Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние интегральных акселерометров 11
1.1. Обзор конструктивных схем интегральных акселерометров 11
1.2. Обзор и анализ методов демпфирования подвижных узлов интегральных акселерометров 23
Глава 2. Разработка теории построения интегрального компенсационного датчика линейных ускорений 30
2.1. Математическая модель подвижного узла интегрального акселерометра 30
2.2. Передаточная функция емкостного преобразователя перемещений 36
2.3. Передаточное соотношение корректирующего термодатчика 39
2.4. Передаточное соотношение преобразователя обратной связи 42
Глава 3. Оценка погрешности интегральных акселеро метров и разработка методов улучшения их характеристик 48
3.1. Оценка погрешности статической характеристики интегрального чувствительного элемента 48
3.2. Оценка степени демпфирования интегрального маятника с помощью электрического контура 51
3.3. Компенсация температурной погрешности электростатическо го притяжения емкостного преобразователя перемещений конструктивным методом 55
3.4 Оценка динамической погрешности от несимметричности потоков демпфирующего газа 59
3.5 Оптимизация параметров катушки преобразователя обратной связи 61
3.6 Оптимизация параметров упругого подвеса интегрального маятника 63
3.7 Методика проведения и результаты экспери ментальных исследований 71
3.8 Описание объекта экспериментальных исследований 71
Глава 4 Методика испытаний интегральных акселерометров с помо щью оптической делительной головки 73
4.1 Температурные испытания интегральных акселерометров . 76
4.2 Динамические испытания интегральных акселерометров с помощью вибростенда 78
4.3 Применение косвенного метода снятия АЧХ 84
4.4 Экспериментальные исследования материала постоянного магнита для магнитоэлектрического преобразователя момента 90
Выводы 92
Список принятых обозначений 93
Литература 98
Приложение 104
- Обзор и анализ методов демпфирования подвижных узлов интегральных акселерометров
- Передаточная функция емкостного преобразователя перемещений
- Оценка степени демпфирования интегрального маятника с помощью электрического контура
- Динамические испытания интегральных акселерометров с помощью вибростенда
Введение к работе
В настоящее время инерциальные навигационные системы (ИНС) устанавливаются на всех типах летательных аппаратов (самолетах, вертолетах, космических ЛА), а также на кораблях, подводных лодках и различных боеприпасах (ракетах, торпедах и т. д.). Существуют также системы подземной навигации для исследования профиля скважин при буровых работах - гироскопические и магнитные инклинометры, реализующие инерциальный принцип счисления пути и координат места.
На современном этапе развития ИНС летательных аппаратов, инклинометров и боеприпасов проявилась тенденция микроминиатюризации конструкций отдельных компонентов таких систем, в частности приборов первичной информации - датчиков линейных ускорений (ДЛУ, акселерометров), датчиков угловых скоростей (ДУС, двухстепенных гироскопов) и датчиков угловых координат (трехстепенных гироскопов), при сохранении и дальнейшем увеличении их точности, надежности, временной стабильности и снижении энергопотребления. Причем, если для гироскопических приборов эта тенденция едва прослеживается и имеет поисковый характер, то акселерометры успешно поддаются миниатюризации на протяжении последних 20-и лет как в нашей стране, так и за рубежом. Происходит это в основном благодаря интегральным технологиям, заимствованным из микроэлектроники (фото- и рентгенолитография, изотропное и анизотропное травление, ионная имплантация, эпитаксия и т. д.), а чувствительные элементы (ЧЭ) самих датчиков изготавливаются из кремния или кварца групповым способом. Сервисная электроника датчиков первичной информации увеличивает степень своей интеграции, и на данный момент обозначился переход от гибридных интегральных схем (ГИС) со многими активными и пассивными компонентами на керамической подложке к специальным большим интегральным схемам (спецБИС) на одном кремниевом кристалле, имеющем источник опорного напряжения, генератор для измерительной схемы,
фазочувствительный выпрямитель, измерительный усилитель с корректирующим устройством и усилитель мощности.
ДЛУ используются в платформенных и бесплатформенных ИНС для измерения ускорений центра масс объекта на траектории движения: после двойного интегрирования посредством бортовой ЦВМ - счисление пути и текущих координат.
