Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ условий функционирования и формулирование требований к информационно-измерительным системам и их чувствительным элементам 16
1.1 Существующие бортовые гироприборы и акселерометры, решаемые ими задачи в составе вращающихся по крену ЛА 16
1.1.1 Принципы построения и задачи, решаемые бортовыми гироприборами на базе трехстепенного гироскопа 17
1.1.2 Определение условий полета на основании экспериментальных данных полета ЛА с помощью ИУП, РВГ и акселерометра 26
1.1.3 Анализ экспериментальных данных и формулирование требований к информационно-измерительным и управляющим системам 31
1.2 Структуры информационно-измерительных систем на базе микромеханических приборов 38
1.2.1 Анализ характеристик существующих микромеханических приборов 38
1.2.2 Структурная реализация информационно-измерительных и управляющих систем на базе микромеханических чувствительных элементов 41
1.2.3 Формулирование требований к микромеханическим приборам по результатам имитационного моделирования структурных реализаций информационно-измерительных систем на основании экспериментальных данных 52
1.3 Выводы 54
2 Основные решения по реализации микромеханических приборов информационно-измерительных систем определения параметров движения объектов (ЛА) 55
2.1 Определение конструктивного исполнения микромеханических приборов с повышенной устойчивостью к влиянию возмущающих воздействий 55
2.2 Математическое описание и анализ электростатических сил емкостных преобразователей. Определение минимума нелинейности их статических характеристик 59
2.3 Способ формирования в микромеханических приборах обратной связи 74
2.4 Методика определения параметров механической и электрической подсистем микромеханического прибора для реализации предлагаемого способа формирования обратной связи 80
2.5 Способ формирования в микромеханических гироскопах автоколебательного контура создания первичных колебаний 84
2.6 Выводы 87
3 Математические модели микромеханических приборов информационно- измерительных и управляющих систем 89
3.1 Математическая модель микромеханического акселерометра 89
3.1.1 Принятый в работе подход к проектированию микромеханических приборов 89
3.1.2 Методика предварительного проектирования микромеханического акселерометра 90
3.1.3 Математическая модель механической подсистемы микромеханического акселерометра 93
3.1.4 Математическая модель электрической подсистемы микромеханического акселерометра 98
3.2 Математическая модель микромеханического гироскопа 103
3.2.1 Математическая модель механической подсистемы микромеханического гироскопа 103
3.2.2 Математическая модель электрической подсистемы микромеханического гироскопа 111
3.3 Выводы 115
4 Имитационное моделирование функционирования микромеханических приборов 116
4.1 Функционирование акселерометров 116
4.1.1 Проверка адекватности модели по воспроизводимым при моделировании определяющим процессам 116
4.1.2 Сравнительный анализ характеристик МА с различной реализацией электрической подсистемы 118
4.1.3 Моделирование работы МА при наличии разброса конструктивных параметров 122
4.2 Функционирование гироскопов 126
4.3 Выводы 129
Заключение 134
Список литературы 136
- Принципы построения и задачи, решаемые бортовыми гироприборами на базе трехстепенного гироскопа
- Математическое описание и анализ электростатических сил емкостных преобразователей. Определение минимума нелинейности их статических характеристик
- Принятый в работе подход к проектированию микромеханических приборов
- Проверка адекватности модели по воспроизводимым при моделировании определяющим процессам
Введение к работе
Актуальность темы. Информационно-измерительные и управляющие системы служат для измерения различных физических величин, в том числе ускорений, угловых и линейных скоростей и перемещений объектов различного назначения, сбора, обработки информации получаемой с измерительных приборов и выработки команд управления. Данные системы применяются как в промышленности, так и на транспортных средствах различного базирования (наземного, водного (подводного) и воздушного). Перечень задач, решаемых такими системами, расширяется с каждым годом. Вместе с тем, возрастают и требования к ним по расширению диапазона измерений, точности определения параметров, минимизации габаритов и энергопотребления.
Информационно-измерительные и управляющие системы состоят из двух основных частей: блока чувствительных элементов и блока электроники, реализующего съем, обработку сигналов с блока чувствительных элементов и формирование выходных сигналов (измерительных и управляющих) в зависимости от выполняемой функциональной задачи. Погрешности данных систем определяются, в основном, погрешностью показаний чувствительных элементов, а не методическими погрешностями алгоритмов работы.
