Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и перспективы развития микросистемной техники 10
1.1. Современные концепции построения микроэлектромеханических систем 10
1.2. Преимущества микромеханических датчиков 11
1.3. Области практического применения микромеханических чувствительных элементов 13
1.4. Особенности конструкций микрогироскопов и микроакселерометров 25
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Концепция построения микроакселерометра 34
2.1. Выбор кинематической схемы чувствительного элемента 34
2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния консоли чувствительного элемента 38
2.3. Конечно-элементная модель чувствительного элемента. Оптимизация консоли чувствительного элемента 41
2.4. Анализ собственных частот и форм колебаний чувствительного элемента 46
Выводы по главе 2... 53
Глава 3. Преобразователи ускорений на ПАВ и их электрические схемы 54
3.1. Основы теории ПАВ 54
3.2. Фазовые преобразователи на ПАВ 63
3.3. Частотные дифференциальные преобразователи на ПАВ 64
3.4. Баланс амплитуд и фаз генератора с одновходовым ПАВ-резонатором ...70
3.5. Эквивалентные схемы ПАВ-резонаторов и их амплитудно-частотные характеристики 74
3.6. Анализ электрических схем автогенераторов с ПАВ-резонаторами ...78
3.7. Особенности выделения информативного сигнала 81
3.8. Анализ собственных температурных полей ММА 87
Выводы по главе 3 90
Глава 4. Экспериментальное исследование ММА на ПАВ 91
4.1. Выбор метода испытаний и градуировки ММА 91
4.2. Статические исследования ММА на поворотной платформе 95
4.3. Автоматизация градуировки ММА на платформе "Acutronic" 99
4.4. Оптимизация конструкции ММА 103
4.5. Экспериментальные исследования распределения собственных температурных полей ММА... 106
4.5.1 Анализ точечного распределения температурных полей 106
4.5.2 Пространственное распределение температурных полей ...107
4.6. Повышение температурной стабильности в режиме отношения частот... 114
4.7. Дифференциальные ПАВ-преобразователи без начального разноса собственных частот резонаторов 119
4.8. Вопросы микроминитюаризации и корпусирования 122
Выводы по главе 4 126
Заключение 127
Список литературы
- Преимущества микромеханических датчиков
- Анализ напряженно-деформированного состояния консоли чувствительного элемента
- Баланс амплитуд и фаз генератора с одновходовым ПАВ-резонатором
- Автоматизация градуировки ММА на платформе "Acutronic"
Введение к работе
Микромеханические датчики инерциальных систем навигации и управления находят все более широкое применение на подвижных объектах различного класса гражданского и военного применения. Успехи в развитии методов и средств производства изделий микроэлектроники позволили создать необходимую базу для разработки и массового выпуска микромеханических гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА), которые получили название твердотельных.
Вместе с тем следует отметить, что подавляющее большинство разработанных твердотельных ММГ и ММА не являются в полном смысле таковыми. Как правило, они используют набор дискретных упругих подвесов, обеспечивающих необходимые степени свободы инерционным элементам. Эти обстоятельства ограничивают виброустойчивость и ударопрочность микрочувствительных элементов, с одной стороны, и требуют использования сложных объемных технологий, с другой.
Определенные перспективы открываются при переходе к специфическому классу приборов и систем, использующих свойства поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках [1...5]. Их основным элементом являются линии задержки и резонаторы, свойства которых зависят от измеряемых параметров движения. Исключительная простота кинематической схемы и высокий уровень конструктивной интеграции создают предпосылки для повышения точностных характеристик, уменьшения общих габаритов и существенного уменьшения общей стоимость их производства. Поэтому разработка датчиков на ПАВ представляется актуальной.
Целью работы является разработка нового типа микроакселерометра на поверхностных акустических волнах.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
разработать концепцию построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах;
выполнить оценку распределения нормальных напряжений и относительных деформаций по длине консоли ЧЭ;
выполнить аналитический расчет и моделирование с помощью программы ANSYS частот собственных колебаний ММА на ПАВ;
разработать и изготовить пилотную партию макетных образцов ПАВ-микроакселерометров;
выполнить градуировку ММА на ПАВ в гравитационном поле Земли с целью оценки точностных характеристик и определения времени выхода ПАВ-микроакселерометра на рабочий режим;
выполнить анализ термостабильности экспериментальных образцов микроакселерометра;
выполнить оптимизацию чувствительного элемента ММА на ПАВ по сформулированным критериям, разработать и изготовить установочную партию новых образцов ММА на ПАВ;
оценить возможность модификации существующих методов выделения полезного сигнала для дифференциальных ПАВ-преобразователей.
Методы исследования. Теоретические разделы диссертации разработаны с применением математической теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, конечно-элементного анализа и элементов теории ПАВ. Точностные и рабочие характеристики разработанных ПАВ-микроакселерометров получены в результате экспериментальных исследований с использованием методов их математической обработки в программах Matlab и Origin. Экспериментальные исследования проведены с привлечением современных автоматизированных средств, прошедших метрологическую аттестацию.
7 Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что при решении поставленных задач:
Предложена концепция построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах, позволившая улучшить характеристики ПАВ-преобразователей.
Созданы экспериментальные образцы ПАВ-акселерометра с прямоугольной формой консоли и выполнена их оптимизация, с помощью которой были улучшены его технические характеристики.
Разработаны методы и средства, позволившие выполнить точечный и пространственный анализ температурных полей.
Выявлены недостатки дифференциальных методов выделения разностной частоты, связанные, прежде всего, с начальным разносом частоты ПАВ-резонаторов.
Показано, что используемый в ряде работ метод отношения частот не решает принципиально задачи снижения времени выхода микроакселерометра на рабочий режим.
Предложен новый метод формирования полезного сигнала в дифференциальных схемах на ПАВ без начального разноса частот ПАВ-резонаторов, который может найти широкое применение в других типах дифференциальных частотных преобразователей.
Достоверность научных и практических результатов подтверждается:
хорошим соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на мелкосерийных партиях пилотных образцов ММА на ПАВ;
положительным решением по заявке на патент на полезную модель "Микромеханический акселерометр", в которой предложен разработанный метод выделения полезного сигнала микроакселерометра на ПАВ без начального разноса частот ПАВ-резонаторов;
8 - всесторонним обсуждением результатов работы в заинтересованных организациях (ЗАО "Гирооптика", ЦНИИ "Электроприбор") и на научно-технических конференциях.
Практическая ценность
В работе получены следующие практические результаты:
Разработана концепция построения ММА на ПАВ, найдены частоты и формы собственных колебаний чувствительного элемента, определяющие динамические характеристики ММА.
С целью повышения линейности выходной характеристики ММА сформулированы критерии и выполнена оптимизация ЧЭ микроакселерометра на ПАВ, обеспечивающая равномерный характер распределения поверхностных напряжений и относительных деформаций по длине консоли.
Выполнены теоретическая и экспериментальная оценки характера и времени выхода разработанных ММА на рабочий режим, позволившие выявить основные механизмы влияющих воздействий.
Разработаны технические средства для оценки точечного и пространственного распределения собственных температурных полей ММА в статическом и динамическом режимах.
Разработан новый метод выделения полезного сигнала микроакселерометра без начального разноса частот ПАВ-резонаторов, который может быть распространен на другие типы дифференциальных частотных преобразователей.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Концепция построения ММА на ПАВ с прямоугольной и треугольной формами консоли;
Математические модели чувствительных элементов и макетные образцы ПАВ-микроакселерометров с прямоугольной и треугольной формами консоли;
Методы и средства уменьшения влияния собственных температурных полей электрической схемы ПАВ-микроакселерометра, обеспечивающие сокращение времени выхода на рабочий режим и повышение линейности его выходной характеристики;
Дифференциальный метод преобразования параметров измеряемых величин в частотную форму без начального разноса собственных частот резонаторов, позволяющий приблизиться к потенциальной температурной стабильности не только ММ А на ПАВ, но и других частотных преобразователей, выполненных по дифференциальной схеме.
Преимущества микромеханических датчиков
На основе использования МЭМС и МОЭМС созданы различные микродатчики давления, смещения, ускорения, угловых скоростей, удельного веса, магнитного поля, химических параметров и др. Успехи в развитии методов и средств производства изделий микроэлектроники позволили создать необходимую базу для разработки и массового выпуска микромеханических датчиков, а также реализовать возможность их совмещения с чипами электронной обработки измерительных сигналов, что позволило уменьшить габаритные размеры систем в целом (сам датчик и электроника) и значительно расширить области их применения.
Это определяется, во-первых, тем обстоятельством, что при создании микросенсоров могут быть реализованы новые принципы преобразования неэлектри 12 ческих параметров в электрические измерительные сигналы, которые не могут быть осуществлены в подобных устройствах, действующих на макроуровне. Во-вторых, в микродатчиках могут быть применены дорогостоящие материалы, использовать которые в макроустройствах по экономическим причинам не представляется возможным. В-третьих, динамические характеристики таких датчиков вследствие минимальных размеров их чувствительных элементов значительно выше характеристик соответствующих датчиков других типов. В-четвертых, микросенсоры имеют значительно меньшее энергопотребление [6,
В течение последних лет разработчики сенсорной техники стремились создать микродатчики, сопоставимые с микроэлектронными схемами с точки зрения такого показателя, как производительность/стоимость. В настоящее время в промышленном производстве уже освоены микродатчики давления и ускорения, вибрационные микрогироскопы и т.д.
Микросистемы имеют существенные преимущества перед обычными системами на макроуровне. Во-первых, в них возможно усиление с пониженным уровнем внешней интерференции, коррекция смещения нуля, самодиагностика и автокалибровка. Во-вторых, предусмотрена совместимость с системными шинами для интегрирования в другие системы автоматической обработки сигналов. К наиболее важным характеристикам МЭМС также относятся: незначительные затраты материалов и малое потребление электрической энергии; высокая эксплуатационная эффективность; малая стоимость; высокая надежность; возможность обеспечения локально распределенных интеллектуальных свойств.
На основе МЭМС-технологий разработан ряд интеллектуальных микродатчиков, в которых реализуется концепция интегрального исполнения сенсора с микрокомпьютером. Это позволяет осуществлять корректирующее воздействие на сигнал, получаемый с микросенсора, например, компенсировать влияние помех. Необходимо отметить, что микродатчики благодаря миниатюрным чувствительным элементам обладают высокими динамическими характеристиками, т.е. малой инерционностью. С использованием технологий МЭМС созданы интегральные гибридные микроакселерометры, действующие с использованием CMOS-структур, на основе туннельного эффекта, а также других принципов. Помимо этого, с применением МЭМС разработаны высокоточные микродатчики углового положения и вибрационные микрогироскопы.
Области практического применения микромеханических чувствительных элементов.
Рассмотрим теперь более подробно области практического применения мик-росесоров на основе МЭМС. Существенное снижение массогабаритных, стоимостных и энергетических характеристик открыло новые пути использования микродатчиков (ММҐ и ММА) в гражданских и военных областях, где ранее применение их макропредшественников бьшо невозможно из-за массогабаритных ограничений или сдерживалось экономическими соображениями. Наиболее привлекательным для разработчиков является потенциальный рынок коммерческого гражданского применения, который на порядки превышает объемы возможного рынка военной техники.
Среди возможных областей применения ММГ и ММА можно назвать следующие:
1) Навигационное оборудование и военная техника. Достижения в области создания бескарданных инерциальных навигационных систем и комплексирования с глобальными спутниковыми навигационными системами (GPS и ГЛОНАСС) позволяют применять ММГ и ММА для широкого класса задач навигации и управления движением. Благодаря своим уникальным свойствам они находят применение в системах вооружений и военной техники, успешно используются для стабилиза 14 ции спутниковых антенн, управления беспилотными летательными аппаратами и другой аппаратуры подвижных объектов.
Высокая точность системы навигации и быстрота определения скорости транспортного средства, на котором она установлена, зависит от встроенных микросенсоров. В частности, ММГ и ММА входят в состав, разработанной компанией Crossbow, системы навигации NAV420 (рисунок 1.1), которая позволяет управлять военной техникой на расстоянии. При этом блок навигации можно подключить к самолету, кораблю, боевой машине или танку. NAV420 также обеспечивает связь с GPS, выдает точные координаты, скорость, и высоту той машины, на которой установлен. Его уже используют в управлении беспилотными самолетами Global Hawk (рисунок 1.2а), в новых машинах типа Hummer, управляемых дистанционно (рисунок 1.26), а также в опытных образцах морских разведывательных судов.
Анализ напряженно-деформированного состояния консоли чувствительного элемента
Расчетная схема чувствительного элемента микроакселерометра представлена на рисунке 2.10. Введем следующие обозначения: lt 2 - продольные и /г,, h2 -поперечные размеры консольной балки и инерционной массы, соответственно; Ь- ширина консоли; тх, т2 - массы балки и инерционного элемента, закрепленного на ее конце, соответственно; EJ2 - изгибная жесткость балки, Е - модуль упругости материала балки; Jz - момент инерции сечения балки; pz - радиус инерции инерционной массы относительно центра масс. За обобщенные координаты рассматриваемой системы примем прогибу и угол поворота консоли ф, как показано на рисунке 2.106. Для дальнейших расчетов прини YYI / маем, что удовлетворяется условие у «1.
Рассмотрим сначала модель чувствительного элемента, пренебрегая массой тх по сравнению с инерционной массой т2. При составлении дифференциальных уравнений движения чувствительного элемента используем способ, получивший в теории колебаний название обратного способа составления дифференциальных уравнений движения. Он заключается в том, что отделяются со им У7\ у777" 777777777777777/ Рисунок 2.8. Рисунок 2.9. fc- X а jk с / X б Рисунок 2.10. средоточенные массы и рассматривается оставшаяся безинерционная система, находящаяся под действием кинетических реакций отдельных частей системы. Причем кинетические реакции (силы инерции) выражаются через обобщенные ускорения. Дифференциальные уравнения движения рассматриваемой системы при принятых допущениях будут иметь вид: у = -т2у5п-т2р2г рдп; q = -т2уЬ2Х -т2р]ф22, где д -к - коэффициенты влияния, которые можно представить в форме [20]: / 3 / 2 р Ц - „ _. 12 - 21 _ л, п г 22 3EJX 2EJX " EJX Таким образом, дифференциальные уравнения движения ЧЭ микроакселерометра без учета демпфирования принимают вид: (2.1) Ч 2 U т2У2ЁГ+miPz(?W+ф= Приведем выражения для определения собственных частот рассматриваемой системы. Частотное уравнение системы (2.1) имеет вид: ІЙ, .(5&+ ), +1 = а (2.2) 12(/J2 EJ, 3EJ/ Корни уравнения (2.2), представляющие собой собственные частоты чувствительного элемента микроакселерометра, определяются выражениями: 2 6EJxn 1\ \l\ 1\ „ u і2 Г зР \ %\ зРг2 При » pz можно использовать приближенные выражения для собственных частот колебаний: 1 /v] f v; 9р2/ ," Отметим что, в работе [16] на основе метода Релея получено следующее выражение для квадрата первой из собственных частот в виде: ЪЫХ 1 + Зг + Зг2 СО, = Щ \ l + 6r + r2+21r3+12r4 4 где rJyn{ В случае консольно закрепленной инерционной массы при h\/ «і нормаль ные напряжения є и относительные удлинения слоев а на поверхности консоли в сечении с координатой z можно оценивать по соотношениям [20]: _ 6/я2а(1і - ).-_ 6m2a(i -х) .
Из выражений (2.3) следует, что нормальные напряжения и относительные поверхностные удлинения принимают максимальные значения в месте заделки консоли. По длине консоли нормальные напряжения и относительные удлинения распределены по линейному закону.
Отметим, что формулы (2.3) получены в предположении, что сосредоточенная сила (т2а) приложена на конце консоли. Расчеты по формуле (2.3) уточняются в следующем разделе методом конечных элементов, реализуемым с помощью пакета прикладных программ ANSYS.
Конечно-элементная модель чувствительного элемента. Оптимизация консоли чувствительного элемента
При построении конечно-элементных моделей ЧЭ использовались 20-узловые блоки SOLID-95 и твердотельные элементы. Рассматривались модели с распределенными параметрами, позволяющие наиболее полно учитывать физико-механические характеристики материала и особенности динамики ЧЭ.
Модель конструкции ЧЭ с плоскопараллельной формой консоли приведена на рисунке 2.11а. В качестве материала консоли был выбран кристаллический кварц ST-среза размером 8.5x3.5x0.35 мм со следующими характеристиками: плотность р = 2.649-10 кг/м , модуль упругости Юнга Е = 58 ГПа, коэффициент Пуассона у = 0.23. Инерционная масса размером 5x5x5 мм выполнена из материала ВНМ плотностью около 16.2-10 кг/м . Инерционная масса составляла величину 2.03 г, масса консоли 0.24 г. На рисунке 2.11а приведена пространственная конечно-элементная модель ЧЭ. На рисунках 2.116 и 2.Ив представлены распределения нормальных напряжений и относительных деформаций (удлинений) при ускорении 10 g.
При принятых исходных данных прогиб консоли в точке подвеса инерционной массы составил 0.1 мм, а максимальное напряжение 35 МПа. Оценка диапазона измеряемых ускорений в рамках линейных приближений закона Гука, дает величину более ± 100 g.
Как видно из рисунка 2.116 и 2.11в поверхностные напряжения и относительные деформации ЧЭ носят неоднородный характер, уменьшаясь по мере приближения к инерционной массе. Это обстоятельство может привести к неоднородному изменению параметров ПАВ-резонатора, распределенного по длине ЧЭ. Поэтому далее рассмотрим возможность оптимизации геометрической формы консоли с целью достижения равномерности распределения деформаций по всей длине ЧЭ.
Оптимизация консоли ЧЭ [21]. Рассмотрим, как и выше на рисунке 2.10, общую модель чувствительного элемента микроакселерометра при действии ускорения. Очевидно, что неоднородность деформаций по длине консоли при ее прямоугольной форме определяется изменением момента вдоль координаты х за счет изменения плеча момента М(х), создаваемого фиксированной нагрузкой т а. Поэтому для обеспечения однородности нормальных напряжений и поверхностных деформаций целесообразно применять консоль ЧЭ не постоянной, а переменной ширины Ь(х), выбирая, например, зависимость Ь(х) из условия равенства нормальных напряжений во всех поперечных сечениях подвеса. Такая консоль обладает свойством равного сопротивления изгибу. В произвольном сечении консоли момент сопротивления W2 будет равен [20] 0 ІМ где У,(,)- .
Углах Для обеспечения равномерности деформаций в этом сечении изгибающий момент Mix) и момент сопротивления должны удовлетворять следующему условию: М(х) M(L) —— =— - = а = const. W2{x) WZ{1,) Наибольшие напряжения amax имеют место на поверхностях подвеса, т.е. при ymwi = —; с - max; =iL._i = i!L. Пренебрегая массой подвеса по 2 max J.(JC) z max 12 Л, 6 сравнению с инерционной массой, получаем, что изгибающий момент, приложенной к подвесу в сечении х = /ь составит: М\ =l = m2gl212, где /2 /2 - расстояние от точки задела консоли до центра масс инерционной массы (т. С на рисунке 2.10). Тогда изгибающий момент, приложенный к балке в произвольном сечении х, будет равен М{х) = m2g(lx + /2 / 2 - х).
Баланс амплитуд и фаз генератора с одновходовым ПАВ-резонатором
В приборостроении поверхностные акустические волны получили наибольшее распространение в качестве преобразователей различных физических величин: ускорения, давления, температуры и др. Они выполняются, как правило, по схеме с фазовым или частотным выходами.
Обобщенная схема преобразователя на ПАВ с фазовым выходом представлена на рисунке 3.7. Она содержит генератор опорной частоты (Г), пластину из пьезоматериала, два ВШП и фазовый детектор, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный разности фаз. Величина этой разности изменяется под воздействием преобразуемых параметров, например ускорения. При этом ЛЗ испытывает деформации изгиба. Они сопровождаются поверхностным растяжением или сжатием звукопровода, что приводит к изменению его геометрических размеров, фазовой скорости ПАВ и др. В результате ПАВ испытывает дополнительную фазовую задержку, величина которой определяется на выходе фазового детектора.
Недостатком схемы, приведенной на рисунке 3.7, является зависимость времени задержки и разности фазы Аф не только от оцениваемого параметра на ЛЗ, но и от дестабилизирующих факторов, например, температуры, влажности и др. Этот недостаток может быть уменьшен в дифференциальной схеме, пример которой приведен на рисунке 3.8.
Здесь линии задержки нанесены на противоположные стороны пластины, которая под воздействием измеряемых параметров изгибается. При этом линии задержки приобретают дифференциальные фазовые сдвиги различного знака. Их разность измеряется фазовым детектором. При этом воздействия внешних возмущений компенсируется, что является неоспоримым преимуществом дифференциальной схемы. Использование современных цифровых фазометров позволяет реализовать измерения с погрешностью, не превышающей 0.1-1 %. Поэтому в данной работе будут рассматриваться в основном дифференциальные преобразователи.
ПАВ-преобразователи строятся в основном по схеме с частотным выходом [16]. Основа частотных преобразователей - автогенератор, в качестве частото-задающего элемента которого используется ЛЗ или резонатор на ПАВ.
Схема автогенератора с ЛЗ на ПАВ показана на рисунке 3.9. Она состоит из ЛЗ 1, усилителя 2 и фильтра 3. В таких автогенераторах используется принцип рециркуляции. Для поддержания колебаний в схеме, представленной на рисунке 3.9, необходимо, чтобы на частоте генерации усилитель 2 обладал коэффициентом передачи W у (/со), достаточным для компенсации потерь в ЛЗ 1. Если коэффициент передачи ЛЗ Wj ija), то условие генерации записывается как \wywm\ \. Набег фазы разомкнутой цепочки ЛЗ-усилитель на частотах генерации, как обычно, должен быть равен или кратен 2я: ФЛЗ+Фу =2ш (и = 1,2...), где флз и фу - набеги фаз ЛЗ и усилителя соответственно. В общем случае условия генерации могут выполняться одновременно для нескольких частот. Стабилизирующая роль ЛЗ определяется крутизной фазовой характеристики этого элемента на частотах вблизи рабочей частоты генератора. Передаточная функция ЛЗ определяется как где к - коэффициент передачи ЛЗ; х\ = %NX (f - /0)//0 ; х2 = nN2 (/ - /0)//0 5 N\, N2 - количество пар электродов в преобразователях [16,28]. Рассматривая ЛЗ как элемент, вносящий запаздывание т в передачу сигнала со входного ВШП на выходной, можно записать его фазовую характеристику как ФЛЗ =-т-я. (3.1) Из (4.1) находим набор возможных частот колебаний в замкнутом контуре ЛЗ-усилитель: (2и-1)я-фу ш„= "-. X
Таким образом, спектр оказывается линейчатым (рисунок 3.10). Расстояние между соседними спектральными линиями постоянно и равно ACQ = оп - co„_i = 1/т = V/1.
В большинстве практических случаев необходимо обеспечивать одномодо-вый режим генерации, для чего нужно создать предпочтительные условия для поддержания незатухающих колебаний (рециркуляции) в ВШП. Как показано в работе [16], достаточным условием моночастотности является равенство протяженности одного из ПАВ-преобразователей длине акустического пути. В этом случае все остальные возможные частоты генерации находятся в областях нулевого коэффициента передачи структуры. Отметим, что для компенсации фазовых сдвигов, вносимых усилителем и согласующими каскадами, необходимо выбирать длину акустического пути /, удовлетворяющую условию 7 = ла0-А/;
Кроме основных элементов - усилителя и ЛЗ на ПАВ (или ПАВ-резонатора) - в схему автогенератора могут входить согласующие четырехполюсники и частотно-избирательные элементы, обеспечивающие модовую селекцию. Элементы согласования и селекции выполняются либо на пассивных компонентах, либо с использованием избирательных усилителей. Варианты автогенераторов с ЛЗ представлены на рисунках 3.11а и 3.116 [16]. На рисунке 3.12 показана дифференциальная схема с использованием ЛЗ, выполненная на двух автогенераторах.
Для двухвходовых ПАВ-резонаторов используются схемы автогенераторов, которые содержат два автогенератора, смеситель и фильтр низких частот. Особенностью схемных решений является применение развязки выходов автогенераторов с помощью дополнительных усилителей. На рисунке 3.13 дан один из вариантов дифференциальной схемы.
В этой схеме применен двухчастотный автогенератор (в параллель подключены сразу два ПАВ-резонатора). В случае автогенераторов на ПАВ нестабильность усилителя примерно в равной степени варьирует частоту обоих плеч дифференциальной схемы, что снижает дрейф выходного сигнала.
ПАВ-автогенераторы вследствие сравнительно низкой добротности частото-задающих элементов в значительно большей степени дрейфуют из-за вариации параметров усилительных и согласующих каскадов. В этой связи требуется обеспечить высокую степень стабильности параметров элементов электрической схемы и питающих напряжений [16].
Некоторые из отмеченных недостатков можно исключить переходом к схемам автогенераторов с одновходовыми ПАВ-резонаторами (рисунок 3.14). Более подробно такие ПАВ-резонаторы будут рассмотрены в пункте 3.6.
При проектировании электрической схемы автогенератора на одновходовом ПАВ-резонаторе необходимо, прежде всего, иметь исчерпывающее представление о его параметрах и характеристиках
Автоматизация градуировки ММА на платформе "Acutronic"
Этот метод заключается в том, что два автогенератора с частотно задающими резонаторами настраивают на одинаковые частоты и переводят в импульс ный режим работы с периодом повторения Т, длительностью импульса Т/2 и сдвигом по времени Т/2, при котором автогенераторы работают последовательно, а их сигналы подают на два входа вычитающего устройства и с его выхода снимают разность импульсов, накопленных за время Т/2 и пропорциональных измеряемому ускорению. В этом случае исключаются взаимная синхронизация частот ПАВ-генераторов и влияние разностной частоты автогенераторов на выходной сигнал микроакселерометра, которая имеет существенную зависимость от температурных воздействий.
Структурная схема, реализующая предлагаемую концепцию построения ПАВ-акселерометра, представлена на рисунке 4.24. Она содержит корпус 1, инерционную массу 2, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругую плоскопараллельную пластину из пьезоэлектрического материала 3, образующую упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы. На противоположные стороны пластины нанесены два ПАВ-резонатора 4, являющиеся частотозадающими элементами автогенераторов 5 и 6. Эти автогенераторы предварительно настраиваются на одинаковые частоты /5 = /б = /о и с помощью модулятора переводятся в импульсный режим работы с периодом повторения Т. При этом они работают последовательно: генератор 5 - первую половину периода, генератор 6 - вторую (рисунок 4.25).
При воздействии ускорения а (рисунок 4.24) пластина 3, нагруженная инерционной массой 2, испытывает деформацию изгиба, что приводит к изменению собственных частот ПАВ-резонаторов 4. В начальный момент времени модулятор 7 включает автогенератор 5, колебания которого поступают на вход прямого счетчика 8, где фиксируется количество импульсов за первый полупериод измерений и передается на вход реверсивного счетчика 9. Затем модулятор отключает первый автогенератор 5 и одновременно включает второй автогенератор 6 (рисунок 4.25). Выходной сигнал автогенератора 6 поступает на реверсивный счетчик 9, где фиксируется количество импульсов за второй полупе риод измерений. На выходе реверсивного счетчика 9 формируется разность числа накопленных импульсов в каждом из счетчиков 8 и 9, которая пропорциональна измеряемому ускорению. Сигнал с выхода счетчика 9 является информативным сигналом ПАВ-микроакселерометра.
При отсутствии возмущения частоты автогенераторов 5 и 6 не меняются и выходной сигнал ММА на ПАВ равен нулю. При воздействии ускорения собственные частоты ПАВ-резонаторов, входящих в состав автогенераторов 5 и 6, приобретают дифференциальные сдвиги А/, равные по величине и противоположные по знаку: /l=/0+A/,/2=/0-A/.
В результате этого на выходе реверсивного счетчика 9 формируется сигнал разностной частоты f\ - /2 = 2А/, пропорциональный измеряемому параметру.
Отсутствие в сигнале разностной частоты начального разноса частот автогенераторов 5 и 6 приводит к значительному повышению линейности выходной характеристики и практически нулевой температурной чувствительности предлагаемого устройства.
На этот метод подана заявка на патент и получено положительное решение о его выдаче.
Тем не менее, и в этом методе не исключается полностью зависимость выходного сигнала преобразователя, в частности ПАВ-акселерометра, от температурных воздействий. Это объясняется следующим: при воздействии ускорения оба ПАВ-резонатора будут приобретать дифференциальные сдвиги по частоте, т.е. фактически будет появляться разность их частот даже при нулевом начальном разносе. Таким образом, может проявиться температурная зависимость, определяемая величиной измеряемого ускорения. Поэтому целесообразно развить поиск и исследования способов повышения температурной стабильности преобразователей на ПАВ.
При этом определенный интерес представляет вопрос микроминиатюризации разработанных образцов микроакселерометра на ПАВ и оценка возможных размеров ММА в промышленном исполнении. Этот вопрос рассмотрен в следующем разделе.
Для оценки возможностей микроминиатюризации и корпусирования в качестве прототипа была выбрана микросборка ПАВ-осциллятора VS-500 фирмы Vectron [41]. Подобная микросборка (рисунок 4.26) представляет собой автогенератор со стабилизацией частоты ПАВ-резонатором.
Количество выполняемых микросборкой VS-500 функций (модуляция, перестройка частоты и др.) требуют использования более развитых электронных схем, чем в случае ПАВ-акселерометра, и значительно большего энергопотребления (80 мА). Технические характеристики осциллятора VS-500 приведены в таблице 4.4.
Идентичность используемых ПАВ-резонаторов и сопоставление электронных схем позволяет сделать вывод о возможности промышленного изготовления микроакселерометра на ПАВ в габаритах, не превышающих 9x14x4,5мм и энергопотреблении не более нескольких мА.
Таким образом, в четвертой главе представлены результаты испытаний опытных образцов ПАВ-микроакселерометров и показана их работоспособность в качестве датчиков ускорения. Суммарная сводка достигнутых и прогнозируемых параметров ММА на ПАВ представлена в таблице 4.5.