По принципу действия все акселерометры можно разделить на приборы прямого действия и компенсационные: ЧЭ первых непосредственно передает информацию о входной величине на вторичный преобразователь, и при этом все погрешности измерительного тракта присутствуют в выходном сигнале датчика, а вторые частично или полностью (с интегратором в контуре - астатизм 1-ого порядка) уравновешивают измеряемую величину с помощью главной отрицательной обратной связи (ГООС), т. е. реализуют силовую разгрузку ЧЭ с помощью выходного сигнала, подаваемого на элемент компенсации. В последнем случае точность прибора зависит в основном от элемента компенсации
- датчика силы или момента обратной связи.
Не смотря на перекрестную чувствительность наиболее широко применяемыми ДЛУ в современных ИНС для всех видов ЛА по-прежнему остаются традиционные маятниковые акселерометры компенсационного типа с камневыми виброопорами или упругим подвесом инерционной массы. Причем последние имеют существенные преимущества, поскольку у них отсутствует порог чувствительности в традиционном понимании, который можно было бы измерить, а минимальное значение измеряемого ускорения определяется моментом превышения выходным сигналом прибора уровня "шума" сервисной электроники.
Проведенный анализ по возможным областям применения акселерометров
- ИНС ЛА большой дальности, ЛА средней и малой дальности, системам
управления подвижными объектами, блокам датчиков, инклинометрам, систе
мам виброметрии, диагностики и т. д. показал, что по критерию точности мо
гут быть условно выделены 4 класса, каждый из которых соответствует своим
объектам применения (см. "Целевая комплексная программа развития микромеханических датчиков линейных ускорений в ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА" на
1998-2002 годы.")-
Настоящий обзор составлен по ДЛУ 1-ого и 2-ого класса точности: 1-й класс точности - ИНС ЛА большой дальности, с возможным выделением подклассов систем, отличающихся диапазоном измерения и условиями эксплуатации.
Основные технические характеристики приборов 1-ого класса:
смещение нуля - (і -г- 5)х Ю-4 g;
погрешность масштаба - 0,05 %;
диапазон измерения -flo30g(10g- самолетный);
стоимость -1500-^2000 долларов США.
2-ой класс точности - ИНС ЛА средней дальности, инклинометры, измерительные блоки. Основные технические характеристики приборов 2-ого класса:
. смещение нуля - (і -г 2)х 10"3 g;
погрешность масштаба - 0,1-г0,2 %;
диапазон измерения - до 50 g;
стоимость - около 1000 долларов США.
Характеристики рассматриваемых конструкций могут несколько отличаться от приведенных выше, однако приборы таких классов точности должны обладать очень высокой временной стабильностью и воспроизводимостью метрологических параметров, что является необходимым условием эффективной алгоритмической компенсации их погрешностей с помощью бортовой ЦВМ в реальном масштабе времени.
Актуальность работы. Характерной чертой мирового технологического развития конца XX века является выделение интегрально образующихся (комплексных) технологий, к которым относятся и технологии микромеханических
систем. Как в нашей стране, так и за рубежом наблюдается устойчивый рост
интереса к разработкам интегральных датчиков, что связано с возможностью эффективного решения с их помощью ряда задач контроля и управления. Возможности измерительных систем, таких как ИНС, инклинометры, курсоверти-кали и т. д., всегда определялись характеристиками первичных преобразователей. Существующие конструкции интегральных датчиков ускорений не удовлетворяют современным требованиям из-за высокого уровня трудоемкости изготовления, а также временной нестабильности метрологических характеристик и малого ресурса. Данная работа проводилась в соответствии с тематикой научных исследований предприятия ОАО АНГШ "ТЕМП-АВИА" (г. Арзамас), а также планом основных научных работ Арзамасского филиала НГТУ по проблеме "Разработка и исследование интегральных датчиков первичной информации".
Цель работы.
Целью диссертации является исследование интегральных акселерометров компенсационного типа и их узлов, создание методик проектирования, а также вывод расчетных соотношений, совокупность которых имеет прикладное значение в развитии перспективного направления в отрасли интегрального приборостроения.