В настоящее время блоки чувствительных элементов строятся на базе гироскопов и акселерометров традиционного исполнения. Они представляют собой сложные приборы точной механики, обладающие значительными энергопотреблением, габаритами, массой и высокой стоимостью. К настоящему моменту достигнуты как конструктивные, так и технологические пределы улучшения характеристик данных приборов.
Массогабаритными характеристиками, наиболее полно удовлетворяющими современным тенденциям развития информационно-измерительных и управляющих систем обладают микромеханические приборы.
Однако переход от приборов точной механики к микромеханическим не допускает формальной замены одних на другие. Это связано с тем, что микромеханические акселерометры и гироскопы, на данном этапе развития обладают более низкой стабильностью масштабного коэффициента, большей нелинейностью характеристики, повышенным уровнем шумов и более узким диапазоном измерения.
Поэтому актуальной является разработка математических моделей, учитывающих особенности протекающих в микромеханических приборах процессов, и создание на их основе методик синтеза микромеханических приборов с улучшенными характеристиками по сравнению с достигнутым уровнем.
Объект исследования - микромеханические приборы для определения параметров движения подвижных объектов, используемые в информационно-измерительных и управляющих системах.
Цель диссертационного исследования
Разработка схемно-конструктивных решений, методик анализа и синтеза механической и электрической подсистем микромеханических приборов с
расширенным диапазоном измерения, повышенной линейностью выходной характеристики и устойчивостью к возмущающим воздействиям.
Предметом исследования являются электрические, электромеханические и механические процессы; функционально-параметрические связи, отражающие специфические особенности в конструктивных и схемных реализациях, а также взаимосвязь параметров микромеханических приборов и их влияние на характеристики информационно-измерительных и управляющих систем.
Методологические основы исследования
Основополагающими в разработке микромеханических систем и исследовании протекающих в них процессов являются работы: Л.А. Северова, С.Ф. Былинкина, В.Д. Вавилова, М.И. Евстифеева, В.Я. Распопова, Л.П. Несенюка, Д.Г. Грязина, П.К. Плотникова, С.Ф. Коновалова, В.Г. Пешехонова, В.Э. Джашитова, В.М. Панкратова и организаций ЗАО «Гирооптика», ЦНИИ «Электроприбор», ОАО «Темп-Авиа», РПКБ.
Анализ работ по предмету исследования показал, что необходимым при поиске схемно-конструктивных решений и математическом обосновании, обеспечивающем синтез и анализ адаптированных к условиям функционирования микромеханических приборов информационно-измерительных и управляющих систем, является этап создания математических моделей. При этом математические модели описываемых процессов должны иметь достаточно высокую степень подобия процессам, протекающим в реальных объектах. Для этого используются методы механики, теории подобия, теории автоматического управления, электростатики, электроники.
Научная новизна работы
Обобщенное математическое описание и анализ электростатических сил емкостных преобразователей с определением минимума нелинейности их статических характеристик в зависимости от хода инерционной массы микромеханического прибора, напряжения питания и конструктивной реализации преобразователя.
Способ формирования контура обратной связи для микромеханических приборов с одним емкостным преобразователем, отличающийся тем, что обратная связь формируется на частоте опорного сигнала посредством дискретно-временного разделения периода опорного сигнала на интервал съема информации о положении инерционной массы и интервал создания управляющего усилия;
Методика предварительного проектирования акселерометров, включающая расчет конструктивных параметров инерционной массы, емкостного преобразователя и электронных элементов предложенного контура обратной связи с учетом динамического характера протекающих процессов измерения и формирования действующих сил.
Математическая модель микромеханического акселерометра, реализующая описание разработанного способа формирования обратных связей и описывающая взаимосвязанные процессы, протекающие в выделяемых
механической и электрической подсистемах, с учетом нелинейного высокочастотного характера процессов.
Способ формирования автоколебательного контура режима первичных колебаний, для микромеханических гироскопов, отличающийся тем, что реализуется формирование релейного управляющего усилия в соответствии со знаком сигнала о перемещении на основе принципа дискретно-временного разделения опорного сигнала на интервалы съема и управления.
