометрів для високоточних інерційних систем навігації. 83

4.3. Скалярна методика калібрування акселерометрів. 85

4.3.1. Аналіз конструктивно-технологічних чинників, що зумовлюють основні похибки тріади акселерометрів та розробка моделі помилок. 85

4.3.2. Виведення рівнянь зв'язку тріади акселерометрів. 89

4.4. Шляхи підвищення точності оцінки параметрів акселерометрів тріади. 93

4.5. Висновки. 97

Глава 5. Визначення вимог до технологічного обладнання та експериментальна перевірка адекватності визначення параметрів запропонованої методикою калібрування. 98

5.1. Первинні фактори, що враховуються під час моделювання процесу калібрування. 98

5.2. Опис алгоритму моделювання запропонованої методики. 101

5.3. Математичне моделювання процесу калібрування тріади акселерометрів. 109

5.4. Аналіз результатів математичного моделювання 111

5.5. Експериментальна перевірка та аналіз точності визначення параметрів приладів за базовою та скалярною

методикам калібрування. 137

5.6. Аналіз впливу квадратичної складової похибки на результати контрольних вимірів широкому діапазоні зміни прискорення. 141

5.7. Висновки. 151

Основні результати роботи. 152

Список літератури.

Введення в роботу

Розвиток авіаційного приладобудування нерозривно пов'язане зі створенням літальних апаратів (ЛА) нових типів, що мають велику швидкість і дальність польоту і потребують все більш високого рівня автоматизації процесів управління польотом.

Серед безлічі інформаційних систем, Що забезпечують формування даних про поточні параметри руху ЛА, особливе місце посідають інерційні навігаційні системи (ІНС). Будучи автономними, тобто. повністю схибленими, вони забезпечують необхідною інформацією всі системи управління рухом ЛА .

Слід зазначити, що існуючі системи супутникової навігації, в даний час, для застосування в бортовому обладнанні розглядаються як додаткові та коригувальні засоби. Обмеження використання супутникової навігації насамперед пов'язане з проблемами сталості прийому сигналів, малою частотою оновлення інформації, складнощами у визначенні кутового руху літального апарату щодо центру мас тощо. Однак висока точність визначення поточних координат створює передумови до застосування таких систем для корекції. дрейфів інерційних чутливих елементів з метою підвищення інтегральної точності ІНС.

Останнім часом вдалося суттєво підвищити швидкодію та надійність бортових обчислювальних пристроїв, завдяки чому велике поширення набули безплатформні (безкарданні) інерційні навігаційні системи (БІНС), у яких фізична опорна система замінена на математичну.

Маючи низку переваг у порівнянні з платформними ІНС, до яких можна віднести значне спрощення конструкції, наслідком чого є зменшення масогабаритних параметрів, підвищення

ПЛАТФОРМЕННІ ІНЕРЦІАЛЬНІ НАВІГАЦІЙНІ СИСТЕМИ

БЕЗКОШТОВНІ ІНЕРЦІАЛЬНІ НАВІГАЦІЙНІ СИСТЕМИ

фізичний 3-гранник

математичний 3-гранник

Нестабільність нуля та

бази акселерометра від

запуску до запуску

Нестабільність дрейфу гіроскопа у запуску

Динамічний

діапазон гіроскопу

^h

про "a про с

Розворот блоку Ч.Е. на будь-який кут навколо будь-якої з 3-х осей.

Горизонтування

Калібрсвка Ч.Е. у кожному запуску

«Ьвічеосі гірокомпасування

Нестабільність нуля та бази акселерометра у запуску

Положення осей блоку ЧЕ незмінно у вибраній системі координат

^МЬ~

Динамічний

діапазон акселерометра

Нестабільність

масштабного коефіцієнта

акселерометра

Час готовності блоку Ч.Э.

-sL 4 ^

Жорстка прив'язка блоку Ч.Е. до осей об'єкта OI.A).

Математичне гірокомпасування

Нестабільність дрейфу

гіроскоп від запуску до

запуску

Положення осей блоку ЧЕ змінюється відповідно до зміни осей Л.А.

Нестабільність масштабного

коефіцієнта гіроскопа

Відсутність термостабілізації

Енергоспоживання

Нестабільність темп. коеф.

Мал. 1.1.1. Вимоги до ЧЕ сучасними системамиінерційною

навігації.

надійності, скорочення життєвого циклу, зменшення

енергоспоживання, збільшення обсягу інформації, що формується, БІНС істотно підвищує вимоги до параметрів датчиків первинної інформації. Відмінність вимог платформних ІНС та БІНС до гіроскопів та акселерометрів наведено на Рис. 1.1.1.

Підвищення точності будь-якої інерційної навігаційної системи пов'язане з вирішенням проблеми створення акселерометрів прецизійного класу. Тенденція витіснення платформних систем безплатформенними ще більше ускладнює завдання, оскільки різко посилює вимоги до параметрів точності акселерометрів. У першу чергу це відноситься до величини та стабільності його нульового сигналу ("нуля"), масштабного коефіцієнта (МК) та положення осі чутливості ("бази") у широкому діапазоні експлуатаційних умов, що визначається неможливістю калібрування акселерометра при кожному включенні БІНС. Вирішення цієї задачі неможливе без більш поглибленого аналізу причин виникнення похибок акселерометра та впливу конструкторсько-технологічних параметрів на величини та стабільність "нуля", "баз" та масштабного коефіцієнта, на основі якого можуть бути розроблені технічні пропозиції, як щодо вдосконалення конструкції, так і технології. виготовлення акселерометра.

Атестація зазначених вище параметрів якості акселерометрів є невід'ємною складовою технологічного процесу його виготовлення. Оскільки похибка атестації безпосередньо входить одержувані оцінки параметрів акселерометрів, підвищення точності акселерометра однозначно тягне за собою жорсткість вимог до точності вимірювального обладнання. Методика атестації (калібрування), що використовується в даний час в серійному виробництві, заснована на використанні обладнання, похибка якого порівнянна з оцінюваними параметрами. Крім того, вартість цього обладнання (в першу чергу прецизійних оптичних

ділових головок) дуже висока, а сам процес відрізняється великою трудомісткістю в основному через неможливість його автоматизації.

Відповідно до викладеного, дослідження факторів, що визначають похибку акселерометра, та розробка на його основі конструкторсько-технологічних рекомендацій щодо підвищення точності, а також створення більш ефективної методики калібрування є актуальним завданням.

У цій роботі розглянуто питання доведення параметрів кварцового акселерометра АК-6, розробленого у ВАТ "Московський Інститут Електромеханіки та Автоматики", до вимог сучасних БІНС, у зв'язку з чим, розроблена математична модель основних параметрів приладу, розглянуто технологічні аспекти конструкції та складання даного акселерометра , на основі аналізу яких запропоновано шляхи модернізації конструкції, а також розглянуто нову модульну модель калібрування акселерометрів.

Метою роботиє розробка конструктивно-технологічних рішень, що забезпечують підвищення точності акселерометра, а також створення нової методики калібрування акселерометра, що забезпечує необхідну точність визначення параметрів приладів за умови зниження трудомісткості процесу та застосування менш дорогого обладнання.

Завдання дослідження.

Відповідно до мети роботи можна сформулювати такі завдання дослідження:

виявлення параметрів точності акселерометрів, що серійно випускаються, не задовольняють вимогам перспективних БІНС;

дослідження конструктивно-технологічних причин та аналіз фізичної природи утворення домінуючих похибок акселерометра;

формалізація зв'язку конструктивно-технологічних параметрів акселерометра з його похибками;

розробка та експериментальна перевірка ефективності конструкторських та технологічних рекомендацій щодо вдосконалення конструкції та технології складання акселерометра;

розробка та підтвердження ефективності методики калібрування акселерометрів, що забезпечує необхідну точність, зниження трудомісткості процесу та не вимагає для своєї реалізації дорогого обладнання. Методи дослідження.

Отримані результати базуються на комплексному застосуванні основних положень теоретичної механіки, теорії електричних ланцюгів, теорії точності виробництва, математичних методів аналізу, теорії лінійних векторних просторів, методів апроксимації та лінеаризації, а також натурного та математичного моделювання. Наукова новизнароботи полягає в:

побудові та експериментальному підтвердженні фізичної моделі похибки акселерометра, пов'язаної з нестабільністю положення пластини чутливого елемента та найчутливішого елемента в корпусі акселерометра;

розроблення математичної моделі, що описує : : домінуючі похибки акселерометра у його конструктивно-технологічних параметрах;

розроблення модульної методики калібрування акселерометрів; , формулювання та обґрунтування вимог до спеціального обладнання для калібрування акселерометрів за пропонованою методикою Практична цінністьроботи полягає в:

розробці технічних рішеньщодо вдосконалення конструкції та технологічного процесу складання акселерометрів, що забезпечують зменшення його домінуючих похибок;

застосування розробленої математичної моделі похибки акселерометра для вибору раціональних величин параметрів його електронного контуру та обґрунтованих допусків на відхилення цих параметрів з точки зору забезпечення необхідної точності акселерометра;

розроблення та експериментальне підтвердження

ефективності нової методики калібрування акселерометрів,

забезпечує істотне підвищення точності оцінок при

різке зниження вимог до точності випробувального обладнання;

впровадження розроблених технічних рішень у

конструкторську документацію та технологічний процес складання

акселерометра АК-6, що серійно випускається.

Апробація роботи. Матеріали представлені в цій

дисертаційну роботу, доповідалися на наступних конференціях:

Всеросійська науково-технічна конференція "Нові матеріали та технології" НМТ - 2000, "Нові матеріали та технології" НМТ - 2002, Міжнародна молодіжна наукова конференція"XXVII Гагарінські читання" 2001р "XXVIII Гагарінські читання" 2002р, "XXIX Гагарінські читання" 2003р., Міжнародний симпозіум "Аерокосмічні приладові технології" 2002р.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані у 8 друкованих роботах та технічних звітах випущених у МІЕА у 2000/01 р.