Задачи диссертационной работы:
Анализ физических процессов в интегральных чувствительных элементах (ЧЭ), интегральных электронных узлах и системах интегральных акселерометров с точки зрения современных требований к измерительным приборам с применением уравнений математической физики, теории автоматического управления, аэрогидродинамики, электротехники, теории упругости, компьютерного моделирования и т. д..
Проведение экспериментальных исследований статических характеристик интегральных акселерометров, результаты которых позволяют судить о точности и преимуществах интегральных конструкций перед традиционными схемами объемного монтажа.
3. Получение практического подтверждения теоретических результатов диссертации.
Объект исследования.
Объектом исследования является интегральные акселерометры компенсационного типа, выполняемые на базе монокристаллического кремния
Кремниевые маятниковые чувствительные элементы.
Емкостные преобразователи перемещений в электрический сигнал
Приборы для измерения линейных ускорений.
Микроэлектронные преобразователи и узлы, встраиваемые в интегральные акселерометры.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использованы методы математического и физического моделирования, натурный эксперимент и синтез оптимальных решений, методы полупроводниковой схемотехники, теоретической механики, аэрогидродинамики, теории упругости и теории систем автоматического управления.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана математическая модель интегрального микромеханического маятника, отличающаяся более точным соответствием результатам экспериментов.
Получена математическая модель микроэлектронного преобразователя, содержащего широтно-импульсный модулятор.
Разработана методика проектирования магнитоэлектрического силового преобразователя, учитывающая свойства нового материала магнитов и позволяющая получить максимальный диапазон измерения.
Разработана математическая модель газодинамического демпфирования, отличающаяся учетом нелинейных эффектов.
Практическая ценность работы:
Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде методик, математических моделей и расчетных соотношений могут быть использованы при проектировании и определении важнейших параметров интегральных компенсационных акселерометров.
Разработанные методики определения характеристик интегральных акселерометров и их погрешностей с помощью испытательного оборудования позволяют получить основные метрологические параметры приборов.
Результаты диссертационной работы могут бить внедрены в учебный процесс.
Реализация в промышленности.
Результаты диссертационной работы внедрены в серийно выпускаемое изделие ОАО АН1І1І "ТЕМП-АВИА" и в учебный процесс в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре "Авиационные приборы и устройства" по специальностям 190300 и 190900, что подтверждается соответствующими документами.
Апробация работы.
Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:
На региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Н. Новгород, 1997, 1998 г. г.
На межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 97", Москва, 1997 г.
На расширенных НТС ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА", Арзамас, 1997 - 2001г.
На расширенном заседании кафедры "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского филиала НГТУ в 1998 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, из них 5 статей , 3 - тезиса докладов на научно-технических конференциях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, списка принятых обозначений, приложений, и содержит 113 страниц машинописного текста: иллюстраций - 27 (рисунки, схемы, графики), таблиц - 10, список литературы - 67 наименований.
Обзор и анализ методов демпфирования подвижных узлов интегральных акселерометров
При конструировании интегральных измерительных преобразователей с инерционной массой одним из важных вопросов является демпфирование подвижных узлов. В компенсационных акселерометрах возможно применением различных методов демпфирования: газодинамического, гидродинамического, а так же за счет введения в электрический контур скоростной обратной связи.
С целью обоснования выбора метода демпфирования в интегральном акселерометре кратко рассмотрим каждый из них.
Гидродинамическое демпфирование довольно широко применяется в различных приборах. Его действие, состоящее в поглощении кинетической энергии силами вязкого трения, детально описано.
Недостаток. Учитывая, что коэффициент вязкого трения сильно зависит от температуры, для поддержания требуемого уровня демпфирования необходимо термостатирование. Жидкости, применяемые для заполнения, имеют высокий коэффициент линейного расширения и практически несжимаемы. Поэтому для предотвращения разрушения прибора необходимы конструктивные методы, например, введение сильфона или мембраны. Это объясняет высокую стоимость приборов с гидродинамическим демпфированием и большое время подготовки их к работе. Поэтому гидродинамическое демпфирование в интегральном акселерометре неприемлемо.