Математическая модель микромеханического гироскопа, структурно представленная в виде двух подсистем и учитывающая особенности процессов, протекающих на частоте опорного сигнала в предложенных автоколебательном контуре режима движения и контуре режима чувствительности.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что созданы математические модели, алгоритмы, программы, которые могут быть использованы при проектировании акселерометров с обратной связью по перемещению, гироскопов, работающих в автоколебательном режиме создания первичных колебаний и обратной связью по перемещению в режиме чувствительности. На базе материалов диссертации может быть осуществлена разработка микромеханических приборов информационно-измерительных и управляющих систем с улучшенными характеристиками на специализированных предприятиях и организациях: «Темп-Авиа», г. Арзамас, «РПКБ», г. Раменское, ЦНИИ «Электроприбор», г. С.-Петербург, ЗАО «Гирооптика», г. С.-Петербург. Математическое и программное обеспечение использовано в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» и проведении курсов повышения квалификации специалистов Всероссийского научно-исследовательского института технической физики имени академика Е.И. Забабахина (г. Снежинск) (2005, 2007 гг.).
Основные научные положения, выносимые на защиту
Результаты анализа по определению направления поиска схемно-конструктивных решений в микромеханических акселерометрах и гироскопах на основе требований, сформулированных применительно к летательным аппаратам.
Конструктивные схемы и наиболее рациональные соотношения их параметров, обеспечивающие при разработке микромеханических приборов минимум нелинейности силовых характеристик емкостных преобразователей и устойчивость к воздействию возмущающих факторов.
3 Способ формирования в микромеханических чувствительных
элементах, использующих для измерения отклонения инерционной массы и
создания компенсирующего усилия один емкостный преобразователь, обратной
связи, осуществляемой на частоте опорного сигнала и не вносящей
дополнительного запаздывания в контур управления, что позволяет увеличить
амплитуду и линейность сил, развиваемых емкостным преобразователем.
4 Методика предварительного проектирования микромеханических
акселерометров, включающая расчет конструктивных параметров емкостного
преобразователя, инерционной массы и электронных элементов для предложенного контура обратной связи и обеспечивающая разработку акселерометров с минимальной нелинейностью выходного сигнала при максимуме компенсирующего усилия.
5 Математическая модель (в размерной и безразмерной формах),
описывающая взаимосвязанные механические - «низкочастотные» и электрические-
«высокочастотные» процессы в микромеханических акселерометрах и позволяющая
провести анализ его характеристик при вариации налагаемых обратных связей
и разбросе допусков на элементы конструкций.
Способ создания автоколебательного контура в микромеханических гироскопах с одним емкостным преобразователем, позволяющий поддерживать постоянство частоты и амплитуды автоколебаний при наличии возмущающих воздействий.
Математическая модель микромеханического гироскопа (в размерной и безразмерной формах), обеспечивающая имитационное моделирование функционирования микромеханических гироскопов в автоколебательном режиме создания первичных колебаний и при наличии возмущающих воздействий.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы доложены на следующих семинарах и конференциях:
XIII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления автоматики и обработки информации», сентябрь 2004 г. Крым, г. Алушта;
XIV Юбилейном международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления автоматики и обработки информации» сентябрь 2005 г. Крым, г. Алушта;
- VIII Конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" 14
- 16 марта 2006 года, г. С.-Петербург;
- X Юбилейной конференции молодых ученых "Навигация и управление
движением" 11-13 марта 2008 года, г. С.-Петербург.
Принципы построения и задачи, решаемые бортовыми гироприборами на базе трехстепенного гироскопа
Основным бортовым гироприбором вращающейся по крену ЛА является ГРК. Он предназначен для преобразования сигналов управления из системы координат наземной аппаратуры управления в систему координат ЛА. Кроме того, ГРК может выполнять функции предстартовой ориентации системы координат ЛА при ее произвольном положении по крену.
ГРК преобразование команд в соответствии с приведенными ранее зависимостями осуществлялось с помощью синусно- косинусного вращающегося трансформатора, ротор которого монтировался на наружной рамке карданова подвеса, ось вращения которой совпадала с продольной осью ЛА, а статор устанавливался в корпусе ГРК. Развитие систем управления позволило в дальнейшем отказаться от реализации синусно-косинусных зависимостей и перейти к их аппроксимации с помощью резисторных, затем ламельных и, наконец, оптоэлектронных датчиков угла.
При хранении ГРК токосъемник отделен от ламельного диска и соединен с маятником, который устанавливается по линии местной вертикали. После срабатывания арретира 7 токосъемник жестко соединяется с осью вращения наружной рамки 3, и маятник 6 отделяется от токосъемника. Токосъемник развернут на угол уф относительно ламельного диска, чтобы компенсировать фазовое запаздывание в срабатывании рулевого привода.