Структура та обсяг дисертації: Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та списку літератури зі 111 найменувань. Матеріал викладено на 153 сторінках ілюстрованих 70 малюнками, графіками та 35 таблицями. Зміст дисертації.Робота складається із п'яти розділів.

У у веденнікоротко розглянуто актуальність та практичну цінність роботи. Сформульовано мету роботи, завдання та методи досліджень, наукову новизна, результати апробації та впровадження даної роботи. Наведено структуру дисертації та короткий зміст основних розділів.

У першому розділідано огляд конструкцій, принципів роботи та характеристик ряду акселерометрів, виявлено основні параметри, що визначають точність акселерометра, детально розглянуто конструкцію кварцового акселерометра АК-6.

У другому розділістворено математичну модель нульового сигналу акселерометра, на її основі дано оцінку ступеня впливу параметрів конструкторсько-технологічних елементів на величину та стабільність "нуля" та "бази" акселерометрів.

У третьому розділіна основі експериментальних та теоретичних досліджень проведено аналіз та сформульовано вимоги до конструкції чутливого елемента та кріплення його в корпусі АК-6, з метою підвищення точності та стабільності "бази" та нульового сигналу акселерометра в широкому температурному діапазоні. Запропоновані конструкція та технологія збирання приладу впроваджені у виробництво.

У п'ятому розділіпроведено математичне моделювання, на основі якого сформульовані вимоги до обладнання для випробування акселерометрів, а також експериментальна перевірка адекватності параметрів, що визначаються за пропонованою методикою.

У висновкунаведено основні результати роботи та висновки по ній.

Конструкція та технологія збирання акселерометра

Акселерометр АК-6 - маятниковий, компенсаційного типу з пружним підвісом чутливого елемента, реалізованим на двох торсіонах завтовшки 20 мкм.

Принцип дії акселерометра АК-6 визначається основним законом динаміки, відповідно до якого, при русі об'єкта на якому встановлено акселерометр у напрямку осі його чутливості з прискоренням, а виникає інерційний момент Мі щодо осі підвісу еталонної маси, що призводить до її кутового відхилення Д яке вимірюється датчиком становища (ДП). Сигнал з ДП надходить через підсилювач зворотнього зв'язку(УОС) на обмотку датчика сили (ДВ). ДС розвиває щодо осі підвісу маси момент М, що компенсує інерційний момент Мі. При цьому вихідна напруга U на опір навантаження RH пропорційні вимірюваному прискоренню а.

Конструктивно акселерометр АК-6 складається з наступних основних частин, рис. 1.2.1.:

1. Чутливого елемента, що забезпечує фіксацію еталонної маси, а також реалізує ДП та ДС.

2. Підсилювача зворотного зв'язку, що перетворює сигнал ДП сигнал управління ДС, одночасно є і вихідним сигналом акселерометра.

3. Термодатчика, що формує електричний сигнал пропорційний до фактичної температури у внутрішній порожнині акселерометра.

4. Герметичного корпусу, в який укладено перелічені вище вузли. Конструктивно-структурна схема аналізованого кварцового акселерометра з виділенням проміжних складальних вузлів показано на Рис. 1.2.2. Чутливий елемент.

Складається з двох корпусів (19 і 32) зі сформованими обкладками датчика переміщення і магнітами (31) датчика сили, кварцової пластини (34), що складається із зовнішнього кільця, що використовується для її закріплення між корпусами ЧЕ по платиках, з'єднаного торсіонами з маятником на якому напилені обкладки ДП та закріплені котушки (28) складові з магнітами корпусів систему ДС, а також сполучного кільця.

Технологічний процес виготовлення кварцової пластини є оригінальними та містить комплекс операцій з формування маятника та торсіонів та забезпечення жорстких вимог до частоти, площинності та паралельності її поверхонь.

Потім, за допомогою хімічного травлення, з використанням захисних масок, з пециїну за два переходи формують спочатку платики, а потім задану товщину торсіонів. Після повного формування пластини на ній створюються обкладки ємнісного ДП та провідники ланцюга ДС методом термовакуумного напилення золота завтовшки 0,1 мкм. Для забезпечення необхідної адгезії золото напилюють на підшар хрому, який формують аналогічним способом.

Каркас з намотаною котушкою датчика сили приклеюється до язичка пластини клеєм на епоксидній основі, а висновки котушки приєднуються до напилених провідників термокомпресійним зварюванням.

Зварювання чутливого елемента виробляють у спеціальному пристосуванні, який забезпечує взаємне центрування верхнього та нижнього корпусу ЧЕ щодо пластини. У пристосуванні є регульований притиск, що забезпечує зусилля стиснення корпусів, при цьому точка застосування стискаючої сили прикладається в центрі тиску платиків, тобто. у центрі тяжкості трикутника, утвореного платиками. Дані операції проводяться для фіксації пластини тільки платиками і забезпечення рівномірного зазору між маятником пластини і корпусами ЧЕ.

Корпуси ЧЕ з'єднуються жорстким кільцем з того ж матеріалу за допомогою точкового лазерного зварювання, яке виконується за спеціальним алгоритмом.

Оцінка ступеня впливу первинних конструкторсько-технологічних параметрів на величину та стабільність "нуля" та "бази" акселерометрів.

Розглядаючи отримане рівняння (2.32.) видно, що статична похибка положення маси за умови а=0, яка дорівнює відхилення осі чутливості акселерометра від базової, визначається технологічними похибками виготовлення датчика положення, а так само диференціального та інтегруючого підсилювачів підвісу маси та електростатичних сил датчика положення. Вираз (2.32.) підтверджує факт, що у реальному акселерометрі повне виключення методичної похибки неможливе.

Аналіз рівняння (2.35.) однозначно показує, що існують незалежні складові нульового сигналу, по-іншому положення по кожній з обурювальних сил і нульовим положенням. Однак, незалежно від природи похибок, їх вплив може бути значно зменшено раціональним вибором геометричних параметрів торсіонів і напруги збудження датчика положення, що забезпечують виконання умови кт = ке. Необхідно відзначити, що умова кт-0 і ке-0 у загальному вигляді є некоректною, тому що не враховує інших істотних вимог до акселерометра. Зокрема це стосується механічної міцності торсіонів і мінімально допустимої крутизні характеристики інформаційного сигналу датчика положення. Тому повна сукупність умов має бути, як кт = ке при кт- min і ке - min, тобто. має місце оптимізаційне завдання. Вибір інших номінальних параметрів, що входять у (2.35.) як і завдання оптимізації, під час вирішення якої отримані співвідношення крім (2.15.) є необхідною, але явно недостатньою сукупністю математичних моделей. Однак за вибраних номінальних параметрів дані співвідношення дозволяють вирішити задачу раціонального розподілу допусків на ці параметри.

Розглядаючи завдання раціонального розподілу допусків щодо аналізу точності вироби, заснованого на теорії чутливості , перейдемо до визначення функцій впливу первинних параметрів на Ueblxo і Л0. При цьому як первинні параметри в ряді випадків будемо розглядати відхилення конструктивних параметрів від номінальних величин. У цьому випадку за номінальне значення відхилення приймемо нуль. Грунтуючись на правилі диференціювання складних функційі з огляду на, що у точці диференціювання справедливі співвідношення: отримаємо такі висловлювання для функцій впливу первинних параметрів на величину Д0:

На підставі проведеного аналізу можна зробити такі висновки: -формування однієї з основних похибок акселерометра - його нульового сигналу відбувається на етапі складання та обумовлено технологічним розкидом первинних параметрів основних функціональних елементівакселерометра; - методична похибка акселерометра, пов'язана з початковим зміщенням осі чутливості, визначається похибками його інформаційно-підсилювального тракту, що є наслідком неідеальності операційних підсилювачів і тому не може бути повністю виключена; - Вказана методична похибка не залежить від параметрів силових характеристикторсіонів підвісу маси та електростатичного впливу датчика положення; - нульовий сигнал акселерометра містить дві незалежні складові, одна з яких суть похибки електронного ланцюга, друга - похибка збирання електромеханічної частини; проведений аналіз дозволяє укласти, що технологічні похибки істотно впливають на параметри електростатичної сили, ніж на інформаційний сигнал; - сформульовані деякі вимоги щодо вибору номінальних параметрів функціональних елементів, повна сукупність вимог може бути отримана за рахунок доповнення побудованої математичної моделі функціональними моделями, що описують експлуатаційні параметри акселерометра; -Побудована математична модель дозволяє вирішити завдання раціонального вибору допусків на первинні параметри основних функціональних елементів акселерометра з метою підвищення стабільності його нульового сигналу та "бази".

Аналіз роботи деталей та вузлів ЧЕ при зміні температури.

На підставі виконаної роботи були сформульовані такі рекомендації для забезпечення стабільності похибки бази та нульового сигналу в АК-6.