Приведем рассмотрение вопроса газодинамического демпфирования в тонких газовых зазорах на примере осевого акселерометра (рис. 1.8).. Этот вид демпфирования получил широкое распространение именно в интегральных приборах. Между подвижным узлом и неподвижными плоскими крышками, расположенными с зазором h, заключен вязкий несжимаемый газ. При перемещении подвижного узла газ перекачивается из одной полости в другую. где v - вектор скорости газа в координатных осях х, у, z; р - статическое давление в точках потока; р, ц - соответственно плотность и динамическая вязкость примененного газа.
Обычно к системе уравнений (1.7) добавляют уравнение неразрывности Для однозначного решения уравнений (1.7) и (1.8) воспользуемся известными граничными условиями и естественными допущениями, идеализирующими постановку задачи:1. Скорости на твердых неподвижных стенках в силу молекулярного прилипания равны нулю, т.е. проскальзывание отсутствует: J2. В нормальных направлениях к стенкам в силу быстрого выравнивания давлений в малом зазоре давления являются постоянными, а в других направлениях - переменными: 3. Вихри зарождаются у твердых границ и диффундируют в поток. Известно, что в плоскости потока между двумя близко расположенными твердыми стенками нормальная компонента вихря в связи с диффузией равна нулю, т.е. в этом случае в плоскости х, у вне пограничного слоя течение является потенциальным:4. Нормальная составляющая скорости vz в потоке между параллельнымиплоскостями зависит только от нормальной компоненты z, а остальные со І ставляющие vx, vy зависят от всех трех координат:5. Нормальные составляющие скорости vz в потоке малого зазора при сближении плоскостей представляют собой по сравнению с составляющими v и Vy величины малого порядка, т.е. vz vx и vz vy, поскольку частицы газавыдавливаются только по направлениям х и у. С другой стороны, в связи с резким изменением направления движения частиц производные от нормальной скорости могут иметь большие значения.
Величину газодинамической силы сопротивления определим, интегрируя давления по поверхности подвижного узла в пределах: для JC ОТ -а/2 до а/2 и для у от -Ь/2 до Ь/2: Для определения численных значений производных от нормальной составляющей скорости д vz /д z, д 2vz /д z2 и д 3vz /д гъ на поверхности подвижного узла, т.е. при z = 0, можно получить при допущении 4 следующее уравнение:где Со - константа интегрирования.
Учитывая допущение 5 дифференциальное уравнение для определения нормальной составляющей скорости запишется следующим образом:
Передаточная функция емкостного преобразователя перемещений
Угловые перемещения маятникового подвижного узла разработанного акселерометра выявляются емкостным преобразователем перемещений (рис. 2.4), выполненным в виде тонкопленочной гибридной интегральной схемы с бескорпусными элементами на двух ситалловых платах.
Электропитание прибора осуществляется от двухполярного источника постоянного тока: напряжение /пит =±15В. Дифференциальные измерительные емкости С1-С2, выполнены в виде неподвижных металлизированных электродов на стеклянных крышках и подвижного электрода, роль которого выполняет проводящий кремниевый маятник. Посредством триггера D\, измерительных емкостей С1-С2 и ключей Кл1 и Кл2 выполнен симметричный мультивибратор, на котором осуществлена широтно-импульсная модуляция. Заряд измеритель ной емкости О происходит с прямого выхода триггера D\, а емкости С2 - с инверсного. А разряд емкостей осуществляется поочередно посредством замыкания ключей Кл1 и Кл2. Управляющими сигналами для ключей являются сигналы по перекрестным каналам с тех же выходов триггера. вых
Времязадающие резисторы R\ и R2 выполнены одинаковыми. В нейтральном положении акселерометра при CI = С2 постоянные времени прямой и инверсной цепей мультивибратора равны, т.е. R1CI = R2C2, а на выходе мультивибратора имеет место симметричный прямоугольный сигнал (меандр). При действии ускорений подвижный электрод (проводящий маятник) дифференциальных емкостей отклоняется, что приводит к нарушению равенства постоянных времени и к рассимметризации выходного сигнала. Далее сигналы с прямого и инверсного выходов триггера проходят через одинаковые низкочастотные фильтры (І?ф-Сф) и широтно-модулированный сигнал преобразуется в разность напряжений на выходах фильтров, пропорциональную действующему ускорению.