ГРК, выполненные по схеме, представленной на рисунке 1.2, применяются в ЛА, ориентация которых по крену при старте может быть произвольной. В случае, когда ориентация по крену при старте известна, маятниковое устройство согласования датчика угла с линией местной вертикали отсутствует. ГРК по схеме (рисунок 1.2) используются в ЛА, перемещающихся по настильной траектории Тз (рисунок 1.3) на дальность до 5 км.
Перемещение на дальности более 20 км осуществляется по баллистической траектории. В этом случае применяются гироскопы, совмещающие функции раскладчика команд и функции гироскопа направления. Для данных ЛА характерной является следующая циклограмма пуска: - при старте ЛА приобретает начальную скоростью V (рисунок 1.3) под углом 90 к горизонту и движется по траектории Ть Первой задачей таких гироскопов является выдача в систему управления информации об угле пеленга, по которой вырабатывается - в точке А траектории, близкой к ее вершине, от программного механизма производится запуск бортовых батарей и гироскопа. С данного момента между осями х0 гироскопа и хс ЛА появляется угол 0Ш который характеризует его положение по тангажу и может быть назван углом пеленга. ЛА, обеспечивающая его планирование под необходимым углом на участке траектории Тг. Планирование ЛА позволяет увеличить дальность и точность полета и обеспечить пологую траекторию его входа в заданную зону. Гироскоп выполняет функции ГН.
Второй задачей гироскопа является формирование опорной системы координат, которая обеспечивает преобразование команд компенсации веса из опорной системы координат, связанной с вертикальной плоскостью, в систему координат, связанную с вращающимся по крену ЛА. Таким образом, гироскоп также должен выполнять функции ГРК.
Вертикальная плоскость опорной системы координат формируется за счет образования угла пеленга между главной осью гироскопа и продольной осью ЛА в плоскости, проходящей через эти оси. Рассмотренная схема формирования опорной системы координат применима только при больших углах разворота ЛА при его движении по баллистической траектории.
В основе конструкции обоих гироприборов (ГН и ГРК) лежит схема трехстепенного гироскопа, главная ось которого направлена вдоль продольной оси ЛА, в силу вращения последней по крену принудительно вращается и карданов подвес данных приборов (рисунок 1.4) [32].
На рисунке 1.4а показаны элементы конструкции ГРК, соответствующей кинематической схеме, представленной на рисунке 1.46 (оцифровка обозначает идентичные элементы). Внутри колоколообразного ротора 10 размещена заводная пружина 11 и внутренний карданов подвес, который состоит из крестовины 6, кинематически аналогичной наружной рамке и барабана 7, кинематически аналогичного внутренней рамке. Крестовина 6 относительно стойки корпуса 1 и барабан 7 относительно крестовины смонтированы на цапфах 5. Ось 9 собственного вращения ротора смонтирована на шарикоподшипниках 8 относительно барабана 7 и жестко скреплена с ротором. В стойке 1 имеется прорезь, в которой размещена оптопара: фотодиод 2 и светодиод 3. Поле зрения фотодиода частично перекрывает отогнутый конец флажка 4, который другим концом жестко скреплен с крестовиной. При движении ЛА по траектории (рисунок 1.3) стойка корпуса 1 вместе с ЛА разворачивается относительно вектора кинетического момента Н ротора и, таким образом, продольная ось ЛА и главная ось гироскопа моделируют вертикальную плоскость, относительно которой формируются команды управления. Опорный электрический сигнал вырабатывается оптопарой.
Математическое описание и анализ электростатических сил емкостных преобразователей. Определение минимума нелинейности их статических характеристик
При разработке систем регулирования и стабилизации основных характеристик приборов на основе создания контуров ОС необходимо знать характеристики преобразователя, исполняющего роль силового элемента. К основным характеристикам, знание которых необходимо при проектировании контуров обратной связи, относятся (для преобразователей, используемых в микромеханических приборах): - амплитуда развиваемой силы; - изменение силовой характеристики от перемещения, напряжения питания и способов включения обкладок. Для получения этих характеристик необходимо иметь уравнения, описывающие эти зависимости, вид которых определяется конструкцией преобразователя.