З метою виключення можливих переміщень кварцової пластини щодо корпусів ЧЕ, пов'язаних з перевищенням на крайніх точках температурного діапазону напруг у зовнішньому кільці пластини сил тертя площин платиків по посадкових площинах корпусів, необхідно забезпечити гарантоване зусилля стиснення корпусів ЧЕ з'єднувальним кільцем у всьому температурному діапазоні : - Зміною конструкції сполучного кільця, що забезпечує його попереднє розтягування у вертикальному напрямку, тобто. виконанням його у вигляді пружини; - Зміною технологічного процесу складання, що забезпечує попереднє розтягування сполучного кільця. . З'єднувальне кільце ЧЕ З цією метою була розроблена конструкція сполучного кільця (рис. 3.15.) з елементом зменшеної жорсткості (1), посадочними діаметрами для нижнього та верхнього корпусів (відповідно 4 і 3) та елементом кріплення (фланцем) - 2. був змінений у частині остаточного складання ЧЕ (рис. 3.16.) таким чином, що: - сполучне кільце (1) кріпиться до нижнього корпусу (2) точковим лазерним зварюванням (3);

Схема остаточного складання ЧЕ. - дане складання встановлюється у спецпристрій (5) з базуванням на фланець сполучного кільця; - далі встановлюється пластина з котушками та верхній корпус (4); - до верхнього корпусу прикладається зусилля стиснення (6) у точці перетину медіан трикутника утвореного платиками кварцової пластини, яке завдяки схемі базування передається на сполучне кільце, що змінює свої геометричні розміри у вертикальному напрямку; - верхній корпус фіксується щодо сполучного кільця точковим лазерним зварюванням.

З метою виключення можливих переміщень ЧЕ щодо корпусу акселерометра, пов'язаних з відмінністю ТКЛР корпусів ЧЕ, настановного кільця та корпусу приладу, а також забезпечення ізоляції ЧЕ від корпусу необхідно змінити конструкцію та технологію складання, що можна реалізувати: - винятком настановного кільця та клейового з'єднання; - фіксацією ЧЕ у корпусі акселерометра шляхом закріплення. фланця сполучного кільця між двома керамічними втулками виконують роль ізолятора; - використанням пружини для забезпечення стабільності затиску фланця у всьому робочому діапазоні температур. Рис. 3.17. процес складання повинен бути реалізований наступним чином: - у верхню частину корпусу акселерометра 7 встановлюється плоска пружина 2, на яку поміщають керамічну втулку 3; - на керамічну втулку 3 встановлюють на фланець сполучного кільця 2 ЧЕ 1 та встановлюють другу керамічну втулку 5; - встановлюють запірну шайбу та здійснюють центрування даного складання; - прикладають тарированное зусилля до запірної шайби та здійснюють її фіксацію щодо корпусу приладу точковим лазерним зварюванням 9. На Мал. 3.18. та таблиці 3.7. наведено результати випробувань партії приладів (температурна залежність нульових сигналів), зібраних за розробленими конструкторсько-технологічними рекомендаціями. Як видно з наведених даних, аналізований параметр має більшу стабільність як за величиною залежності від температури, так і за температурним гістерезисом порівняно з аналогічною партією приладів зібраних за старою технологією (таблиця 1.3.2. і Рис. 1.3.2.). Загалом, стабільність параметрів акселерометрів (у частині нульового сигналу та "бази") в результаті реалізації розроблених рекомендацій зросла більш ніж на 20%.

Розробка методики калібрування блокової системи акселерометрів для високоточних інерційних систем навігації.

Для отримання більш досконалої методики калібрування була спроба використовувати в ній скалярний еталон, величина якого не залежить від орієнтації акселерометра. В якості такого зразка було запропоновано застосувати квадрат модуля вектора прискорення сили тяжіння, дуже точно відомого для будь-якої точки Земної кулі і не залежить від вибору системи координат.

У зв'язку із заміною векторного зразка на скалярний методика має низку особливостей, головною з яких є наступна. Як відомо, для визначення вектора в тривимірному просторі необхідно виміряти його проекції на 3 напрями, що не лежать в одній площині. Таким чином, при використанні методики слід одночасно калібрувати щонайменше три прилади. Вказана обставина особливо важлива при калібруванні акселерометрів, наприклад, для БІНС, оскільки дозволяє калібрувати відразу тріаду приладів у складанні, яка може встановлюватися в систему без демонтажу із збереженням відносного розташування осей.

Для математичного опису методики слід визначити модель похибок тріади акселерометрів і скласти систему рівнянь зв'язку, що виражають похибки приладів, що розглядаються, через їх вихідні сигнали.

При складанні моделі помилок одиночного акселерометра припускатимемо, що в ідеальному випадку, коли похибки відсутні, його вихідний сигнал повністю визначається величиною проекції вектора прискорення сили тяжіння G на напрям осі чутливості приладу за аналогією з (4.1.1): W = M (G e ) (4.3.1) Позначивши скалярний добуток (4.2.1) як g і враховуючи можливі похибки, отримаємо: W = М (8о + g + 5, g + 52 g2 + 83 g3 + 54 g4 + 55 g5 +.). .) (4.3.2) де 5j - коефіцієнт похибки j-ого порядку. Кожне доданок у круглих дужках рівняння (4.3.2) є наведеною до входу похибка відповідного порядку. Розділивши обидві частини рівняння (4.2.2) на модуль вектора прискорення сили тяжіння та на масштабний коефіцієнт М, отримаємо: А = До + а + Д, а + Д2 а2 + Д3 а3 + Д4 а4 + Д5 а5 +... (4.3 .3) де А - вихідний сигнал акселерометра у безрозмірній формі; а - прискорення, що вимірюється акселерометром, віднесене до G; Aj - безрозмірний коефіцієнт похибки j-ого ступеня: Aj = 574) 1

Коефіцієнт До має наочний фізичний зміст - він дорівнює куту між векторами G та (G + 5о), якщо вважати, що вектори G та 50 перпендикулярні між собою. Тому й інші коефіцієнти А - зручно представляти в кутовий мірі.

При використанні даної методики порядок аналізованих коефіцієнтів похибок теоретично не обмежений, проте для більшості додатків достатньо обліку похибок не вище за другий порядок. Таким чином, моделі похибок акселерометрів, що входять до тріади, мають вигляд: Ах = А0х + ах + Д1х ах + Д2х ах2 Ау = Доу + ау + Д 1у ау + Д2у ау2 (4.3.4) Az = A0z + az + Alz az + Д2г az2 Похибки вимірювання вектора прискорення тріадою акселерометрів не повністю визначаються системою (4.2.4). Для повного описупохибок необхідно враховувати ще й помилки, що виникають через можливе розбіжність реальної орієнтації осі чутливості кожного акселерометра з відповідною віссю номінальної системи координат тріади. 4.2.1. Розглянемо модель помилок тріади акселерометрів загалом як вимірювача вектора прискорення.

Хоробров, Сергій Васильович

Дорогі читачі! Колектив бібліотеки вітає вас із Новим роком та Різдвом! Від щирого серця бажаємо щастя, любові, здоров'я, успіхів і радості вам і вашим сім'ям!
Нехай наступний рік подарує вам добробут, порозуміння, гармонію та гарний настрій.
Удачі, процвітання та виконання найзаповітніших бажань у новому році!

Тестовий доступ до ЕБС Ibooks.ru

Шановні читачі! До 31.12.2019 нашому університету надано тестовий доступ до ЕБС Ibooks.ru, де ви зможете ознайомитися з будь-якою книгою в режимі повнотекстового читання. Доступ можливий із усіх комп'ютерів мережі університету. Для отримання віддаленого доступу потрібна реєстрація.

«Генріх Йосипович Графтіо – до 150 – річчя від дня народження»

Шановні читачі! У розділі "Віртуальні виставки" розміщено нову віртуальну виставку «Генріх Осипович Графтіо». У 2019 році виповнюється 150 років від дня народження Генріха Йосиповича – одного із засновників гідроенергетичної галузі нашої країни. Вчений-енциклопедист, талановитий інженер і видатний організатор, Генріх Осипович зробив величезний внесок у розвиток вітчизняної енергетики.

Виставку підготовлено співробітниками відділу наукової літератури бібліотеки. На виставці представлені праці Генріха Йосиповича з фонду історії ЛЕТИ та публікації про нього.

Ознайомитись з виставкою Ви можете

Тестовий доступ до Електронно-бібліотечної системи IPRbooks

Шановні читачі! З 08.11.2019 р. по 31.12.2019 р. нашому університету надано безкоштовний тестовий доступ до найбільшої російської повнотекстової бази даних – Електронно-бібліотечної системи IPR BOOKS. ЕБС IPR BOOKS містить понад 130 000 видань, з яких понад 50 000 - унікальні навчальні та наукові видання. На платформі Вам доступні актуальні книги, які неможливо знайти у відкритому доступіу мережі Інтернет.

Доступ можливий із усіх комп'ютерів мережі університету.

Для отримання віддаленого доступунеобхідно звернутися до відділу електронних ресурсів (ауд. 1247) до адміністратора ВЧЗ Склеймової Поліни Юріївни або електронній пошті [email protected]з темою "Реєстрація в IPRbooks".

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

акселерометрп'єзоелектричний мікросхема

Прилад, що вимірює проекцію прискорення (різницю між абсолютним прискоренням об'єкта і гравітаційним прискоренням, точніше прискоренням вільного падіння) називається акселерометр. Існують трикомпонентні (трьохосьові) акселерометри, які дозволяють вимірювати прискорення відразу по трьох осях.

Акселерометр може застосовуватися як вимірювання проекцій абсолютного лінійного прискорення, так непрямих вимірювань проекції гравітаційного прискорення. Остання властивість використовується для створення інклінометрів. Акселерометри входять до складу інерційних навігаційних систем, де отримані з допомогою вимірювання інтегрують, отримуючи інерційну швидкість і координати носія, при реєстрації амплітуд вище власної резонансної частоти можна вимірювати безпосередньо власну швидкість акселерометра.

Електронні акселерометри часто вбудовуються в мобільні пристрої(зокрема, в телефони) і застосовуються як крокоміри, датчики для визначення положення в просторі, автоматичний поворот дисплея та інших цілей.

У пристроях управління ігрових приставокАкселерометр спільно з гіроскопом використовуються для управління в іграх без використання кнопок - шляхом поворотів у просторі, струшування і т. д. Наприклад, у контролерах Wii Remote та Playstation Move присутній акселерометр.

Акселерометри використовують у жорстких дискахдля активації механізму захисту від пошкоджень, отриманих внаслідок ударів, струсів та падінь. Акселерометр реагує на раптову зміну положення пристрою та паркує головки жорсткого диска, що дозволяє запобігти пошкодженню диска та втраті даних. Така технологія захисту використовується в основному в ноутбуках, нетбуках та зовнішніх накопичувачах.

Акселерометр у промисловій вібродіагностиці є віброперетворювачем, що вимірює віброприскорення в системах неруйнівного контролю та захисту.

ІнтегральніАкселерометри.Загальнівідомості

Акселерометри є датчиками лінійного прискорення і в цій якості широко використовуються для вимірювання кутів нахилу тіл, сил інерції, ударних навантажень і вібрації. Вони знаходять широке застосування на транспорті, медицині, промислових системах вимірювання та управління, в інерційних системах навігації. Промисловість виготовляє багато різновидів акселерометрів, що мають різні принципи дії, діапазони вимірювання прискорень, масу, габарити та ціни. Порівняння основних типів акселерометрів дано у табл. 1. На рис. 1 показані області, які займають акселерометри різного типу на діаграмі «ціна-якість».

Мал. 1. Діаграма «ціна-якість» для різних типівакселерометрів

Сучасні технології мікрообробки дозволяють виготовити інтегральні акселерометри, що мають малі габарити та низьку ціну. В даний час виготовляються ІМС акселерометрів трьох типів: п'єзоплівкові, об'ємні та поверхневі.

Плівковіп'єзоелектричніакселерометри

Плівкові п'єзоелектричні датчики прискорення виконуються на основі багатошарової п'єзоелектричної полімерної плівки. Багатошарова плівка закріплена на підкладці з окису алюмінію, і до неї приєднана інерційна маса порошкового металу. При зміні швидкості руху датчика внаслідок дії інерційних сил відбувається деформація плівки. Завдяки п'єзоефекту виникає різниця потенціалів на межах шарів плівки, яка залежить від прискорення. Чутливий елемент датчика має надзвичайно високий вихідний опір, тому на підкладці датчика ACH-01 компанії Atochem Sensors є також польовий транзистор з малим струмом затвора, який є підсилювачем напруги. Це дозволяє вимірювати змінні прискорення із порівняно низькою частотою. Датчики цього типу мають погану повторюваність характеристик у серійному виробництві, високу чутливість до зміни температури та тиску. Вони не можуть контролювати постійні прискорення та гравітаційні сили. Основна сфера застосування - схеми управління надувними подушками безпеки.

Об'ємніінтегральніакселерометри

Прикладом об'ємного датчика може бути NAC-201/3 компанії Lucas NovaSensor, призначений для застосування в системах керування надувними подушками безпеки автомобілів. Цей датчик складається з двох пластин кремнію 1 та 2, які сплавлені один з одним (рис. 2). Три тонкі кремнієві балки c, d і e, наявні в пластині 1, інерційна маса а з'єднана з кремнієвою рамкою b на пластині 2. Ця маса з'єднується з кремнієвою рамкою механічно з одного краю (точки f на рис. 2). Кожна з коротких зовнішніх (згинальних) балок містить пару імплантованих п'єзорезисторів, що утворюють напівміст. Два півмоста з'єднуються в бруківку.

Коли відбувається зіткнення автомобіля з перешкодою, маса рухається вниз, згинаючи балки c, d, e та викликаючи деформацію п'єзорезисторів.

Таким чином, датчик і розташована поза кристалом електронна схема обробки сигналів створюють при роботі вихідний сигнал напругою від 50 до 100 мВ повної шкали, що викликається деформацією п'єзорезисторів, включених за схемою моста Уітстона.

Мал. 2. Інтегральний акселерометр об'ємної конструкції

Оскільки до надійності системи керування надувними подушками безпеки висуваються надзвичайні вимоги (уявіть собі наслідки помилкового спрацювання подушки безпеки на жвавій автостраді при швидкості 150 км/год), датчик має систему самоконтролю. Ключову роль системі самоконтролю грає резистор-збудник, який нагрівається пропусканням через нього електричного імпульсу з силою струму 50 мА, напругою 9 В і тривалістю 50 мс. Коли балка, розташована в середній частині пластини 1, нагрівається, відбувається її подовження, оскільки температурний коефіцієнт розширення кремнію позитивний. Оскільки кінці її закріплені, вона прогинається, відхиляє інерційну масу і згинає балку, що містить пьезорезистори. Ця балка зміщується приблизно на 3 мкм у тому напрямку, що і маса при зіткненні автомобіля з перешкодою.

Мал. 3. Основний конструктивний блок елементарного осередку датчика прискорення

Мікросхема датчика не містить схеми обробки сигналу вимірювального моста. Варіанти датчика відрізняються тим, що NAC-203 містить вбудовані товстоплівкові схеми, що дозволяють зробити лазерне підстроювання чутливості та температурної корекції в процесі виробництва, а NAC-201 реалізація цих функцій надається користувачеві. Вхідний та вихідний опори вимірювального мосту моделі NAC-201 дорівнюють 2 кОм. Смуга пропускання за рівнем 3 дБ становить 500 Гц. Резонансна частота приладів, змонтованих у повній відповідності до рекомендацій виробника, - не менше 10 кГц.

Мал. 4. Структурна схема ІМС акселерометра ADXL50

Інтегральні датчики прискорення об'ємної конструкції мають низку недоліків. По-перше, вони складні у виробництві, оскільки операції формування об'ємних структур не дуже поєднуються зі стандартними поверхневими інтегральними технологіями. По-друге, бажано мати датчик мінімально можливих розмірів на схемному кристалі і мінімально можливих розмірів. Зменшення розмірів кристала дає підвищення його механічної міцності та зниження вартості. У той же час в датчику об'ємної конструкції тільки розміщення чутливого елемента потрібно від 6,5 до 16 мм2 площі кристала. Розміщення на кристалі схем формування сигналу може збільшити цю площу ще вдвічі. Тому, зокрема, один із датчиків прискорення компанії Motorola має двокристальну конструкцію. В одному кристалі виконаний об'ємний чутливий елемент, але в іншому - схема обробки сигналу.

Зарядні/п'єзоелектричніакселерометри

П'єзоелектричні акселерометри використовують пружинно-масову систему для генерації сили, еквівалентній амплітуді та частоті вібрації. Ця сила прикладається до п'єзоелектричного елементу, який створює на своїх виходах заряд, пропорційний вібраційному переміщенню. Унікальна конструкція п'єзоелектричних акселерометрів компанії Bruel&Kj?r забезпечує одночасно високий сейсмічний резонанс і міцність, тому акселерометри даного типує універсальними акселерометрами загального призначення. Їхні виняткові високочастотні характеристики також ідеально підходять для вимірювання високочастотних вібрацій: наприклад, при аналізі шуму редуктора або моніторингу турбіни високошвидкісного ротаційного обладнання. П'єзоелектричні матеріали є самогенеруючими, тому не вимагають зовнішнього джерела енергії.

Вони здатні працювати при екстремальних температурах, але їх відрізняє низька вихідна чутливість (що притаманно конструкції пружинно-масового датчика). Оскільки більшість високочастотних акселерометрів є недемпфованими, високочастотні гармоніки конструкції можуть викликати «дзвін» акселерометра та призвести до перевантаження в наступних електронних схемах. Тому резонансна частота акселерометра повинна бути досить високою, щоб бути вищою від високочастотних сигналів, присутніх у конструкції

IEPE-акселерометри

IEPE-акселерометри – це п'єзоелектричні акселерометри з інтегральними передсилювачами, які видають у лінії живлення вихідний сигнал у вигляді модуляції напруги. IEPE-акселерометри компанії Bruel&Kj?r спеціально призначені для вимірювання вібрацій у малих структурах (наприклад, малогабаритних). Їх висока вихідна чутливість, високе ставлення сигнал/шум і широка смуга пропускання дозволяють використовувати їх як пристрої загального призначення, і для вимірювання високочастотних вібрацій. Ці дешеві та легкі акселерометри є інструментами з дуже хорошими робочими характеристиками, що мають більш високу вихідну чутливість, ніж стандартні п'єзоелектричні акселерометри (без інтегральних підсилювачів). Вони герметизовані для захисту від забруднень навколишнього середовища, мають низьку сприйнятливість до електромагнітного випромінювання на радіочастотах та низький вихідний опір завдяки зовнішньому джерелу постійного струму. Низькоімпедансний вихід дозволяє використовувати недорогі коаксіальні кабелі. IEPE-акселерометри є недемпфованими високочастотними акселерометрами. При вимірюваннях слід вживати заходів, щоб уникнути «дзвону» акселерометра та виникнення умов навантаження.

П'єзорезистивніакселерометри

Датчики деформації п'єзорезистивних акселерометрів змінюють електричний опірпропорційно доданої механічної напруги. Монолітний датчик акселерометра включає вбудовані механічні обмежувачі і має дуже високу міцність при дуже хорошому співвідношеннісигнал/шум. Акселерометри цього типу ідеально підходять для вимірювання переміщення, низькочастотної вібрації та ударного впливу та призначені для випробувань на зіткнення з перешкодою, на флаттер, на їзду по важких дорогах, а також для біодинамічних вимірювань тощо, які потребують мінімального навантаження маси та широкої частотної . Їх можна використовувати для ударних випробувань легких систем або конструкцій, вони відповідають специфікаціям SAEJ 211 для антропоморфної макетної вимірювальної апаратури. Маючи частотну характеристику, яка сягає постійного струму, тобто. до прискорення, ці акселерометри ідеально підходять для вимірювань тривалих перехідних процесів, а також короткочасних ударних впливів. У багатьох випадках чутливість виявляється досить високою і передбачити вихідний сигнал не потрібно. П'єзорезистивні акселерометри мають мінімальне демпфування, тому не створюють фазового зсуву на низьких частотах. Однак їм притаманні проблеми при вимірах на низьких частотах, і для подолання цих недоліків потрібно вживати спеціальних заходів.

Акселерометризмінноїємності

У акселерометрах змінної ємності унікальний мікродатчик змінної ємності створює ємнісний пристрій з паралельним розташуванням пластин. В результаті виходить датчик з реакцією на вхідні прискорення постійного струму, зі стабільною характеристикою демпфування, яка максимізує частотну характеристику, і достатньою міцністю, щоб протистояти дуже високим ударним і прискорювальним навантаженням.

Ці low-g акселерометри ідеально підходять для вимірювання переміщень та низькочастотних вібрацій та призначені для використання в таких областях, як моніторинг траєкторії, оцінка конструкції літака/автомобіля, випробування на флаттер, випробування підвісок та гальм автомобіля. Газове демпфування (gas damping) та вбудовані обмежувачі на вихід за межі діапазону дозволяють мікродатчикам акселерометра протистояти ударним та прискорювальним навантаженням, властивим типовим high-g-додаткам. При high-g-випробуваннях часті фізичні ушкодження датчика; тому при виборі ударного акселерометра ми рекомендуємо переоцінювати максимальний рівень ударного впливу.

Загальне правило: чим ближче акселерометр до джерела (вибухового чи ударного впливу), тим вищий вхідний g-рівень. Також рекомендується використовувати припаяні клеми та гумові дроти через їх малу вагу, але при встановленні та роботі з цими ніжними з'єднаннями слід звертатися дуже акуратно.

Поверхневіінтегральніакселерометри

Компанія Analog Devices виготовляє сімейство акселерометрів ADXLххх поверхневої конструкції. Першим у цьому сімействі йде ADXL50, серійний випуск якого було розпочато у 1991 році.

Весь кристал акселерометра розміром 3,05 3,05 мм зайнятий головним чином схемами формування сигналу, які оточують мініатюрний датчик прискорення розміром 11 мм, розташований в його центрі. Датчик є диференціальною конденсаторною структурою з повітряним діелектриком, обкладки якого вирізані (витравлені) з плоского шматка полікремнієвої плівки товщиною 2 мкм. Нерухомі обкладки цього конденсатора є простими консольними стрижнями, розташованими на висоті 1 мкм від поверхні кристала в повітрі на полікремнієвих стовпчиках-анкерах, приварених до кристала на молекулярному рівні.

На рис. 3 показаний основний конструктивний блок елементарного осередку датчика. Фактично датчик має 54 елементарні комірки для вимірювання прискорення, але для простоти малюнок показує лише одну комірку. Інерційна маса датчика прискорення при зміні швидкості переміщення кристала зміщується щодо решти кристала. Її пальцеподібні виступи утворюють рухливу обкладку конденсатора змінної ємності. З кожного кінця ця структура спирається на стовпчики-анкери, аналогічні конструкції власникам нерухомих обкладок. Розтяжки по кінцях інерційної маси, що утримують її на вазі, є ніби механічними пружинами постійної пружності, що обмежують переміщення пробної маси і її повернення у вихідне положення. Іншими словами, сила інерції при впливі прискорення

врівноважується силою пружності пружини

де m – маса, a – прискорення, k – жорсткість пружини, x – переміщення маси щодо вихідного стану. Звідси випливає, що a = x (k/m), причому k/m - конструктивний параметр датчика.

Оскільки переміщення інерційної маси має відбуватися в площині полікремнієвої плівки, вісь чутливості датчика лежить у цій площині, і отже вона паралельна площині друкованої плати, До якої припаюється датчик.

Мал. 6. Використання акселерометра для вимірювання нахилу

Кожен із наборів нерухомих обкладок конденсатора (Y та Z) електрично з'єднаний паралельно всередині схемного кристала. В результаті виходить пара незалежних конденсаторів X-Yі X-Z, рухома обкладка яких утворена всією сукупністю пальцеподібних виступів інерційної маси. Усередині кристала ці три обкладки підключені до вбудованих схем формування сигналу акселерометра. У спокійному стані (рух із постійною швидкістю) усі «пальці» рухомої обкладки Х завдяки розтяжкам знаходяться на однаковій відстані від пар пальців нерухомих обкладок. При будь-якому прискоренні рухомі пальці наближаються до одного з наборів нерухомих пальців та віддаляються від іншого набору. В результаті цього відносного переміщення відповідні відстані стають неоднаковими, і ємності між рухомою обкладкою та кожною з нерухомих обкладок змінюються.

Хоча в ІМС акселерометра ADXL50 датчик і схема формування сигналу фактично являють собою замкнутий контур із зворотним зв'язком і врівноважуванням сил, опишемо спочатку роботу пристрою при розімкнутому зворотному зв'язку. Протифазні сигнали прямокутної форми частотою 1 МГц однакової амплітуди подаються від генератора відповідно на верхню та нижню обкладки Y та Z (рис. 4).

Ємності CS1 і CS2 між нерухомими та рухомими обкладками за відсутності прискорення однакові, тому на рухому обкладку передаються сигнали однакової амплітуди. Різнисний сигнал, що надходить на вхід повторювача, дорівнює нулю.

При прискоренні датчика різницевий сигнал дорівнює нулю, причому його амплітуда залежить від величини зміщення рухомий обкладки, а фаза визначається знаком прискорення.

Фазочутливий демодулятор перетворює цей сигнал на низькочастотний (смугою від 0 до 1000 Гц), що характеризує величину і знак прискорення. Ця напруга надходить на підсилювач, з виходу якого сигнал йде зовнішній висновок ІМС.

Мал. 7. Блок-схема двовісного акселерометра ADXL202

Щоб зменшити вплив температури навколишнього середовища, тимчасові зміни параметрів, знизити нелінійність перехідної характеристики акселерометра, розробники запровадили негативний зворотний зв'язок положення інерційної маси. Для цього напруга з виходу підсилювача через резистор 3 МОМ подається на рухомі обкладки датчика. Ця напруга створює електростатичні сили між рухомою та нерухомою обкладками, які прагнуть встановити інерційну масу у вихідний стан. Оскільки ми маємо в цьому випадку систему з високою добротністю, інерційна маса ніколи не буде відхилятися від свого вихідного положення більш ніж на 0,01 мкм.

У відсутності прискорення вихідна напруга підсилювача дорівнює VO = 1,8, при повному прискоренні ±50 g VO = 1,8±1,5 В.

У пізніших моделях ІМС акселерометрів інженери компанії Analog Devices відмовилися від зворотного зв'язку за становищем інерційної маси. З одного боку, це дозволило майже вдвічі зменшити площу кристала датчика, підвищити його економічність, збільшити розмах вихідної напруги, практично виключити зовнішні компоненти, знизити вартість, але з іншого боку збільшилося зміщення інерційної маси, що призвело до деякого реального погіршення лінійності.

Акселерометри сімейства ADXL також мають систему самотестування. ADXL50 тестовий сигнал у вигляді послідовності прямокутних імпульсів низької частоти подається на рухому обкладку. Це викликає коливання інерційної маси, аналогічні тим, що викликаються впливом інерційних сил. Вихідна напруга справного датчика також змінюватиметься з тією самою частотою.

Мал. 8. Спрощена конструкція датчика прискорення мікросхеми сімейства XMMA

У моделях без зворотного зв'язку за положенням лише 42 осередки датчика використовуються у схемі вимірювання прискорення. Інші 12 входять до схеми самотестування. Самотестування здійснюється подачею високого логічного рівня висновок «SELF-TEST» мікросхеми. При цьому на рухому частину датчика діє електростатична сила, що відповідає приблизно 20% прискорення повної шкали.

Вихідна напруга ІМС справного датчика зменшиться пропорційно. Таким чином перевіряється працездатність повної механічної структури та електричної схемиакселерометра.

Для того щоб знизити вимоги до стабільності джерела живлення і уможливити живлення акселерометрів прямо від батарей, їх вихідна напруга роблять пропорційним добутку прискорення на напругу живлення. У такому разі його слід включати за логометричною схемою, як показано на рис. 5. У цій схемі зручно застосувати АЦП, який використовує напругу живлення в якості опорного. Слід зазначити, що між виходом акселерометра та входом ПВЗ АЦП повинен бути буферний підсилювач, так як вихідний струм акселерометра змінюється в діапазоні ±100 мкА, і при досить високій частоті вибірок конденсатор ПВЗ не встигатиме заряджатися до напруги на виході акселерометра.

В даний час Analog Devices випускає кілька моделей інтегральних акселерометрів: одновісні ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальне прискорення ±5 g, ±50 g, ±100 g відповідно, і двовісні ADXL202, ADXL210 і ADXL250 на максимальне ускорення. ±10 g та ±50 g відповідно. Датчики виготовляються в основному в плоских керамічних корпусах QC-14 з планарними висновками, причому осі, за якими вимірюється прискорення, спрямовані паралельно площині виводів (тобто паралельно площині друкованої плати). Варіант ADXL202Е випускається у мініатюрному безвивідному кристалоносії LCC-8 розміром 5ґ5ґ2 мм. Для зручності сполучення з мікроконтролерами вихідні сигнали ІМС ADXL202 і ADXL210 є прямокутними імпульсами постійної частоти. Інформація про прискорення відображається відносною тривалістю імпульсів g.

Цікаве застосування акселерометрів з малим значенням максимального прискорення, що вимірювається (і, відповідно, високою чутливістю) - визначення кута нахилу щодо горизонту.

Це можна використовувати в охоронних системах автомобілів для визначення місця розташування бура при бурінні похилих свердловин та ін.

Мал. 9. Графік залежності різниці ємностей конденсаторів із комірки датчика прискорення від переміщення рухомої пластини

Вихідна напруга акселерометра пропорційна синусу кута нахилу осі його чутливості щодо горизонту. Щоб визначити цей кут однозначно, необхідно використовувати двовісний акселерометр. З цією метою майже ідеально підходить ADXL202. Залежність вихідних сигналів цього датчика, наведених до 1 g, від кута його нахилу представлені на рис. 6.

Мал. 7 а показує спрощену блок-схему двовісного акселерометра ADXL202. Його вихідними сигналами є імпульси, відносна тривалість яких пропорційна прискоренню. Такий тип виходу забезпечує підвищену стійкість до перешкод, передачу сигналу по одній лінії і прийом його будь-яким мікроконтролером, що має таймер (АЦП не потрібен!). Сигнал на виході кожного каналу датчика має форму, показану на рис. 7 б, причому прискорення в одиницях g розраховується за формулою:

Зауважте, що відносна тривалість = 0,5 відповідає нульовому прискоренню. Період імпульсів Т2 не потрібно вимірювати кожному імпульсі. Його потрібно уточнювати лише за зміни температури.

Оскільки частота вихідних імпульсів однакова обох каналів, період Т2 досить виміряти лише одному каналі. Ця величина встановлюється в межах від 0,5 до 10 мз зовнішнім резистором RSET. Недоліком акселерометрів з ШІМ-виходом є необхідність застосування швидкодіючих мікроконтролерів для отримання високої роздільної здатності при широкій смузі пропускання.

Завершуючи опис акселерометрів компанії Analog Devices, наведемо кілька цікавих цифр, що характеризують конструкцію та рівень технології виробництва цих мікросхем.

· Маса інерційного вантажу - 0,1 мкг.

· Місткість кожної частини диференціального конденсатора - 0,1 пФ.

· Мінімальне виявлене відхилення ємності - 20 aФ (10-18 Ф).

· Зміна ємності, що відповідає прискоренню повної шкали - 0,01 пФ.

· Відстань між обкладками конденсатора - 1,3 мкм.

· Мінімальне відхилення рухомих обкладок конденсатора - 0,2 ангстрема (п'ята частина діаметра атома!).

Акселерометри сімейства XMMA компанії Motorola складаються з планарного ємнісного осередку датчика прискорення та КМОП-схеми нормалізації сигналу, виконаних на відміну від ранніх моделей на одному кристалі. Чутливий елемент (G-осередок) займає більшу частину кристала. Він сформований з полікристалічного кремнію за допомогою поверхневої мікрообробки та складається з двох нерухомих пластин, між якими розташована пластина, закріплена на пружному підвісі та здатна переміщатися під дією інерційних сил (рис. 8). Коли центральна пластина відхиляється від середнього положення в результаті прискорення, відстань від неї до однієї з нерухомих пластин збільшиться на ту саму величину, на яку відстань до іншої пластини зменшиться. Зміна відстаней характеризує прискорення.

Вісь чутливості до прискорення спрямована перпендикулярно поверхні платівки кремнію (чіпа), тому датчики, що виготовляються DIP-корпусі, вимірюють прискорення, спрямоване нормально до друкованої плати. Для того щоб уможливити вимірювання прискорень, спрямованих паралельно друкованій платі, фірма випускає ці датчики також і в корпусах SIP, в яких чіп розташований перпендикулярно друкованій платі.

Мал. 10. Блок-схема акселерометра MMAS500G

Пластини G-комірки формують два противключені конденсатори. При русі датчика з прискоренням, спрямованим перпендикулярно до площини пластин, рухома пластина відхилиться в напрямку, протилежному прискоренню, і відбудеться перерозподіл відстаней між пластинами. Ємності обох конденсаторів зміняться відповідно до формули

де S - площа пластин, e - діелектрична постійна та x - відстань між пластинами. Як бачимо, ця залежність нелінійна. На рис. 9 наведено графік залежності різниці ємностей цих конденсаторів (С1-С2) від переміщення рухомої пластини. Схеми визначення неузгодженості ємностей конденсаторів G-осередки вимірюють зміну напруги на рухомій пластині (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) або заряду на ній (XMMA1000, XMMA2000).

Напруга вимірюється електрометричним підсилювачем, а заряд - підсилювачем заряду. Судячи з технічним описамцих мікросхем, представленим фірмою-виробником, постійне прискорення де вони сприймають. На рис. 10 наведена блок-схема акселерометра XMMAS500G, що має діапазон вимірюваних прискорень 500 g. Сигнал з виходу електрометричного підсилювача надходить на фільтр нижніх частот 4-го порядку, і з нього - схему температурної компенсації.

Акселерометри компанії Motorola також можна використовувати в логометрическом включенні.

Точністьінтегральних акселерометрів. Статична точність

Точність перетворення прискорення електричний сигнал акселерометрами так само, як і точність датчиків іншого типу, визначається величинами зміщення нуля, похибкою повної шкали (або чутливості), а також температурним і тимчасовим дрейфом цих параметрів. Важливими складовими похибки є похибки лінійності (нелінійність) і поперечна чутливість.

Зміщення нуля та чутливість акселерометрів за нормальних умов коригуються при виготовленні. Залишкова похибка може бути зменшена шляхом калібрування та запам'ятовування калібрувальних констант у пам'яті мікроконтролера. Калібрування акселерометра можливе двома способами: на вібростенді із зразковим датчиком прискорення та з використанням сили тяжіння.

Мал. 11. Графіки прискорення та швидкості інтегрального акселерометра в умовах сильних поздовжніх вібрацій

Використання вібростенду має такі переваги:

· Можливість калібрування, у тому числі і датчиків, сприйнятливих лише до змінного прискорення;

· Можливість калібрування датчиків з прискореннями, що багаторазово перевищують g;

та недоліки:

· Потрібен дорогий вібростенд;

· Проблема закріплення датчика при калібруванні на високих g.

Переваги застосування сили тяжіння для калібрування:

· Не потрібне дороге обладнання;

· метод мало чутливий до похибки установки датчика;

· Можна застосувати лише для датчиків, сприйнятливих до постійного прискорення;

· Не можна калібрувати повну шкалу датчиків, здатних перетворювати великі прискорення.

Температурний дрейф зміщення нуля та чутливості також може бути компенсований.

Для цієї мети деякі моделі (наприклад, XMMA1000, ADXL105) мають вбудовані датчики температури. Однією із причин нелінійності характеристики перетворення інтегральних акселерометрів з датчиками ємнісного типу є нелінійна залежність ємності конденсатора від відстані між обкладками (рис. 9).

При використанні підсилювача заряду, як це зроблено в XMMA1000, потенціал рухомої пластини постійний і дорівнює половині напруги живлення, яке вважатимемо рівним 2V (див. рис. 8). У цьому випадку з формули q = CV з урахуванням (1) випливає, що збільшення заряду рухомої обкладки при її переміщенні на відстань x складе

Як бачимо, залежність збільшення заряду від зміни відстані між пластинами не лінійна. Якщо в акселерометрі застосовується підсилювач напруги (електрометричний), то заряд конденсаторів датчика не змінюватиметься.

Тоді збільшення напруги на рухомій пластині буде лінійно залежати від зміни відстані між пластинами:

З вказаних причин акселерометр XMMA1000 (підсилювач заряду) має типову похибку лінійності 1% від повної шкали проти 0,5% у MMAS40G (підсилювач напруги). Акселерометри сімейства ADXL мають ємнісний датчик диференціального типу, нерухомі пластини якого живляться рівними, але протифазною напругою збудження V1 і V2 з частотою 1 МГц. Тому комплексне значення напруги, що діє, на середній пластині, згідно з методом двох вузлів, визначається формулою:

де - кругова частота збудження. З огляду на те, що V1 = -V2

Таким чином, залежність напруги на рухомих пластинах датчика від переміщення виходить лінійною. Акселерометри сімейства ADXL мають типову похибку лінійності 0,2%.

Як ще одне джерело похибки вказується гістерезис (тобто неповна відновлюваність) при вібраціях і ударах. У фірмовому описі мікросхем жодних відомостей про гістерезу немає, але експерименти з використання інтегральних акселерометрів сімейства ADXL для визначення швидкостей і переміщень, проведені авторами цієї статті, показали, що за наявності вібрацій великої амплітуди похибка, обумовлена, мабуть, гістерезисом, може досягати цілком неприпустимих значень. На нашу думку, цей гістерезис викликаний тим, що при значних прискореннях деформація розтяжок, що грають роль пружин, може бути пружною і при зменшенні прискорення інерційна маса або дуже повільно повертається у вихідний стан (в'язка не пружність), або не повертається зовсім. На рис. 11 наведено графіки прискорення (а) і швидкості (б) від часу акселерометра ADXL150, закріпленого на одному з кінців сталевого стрижня довжиною 1,5 м, який переміщається з великими прискореннями на відстань 0,5 м. Внаслідок пружності стрижня це переміщення супроводжується вібрацією великої амплітуди із частотою приблизно 300 Гц. Графік прискорення отримано безпосереднім зчитуванням акселерометра сигналу 12-розрядним АЦП з частотою вибірки 80 кГц. p align="justify"> Графік швидкості є результатом чисельного інтегрування цих даних методом трапецій. На початку та в кінці інтервалу спостереження (0-0,9 с) швидкість датчика дорівнює нулю.

На графіку швидкості (рис. 11 б), точки якого розраховані за даними акселерометра, похибка кінцевого значення швидкості склала приблизно 1,25 м/с при максимальної швидкості 3,5 м/с

Мал. 12. Графіки прискорення та швидкості інтегрального акселерометра при зниженій вібрації

На рис. 12 наведено графіки прискорення (а) і швидкості (б) того ж датчика при близьких параметрах руху, але закріпленого більш жорсткої конструкції. Рух супроводжувався значно меншою поздовжньою вібрацією. Очевидно, похибка визначення швидкості зменшилася в багато разів.

Поперечна чутливість

Поперечна чутливість характеризує здатність датчика перетворювати на електричний сигнал прискорення, спрямоване під кутом 90° до осі чутливості датчика (поперечне). У ідеального акселерометра поперечна чутливість дорівнює нулю. У паспортних даних датчика вказується частина (у відсотках) поперечного прискорення, що проходить вихід.

Шум акселерометрів

Рівень шуму безпосередньо пов'язаний із шириною смуги пропускання датчика. Зменшення смуги пропускання шляхом увімкнення ФНЧ на виході датчика призводить до зниження рівня шуму. Це покращує відношення сигнал/шум і збільшує роздільну здатність, проте вносить амплітудні та фазові частотні спотворення. Деякі моделі акселерометрів містять на кристалі ФНЧ (родина XMMA - 4-го порядку, ADXL190 - 2-го). Двохосні датчики ADXL202/210 мають висновки для підключення двох зовнішніх конденсаторів, що утворюють з двома внутрішніми резисторами по 32 ком два ФНЧ першого порядку.

приклад. Мікросхема ADXL150 має типове значення спектральної густини шуму 1мg/Гц у смузі 10-1000 Гц. При включенні ФНЧ із частотою зрізу 100 Гц діюче значення шуму на виході фільтра становитиме 10 мg, а амплітудне, з ймовірністю 0,997 - в межах 30 мg.

Оскільки повна шкала цього датчика становить 50 g, динамічний діапазон дорівнює 20lg(50/0,03) = 64,4 дБ. Це непогано, але за цим показником інтегральні акселерометри сильно поступаються п'єзоелектричним. Наприклад, п'єзоелектричний акселерометр типу 4371 компанії Bruel & Kjaer має динамічний діапазон 140 дБ.

Основною динамічною характеристикою акселерометрів є смуга пропускання за рівнем -3 дБ. У табл. 2 наведено основні характеристики деяких типів інтегральних датчиків прискорення.

Звиключення

В даний період акселерометри активно використовуються в переносних пристроях типу мобільних телефонів, планшетів і ноутбуків, для того, щоб відстежувати їхнє положення в просторі і надавати додаткові функції, пов'язані з цим. Простіші датчики використовуються в механічних приводах жорстких дисків(Чого в майбутньому не буде). Назвати найкращий акселерометр складно, тому що області застосування постійно розширюються і вимоги до чутливості, вихідних даних та розмірів абсолютно різні. Розробляються технології для впровадження у більших масштабах, ніж раніше, акселерометрів в архітектурні споруди, що допоможе уникнути деяких аварій.

Список використаної літератури

1.Гудинаф Ф. Інтегральний акселерометр на 50 G з самоконтролем, реалізованим на збуднику, що нагрівається // Електроніка. 1993. № 7-8. З. 54-57.

2.Гудинаф Ф. Ємнісний датчик прискорення, виконаний на основі поєднання об'ємної та поверхневої мікроструктур // Електроніка. 1993. № 11-12. З. 86-87.

3. Гудінаф Ф. Інтегральний датчик прискорення для автомобільних надувних подушок безпеки // Електроніка. 1991. № 16. С. 7-14.

4.Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998.

5. Серрідж М., Ліхт Т. Р. Довідник з п'єзоелектричних акселерометрів та підсилювачів. «Брюль та К'єр». 1987.

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

П'єзоелектричні акселерометри: Загальна характеристика, принцип роботи та сфери застосування. Основні варіанти конструкції п'єзоелектричних акселерометрів. Дешифратори, операційні підсилювачі та аналого-цифрові перетворювачі, їх призначення.

курсова робота, доданий 16.05.2014


Етапи розробки конструкції та технології виготовлення осередку датчика прискорення ємнісного типу. Призначення акселерометра, вибір друкованої плати, способи паяння, особливості збирання та монтажу. Функціонально-вартісний аналіз осередку датчика прискорення.

дипломна робота , доданий 07.12.2011


Розробка конструкції та технології виготовлення напівпровідникової мікросхеми виконаної в інтегральному виконанні. Обгрунтування вибору технології виготовлення мікросхеми, виходячи з якого розроблено технологічний процес, топологія кристала.

курсова робота , доданий 13.07.2008


курсова робота , доданий 12.06.2010


Використання параметричних ферорезонансних стабілізаторів напруги. Конструктивно-технологічне виконання інтегральної мікросхеми. Розрахунок інтегрального транзистора та його характеристики. Розробка технічних вимог та топології мікросхеми.

курсова робота , доданий 15.07.2012


курсова робота , доданий 30.01.2014


Обґрунтування вибору датчика. Вибір мікросхеми AD594, мікроконтролера. Блок-схема програмування МК АТmega8. Підключення мікросхеми до термопар. Підключення одиночного та подвійного живлення. Схема з'єднання, що забезпечує рівність температур.

курсова робота , доданий 23.12.2015


Прилади для вимірювання прискорень - акселерометри. Вибір п'єзоелектричного матеріалу. Форма інерційної маси, її впливом геть характеристики датчика. Опис конструкції акселерометра. Вибір електричної схеми. Вихідна напруга підсилювача.

курсова робота , доданий 15.05.2014


Основні активні елементи, що застосовуються у пристроях, що працюють у діапазоні радіохвиль. Важливі характеристикиінтегральних мікросхем. Напівпровідникові та гібридні інтегральні мікросхеми. Джерела та приймачі оптичного випромінювання, модулятори.

реферат, доданий 14.02.2016


Розробка та реалізація пристрою селекції бінарної підпослідовності символів із нескінченної бінарної послідовності. Вибір мікросхеми регістру зсуву. Методи налагодження моделі УСПБ, генератор слів. Вибір мікросхеми для блоку індикації.

Прилади, призначені для вимірювання лінійних прискорень літальних апаратів і кутових прискорень елементів їх агрегатів, що обертаються, називаються акселерометрами.

Сигнали акселерометрів використовуються в інерційних навігаційних системах для обчислення швидкостей та координат, в системах керування польотом та двигунами, а також в покажчиках візуальних приладів. Візуальні прилади індикації прискорень потрібні льотчику на маневрених літаках контролю перевантажень, що виникають під час керування літака.

Акселерометри класифікуються за різними ознаками, зокрема, по областях застосування, виду підвісів чутливого елемента, способу зняття сигналів, кількості вимірюваних компонентів прискорення, виду вихідного сигналу та ін.

Вимоги до акселерометрів щодо точності вимірювання визначаються сферою застосування. Так, похибки акселерометрів в інерційних системах не повинні перевищувати 0,001%. Акселерометри, які у системах управління, мають похибки 0,001-1,0%. Похибки акселерометрів, що застосовуються як візуальні прилади, становлять 1–3%.

Принцип дії акселерометра ось у чому.

Схема акселерометра.

1 – інерційна маса; 2 – пружина; 3 – демпфер; 4 – шкала; 5 – корпус приладу; 6 – вісь чутливості акселерометра

Інерційна маса 1, пов'язана з корпусом приладу 5 за допомогою пружини 2 та демпфера 3 , може переміщатися у напрямку осі 6 званою віссю чутливості. Переміщення маси по відношенню до корпусу приладу, що відраховується за шкалою 4 , пропорційно прискоренню, що вимірюється, спрямованому по осі чутливості.

Чутливим елементом акселерометра є інерційна маса.

на інерційну масу
акселерометра діють такі сили:

- Сила інерції

,

де - Переміщення маси по відношенню до корпусу приладу;

-переміщення корпусу приладу щодо фіксованої точки простору.

- Сила, пропорційна швидкості руху маси і створювана демпфером:

,

де
- Коефіцієнт демпфування.

- Позиційна сила, створювана пружністю пружини:

,

де - Коефіцієнт пружності.

Сума цих сил дорівнює нулю, тобто.

,

,

де
- Власна частота;

;

-Коефіцієнт відносного згасання.

Основними елементами акселерометрів є підвіси інерційних мас, датчики сигналів переміщення маси, моментні (силові) пристрої, що забезпечують введення сигналів зворотного зв'язку, підсилювачі сигналів і пристрої, що коригують (демпфери).

Для того, щоб акселерометр реагував тільки на ту складову прискорення, для вимірювання якої він призначений, його інерційна маса повинна мати спеціальний підвіс, що задовольняє наступним вимогам: 1) мінімальне тертя в осях підвісу; 2) відсутність перехресних зв'язків між вимірювальними осями; 3) забезпечення лінійної залежності між відхиленнями інерційної маси та вимірюваним прискоренням.

Підвіси на простих опорах створюють значне тертя, яке знижує чутливість акселерометра. Для зменшення тертя чутливий елемент зміцнюють на важелі або поміщають у рідину з питомою вагою, що дорівнює питомій вазі чутливого елемента (рис. 2-4). Підвіси на пружинах і гофрованих пружних мембранах вільні від тертя, проте недоліком їх є те, що при відхиленні маси прилад починає реагувати на прискорення, перпендикулярні до осі чутливості. Тому такі підвіси застосовують у акселерометрах із силовою компенсацією, коли відхилення маси практично відсутні.

Мал. 2. Схема однокомпонентного акселерометра:

1 – інерційна маса; 2 – корпус; 3 – рідина; 4 – напрямний стрижень; 5 – підсилювач; 6 – індуктивний датчик переміщення;

7 – електромагнітний привід

На схемі рис. 2 інерційна маса 1 підвішена на направляючій 4. Для зменшення тертя про напрямну маса 1, поміщена в рідину 3, має нейтральну плавучість, що виключає сильне притискання до напрямної. Сигнали в схемі, пропорційні переміщенню інерційної маси, вимірюються індуктивним датчиком 6. Після посилення в підсилювачі 5 сигнал надходить на електромагнітний (силовий) привід 7. Вихідним сигналом акселерометра є падіння напруги на опорі , включеному послідовно ланцюг обмотки силового приводу. Демпфування в приладі виходить за рахунок опору під час руху інерційної маси в рідині. В акселерометрах типу можна отримати високу власну частоту і малу зону нечутливості (досягається зменшенням сил тертя за рахунок зважування інерційної маси в рідині). Для збереження сталості характеристик акселерометра необхідно підтримувати температуру постійної постійної, що досягається термостатуванням.

Мал. 3. Схема маятникового акселерометра поплавця:

1 – інерційна маса; 2 – рідина; 3 – корпус; 4 – моментний двигун;

5 – підсилювач; 6 – датчик сигналу

На рис. 3 наведена схема маятникового акселерометра поплавця. Поплавець (інерційна маса) конструюється так, щоб його вага Q був близький до підйомної сили F. Необхідна маятниковість поплавця забезпечується зміщенням центру тяжіння щодо центру водотоннажності на величину L Сигнал повороту поплавця вимірюється індуктивним датчиком 6, і після посилення в підсилювачі 5 4. Мале тертя в опорах, що є підвісами, забезпечується малим тиском, оскільки вага поплавця Q практично врівноважується підйомною силою F. Демпфування досягається тим, що маса рухається в рідині. Для збереження сталості параметрів приладу необхідно регулювати температуру рідини. У поплавцевих акселерометрах застосовують кремнієві рідини.

Прискорення, що вимірюються акселерометрами, що застосовуються в інерційних системах, служать для отримання швидкості польоту та пройденої відстані. Для отримання швидкості прискорення інтегрується один раз, а для отримання шляху двічі. Є певний клас акселерометрів, у яких вихідний сигнал пропорційний не прискоренню, а одно- чи дворазовому інтегралу від прискорення.

Рис.4 Схема інтегруючого акселерометра

1-інерційний поплавець; 2-привідний двигун; 3-гідравлічні перепускні канали; 4-ємнісний датчик; 5-циліндр, заповнений силіконовою рідиною; 6-реле системи обігріву; 7-термостат; 8-нагрівальний елемент; 9-зовнішній циліндр; 10-рідина

Схема інтегруючого поплавкового акселерометра типу представлена ​​на рис. 4. Поплавець 1 у формі циліндра міститься в циліндричній камері, заповненій рідиною 10, причому щільність матеріалу поплавця менше щільності рідини. Камера обертається двигуном 2 з постійною швидкістю. Під дією відцентрових сил, що виникають при обертанні рідини, поплавець встановлюється по осі симетрії, вздовж якої може переміщатися. Інтегруючі акселерометри з конструкцією, наведеною на рис. 4 має чутливість близько 10 -5 g і похибка трохи більше 0,01%.

Перспективними є електромагнітні та кріогенні підвіси.

Для перетворення переміщень електричні сигнали в акселерометрах застосовуються потенціометричні, індуктивні, ємнісні, фотоелектричні і струнні перетворювачі. Основні вимоги до перетворювачів такі: 1) велика роздільна здатність; 2) лінійна залежність виходу від входу; 3) відсутність реакції перетворювача на чутливий елемент. Цим вимогам не задовольняють потенціометричні датчики, у точних приладах вони застосовуються.

Як моментні (силові) пристроїв в акселерометрах для введення сигналів зворотних зв'язків застосовуються моментні двигуни (електродвигуни, що працюють в загальмованому режимі) і електромагнітні пристрої.

Для отримання акселерометрів з необхідними частотними характеристиками в ланцюгах зворотного зв'язку застосовують фільтри, що коригують, і спеціальні демпфери. У приладах з рідинним підвісом для демпфування використовується в'язкість рідини.

Похибки акселерометрів

Акселерометрам притаманні методичні та інструментальні похибки.

Методичні похибки акселерометрів можна розділити на дві групи: 1) похибки, що виникають через те, що акселерометри вимірюють лише прискорення від активних сил, тоді як на прискорення, спричинені гравітаційними силами, ці прилади не реагують; 2) похибки, що виникають через розбіжність осі чутливості з напрямом дії прискорення, що вимірювається.

Так, наприклад, при розбіжності осі чутливості та напрямку прискорення в 1° похибка у вимірі величини прискорення становить 0,02%. Ця похибка сама по собі мала і не має великого інтересу. Більше значення має кут між зазначеними напрямками, оскільки він визначає розбіжність приладової та істинної осей системи координат. Крім того, в інерційних системах навігації розбіжність осей чутливості з напрямом прискорень, що вимірюваються, призводить до появи перехресних зв'язків між акселерометрами, в результаті чого акселерометр вимірює не тільки «своє», але і «чужі» прискорення.

Інструментальні похибки акселерометрів визначаються: 1) порогом чутливості (обумовленим тертям у підвісах) – мінімальним сигналом на вході, при якому з'являється сигнал на виході; 2) порушенням лінійної залежності між вхідним та вихідним сигналами; 3) гістерезисом у характеристиках пружних та інших елементах; 4) температурною залежністю параметрів та характеристик акселерометра.

Для зменшення інструментальних похибок застосовуються заходи щодо зменшення тертя у підвісах, термостатування елементів і поліпшення характеристик чутливості акселерометра. У найкращих конструкціях акселерометрів для інерційних систем інструментальні похибки доведені до 0,002%.

Блок датчика лінійних прискорень БДЛУ – 0,5призначений для вимірювання лінійних прискорень щодо нормальної системи координат та видачі електричного сигналу пропорційного лінійним прискоренням до бортового пілотажного комплексу (БПК) та інших бортових систем.

Конструктивно акселерометр типу БДЛУ складається з основних вузлів:

– датчик лінійних прискорень типу ДЛУВ-42 є одноосьовим акселерометром і призначений для вимірювання лінійного прискорення, що діє вздовж осі чутливості та видачі електричного сигналу, величина напруги якого пропорційна лінійному прискоренню, що діє вимірювальної осі, а знак відповідає напрямку дії лінійного у.

- Блоки живлення типу МУБП-1-1;

- Підсилювача зворотного зв'язку типу БО-44-2-11.

Зовнішній вигляд БДЛУ представлений на рис.

Рис.5 Зовнішній вигляд БДЛУ

Схема одноосьового акселерометра показана на рис.6. (типу ДЛУВ-42)

Мал. 6. Схема одновісного акселерометра із силовим зворотним зв'язком:

1 – обмотка датчика; 2 – обмотка збудження; 3 – вісь чутливості акселерометра; 4 – постійний магніт; 5 – відновлююча обмотка; 6 – підсилювач змінного струму; 7 – демодулятор; 8 - фазозсувний ланцюжок; 9 – підсилювач постійного струму; 10 - генератор ланцюга збудження; 11 - вихідний опір; 12 - сигнал прискорення, що вимірювається.

Акселерометр являє собою пристрій із силовим зворотним зв'язком, в якому сила інерції, що діє на чутливий елемент, врівноважується (пропорційно прискоренню) електромагнітною силою, що створюється струмом у котушці, поміщеній у магнітне поле.

Чутливим елементом акселерометра ДЛУВ є маятник 4, який є постійним магнітом.

При дії лінійних прискорень, спрямованих вздовж чутливої ​​осі датчика виникає момент інерції, що відхиляє чутливий елемент (маятник) від нульового положення рівноваги в напрямку зворотному дії цієї сили.

Момент інерції маятника дорівнює:

,

де
- Маса маятника; - плече небалансу маятника; - Лінійне прискорення, що діє.

Будь-яке його відхилення щодо нульового положення при цьому створює в укріпленій на ньому котушці датчика 1 е.д.с., пропорційна величині чинності, що діє, а значить і прискоренню. Сигнал з датчика надходить на вхід амплітудного фазочутливого детектора-підсилювача БО-44-2-11 (7, 8, 10), де перетворюється на напругу постійного струму певної полярності і через підсилювач постійного струму УПТ - 9 подається на обмотки котушки, що відновлює 5, розташована на пружній підвісці чутливого елемента.

Магнітне поле котушки, що відновлює, 5 взаємодіє з полем постійного магніту 4, який є маятниковим чутливим елементом датчика, при цьому виникає електромагнітна сила, що врівноважує момент інерції маятника і прагне повернути його в нульове положення.

Електромагнітний крутний момент, що створюється струмом, що протікає по обмотках котушки, що відновлює, дорівнює

,

де
- передавальний коефіцієнт ланцюга силового зворотного зв'язку;

- Струм, що протікає по котушці.

Введення в акселерометр силового зворотного зв'язку еквівалентно додаткової жорсткості, яка набагато більша за величиною, ніж жорсткість пружного елемента.

Якщо коефіцієнт посилення підсилювача 9 досить великий, то електромагнітна сила, що відновлює, врівноважує силу, пропорційну прискоренню і чутливий елемент прийме нульове положення рівноваги, при цьому буде мати рівність:

або
,

Звідси має місце співвідношення

.

Таким чином, в ланцюзі відновлювальної котушки 5 протікає струм, який прямо пропорційний лінійному прискоренню (перевантаженню), що діє.

Включивши послідовно з котушкою опір навантаження
, Отримуємо напруги на виході, пропорційне діючому лінійному прискоренню:

. (1)