Амплитуда импульсов на выходах триггера равна напряжению питания, поэтому оно должно быть стабилизировано, а в передаточных соотношенияхдолжно использоваться как опорное /оп- Пассивные фильтры нижних частот выделяют средние значения напряжений на измерительных емкостях за один цикл в виде:
Далее с выходов пассивных фильтров сигналы поступают на дифференциальные входы измерительного усилителя с большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала, выполненного на операционных усилителях DAI, DA2 и DA3. Частотная характеристика измерительного усилителя скорректирована емкостно-резисторной цепочкой Ску-І?ку. На выходе измерительного усилителя включен транзисторный усилитель мощности (VTI-VT2), обеспечивающий питание нагрузки в виде катушек датчика момента (КДМ1-2). Последовательно с обмоткой возвращающих катушек включено внешнее сопротивление нагрузки RH) с помощью которого осуществляется установка пределов измерения.
При условии выполнения R3 = R4, R6 = R1 и RS = R9 полная передаточная функция эектрического блока будет иметь вид:
Из (2.13) передаточную функцию по угловому перемещению можно получить выразив зависимости измерительных емкостей от угла отклонения маятника и их размеров при условии равенства длины маятника длине подвижного электрода: где h - начальный зазор между подвижным и неподвижным электродами измерительных емкостей; /м - длина маятника. Статическая характеристика электронного блока с учетом передаточной функции (1.14) будет иметь вид:
Для компенсации температурных ошибок в датчике линейных ускорений применен встроенный микродатчик температуры. Чаще всего температурным влияниям подвержены не кремниевые упругие элементы, а встроенные в корпус датчиков электронные схемы обработки сигналов. Одним из направлений снижения температурных ошибок является применение на подложках тонкопленочных схем встроенных датчиков температуры, выполняемых на основе бескорпусных кремниевых транзисторов (рис. 2.5). В практике измерения температуры в рабочем диапазоне -60...+120 С с погрешностью 0,1 % получили распространение кремниевые р-п переходы, выполненные в виде смещенных в прямом направлении диодов или базо-эмиттерных переходов транзисторов.U2urnлярного транзистора равен 2,2-10"3 В/С, а 1_К 1_К Дзгерманиевого - (2,7...3,1)10-3 В/С [47]. Зависимость падения напряжения на пря-мосмещенном р-п переходе от температу Отрицательный температурный коэффициент падения напряжения на базо-эмиттерном переходе кремниевого бипо
Оценка степени демпфирования интегрального маятника с помощью электрического контура
Рассмотрим общий случай демпфирования интегральных подвижных узлов с помощью наблюдающих устройств, включаемых в электрический контур регулирования. Данный принцип применим только для компенсационных датчиков. Силовая обратная связь может быть электростатической или магнитоэлектрической. Сигнал обратной связи должен представлять сумму сигналов, пропорциональных выходному напряжению и его производным. На рис. 3.2 приведена классическая структурная схема инте грального акселерометра, включающая в свой состав подвижный узел, электронное звено в прямой цепи контура регулирования, представляющее собой преобразователь перемещений и масштабный усилитель, а также цепь отрицательной обратной связи с корректирующим устройством.
Вначале рассмотрим простой пример наблюдающего устройства, отслеживающего движения подвижного узла по его перемещениям и скорости перемещений. В случае применения осевого акселерометра с подвижным узлом, имеющим одну степень свободы, передаточная функция в замкнутом контуре имеет следующий вид: где Ж,л = КЭ!1 = -KMUon/h - передаточная функция электронного блока; Км - коэффициент передачи масштабного усилителя; WK0V - передаточная функция корректирующего устройства; Woc = Кос = [«/(1заЯ5мКм/К3)1/2]/(г + К) - коэффици ент передачи звена обратной связи для случая применения магнитоэлектрического преобразователя (акселерометры ATI 104 и ATI 104-50).