Преобразователи, изготавливаемые в виде гребенчатых структур и работающие на изменение площади перекрытия [1, 5, 10, 11], создают силу, амплитуда которой не зависит от перемещения. Наряду с этим, данный способ требует высоких точностей изготовления и позволяет развивать меньшую силу по сравнению с преобразователями, работающими на изменение зазора между обкладками. Последние имеют нелинейную зависимость и от перемещения, и от напряжения на обкладках, и при изготовлении их по схемам, представленным на рисунках 2.4 а, б, обладают неоднозначностью направления вектора силы в нулевом положении. Поэтому при изготовлении данных преобразователей в виде гребенчатых структур конструктивно смещают подвижные гребенки относительно неподвижных (рисунок 2.4в).
Таким образом, отрицательная величина суммарной силы при положительном перемещении будет свидетельствовать о создании возвращающего усилия - обратная связь работает. Аналогичным образом для отрицательного перемещения суммарная сила должна быть положительной. В противном случае (при совпадении знаков перемещения и развиваемой силы) возвращающего усилия не создается, и обратная связь становится положительной, что приводит к схлопыванию обкладок преобразователя как только сила, вызванная действующей перегрузкой, и суммарная сила преобразователя будут иметь величину больше силы упругости подвеса.
Дополнительно учтем в выражениях (2.3), (2.4)следующие величины: — относительный коэффициент передачи цепи обратной связи кос, величина которого должна быть меньше единицы; — относительный, максимально допустимый для перемещения ИМ зазор Зт величина которого также должна быть строго меньше единицы. Равенство его единице свидетельствует о том, что в процессе движения обкладки могут соприкасаться, т.е. воздушный зазор (фронтальный) между обкладками преобразователя может быть равен нулю; — относительное перемещение в пределах максимально допустимого перемещения 5», величина которого может изменяться от минус единицы до единицы (характеризует направление и амплитуду перемещения ИМ в пределах максимально допустимого зазора); — начальную силу Р0— величину, необходимую для приведения уравнений сил к безразмерному (относительному) виду.
Из полученной формулы следует равенство выражений для определения начальной силы для линейного и релейного типов управления, что позволяет сравнивать безразмерные части полученных выражений, так как именно они будут определять амплитуду и характер развиваемых сил. Коэффициент 0,5 в безразмерной части выражения для определения релейной силы свидетельствует о том, что при данном типе управления число, гребенчатых структур, создающих усилие, в 2 раза меньше чем при создании разностной (линейной) силы.
Во всех полученных ранее выражениях для определения электростатических сил (2.6 - 2.10) размерные части выражений являются одинаковыми, что позволяет провести сравнительный анализ характеристик микромеханических приборов с двумя раздельными преобразователями и одним, выполняющим двойную функцию.
Принятый в работе подход к проектированию микромеханических приборов
Предлагаемый подход к проектированию МА методически складывается из следующих этапов: - предварительного проектирования, в результате которого на основании данных технического задания (рабочий диапазон частот, измеряемые перегрузки, опорное напряжение и величина воздушного зазора) осуществляется синтез конструкции, т.е. расчет геометрических размеров элементов конструкции микромеханического акселерометра и анализ линеаризованных уравнений с постоянными коэффициентами; - математического моделирования процессов, имеющих место при работе механической части акселерометра совместно с электрической схемой управления. В результате моделирования уточняются параметры, полученные в ходе предварительного проектирования. Моделирование осуществляется на основании разработанной системы нелинейных уравнений, включающих как механическую, так и электрическую части акселерометра. Таким образом, осуществляется моделирование работы всей измерительной цепи МА с воспроизведением нелинейных процессов в зависимости от времени функционирования.
Исходя из того, что задача синтеза, в отличие от задачи анализа, не решается в общем виде, в дальнейшем рассматривается подход к проектированию МА подобного типа и построения математической модели, описывающей механическую и электрическую части микроакселерометра.
Методика предварительного расчета МА основана на результатах анализа силовых характеристик, способе создания контура ОС и методике расчета его параметров, приведенных в разделе 2.
Для составления математической модели МА была выбрана конструкция (рисунок 3.2), в которой соотношением конструктивных размеров элементов упругого подвеса, в соответствии с выражением (2.2), обеспечивается перемещение только в направлении оси чувствительности (У). Электростатический привод выполнен по схеме, аналогичной приведенной на рисунок 2.4в, и изготовлен в виде двух преобразователей, образованных восемью секциями гребенчатых структур. Это позволяет реализовать для данного МА ОС как предлагаемым способом создания контура (изложенным в разделе 2), так и традиционным (один преобразователь — измеритель перемещения, второй — преобразователь силы).
Ограничения и допущения, накладываемые на математическую модель, принятые в результате предварительных расчетов: - движение ИМ рассматривается как движение ее центра масс; - перемещение инерционной массы акселерометра рассматривается только в направлении измерительной оси, так как перемещение в направлении осей, перпендикулярных ей, является пренебрежимо малым (обеспечивается конструктивным исполнением); - преобразователь совмещенного типа (преобразователь силы и преобразователь перемещения конструктивно выполнены в составе одного преобразователя); - максимальная амплитуда перемещения инерционной массы в относительных величинах 0,3; - относительный коэффициент передачи цепи обратной связи по перемещению 0,5465.
Для нахождения работоспособных параметров акселерометра целесообразно привести модель к безразмерному виду [39], что позволяет, не проводя громоздких пересчетов и математических вычислений, получить значения безразмерных величин, удовлетворяющие заданию или наложенным ограничениям и пересчитать их в реальные размерные параметры. Введение величины безразмерного времени позволяет установить интересующий временной масштаб в зависимости от скорости протекающих процессов в решаемой задаче, и тем самым, более выгодно использовать машинные ресурсы, затрачиваемые на решение каждой конкретной задачи без потери точности решения.
Основным достоинством безразмерных уравнений является то, что результаты, полученные в ходе моделирования, распространяются не на один конкретный датчик, а на класс датчиков, имеющих единое конструктивное решение. Соблюдение равенства величин безразмерных комплексов позволяет изменять конструкцию акселерометра, сохраняя при этом его характеристики.
Полученные выражения для безразмерных комплексов не содержат величин, не рассчитанных ранее, поэтому в процессе моделирования расчет комплексов будет проводиться один раз для одного конкретного конструктивного исполнения микромеханического акселерометра. В процессе моделирования будут меняться только безразмерные параметры, введенные ранее. Это позволяет на стадии моделирования добиться требуемых характеристик микромеханического акселерометра, не внося изменения в конструктивное исполнение и не пересчитывая каждый раз конструктивные параметры микромеханического акселерометра.
На основании структурной схемы (рисунок 2.12) разработана электрическая схема (рисунок 3.3), достоинством которой является то, что сигнал снимается не со средней точки емкостного преобразователя, а с плечей емкостных преобразователей, что позволяет избежать: - падения напряжения на структуре, ввиду ее конечной проводимости; - необходимости передачи сигнала по участкам схемы, подвергаемым деформации, что значительно увеличивает износостойкость МА; - необходимости реализации полной мостовой схемы и, как следствие, точной ее настройки для увеличения точности измерения; - снятия сигнала малой амплитуды со структуры по проводникам (при отдельном изготовлении микроструктуры и управляющей электроники), что приводит к появлению дополнительных наводок и паразитных емкостей, значительно влияющих на точность МА.
Проверка адекватности модели по воспроизводимым при моделировании определяющим процессам
При сравнительном анализе характеристик [25] рассматривается МА, конструкция которого показана на рисунке 4.6а. Конструкция МА представляет собой инерционную массу 1, подвешенную на упругих элементах 2 и имеющую в своем составе четыре пары емкостных гребенчатых преобразователей 3. Особенностью преобразователя является несимметричное расположение подвижных гребенок относительно неподвижных (рисунок 4.66). а)
Принцип работы схемы, представленной на рисунке 4.7, рассмотрен в [42] и заключается в следующем. При действии ускорения ИМ прибора отклоняется на некоторую величину, вследствие чего происходит изменение амплитуды заряда емкостей преобразователя перемещения. В результате на выходе преобразователя будет иметь место частотно модулированный сигнал, по огибающей повторяющий перемещение ИМ и симметричный относительно нуля. Для демодуляции данный сигнал подается на вход синхронного детектора, который в общем случае выполняет роль двухполупериодного фазочувствительного выпрямителя. Для выделения огибающей сигнал подается на фильтр.
Отличием схемы, представленной на рисунке 4.8, от схемы на рисунке 4.7 является то, что напряжение с выхода фильтра прикладывается к одному из конденсаторов преобразователя силы таким образом, чтобы усилие, развиваемое преобразователем, было направлено в сторону, противоположную направлению движения ИМ.
В схеме (рисунок 4.7) все преобразователи используются как преобразователи перемещения. В схеме (рисунок 4.8) 30% от общего числа преобразователей используются в качестве преобразователей перемещения, остальные — преобразователей силы.
Сравнительный анализ проводится по следующим параметрам: - амплитуда перемещения ИМ при действии постоянного ускорения; - время выхода на режим; - масштабный коэффициент; - линейность выходной характеристики. Параметры электронных схем управления, обеспечивающие работоспособность МА, приведены в таблице 4.8. Таблица 4.3 Параметры электронных схем управления Параметр, размерность Значение по схеме рисунок 4.7 рисунок 4.8 рисунок 4.9 Частота генератора опорного сигнала, кГц 350000 400000 50000 Амплитуда, В 5 5 5 Частота синхроимпульсов, Гц 350000 400000 100000 Длительность, мкс - - 2 Коэффициент усиления цепи ОС - 0,25 2,148 Полоса пропускания фильтра, рад/с 1000 1000 1000 Порядок фильтра, структура 3,Баттерворта з,Баттерворта з,Баттерворта
Введение жесткой ОС (рисунки 4.10 - 4.12) позволяет уменьшить амплитуду перемещения ИМ и, следовательно, расширить диапазон измеряемых ускорений. Время выхода на режим и величина перерегулирования в приборе с ОС, построенной по схеме, приведенной на рисунке 4.8, больше чем в схеме на рисунке 4.9. Для обеспечения допустимого уровня нелинейности выходной характеристики необходимо использовать схему управления, при которой напряжения различной амплитуды прикладываются к обоим плечам преобразователя силы. Это позволит увеличить эффективность работы обратной связи (рисунок 4.10) и приведет к значительному уменьшению нелинейности выходной характеристики прибора.
На основании параметров приведенных в таблице 4.4, можно сделать вывод, что схема, представленная на рисунке 4.9, является более приемлемой при разработке и модернизации МА. Потому что по сравнению с МА, реализованными по схеме, приведенной на рисунке 4.6, позволяет расширить диапазон измеряемых ускорений в 1,5-1,9 раза и увеличить коэффициент передачи на 8% и, по сравнению со схемой, представленной на рисунке 4.8, обеспечивается нелинейность выходной характеристики, соответствующая выработанным требованиям.
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на работу микромеханического акселерометра и микромеханических приборов в целом, является точность изготовления микроструктуры.
Характеристики изменения амплитуды и частоты перемещения инерционной массы микромеханического акселерометра, приводимые в разделе, построены с масштабом 100:1 для упрощения процедуры вычисления величины влияния точности изготовления. Влияние допусков на изготовление элементов микромеханической структуры оценивается относительно характеристики перемещения, построенной при допуске на изготовление, равном нулю. Моделирование проводилось при пренебрежимо малом коэффициенте демпфирования, не позволяющем обеспечить работоспособность прибора в режиме прямого измерения и в компенсационном режиме с контуром ОС по перемещению ИМ при разделенных преобразователях.
При моделировании МГ [26] были рассчитаны величины безразмерных комплексов (раздел 3) на основании заложенных основных конструктивных параметров. Для ИМ геометрические размеры имели следующие исходные значения высота исходной структуры 350 мкм (соответствует стандартной для кремниевых заготовок), длина 5000 мкм и ширина 2500 мкм. Для элементов упругого подвеса были введены размеры, обеспечивающие по оси движения перемещения в пределах 0,3 от начального воздушного зазора (15 мкм), а по оси чувствительности на основании зависимости (2.2) была определена величина жесткости, при которой перемещение ИМ детектируется преобразователем перемещения при достижении угловой скорости вращения 1500 %. Это необходимо для обеспечения диапазона измерения в 7500 7с при приемлемой для дальнейшей обработки величины выходного сигнала. Первоначально введенные параметры не позволили обеспечить работоспособность прибора, поэтому в процессе моделирования было осуществлено определение безразмерных величин, входящих в уравнения математической модели как механической, так и электрической подсистемы, позволяющих добиться желаемых динамических характеристик прибора. Размерные величины массы, жесткости, демпфирования, частот генерируемых сигналов, постоянных времени преобразователей, определенных на основании полученных безразмерны параметров, позволяют говорить о возможности практической реализации предложенного МГ.
