Содержание к диссертации
Введение
1 Сравнительный анализ метрологических характеристик высокоточных акселерометров и определение направлений исследований 10
1.1 Оценка технического уровня существующих образцов высокоточных акселерометров производства ОАО «НИИФИ» в сравнении с лучшими отечественными и зарубежными аналогами 10
1.2 Предварительный анализ модели стабильности коэффициента преобразования акселерометров уравновешивающего преобразования 19
1.3 Определение предельных значений температурной нестабильности коэффициента преобразования высокоточного акселерометра с магнитоэлектрическим уравновешиванием 24
1.4 Анализ методов обеспечения стабильности смещения нуля 25
1.5 Исследование влияния маловероятных факторов на метрологическую надежность высокоточных акселерометров 29
1.6 Выводы 36
2 Исследование способов компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования высокоточных акселерометров 38
2.1 Анализ существующих способов компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования 38
2.2 Моделирование процесса термокомпенсации коэффициента преобразования высокоточных акселерометров и обоснование выбора схемы канала термокомпенсации 46
2.3 Выводы 56
3 Исследование источников и способов снижения нестабильности смещения нуля высокоточных низкочастотных акселерометров 57
3.1 Исследование влияния дрейфа источников опорного напряжения на стабильность смещения нуля прецизионных акселерометров с частотных выходом 57
3.2 Исследование термоэлектрических механизмов возникновения дрейфа смещения нуля 64
3.3 Исследование влияния контактных напряжений в сборках ЧЭ 68
3.4 Исследование влияния несимметрии конфигурации упругого подвеса маятника на стабильность пространственного положения измерительной оси 71
3.5 Оценка влияния маловероятных факторов на воспроизводимость результатов испытаний при оценке метрологических характеристик высокоточных акселерометров... 83
3.6 Выводы 100
4 Результаты экспериментального подтверждения основных научных положений диссертации 102
4.1 Экспериментальное подтверждение повышения стабильности смещения ПНЧ 102
4.2 Экспериментальное подтверждение действенности рекомендаций по повышению стабильности пространственной ориентации измерительной оси акселерометра 107
4.3 Разработка рекомендаций к методам испытаний, обеспечивающим повышение воспроизводимости результатов измерений 112
4.4 Разработка методики температурной компенсации коэффициента преобразования акселерометров 118
4.5 Разработка малогабаритных высокоточных акселерометров АЛЕ 055М, АЛЕ 057 123
4.6 Выводы 135
Заключение 137
Список литературы 139
Приложения 148
- Исследование влияния маловероятных факторов на метрологическую надежность высокоточных акселерометров
- Моделирование процесса термокомпенсации коэффициента преобразования высокоточных акселерометров и обоснование выбора схемы канала термокомпенсации
- Исследование влияния несимметрии конфигурации упругого подвеса маятника на стабильность пространственного положения измерительной оси
- Разработка рекомендаций к методам испытаний, обеспечивающим повышение воспроизводимости результатов измерений
Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование и развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) изделий ракетно-космической техники (РКТ) является одним из эффективных путей поддержания необходимого уровня обороноспособности страны. Процессы измерения ускорений на платформенных (с конструктивной защитой от воздействия механических и температурных влияющих величин) и бесплатформенных системах управления движением базируются на низкочастотных акселерометрах уравновешивающего преобразования как их неотъемлемой части. Комплекс современных требований к акселерометрам
ИИУС объектов РКТ требует высокоточного измерения ускорения (не хуже 0,005 %) в интервале от десятых долей мс-2 и до 600 мс-2, высокой стабильности коэффициента преобразования (до ±0,001 %/С) в условиях воздействия изменений температуры окружающей среды в интервале от минус 65 до +65 С, вибрационных и ударных процессов значительной амплитуды. Общим недостатком известных в настоящее время акселерометров для бесплатформенных систем управления (серия QA «Honeywell», серии MA и JA-5 «Japan Aviation Electronics», серия АТ ОАО «Темп-Авиа», серия КИНД «НИИПМ им. академика В. И. Кузнецова», серия АЛЕ
ОАО «НИИФИ», серия АК «НПЦ АП им. академика Н. А. Пилюгина») является неудовлетворительная температурная стабильность коэффициента преобразования, а для их малогабаритных вариантов (QA, JA-5, АЛЕ и АТ) к ней добавляется нестабильность смещения нуля.
Исследованиям методов повышения точности цепей уравновешивающего преобразования посвящены работы В. С. Гутникова, Е. С. Левшиной, П. В. Новицкого (СПбТУ), Е. А. Мокрова (ОАО «НИИФИ»,
г. Пенза), Э. К. Шахова, В. М. Шляндина (ПГУ), У. М. Сиберта (Массачусетский технологический институт, США). Развитию методологии проектирования уравновешивающих акселерометров, устойчивых к воздействию жестких условий эксплуатации на изделиях РКТ, посвящено значительное число работ В. Ф. Коновалова (МГТУ им. Н. И. Баумана) и А. А. Папко (ОАО «НИИФИ», г. Пенза).
Однако разработанные принципы и рекомендации не учитывают того, что при значительном серийном выпуске высокоточных акселерометров представления о реальных процессах их функционирования и механизмах возникновения возможных дефектов существенно изменяются не только при ужесточении требований к точности, но и по мере накопления статистических данных о поведении конкретных приборов при производстве и эксплуатации. То, что на единичных образцах может быть исключенным из ряда измерений как промах, повторяясь в серийном производстве и эксплуатации в виде самоустраняющихся дефектов, является следствием проявления влияния сочетания маловероятных факторов, обусловленных специфическими условиями высокоточных измерений, и приводит к необходимости уточнения схемно-конструктивных решений, математических моделей, методов контроля и испытаний акселерометров.
В этой связи разработка высокоточных низкочастотных акселерометров для ИИУС изделий РКТ на основе новых технических решений, обеспечивающих соответствие каждого образца установленным требованиям в процессе серийного производства и эксплуатации, является актуальной задачей.
Актуальность решаемой задачи подтверждается включением исследований по созданию элементов систем управления движением в утвержденные перечни приоритетных направлений развития науки, техники и критических технологий РФ.
Целью диссертационной работы являются разработка и исследование возможностей и путей повышения стабильности и воспроизводимости метрологических характеристик малогабаритных высокоточных акселерометров с частотным выходом для ИИУС изделий РКТ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– исследовать функцию влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом;
– исследовать способы и алгоритмы повышения температурной стабильности коэффициента преобразования акселерометра;
– исследовать новые технические решения по уменьшению влияния нестабильности смещения нуля на достоверность оценки метрологических характеристик акселерометра;
– разработать рекомендации и методы испытаний, обеспечивающие воспроизводимость их результатов при определении параметров функции преобразования акселерометра в процессе изготовления и в составе ИИУС;
– подтвердить экспериментально эффективность результатов исследования схемно-конструктивных решений, рекомендаций и методов испытаний, обеспечивающих повышение стабильности, и разработать высокоточные акселерометры для ИИУС изделий РКТ.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, математического моделирования, теории измерений, теоретической и практической метрологии. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD, Maple, ANSYS.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований образцов высокоточных низкочастотных линейных акселерометров в процессе производства и эксплуатации в составе ИИУС изделий РКТ.
Научной новизной обладают:
1. Результаты исследования функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом, позволившие впервые установить, что возрастание или убывание функции зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания, а параметры наклона – от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.
2. Уточненная математическая модель процесса компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования, отличающаяся учетом влияния нормированных изменений температурных характеристик термодатчика и регулирующих элементов и позволяющая обосновать предельные возможности различных конфигураций схемы термокомпенсации и условия выбора номинальных значений сопротивлений регулирующих элементов, определяющих характеристики ИИУС изделий РКТ.
3. Схемные и конструктивные решения, обеспечивающие повышение стабильности параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом за счет уменьшения числа резистивных делителей и источников опорного напряжения в преобразователе «напряжение – частота» (ПНЧ).
4. Обоснование взаимосвязи между воспроизводимостью результатов измерений при определении параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом и сочетанием маловероятных самоустраняющихся дефектов, вызванных влиянием индустриальных помех по цепям питания и несанкционированным нарушением режимов работы выходных каскадов, в процессе изготовления и эксплуатации ИИУС изделий РКТ.
Практическое значение имеют:
1. Решение задачи компенсации температурной погрешности акселерометра путем введения в схему дополнительного операционного усилителя с термодатчиком и регулирующими элементами, конфигурация включения которых в схему зависит от знака и значения компенсируемой температурной погрешности, и применения нового алгоритма процесса термокомпенсации.
2. Разработка схемы миниатюрной СБИС ПНЧ с улучшенными метрологическими характеристиками за счет внедрения результатов исследований, обосновывающих возможность исключения из нее несовместимых с технологиями изготовления СБИС одного резистивного делителя и одного источника опорного напряжения.
3. Повышение воспроизводимости и стабильности параметров
ИИУС за счет внедрения методов испытаний, исключающих недостоверную идентификацию маловероятных отказов при серийном производстве и проведении входного контроля в составе ИИУС.
4. Модернизация акселерометров АЛЕ 055 и разработка акселерометров АЛЕ 055М, АЛЕ 057 с температурными характеристиками до 0,001 %/С, что вдвое меньше, чем у лучшего отечественного аналога, на два порядка меньше, чем у других отечественных аналогов, и на порядок меньше, чем у лучшего зарубежного аналога.
На защиту выносятся:
1. Уточненная математическая модель процесса компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра на основе учета нормируемых пределов изменения температурных характеристик элементов цепи термокомпенсации, позволяющая сформулировать условия выбора ее конфигурации и снизить трудоемкость процесса термокомпенсации.
2. Конструктивные решения, обеспечивающие повышение стабильности пространственной ориентации измерительной оси акселерометра, улучшающие стабильность смещения нуля акселерометров для ИИУС изделий РКТ.
3. Новые рекомендации и методы испытаний, обеспечивающие повышение воспроизводимости результатов измерений при оценке параметров функции преобразования и уменьшающие вероятность возникновения самоустраняющихся дефектов при изготовлении и эксплуатации высокоточных акселерометров с частотным выходом в составе ИИУС.
4. Разработка высокоточных миниатюрных акселерометров АЛЕ 055М и разработка АЛЕ 057 с высокой температурной стабильностью коэффициента преобразования и временной стабильностью смещения нуля.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты проведенных научных исследований использованы для модернизации прецизионных низкочастотных акселерометров АЛЕ 055 и разработки акселерометров нового поколения АЛЕ 055М, внедренных в ИИУС реактивных систем залпового огня (РСЗО) 9Б174, акселерометров АЛЕ 057, предназначенных для эксплуатации в составе ИИУС разгонных блоков 8К82КМ и системы управления движением узлов комплекса 1Т142.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2008, 2009, 2011); международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2006, 2010), XXXV научно-технической конференции «Пути повышения эффективности применения ракетно-артиллерийских комплексов, методов их эксплуатации и ремонта» (г. Пенза, 2009), всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в ракетно-космической промышленности» (г. Москва, 2009), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010, 2011), научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (г. Пенза, 2007, 2008, 2009, 2010 и 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 3 работы опубликованы в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов; изложена на 138 страницах, содержит 43 рисунка, 19 таблиц; список использованных источников составляет 88 наименований.
Исследование влияния маловероятных факторов на метрологическую надежность высокоточных акселерометров
Анализ метрологических характеристик и функциональных возможностей известных высокоточных акселерометров для систем управления-движением позволяет сделать следующие выводы: при ограниченных вычислительных возможностях системы управления для увеличения температурной стабильности коэффициента преобразования акселерометров применяются встроенные схемы термокомпенсации; - при отсутствии подобных ограничений температурная коррекция коэффициента преобразования осуществляется в системах управления, для реализации которой в состав акселерометров вводятся датчики температуры; известные методы термокомпенсации отличаются неудовлетворительной эффективностью в условиях серийного производства акселерометров, что приводит к необходимости их дополнительных исследований с целью улучшения соотношения показателя «качество- трудоемкость» и внедрения современных средств математического моделирования в процессы регулирования при производстве. На основе анализа передаточной функции акселерометра с частотным выходом и магнитоэлектрическим ОП определено, что систематическая составляющая температурной погрешности определяется шестью составляющими, из которых наиболее значимой является температурная нестабильность магнитной индукции в зазоре магнитной системы. По результатам расчета на основе данных о температурной нестабильности составляющих температурной погрешности акселерометра с частотным выходом и магнитоэлектрическим ОП определено, что предельно достижимые значения систематической составляющей в диапазоне изменения температуры окружающей среды 100 С находятся в интервале от 0,4 до 2,7 %. Анализ передаточной функции акселерометра с частотным выходом и магнитоэлектрическим ОП показывает, что временную нестабильность смещения нуля определяют шесть составляющих, наиболее значимой из которых является нестабильность параметров колебательной системы. По результатам анализа серийного производства и эксплуатации высокоточных акселерометров выявлено, что для подтверждения стабильности метрологических характеристик при производстве, входном контроле и эксплуатации у потребителя необходимо уточнение методик проведения испытаний с учетом изменчивости факторов и реальных пределов воспроизводимости. Исследование стабильности метрологических характеристик при эксплуатации серийных высокоточных акселерометров в составе ИИУС позволило также установить зависимость их воспроизводимости от влияния сочетаний маловероятных влияющих факторов. Для выявления наиболее значимых из них и определения путей уменьшения их влияния рекомендуется провести анализ метрологической надежности акселерометра методами логико-вероятностного Традиционным способом уменьшения температурной нестабильности датчиков , различных физических величин, является использование: термоком- пенсирующих цепей на основе дополнительного датчика температуры, выходной сигнал которого может быть использован как для реализации дополнительной; функции термокомпенсации, так и для формирования корректирующих сигналов за пределами акселерометра. Из-за ограниченных вычислительных возможностей отечественные системы управления движением? изделий РКТ не выполняют функций- введения поправок на влияние изменений? температуры, окружающей среды, что приводит к необходимости выполнения компенсации температурной погрешности непосредственно в акселерометрах [6; 8, 9]. Известным способом термокомпенсации« коэффициента преобразования акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием является использование термомагнитных шунтов [71]. Применение этого способа сопряжено с увеличением габаритных размеров магнитных систем; и уменьшением индукции в зазоре, следствием которого является ограничение функциональных возможностей по увеличению-предела измерений и ухудшение энергетических характеристик. В этой связи и учитывая современный уровень развития технологий изготовления термодатчиков, наиболее приемлемым способом уменьшения: температурной погрешности является использование электрических цепей; термокомпенсации. Неотъемлемой частью таких цепей является датчик температуры. Задачи выбора такого датчика рассмотрены в таблице 2.1 настоящей главы. Как показывают исследования, наибольшей эффективностью обладают активные термокомпенсирующие цепи на основе схем с операционными усилителями (ОУ) [34, 78; 30]. При этом датчик температуры в зависимости от вида его выходного сигнала и знака компенсируемой температурной погрешности может быть подключен к одному из входов ОУ или в цепь отрицательной обратной связи. Обзор современных методов измерения температуры в интервале изменений температуры окружающей среды акселерометров позволяет выделить датчики на основе следующих физических принципов [26, 71, 72, 73, 77, 79]: - термоэлектрический; - терморезистивный; - полупроводниковые термометры, принцип действия которых основан на зависимости от температуры выходного напряжения прямосмещенного р-п- перехода. Сравнительный анализ существующих датчиков температуры приведен в таблице 2.1.
Моделирование процесса термокомпенсации коэффициента преобразования высокоточных акселерометров и обоснование выбора схемы канала термокомпенсации
При этом ожидаемое значение коэффициента преобразования, определенное без учета временной нестабильности смещения нуля и времени, необходимого для получения экспериментальных данных, отличается от определенного выше на 0,027 %, что во много раз превышает перспективные требования. При серийном производстве акселерометров AJIE 055 определено также, что основными источниками нестабильности параметров их функции преобразования является неудовлетворительная стабильность параметров ПНЧ. Несмотря на то, что основные принципы создания преобразователей «напряжение-частота» достаточно подробно рассмотрены B.C. Гутниковым, Э.К. Шаховым и В.Д. Михотиным, до настоящего времени в нашей стране не создано более или менее удовлетворяющих требованиям РКТ серийных интегральных микросхем. С 1980 году серийно выпускается микросхема типа 110811111, отличающаяся существенной временной и температурной нестабильностью из-за неудовлетворительных характеристик параметров внешней частотозадающей цепи. Указанные недостатки микросхемы явились своеобразным толчком для совершенствования структур построения ПНЧ. B.C. Гутниковым в работе [21] обоснованы широкие возможности интегрирующих двухтактных ПНЧ с заданной длительностью- одного такта. В то же самое время Э.!К. Шаховым в монографии [75] достоинства- этой и подобных структур поясняются тем, что «точность преобразования определяется точностью задания меры напряжения и меры- времени, что не представляет серьезных трудностей». Возможно, что на момент опубликования монографии [75] реализуемую точность мер времени и напряжения можно было считать приемлемыми. В настоящее время лучшая отечественная элементная база подобным требованиям не удовлетворяет, что приводит к необходимости поиска новых схемно-конструктивных решений повышения стабильности параметров функции преобразования ПНЧ двухтактного интегрирования.
Для создания средств измерений со стабильностью смещения нуля не хуже 8 ppm/мин серьезной проблемой стало решение задач обеспечения высоких требований к стабильности опорных напряжений и шумовых характеристик дискретных элементов, используемых для регулирования параметров функции преобразования. Результаты серийного производства акселерометров АЛЕ 055, в котором используется двухтактный интегрирующий ПНЧ с заданной длительностью первого такта с источником опорного напряжения (ИОН) с применением стабилитрона 2С191 (заявленное поставщиком значение 8UCT=4 ppm/мин) показывают, что именно ПНЧ не обеспечивает требуемой точности.
Для оценки предельных возможностей улучшения метрологических характеристик ПНЧ и необходимости формирования требований к разработке СБИС рассмотрим подробно принцип действия двухтактного интегрирующего ПЕИ С заданной длительностью первого такта, работающего на принципе уравновешивания зарядов в каждый полный период колебаний и реализованного при разработке акселерометров АЛЕ 055. Функциональная схема указанного ПНЧ: приведена на рисунке 3.1.
Для статического, режима-работы функция преобразования ПНЧ имеет вид и регулируется», изменением значений опорных напряжений Ео, Uo и коэффициентов- преобразования резистивных делителей Кщ, Кдг. Очевидно, что стабильность приведенной функции определяется аналогичными характеристиками параметров Uo, Е0, Т0, Кдь КД2.
Стабильность То определяется стабильностью частоты примененного кварцевого генератора и составляет 0,1 ppm/мин 0. Из-за невозможности применения зарубежных источников напряжения и отсутствия отечественных аналогов опорные напряжения Е0 и Uo формируются при помощи параметрических стабилизаторов напряжения на основе отечественных прецизионных стабилитронов типа 2С198Д и резистивных делителей Кдь КД2. Известным недостатком прецизионных стабилитронов является длительное время вхождения в режим, а резистивных делителей — значительный уровень собственных тепловых шумов (1 мкВ/В). Приемлемое значение временной нестабильности напряжения стабилизации указанных стабилитронов (±8,3-10"2 ppm/мин) гарантируется после времени приработки не менее 168 ч под током стабилизации (0,475 - 0,525) мА. По результатам исследований в реальных условиях эксплуатации акселерометра при времени приработки не более 1 мин получено, что значение нестабильности напряжения стабилизации может достигать «75 ppm/мин, что также является неприемлемым.
Для повышения стабильности приведенного ко входу акселерометра смещения нуля за время определения метрологических характеристик до требуемого уровня автором предложено исключить из схемы ПНЧ источник опорного напряжения Uo и резистивный делитель КД2. При этом регулирование смещения нуля предложено проводить от источника Ео и делителя КдЬ а регулирование К0р - изменением длительности опорного интервала времени То посредством программируемого счетчика импульсов.
Результаты расчета временной нестабильности при условии использования общего ИОН для формирования начального уровня выходного напряжения и опорного напряжения ПНЧ в условиях отсутствия измеряемого ускорения и воздействия его предельных значений приведены в таблице 3.1.
Исследование влияния несимметрии конфигурации упругого подвеса маятника на стабильность пространственного положения измерительной оси
По результатам статистической обработки результатов контроля нестабильности ПНЧ акселерометров получено уменьшение ее разброса после внедрения предложенных решений более, чем в 10 раз.
Статистическая обработка результатов контроля разориентации измерительной оси акселерометра с подвесом полукруглой формы показывает, что ее математическое ожидание не превышает 4,5 угл. мин., а нестабильность пространственного положения измерительной оси не превышает 0,5 угл. мин. Полученные значения соответствуют перспективным требованиям и подтверждают значимость рекомендаций по доработке КД подвеса с полукруглым профилем.
Результаты контроля различия значений коэффициентов преобразования, определенных в различное время, на различном оборудовании, различными операторами и на различных предприятиях, до и после внедрения решений по увеличению воспроизводимости результатов измерений подтверждает, что реализация рекомендаций, уточняющих методы испытаний по оценке воспроизводимости, позволила уменьшить относительные различия коэффициентов преобразования уК1 и укг не менее, чем в 1,3 раза.
Разработан усовершенствованный метод испытаний при термокомпенсации коэффициента преобразования акселерометра, обеспечивающий достижение значений коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования менее 0,001 %/С за два цикла испытаний, из которых первый предназначен для определения собственных температурных характеристик акселерометра.
Разработаны высокоточные акселерометры с магнитоэлектрическим уравновешиванием типа АЛЕ 055М, АЛЕ 057 с температурной стабильностью коэффициента преобразования К( 0,001 %/С, превышающей более чем на два порядка аналогичную характеристику отечественных аналогов и более, чем на порядок - зарубежных аналогов. По стабильности смещения нуля и значению разориентации измерительной оси вновь разработанные акселерометры находятся на уровне лучших зарубежных аналогов и значительно превосходят отечественные аналоги. 1. При выполнении работы установлено, что известные высокоточные акселерометры для ИИУС изделий РКТ отличаются значительной собственной температурной нестабильностью коэффициента преобразования, достигающей значений (0,012 - 0,025) %/С. В зависимости от вычислительных возможностей системы управления осуществляется либо температурная коррекция коэффициента преобразования, либо используется встроенная термокомпенсация. При этом использование известных цепей термокомпенсации на основе операционных усилителей приводит к значительной трудоемкости и непредсказуемости результатов процесса термокомпенсации. 2. Проведено исследование функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом, в результате чего впервые установлено, что возрастание или убывание функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания, а параметры наклона - от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью. 3. Уточнение математической модели способа термокомпенсации коэффициента преобразования путем учета нормируемых изменений температурных характеристик термодатчика и регулирующих элементов позволило обосновать предельные возможности различных вариантов схем термокомпенсации, уточнить условия выбора номинальных значений сопротивлений регулирующих элементов и разработать методику, обеспечивающую достижение установленного уровня коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования. 4. В результате исследования нестабильности смещения нуля, определяющей пределы воспроизводимости параметров функции преобразования акселерометра, выявлены новые механизмы влияния на него и разработаны пути повышения стабильности смещения нуля за счет сокращения числа источников опорного напряжения и резистивных делителей в ПНЧ и реализации механической колебательной системы на основе подвесов трапецеидальной формы. 5. Разработаны методы испытаний для определения метрологических характеристик акселерометров при изготовлении и эксплуатации в составе ИИУС, учитывающие специальные рекомендации по обеспечению устойчивости применяемых эталонных средств измерений к воздействию индустриальных помех, что значительно улучшило показатели ИИУС. 6. Разработаны высокоточные акселерометры с магнитоэлектрическим уравновешиванием типа АЛЕ 05 5М, АЛЕ 057 с температурной стабильностью коэффициента преобразования К( 0,001 %/С, превышающей более чем на два порядка аналогичную характеристику отечественных аналогов и более, чем на порядок - зарубежных аналогов. По стабильности смещения нуля вновь разработанные акселерометры находятся на уровне лучших зарубежных аналогов и значительно превосходят отечественные аналоги. 7. Акселерометры АЛЕ 055, АЛЕ 055М внедрены в ИИУС РСЗО 9Б174, акселерометры АЛЕ 057 - в ИИУС разгонных блоков 8К82КМ и системы управления движением узлов комплекса 1Т142.
Разработка рекомендаций к методам испытаний, обеспечивающим повышение воспроизводимости результатов измерений
Анализ представленных данных позволяет сделать следующие выводы: - к числу лучших зарубежных акселерометров можно отнести акселерометры типа QA фирмы Honeywell. Акселерометры типа QA за счет доведения уникальных технологий изготовления кварцевого подвеса до промышленного уровня, технологий исключения его напряженного состояния, унификации и оптимизации конструктивных и схемных решений не имеют аналогов по значению и стабильности смещения нуля, по массогабаритным и энергетическим характеристикам. Наиболее значимыми погрешностями акселерометров из числа приведенных в таблице 1.1 являются температурная нестабильность коэффициента преобразования Kt и нестабильность смещения нуля Ьт; - основным недостатком акселерометров QA3000 фирмы Honeywell, легко устранимым в вычислительном блоке системы управления, является неудовлетворительная температурная стабильность коэффициента преобразования (до 0,012 %/С) [86]. Для реализации принципа температурной коррекции коэффициента преобразования в их состав введен датчик температуры; - в отечественных акселерометрах типа АЛЕ используется встроенная компенсация температурной нестабильности коэффициента преобразования. Однако, судя по полученным значениям Kt, приведенным в таблице 1.1, имеющиеся возможности методов встроенной термокомпенсации использованы недостаточно эффективно вследствие: 1) значительного разброса некомпенсированных температурных характеристик акселерометров от образца к образцу; 2) неудовлетворительной адекватности используемых математических моделей процесса термокомпенсации, заложенных в основу расчета параметров цепи. Это приводит к удовлетворительным результатам на единичных образцах при значительной трудоемкости процесса температурной отладки, но совершенно недопустимо в условиях серийного изготовления; 3) неудовлетворительной стабильности смещения нуля, ограничивающей возможности оценки и компенсации систематических погрешностей акселерометра. Таким образом, анализ метрологических характеристик известных высокоточных акселерометров для эксплуатации без использования специальной температурной защиты позволяет сделать следующие выводы: при ограниченных вычислительных возможностях системы управления для увеличения температурной стабильности коэффициента преобразования акселерометров должны применяться встроенные схемы термокомпенсации; - при отсутствии подобных ограничений целесообразно осуществлять температурную коррекцию коэффициента преобразования в системах управления, для реализации которой в состав акселерометров вводится датчик температуры; примененные термокомпенсации отличаются недостаточной эффективностью в условиях серийного производства акселерометров, что приводит к необходимости их дополнительных исследований с целью улучшения соотношения показателя «качество-трудоемкость» и внедрения современных средств математического моделирования в процессы регулирования при производстве. Для повышения достоверности оценок метрологических характеристик необходимо проведение дополнительных исследований методов повышения стабильности смещения нуля. 1.2 Предварительный анализ математической модели стабильности коэффициента преобразования акселерометров уравновешивающего преобразования Известными достоинствами акселерометров уравновешивающего преобразования в соответствии.с [67, 54] являются следующие свойства: 1) коэффициент преобразования устройства при глубокой отрицательной обратной связи (ООС) определяется параметрами цепи уравновешивания и узлов, находящихся вне цепи уравновешивания; 2) погрешности цепи уравновешивания и узлов, находящихся вне цепи уравновешивания, целиком входят в погрешность акселерометра; 3) нестабильность параметров цепи прямого преобразования не оказывает практического влияния на стабильность коэффициента преобразования. Основные требования, которым должна отвечать эта цепь, - высокая чувствительность, обеспечивающая заданное значение глубины ООС, и простота используемых технических решений; 4) метод уравновешивающего преобразования не обеспечивает стабилизации смещения нуля.