В конструкциях интегральных датчиков возможны два случая: 1) абсолютный коэффициент демпфирования Кд, обеспечиваемый, например, газодинамическим демпфированием, меньше оптимального и электрический контур должен увеличить его до желаемого значения; 2) абсолютный коэффициент демпфирования Кд больше оптимального (имеет место передемпфирование). Тогда электронный контур должен снизить его до требуемого значения.Рис. 3.3. Электрические схемы наблюдающих устройствОба варианта могут быть реализованы с применением в цепи отрицательной обратной связиспециальных корректирующих устройств, так называемых наблюдателей. На рис. 3.3 приведены электронные схемы наблюдающих устройств, выполненные на ОУ с внешними ЯС-цепями. Схема по рис. 3.3, а предназначена для повышения абсолютного коэффициента демпфирования. Передаточная функция наблюдающего устройства имеет вид
На основе передаточных функций отдельных звеньев и передаточной функции электронного наблюдателя (3.5) передаточная функция (3.4) акселерометра с замкнутым контуром регулирования может быть преобразована: тК.
Если вместо схемы рис. 3.3, а в цепи обратной связи применить схему, приведенную на рис. 3.3, б, в которой позиционная составляющая выходного сигнала передается на отработку с противоположным знаком, а составляющая по производной - с прямым, то передаточная функция наблюдающего устройства по сравнению с (3.5) будет иной:
Соответственно и передаточная функция всего прибора будет иметь другие по сравнению с (3.6) параметры:
Из полученных результатов (3.6) и (3.8) видно, что относительный коэффициент демпфирования может быть задан в любых пределах с помощью выбора величины конденсатора С, т.е. абсолютный коэффициент демпфирования можно с помощью электрических цепей как увеличивать, так и уменьшать.
Теперь рассмотрим более сложный вид наблюдающего устройства, отслеживающего кроме перемещений и скоростей подвижного узла его линейные ускорения. Схема, реализующая наблюдатель, приведена на рис. 6.8, в. В сравнении со схемой рис. 3.3, в она представляет собой двойную цепь, состоящую из предыдущих. Выполнена схема на трех ОУ с внешними і?С-цепями обратных связей. Включается схема последовательно с силовым звеном отработки, на ее вход подается выходной сигнал акселерометра, а выход подключается к возвращающей обмотке магнитоэлектрического преобразователя с учетом полярности.
Передаточная функция наблюдающего устройства, построенного по схеме рис. 3.3, е, имеет следующий вид:\R$ R\ J R\R Подставляя передаточную функцию корректирующего устройства в исходную (3.4), вновь получим типовую функцию 1шс = K / s2 +2,Ts +1) с параметрами:
Динамические испытания интегральных акселерометров с помощью вибростенда
Для снятия экспериментальных АЧХ применялся малогабаритный вибростенд с набором встроенных контрольно-измерительных приборов: цифрового измерителя частоты, двух цифровых измерителей амплитуды и контрольного виброакселерометра (рис. 4.3). Вибростенд, по аттестационным данным, имеет ошибку на низких частотах (от 0 до 10 Гц) - 1 % и на средних частотах (до 1500 Гц) - 0,5 % от диапазона виброускорений. Конструкция вибростенда основана на принципе преобразования магнитоэлектрической силы в возвратно-поступательное перемещение. В зазоре магнитной системы располо жена обмотка на каркасе из легкого немагнитного материала типа алюминиевого сплава Діб, которая имеет 40 витков медного провода. Каркас силовой обмотки укреплен с помощью упругого подвеса на восьми плоских растяжках из Переменное напряжение синусоидальной формы подается на обмотку через растяжки от внешнего генератора. Амплитуда колебаний контролируется контрольным виброакселерометром или датчиком перемещений.
Исследование динамических характеристик и вибрационной устойчивости акселерометра ATI 104-50Анализу подвергались акселерометры ATI 104-50 №№ 1840605927, 1840605928.Определение динамических характеристик
Результаты измерений представлены в таблице 1, ЛАХ при разомкнутой обратной связи изображены на рисунке 1, ЛАХ акселерометров в режиме "50g"- на рисунках 2, 3.I. Исследование поведения вибрационной погрешности ПС. Результаты измерений приведены в таблицах 2,3, графики логарифмической зависимости погрешности от частоты приведены на рисунках 2,3
П. Исследование динамических характеристик и поведения вибрационной погрешности акселерометров с внешней КУ. Для увеличения демпфирования в высокочастотной области параллельно RH была включена корректирующая емкость С=3 мкФ.
Результаты измерений приведены в таблицах 4,5, ЛАХ и график вибрационной погрешности приведены на рисунках 2,3.1. Разработанная ранее динамическая модель соответствует полученным по п.1 результатам и не требует корректировки. Необходимо отметить, что акселерометры имеют ярко выраженные резонансы ( = 0,05) на частоте fp « 2500А/. 2. Причиной роста вибрационной погрешности с увеличением частоты вибрации является нелинейность газового демпфирования.
Для сравнения на низких частотах детектирование угловых движений приводит к угловому смещению ЧЭ и смещению нулевого сигналаа т.к. нелинейность по ТУ на ATI 104 не превышает 0,1%, а жесткость подвеса на изгиб в 1500 раз меньше жесткости электропружины в режиме "50g", то aQ 0,05mg и пренебрежимо мала.контура акселерометра проводилось для различных диапазонов измерения с і?н=5000 Ом (amax ±l,4 g) и Z?H=1000 Ом (amax«±7 g). Принимаем амплитуду выходного напряжения генератора ГЗ-112/1 постоянной в полосе частот от 20 Гц до 10000 Гц.верхняя граничная частота по уровню 0,707x 4(0):,/ =210 Гц;резонансная частота: , = 2400 Гц;добротность резонанса: =12,6 ед.;относительная величина резонансного пика: Х=А(/р)/А(0)=0,55=-5,19 дБ. /ген, Гц Л СУвых U ген,1. Применение магнитов КСДГ-25 и облегчение маятника за счет изготовления каркасов катушек датчика момента из материала Діб позволяет умень шить крутизну статической характеристики акселерометра с А"ср=1,0±0,15 мА/g до Кс?&0,73 мА/g, что увеличит диапазон измерения без увеличения напряже ния питания прибора. 2. Температурная зависимость крутизны статической характеристики АА"ср=Д7) соответствует технической документации на магниты КСДГ-25. 3. На АЧХ имеется резонансный пик от осевого движения, частота резонаса /р 2400 Гц, что находится вне полосы бортовых вибровозмущений/в=0-ь2000 Гц. 1. С целью дальнейшего увеличения диапазона измерения акселерометра необходимо рассмотреть возможность применения в катушке датчика момента алюминиевого провода и материала каркаса катушки с меньшей плотностью, чем у Діб (стекло, керамика, кремний и т. д.); 2. Для уменьшения относительной величины резонансного пика в соответствие с проведенным математическим моделированием необходимо изменить геометрию обкладок датчика угла. На рис. 4.4 приведена структурная схема для динамических испытаний компенсационных акселерометров. В этой конструкции датчик момента имеет две обмотки: возвращающую и зондирующую. В обычном режиме работы акселерометра рабочей является только возвращающая обмотка, с помощью которой осуществляется силовая обратная связь. В режиме испытаний (или контроля) в действие вступает зондирующая обмотка. Испытательный сигнал в виде синусоиды или единичного скачка подводится на обмотку от внешнего генератора, создавая момент небаланса подвижного узла. При снятии АЧХ на зондирующую обмотку подводится синусоидальный сигнал с переменной частотой и постоянной амплитудой. Поддержание амплитуды синусоидального сигнала постоянной равносильно выполнению требования постоянства задания ускорений на разных частотах, т.е. при этом обеспечивается реализация соотношений (4.3) и (4.4). Данный метод испытаний в основном аналогичен с метолом испытаний на вибростенде, однако точность его выше, поскольку стабилизировать амплитуду зондирующего сигнала значительно проще, чем стабилизировать ускорение. Ток в зондирующей обмотке пропорционален выходному напряжению и соответственно ускорению, действующему по оси чувствительности. При подаче на зондирующую обмотку единичного скачка напряжения возможно получение переходного процесса. Нормированная передаточная функция W(s) акселерометра и АЧХ А(а ) в общем виде описываются выражениями: Целью обработки экспериментальных данных является идентификация передаточной функции акселерометра по экспериментальной АЧХ и определение параметров подвижного узла акселерометра на основании известных теоретических зависимостей. Методика косвенного метода снятия АЧХ состоит в следующем. По графику экспериментальной АЧХ делается предположение о порядке числителя и знаменателя (п и т) передаточной функции акселерометра. Далее в соответст вии с (4.6) множество точек [сок, Ак ], к = 1 .. JV3KC квадрата нормированной АЧХ аппроксимируется рациональной дробью: