Charakteristika chyb akcelerometru MAMS a jejich klasifikace. Zpravodajský a analytický portál "čas elektroniky" Úkol je přijat k realizaci

Zařízení určená k měření lineárních zrychlení letadel a úhlových zrychlení rotujících prvků jejich jednotek jsou tzv. akcelerometry.

Signály akcelerometru se používají v inerciálních navigačních systémech k výpočtu rychlostí a souřadnic, v systémech řízení letu a motoru a ve vizuálních indikátorech přístrojů. Indikátory vizuálního zrychlení potřebuje pilot na manévrovatelných letounech k řízení přetížení vznikajících při řízení letounu.

Akcelerometry jsou klasifikovány podle různých kritérií, zejména podle oblastí použití, typu zavěšení citlivého prvku, způsobu snímání signálů, počtu měřených složek zrychlení, podle typu výstupního signálu atd.

Požadavky na akcelerometr z hlediska přesnosti měření jsou určeny aplikací. Takže chyby akcelerometrů v inerciální soustavy by neměla překročit 0,001 %. Akcelerometry používané v řídicích systémech mají chyby 0,001-1,0 %. Chyby akcelerometrů používaných jako vizuální zařízení jsou 1–3 %.

Princip činnosti akcelerometru je následující.

Obr. 1 Schéma akcelerometru.

1 - setrvačná hmotnost; 2 - pružina; 3 - tlumič; 4 - měřítko; 5 - tělo zařízení; 6 - osa citlivosti akcelerometru

Setrvačná hmota 1 spojená s tělem zařízení 5 na jaře 2 a tlumič 3 , se může pohybovat ve směru osy 6 nazývá se osa citlivosti. Posun hmoty vzhledem k tělu zařízení, měřeno na stupnici 4 , úměrné naměřenému zrychlení směřujícímu podél osy citlivosti.

Citlivým prvkem akcelerometru je setrvačná hmota.

Na setrvačné hmotě
akcelerometr, působí následující síly:

- setrvačná síla

,

kde - pohyb hmoty vzhledem k tělu zařízení;

–Pohyb těla zařízení vzhledem k pevnému bodu v prostoru.

- síla úměrná rychlosti pohybu hmoty a vytvářená tlumičem:

,

kde
- koeficient tlumení.

- polohová síla vytvářená elasticitou pružiny:

,

kde - koeficient pružnosti.

Součet těchto sil je nulový, tzn.

,

,

kde
- vlastní frekvence;

;

–Koeficient relativního útlumu.

Hlavními prvky akcelerometrů jsou závěsy setrvačných hmot, snímače signálů přemístění hmoty, momentová (výkonová) zařízení zajišťující vstup zpětnovazebních signálů, zesilovače signálu a korekční zařízení (tlumiče).

Aby akcelerometr reagoval pouze na tu složku zrychlení, pro kterou má být měřen, musí mít jeho setrvačná hmota speciální odpružení, které splňuje následující požadavky: 1) minimální tření v osách odpružení; 2) nepřítomnost příčných vazeb mezi měřicími osami; 3) zajištění lineárního vztahu mezi odchylkami setrvačné hmoty a naměřeným zrychlením.

Závěsy na jednoduchých podpěrách vytvářejí značné tření, což snižuje citlivost akcelerometru. Pro snížení tření je citlivý prvek upevněn na páce nebo umístěn v kapalině s měrnou hmotností rovnou měrné hmotnosti citlivého prvku (obr. 2-4). Závěsy na pružinách a vlnité elastické membrány jsou bez tření, ale jejich nevýhodou je, že při vychýlení hmoty začne zařízení reagovat na složky zrychlení kolmé k ose citlivosti. Proto se takové závěsy používají v akcelerometrech s kompenzací síly, kdy prakticky neexistují žádné hmotnostní odchylky.

Rýže. 2. Schéma jednosložkového akcelerometru:

1 - setrvačná hmotnost; 2 - pouzdro; 3 - kapalina; 4 - vodicí tyč; 5 - zesilovač; 6 - indukční snímač výchylky;

7 - elektromagnetický pohon

Ve schématu na Obr. 2 je setrvačná hmota 1 zavěšena na vedení 4. Pro snížení tření na vedení má hmota 1 umístěná v kapalině 3 neutrální vztlak, který vylučuje silné přitlačení na vedení. Signály v uvažovaném schématu, úměrné posunutí setrvačné hmoty, jsou měřeny indukčním snímačem 6. Po zesílení v zesilovači 5 je signál přiveden na elektromagnetický (výkonový) pohon 7. Výstupní signál akcelerometru je pokles napětí na odpor zapojeny do série v obvodu vinutí pohonu. Tlumení v zařízení je dosaženo díky odporu, když se setrvačná hmota pohybuje v kapalině. U akcelerometrů tohoto typu je možné získat vysokou vlastní frekvenci a malou mrtvou zónu (dosahuje se snížením třecích sil vážením setrvačné hmoty v kapalině). Pro udržení stálosti charakteristik akcelerometru je nutné udržovat konstantní teplotu kapaliny, čehož je dosaženo termostatováním.

Rýže. 3. Schéma kyvadlového plovákového akcelerometru:

1 - setrvačná hmotnost; 2 - kapalina; 3 - pouzdro; 4 - momentový motor;

5 - zesilovač; 6 - snímač signálu

Na Obr. 3 znázorňuje schéma kyvadlového plovákového akcelerometru. Plovák (setrvačná hmota) je konstruován tak, aby jeho hmotnost Q byla blízká zvedací síle F. Potřebný kyvadlový plovák je zajištěn posunutím těžiště vůči těžišti o velikost L Signál plováku rotace je měřena indukčním snímačem 6 a po zesílení v zesilovači 5 je přiváděna do momentového motoru 4. Nízké tření v podpěrách, které jsou závěsy, je zajištěno nízkým tlakem, protože hmotnost plováku Q je prakticky vyvážena zdvihací síla F. Tlumení je dosaženo tím, že se hmota pohybuje v kapalině. Pro udržení konstantní charakteristiky zařízení je nutné regulovat teplotu kapaliny. Plovákové akcelerometry používají křemíkové kapaliny.

Zrychlení, měřená akcelerometry používanými v inerciálních systémech, se používají k získání vzdušné rychlosti a ujeté vzdálenosti. Zrychlení je integrováno jednou pro získání rychlosti a dvakrát pro získání trasy. Existuje určitá třída akcelerometrů, ve kterých je výstupní signál úměrný nikoli zrychlení, ale jednomu nebo dvojnásobku integrálu zrychlení.

Obr. 4 Schéma integračního akcelerometru

1-inerciální plovák; 2-pohonný motor; 3-hydraulické obtokové kanály; 4-kapacitní snímač; 5-válec naplněný silikonovou kapalinou; 6-relé topného systému; 7-termostat; 8-topné těleso; 9-vnější válec; 10-kapalina

Schéma integračního akcelerometru plovákového typu je znázorněno na Obr. 4. Plovák 1 ve tvaru válce je umístěn ve válcové komoře naplněné kapalinou 10, přičemž hustota materiálu plováku je menší než hustota kapaliny. Kamera je uváděna do otáčení motorem 2 konstantní rychlostí. Působením odstředivých sil vznikajících při rotaci kapaliny je plovák nastaven podél osy symetrie, podél které se může pohybovat. Integrace akcelerometrů s konstrukcí znázorněnou na Obr. 4 má citlivost řádově 10-5 g a chybu ne větší než 0,01 %.

Nadějné jsou elektromagnetické a kryogenní suspenze.

K převodu posunů na elektrické signály používají akcelerometry potenciometrické, indukční, kapacitní, fotoelektrické a řetězcové převodníky. Hlavní požadavky na převodníky jsou následující: 1) vysoké rozlišení; 2) lineární závislost výstupu na vstupu; 3) nedostatečná odezva převodníku na citlivý prvek. Potenciometrické snímače tyto požadavky nesplňují, proto se v přesných přístrojích nepoužívají.

Momentové motory (elektromotory pracující v brzděném režimu) a elektromagnetická zařízení se používají jako momentová (výkonová) zařízení v akcelerometrech pro vstup zpětnovazebních signálů.

Pro získání akcelerometrů s požadovanými frekvenčními charakteristikami se v obvodech zpětné vazby používají korekční filtry a speciální tlumiče. Nástroje s kapalnou suspenzí využívají k tlumení viskozitu samotné kapaliny.

Chyby akcelerometru

Metodologické a instrumentální chyby jsou akcelerometrům vlastní.

Metodické chyby akcelerometrů lze rozdělit do dvou skupin: 1) chyby vzniklé tím, že akcelerometry měří pouze zrychlení od činných sil, přičemž tato zařízení nereagují na zrychlení způsobená gravitačními silami; 2) chyby vyplývající z nesouososti osy citlivosti se směrem působení měřeného zrychlení.

Pokud jsou tedy například osa citlivosti a směr zrychlení 1°, chyba měření velikosti zrychlení je 0,02 %. Tato chyba je sama o sobě malá a málo zajímavá. Úhel mezi uvedenými směry je důležitější, protože určuje nesoulad mezi instrumentální a skutečnou osou souřadnicového systému. V inerciálních navigačních systémech navíc nesouosost os citlivosti se směrem měřených zrychlení vede ke vzniku křížových propojení mezi akcelerometry, v důsledku čehož akcelerometr měří nejen „své vlastní“, ale také „mimozemských“ zrychlení.

Přístrojové chyby akcelerometrů jsou určeny: 1) prahem citlivosti (v důsledku tření v závěsech) - minimálním signálem na vstupu, při kterém se signál objeví na výstupu; 2) porušení lineárního vztahu mezi vstupními a výstupními signály; 3) hystereze v charakteristikách elastických a jiných prvků; 4) teplotní závislost parametrů a charakteristik akcelerometru.

Aby se snížily instrumentální chyby, jsou přijata opatření ke snížení tření v závěsech, k termostatování prvků a ke zlepšení charakteristik citlivosti akcelerometru. U nejlepších návrhů akcelerometrů pro inerciální soustavy jsou přístrojové chyby sníženy na 0,002 %.

Jednotka snímače lineárního zrychlení BDLU - 0,5 je určen k měření lineárních zrychlení vzhledem k normálnímu souřadnicovému systému a k vysílání elektrického signálu úměrného lineárnímu zrychlení do palubního letového komplexu (BOD) a dalších palubních systémů.

Strukturálně se akcelerometr typu BDLU skládá z hlavních jednotek:

- snímač lineárního zrychlení typu DLUV-42 je jednoosý akcelerometr a je určen k měření lineárního zrychlení působícího podél osy citlivosti a vydávání elektrického signálu, jehož hodnota napětí je úměrná lineárnímu zrychlení působícímu podél osa měření a znaménko odpovídá směru lineárního zrychlení.

- typ zdroje MUBP – 1–1;

- zpětnovazební zesilovač BU – 44–2–11.

Vzhled BDLU je na obr. 5

Obr. 5 Vnější pohled na BDLU

Schéma jednoosého akcelerometru je na obr. 6. (typ DLUV-42)

Rýže. 6. Schéma jednoosého akcelerometru se zpětnou vazbou síly:

1 - vinutí snímače; 2 - budicí vinutí; 3 - osa citlivosti akcelerometru; 4 - permanentní magnet; 5 - restaurování navíjení; 6 - AC zesilovač; 7 - demodulátor; 8 - řetěz s fázovým posunem; 9 - zesilovač stejnosměrný proud; 10 - generátor budícího obvodu; 11 - výstupní odpor; 12 - signál měřeného zrychlení.

Akcelerometr je zařízení se silovou zpětnou vazbou, ve kterém je setrvačná síla působící na snímací prvek vyvážena (v poměru ke zrychlení) elektromagnetickou silou generovanou proudem v cívce umístěné v magnetickém poli.

Citlivým prvkem akcelerometru DLUV je kyvadlo 4, které je permanentním magnetem.

Působením lineárních zrychlení směřujících podél citlivé osy snímače vzniká moment setrvačnosti, který vychyluje citlivý prvek (kyvadlo) z nulové rovnovážné polohy ve směru opačném k působení této síly.

Moment setrvačnosti kyvadla je:

,

kde
Je hmotnost kyvadla; - rameno nevyváženosti kyvadla; - efektivní lineární zrychlení.

Jakákoli odchylka od nulové polohy zároveň vytváří v cívce snímače na ní upevněné 1 emf, úměrné velikosti působící síly, a tedy i zrychlení. Signál ze snímače je přiveden na vstup amplitudově fázově citlivého detektoru-zesilovače BU-44-2-11 (7, 8, 10), kde je převeden na stejnosměrné napětí určité polarity a přes stejnosměrný zesilovač UPT-9 je přiveden do vinutí obnovovací cívky 5, která je umístěna na pružném zavěšení citlivého prvku.

Magnetické pole rekuperační cívky 5 interaguje s polem permanentního magnetu 4, který je kyvadlo citlivým prvkem senzoru, a vzniká elektromagnetická síla, která vyrovnává moment setrvačnosti kyvadla a má tendenci jej vrátit na nulu. pozice.

Elektromagnetický točivý moment vytvářený proudem protékajícím vinutím obnovovací cívky je

,

kde
- převodový poměr obvodu zpětné vazby výkonu;

- proud procházející cívkou.

Zavedení silové zpětné vazby do akcelerometru je ekvivalentní dodatečné tuhosti, která je mnohem větší než tuhost pružného prvku.

Pokud je zesilovací faktor zesilovače 9 dostatečně velký, pak elektromagnetická vratná síla vyrovnává sílu úměrnou zrychlení a citlivý prvek zaujme nulovou rovnovážnou polohu, přičemž dojde k rovnosti:

nebo
,

Proto ten vztah

.

V obvodu regenerační cívky 5 tak protéká proud, který je přímo úměrný efektivnímu lineárnímu zrychlení (přetížení).

Zapojením do série s cívkou zátěžový odpor
, získáme výstupní napětí úměrné efektivnímu lineárnímu zrychlení:

. (1)

-- [ Strana 1 ] --

Jako rukopis

MDT 531.781.2

Ivan Vavilov

VÝVOJ MIKROSYSTÉMU AKCELEROMETR

kandidát technických věd

Nižnij Novgorod - 2006

Práce byly provedeny na katedře leteckých přístrojů a zařízení, pobočka Arzamas Státní technické univerzity v Nižním Novgorodu.

Vědecký poradce: Ph.D., docent. Pozďajev V.I.

Oficiální oponenti: doktor technických věd, profesor Raspopov V.Ya.

Doktor technických věd, hlavní výzkumný pracovník

FSUE "NPP" Polet "Keistovich A.V.

Vedoucí podnik: JSC "Arzamas Instrument-Making Plant",

Arzamas.

Obhajoba se bude konat 11. října 2006 v 15:00 v aule. 1258 na zasedání Rady pro disertační práci D 212.165.12 na Státní technické univerzitě v Nižním Novgorodu na adrese: 603600, GSP-41, Nižnij Novgorod, st. Minina, 24

Disertační práci lze nalézt v knihovně Státní technické univerzity v Nižním Novgorodu

Vědecký tajemník Rady pro disertační práci

Ph.D., docent ______________ V.V. Petrov

OBECNÝ POPIS PRÁCE

Stimulačním faktorem ve vývoji integrovaných senzorů je rostoucí potřeba informací v různých řízených technické systémy... Mikroelektromechanické systémy (MEMS) jsou založeny na konceptu „od „senzoru k systému“, jehož formulace podstaty může být prezentována ve formě následujících ustanovení:

• vývoj, výzkum a tvorba integrovaných snímačů přímého měření, kombinující primární citlivý prvek a sekundární elektronický převodník za předpokladu, že jsou prováděny v rámci jednoho technologického procesu
• vývoj, výzkum a tvorba integrovaných kompenzačních senzorů, které kombinují primární citlivý prvek, sekundární elektronický převodník a zpětnovazební převodník pro řízení citlivého prvku, za předpokladu, že jsou prováděny v rámci jediného technologického procesu
• vývoj, výzkum a tvorba integrovaných senzorů s výpočetními schopnostmi, například realizace vícefaktorových měření, analogově-digitální a digitálně-analogové převody, adaptace na optimální podmínky, provádění řídicích a diagnostických funkcí atd., pokud jsou provádí v rámci jediného technologického procesu
• vývoj, výzkum a tvorba bezdrátových integrovaných senzorů s nízkou spotřebou a s vlastnostmi prvních tří skupin.

Jednou z prvních systematizujících prací o mikrosystémových senzorech byl článek K. Petersena „Křemík jako mechanický materiál pro integrované struktury“, publikovaný v časopise IEEE č. 5, 1982. Doba vývoje integrovaných senzorů je něco málo přes třicet let. Během této doby byla vyvinuta široká škála senzorů: od integrovaného tenzometru až po kompenzační akcelerometr. Nejúspěšnějším vývojářem v oblasti mikrosystémových navigačních zařízení je v současnosti Analog Devices (USA). V naší zemi mikrosystémové senzory vyvíjejí: Výzkumný a výrobní podnik Arzamas „TEMP-AVIA“ (Ph.D. Timoščenkov SP), Státní technická univerzita v Tule (doktor technických věd V. Ya. Raspopov), MVTU (doktor Technické vědy SF Konovalov) atd. Nedá se však říci, že by toto období bylo v konečné fázi. Zvláště slabým článkem je vývoj integrálních snímačů pohybových parametrů, jako jsou lineární a úhlové akcelerometry. Stále neexistují akcelerometry se 100% integrací a skutečná přesnost známých vývojů nepřesáhla 12 % naměřeného rozsahu. Integrace je chápána jako sjednocení funkčních jednotek a bloků do jednoho konstruktu, představujícího jednu monolitickou „část“. Přesnost měření integrovaných akcelerometrů je možné zvýšit o více než řád zavedením záporné zpětné vazby do obvodu zpracování, ale to je způsobeno složitostí obvodu.

Relevance práce. Charakteristický rys světového vývoje informační technologie na konci XX a začátku XXI století dochází k alokaci integrálně vytvořených (komplexních) technologií, které zahrnují technologie mikromechanických systémů. U nás i v zahraničí neustále roste zájem o vývoj integrálních snímačů, s čímž souvisí možnost s jejich pomocí efektivně řešit řadu problémů monitorování a řízení. Od 30. března 2002 je technologie mikrosystémů v Rusku oficiálně prohlášena za kritickou technologii. V seznamu kritických technologií, schváleném prezidentem Ruska, je znění definováno takto: „Superminiaturní mechanismy, zařízení, stroje s dříve nedosažitelnou hmotností a rozměry, energetickými ukazateli a funkčními parametry, vytvořené integrálními ekonomicky efektivními mikro- a nanotechnologické procesy." Schopnosti měřicích systémů, jako jsou inerciální navigační systémy (INS), sklonoměry, směrové čáry atd., byly vždy určovány charakteristikami primárních převodníků. Stávající konstrukce integrálních snímačů zrychlení nesplňují moderní požadavky z důvodu vysoké pracovní náročnosti výroby, dočasné nestability metrologických charakteristik a malého zdroje.

tato práce byla provedena v souladu s tématem vědecký výzkum podniky JE Arzamas "TEMP-AVIA", jakož i plán hlavních vědeckých prací Polytechnického institutu Arzamas (pobočka NSTU) na problém "Vývoj a výzkum integrálních senzorů primární informace".

Objektivní.Účelem disertační práce je výzkum a vývoj nového mikrosystémového senzoru zrychlení a jeho uzlů, dále sestavení matematických modelů senzoru a vypočtených poměrů pro teoretické stanovení jeho statických, dynamických a přesných charakteristik.

Cíle disertační práce:

1. Studium struktury nového mikrosystémového akcelerometru a jeho jednotlivých mechanických a elektrických sestav s využitím polovodičových materiálů a technologie mikrostrojů.

2. Vývoj matematických modelů senzoru pro analýzu ve fázích výzkumných a vývojových prací všech charakteristik mikrosystémového akcelerometru: statické, amplitudově-frekvenční, fázově-frekvenční, přechodové, přesnost a charakteristiky jeho jednotlivých uzlů.

3. Provádění experimentálních studií statických a dynamických charakteristik nových senzorů zrychlení mikrosystémů, jejichž výsledky umožňují posoudit přesnost a výhody integrálních konstrukcí oproti tradičním neintegrálním.

4. Porovnání experimentálních a teoretických výsledků diplomové práce.

Předmět studia. Předmětem výzkumu jsou následující zařízení:

1. Silikonové kyvadlové snímací prvky.
2. Kapacitní měniče posuvu v elektrický signál.
3. Zařízení pro testování lineárních akcelerometrů.
4. Mikroelektronické převodníky a jednotky zabudované do integrovaných senzorů zrychlení.

Metody výzkumu. Při řešení zadaných úloh byly použity metody matematického a počítačového modelování charakteristik akcelerometru, celoplošný experiment, metody teoretické mechaniky, teorie pružnosti a automatického řízení.

Vědecká novinka práce je následující:

1. Byla zkoumána struktura a byl vyvinut nový citlivý prvek (RF patent č. 2231795), který má dvakrát menší chybu měření než analogy, a byl vyvinut matematický model pro nový mikrosystémový akcelerometr s upřesněním vlivu charakteristiky jednotlivých prvků, v důsledku čehož se vypočítaná data shodovala s experimentálními.

2. Rozvinutý originál kapacitní převodník(patenty: č. 2231796 a č. 2272298). Byly získány teoretické vztahy pro výpočet mikroelektronických měničů určených pro společnou práci s mikromechanickým SE, což dalo vývojářům nový efektivní konstrukční nástroj.

3. Byly provedeny experimentální studie a počítačové modelování statických a dynamických charakteristik mikrosystémových akcelerometrů na prkénkách a hotových výrobcích a porovnány s teoretickými výsledky, které potvrdily adekvátnost teoretických ustanovení.

Praktická hodnota díla:

1. Teoretická řešení byla uvedena do praktického využití při výpočtu charakteristik, při optimalizaci parametrů vyvíjených integrovaných snímačů zrychlení a byla základem pro vývoj obvodů a struktur chráněných patenty Ruské federace.

2. Výsledky teoretických a experimentálních studií ve formě doporučení a vypočtených poměrů pro stanovení nejdůležitějších charakteristik snímačů byly použity pro návrh a konstrukci integrálních snímačů zrychlení typu AT1105 a AT1112 pro rozsahy od 0,5 g do 50 g.

3. Vyvinuté metody pro stanovení statických charakteristik integrálních snímačů zrychlení a jejich chyb pomocí zkušebních zařízení umožňují získat základní metrologické parametry přístrojů.

4. Výsledky disertační práce byly zavedeny do sériově vyráběných produktů ANPP „TEMP-AVIA“ a do vzdělávacího procesu v pobočce Arzamas NSTU na katedře „Letecké přístroje a zařízení“ v odbornostech 190300 a 190900.

Průmyslová realizace. Závěry, doporučení a výsledky získané v dizertační práci byly realizovány v podniku ANPP "TEMP-AVIA" (Arzamas), což potvrzují dokumenty uvedené v příloze.

Schválení práce. Disertační práce a její jednotlivé sekce byly projednány a pozitivně hodnoceny na následujících konferencích a jednáních:

1. Na krajské vědeckotechnické konferenci "Metody a prostředky měření fyzikálních veličin", N. Novgorod, 1997, 1998, 2002, 2003
2. Na celoruských vědeckých konferencích "Progresivní technologie ve strojírenství a výrobě nástrojů". 2002, 2003, 2004
3. Na rozšířeném zasedání katedry leteckých přístrojů a zařízení pobočky Arzamas NSTU v letech 1998, 2000, 2001, 2002, 2003 a 2004.

Publikace. Na základě výsledků provedeného výzkumu bylo publikováno 17 prací, z toho 13 článků a čtyři patenty na vynálezy.

Pracovní zátěž. Disertační práce se skládá z úvodu, čtyř kapitol, závěru, přílohy, seznamu literatury, seznamu přijatých označení a obsahuje 153 stran strojopisného textu: ilustrace - 39 (obrázky, schémata, grafy), tabulky - 15, seznam referencí - 83 titulů.

CHRÁNĚNO

1. Strukturní obvod a matematický model nového prvku citlivého na kyvadlo kompenzovaný vlivem teplotních napětí.

2. Originální mikrosystémový kapacitní převodník posuvu s akcelerometrem testování, menší rozměry za stejnou cenu.

3. Matematický model mikrosystémový akcelerometr, který umožňuje vyhodnocovat jeho parametry ve fázích výzkumu a vývoje.

4. Vztahy pro volbu optimálních parametrů mikrosystémového akcelerometru na základě kritéria minimálních chyb měření, které umožňují přímým měřením akcelerometrů získat přesnost ekvivalentní přesnosti kompenzačního akcelerometru s elektrostatickou zpětnou vazbou.

5. Bloková schémata instalací pro experimentální studium statických a dynamických charakteristik mikrosystémových akcelerometrů a výsledky experimentálních studií.

6. Vztahy pro teoretické výpočty: tuhost pružných odpružení, absolutní koeficienty plynodynamického tlumení, elastické odpružení pro podélnou stabilitu a prvky elektrický obvod.

V úvodu doložila relevanci zvoleného tématu a na základě analýzy stav techniky integrální senzory primárních informací formulovaly účel a cíle výzkumu.

První kapitola práce je věnována přehledu současného stavu mikrosystémových akcelerometrů, ve kterých srovnávací analýza jejich vlastnosti. Zvažují se domácí i zahraniční řešení a identifikují se pozitivní a negativní aspekty konstrukcí z hlediska dosažení maximální přesnosti. Na základě analýzy byl upřednostněn mikrosystémový akcelerometr s lokální zpětnou vazbou.

Druhá kapitola sodyRžije teoretické zdůvodnění konstrukce mikromechanického citlivého prvku a elektrického obvodu. Odhad počtu stupňů volnosti kyvadlové pohyblivé jednotky se provádí na základě analýzy tuhosti pružných závěsů v různých směrech. Z analýzy vyplývá, že chybí úhlový pohyb kyvadla vůči ose y (obr. 1) a lineární pohyb vůči osám x a y, protože jejich tuhosti jsou nekonečně velké. Porovnáním úhlové tuhosti kolem os x az můžeme dojít k závěru, že úhlová tuhost kolem osy z faktorem převyšuje úhlovou tuhost kolem osy x. Číselně se jedná o minimálně pět řádů, což za předpokladu stejných sil působících podél porovnávaných os umožňuje zanedbat nekonečně malé úhlové posunutí vůči ose z.

Axiální tuhost zavěšení podél kladného a záporného směru osy z není obecně stejná. V kladném směru pracuje odpružení v tahu a v záporném směru v tlaku. Zároveň při velkém zatížení v negativním směru je nutné zkontrolovat odpružení na podélnou stabilitu. Zde je třeba poznamenat, že u závěsů se zakřivením na šířku a tloušťku je krátký úsek v minimálním průřezu závěsu vystaven tlaku a při zachování jeho charakteristik v elastickém rozsahu je závěs vždy stabilní.

Uvažovaná konstrukce kyvadla SE integrálního akcelerometru se zavedenými předpoklady má tedy dva stupně volnosti: úhlové posunutí kolem osy x a lineární posunutí podél osy y. V souladu s tím má mikromechanická pohyblivá jednotka přenosovou funkci čtvrtého řádu. Při použití Lagrangeovy rovnice druhého druhu k analýze dynamiky byla přenosová funkce pohybující se jednotky definována jako:

, (1)

kde koeficienty přenosové funkce jsou vyjádřeny v parametrech pohybující se jednotky:

(2)

kde je moment setrvačnosti kyvadla kolem osy z; m je hmotnost kyvadla; Kd a Kdu - axiální a úhlové absolutní koeficienty tlumení; G a Gу - axiální a úhlová tuhost pružného zavěšení; lc je vzdálenost od těžiště k ose výkyvu kyvadla.

Strmost statické charakteristiky citlivého prvku je určena z (1) s přihlédnutím k (2) při:

(3)

Pro zpracování posunů kyvadla byl vyvinut specializovaný elektrický převodník. Jako výchozí předpoklady pro vývoj převodníku byly brány následující požadavky: 1 - zajištění linearity statické charakteristiky v celém rozsahu měření; 2 - v převodníku musí být zcela vyloučen vliv dielektrické konstanty média vyplňujícího prostor mezi měřicími elektrodami převodníku; 3 - hodnoty odporu by měly být zahrnuty do převodových poměrů ve formě poměrů; 4 - minimální chyba teploty při změně parametrů; 5 - dostatečné odfiltrování výstupního signálu od nosné frekvence generátoru napájejícího kapacitní můstek; 6 - odstranění napětí mezi pohyblivou a pevnou elektrodou kapacitního můstku; 7 - v dynamickém vztahu by měl být převodník výchylky, bez zohlednění dolní propusti, bez setrvačnosti; 8 - nezávislost strmosti statické charakteristiky a nulového signálu převodníku na frekvenci napájecího generátoru a minimalizace chyb z nestability napájecích zdrojů.

Nejúplněji formulované požadavky splňuje schéma znázorněné na Obr. 2, a. Pro dosažení požadovaných charakteristik z hlediska statické a dynamické přesnosti ve schématu bylo vypracováno několik řešení pro ten či onen uzel a vybrána ta optimální. Obvod obsahuje: diferenciální obvod měřicích kapacit C1 - C2; zařízení pro spínání referenčních napětí Kl1-Kl4; zesilovač na OU1, synchronní (demodulátorový) detektor (Cl5 a Cl8); generátor hodinové frekvence (obr. 2, b) na logickém prvku typu spouště Schmidt; zdroje referenčních napětí a dolní propust (LPF) na OA2. Elektrické schéma je popsáno následující přenosovou funkcí:

(4)

kde - koeficient strmosti statických charakteristik měniče;

Časová konstanta filtru;

Kompletní přenosová funkce mikrosystémového akcelerometru se skládá ze součinu přenosových funkcí mechanických a elektrických částí:

(5)

Koeficienty přenosové funkce se nacházejí prostřednictvím parametrů pohybující se jednotky: .

Koeficient strmosti statické charakteristiky mikrosystémového akcelerometru s lokální jednotkovou zpětnou vazbou se získá z přenosové funkce (5) v následujícím tvaru:

Jako alternativní obvod byly vyvinuty a zkoumány obvody s výkonovým elektrostatickým zpracováním as pulzně šířkovou modulací (PWM). Po srovnání se dává přednost schématu na obr. 2.

V této práci byly zkoumány SE s vnitřním a vnějším upevněním nosné desky. Výzkumem bylo zjištěno, že jednobodové vnitřní upevnění je výhodnější z hlediska menšího vlivu kontaktních napětí přenášených z těla.

Odeslat svou dobrou práci do znalostní báze je jednoduché. Použijte níže uvedený formulář

Studenti, postgraduální studenti, mladí vědci, kteří využívají znalostní základnu při svém studiu a práci, vám budou velmi vděční.

Vloženo na http://www.allbest.ru/

Úvod

akcelerometrpiezoelektrický mmikroobvod

Zařízení, které měří projekci zdánlivého zrychlení (rozdíl mezi absolutním zrychlením předmětu a gravitačním zrychlením, přesněji gravitačním zrychlením), se nazývá akcelerometr. Existují třísložkové (tříosé) akcelerometry, které umožňují měřit zrychlení podél tří os najednou.

Akcelerometr lze použít k měření jak absolutního lineárního zrychlení, tak nepřímého měření projekce gravitačního zrychlení. Poslední vlastnost slouží k vytvoření sklonoměrů. Akcelerometry jsou součástí inerciálních navigačních systémů, kde jsou integrována s jejich pomocí získaná měření získávající setrvační rychlost a souřadnice nosiče, při registraci amplitud nad vlastní rezonanční frekvencí lze přímo měřit vlastní rychlost akcelerometru.

Elektronické akcelerometry jsou často zabudovány do mobilních zařízení (zejména telefonů) a používají se jako krokoměry, senzory pro určování polohy v prostoru, automatické otáčení displeje a další účely.

V ovládacích zařízeních pro herní konzole slouží akcelerometr spolu s gyroskopem k ovládání ve hrách bez použití tlačítek - otáčením v prostoru, třesením apod. Akcelerometr mají například ovladače Wii Remote a Playstation Move.

Akcelerometry se používají v pevných discích k aktivaci mechanismu na ochranu před poškozením otřesy, otřesy a pády. Akcelerometr reaguje na náhlou změnu polohy zařízení a zaparkuje hlavy pevný disk aby nedošlo k poškození disku a ztrátě dat. Tato technologie ochrany se používá především u notebooků, netbooků a externích disků.

Akcelerometr v průmyslové vibrační diagnostice je vibrační převodník, který měří zrychlení vibrací v nedestruktivních testovacích a ochranných systémech.

Integrálníakcelerometry.Jsou běžnéinteligence

Akcelerometry jsou lineární snímače zrychlení a jako takové se široce používají k měření úhlů sklonu těles, setrvačných sil, rázového zatížení a vibrací. Jsou široce používány v dopravě, medicíně, průmyslových měřicích a řídicích systémech a inerciálních navigačních systémech. Průmysl vyrábí mnoho druhů akcelerometrů s různými principy činnosti, rozsahy měření zrychlení, hmotnosti, rozměrů a cen. Porovnání hlavních typů akcelerometrů je uvedeno v tabulce. 1. Na Obr. 1 ukazuje oblasti obsazené různými typy akcelerometrů v diagramu ceny a kvality.

Rýže. 1. Diagram "cena-kvalita" pro odlišné typy akcelerometry

Moderní mikroprocesorové technologie umožňují vyrábět integrované akcelerometry s malými rozměry a nízkou cenou. V současné době existují tři typy IC akcelerometrů: piezofilmové, objemové a povrchové.

Filmpiezoelektrickýakcelerometry

Fóliové piezoelektrické snímače zrychlení jsou založeny na vícevrstvé piezoelektrické polymerní fólii. Vícevrstvá fólie je připevněna k substrátu z oxidu hlinitého a je k ní připojena setrvačná hmota práškového kovu. Při změně rychlosti pohybu snímače v důsledku působení setrvačných sil dochází k deformaci fólie. Piezoelektrickým jevem vzniká na hranicích vrstev filmu potenciálový rozdíl, který závisí na zrychlení. Snímací prvek snímače má extrémně vysokou výstupní impedanci, proto je na substrátu snímače ACH-01 od Atochem Sensors také FET s nízkým hradlovým proudem, což je napěťový zesilovač. To umožňuje měřit proměnná zrychlení při poměrně nízké frekvenci. Snímače tohoto typu mají špatnou opakovatelnost charakteristik v sériové výrobě, vysokou citlivost na změny teploty a tlaku. Nemohou ovládat konstantní zrychlení a gravitační síly. Hlavní oblastí použití jsou řídicí obvody airbagů.

Objemovýintegrálníakcelerometry

Příkladem objemového senzoru je Lucas NovaSensor NAC-201/3 pro použití v systémech ovládání airbagů vozidla. Tento snímač se skládá ze dvou silikonových desek 1 a 2, které jsou k sobě přitaveny (obr. 2). Tři tenké křemíkové paprsky c, d a e v plátku 1, setrvačná hmota a je spojena s křemíkovým rámečkem b na plátku 2. Tato hmota je mechanicky spojena s křemíkovým rámem z jedné hrany (body f na obr. 2). Každý z krátkých vnějších (ohybových) paprsků obsahuje dvojici implantovaných piezorezistorů tvořících poloviční můstek. Dva poloviční můstky jsou spojeny do můstkového obvodu.

Při srážce vozidla s překážkou se hmota pohybuje dolů, ohýbá paprsky c, d, e a způsobuje deformaci piezorezistorů.

Snímač a obvody elektronického zpracování signálu mimo čip tak během provozu produkují výstupní signál 50 až 100 mV v plném rozsahu, což je způsobeno deformací piezorezistorů zapojených do obvodu Wheatstoneova můstku.

Rýže. 2. Integrální objemový akcelerometr

Vzhledem k tomu, že spolehlivost systému ovládání airbagů je extrémně náročná (představte si následky falešného rozvinutí airbagu na frekventované dálnici při rychlosti 150 km/h), je snímač vybaven systémem vlastní kontroly. Klíčovou roli v samoregulačním systému hraje rezistor budiče, který je zahříván průchodem elektrického impulsu o proudu 50 mA, napětí 9 V a době trvání 50 ms. Když se paprsek, umístěný uprostřed desky 1, zahřeje, prodlouží se, protože teplotní koeficient roztažnosti křemíku je kladný. A protože jsou jeho konce pevné, ohýbá se, vychyluje setrvačnou hmotu a ohýbá paprsek obsahující piezorezistory. Když vozidlo narazí na překážku, tento paprsek se posune asi o 3 µm ve stejném směru jako hmotnost.

Rýže. 3. Hlavní konstrukční blok elementární buňky snímače zrychlení

Mikroobvod snímače neobsahuje obvod zpracování signálu měřicího můstku. Možnosti snímačů se liší tím, že NAC-203 obsahuje vestavěné tlustovrstvé obvody, které umožňují laserové nastavení citlivosti a teplotní korekci během výrobního procesu a u NAC-201 je implementace těchto funkcí ponechána na uživateli. Vstupní a výstupní odpory měřicího můstku NAC-201 jsou 2 kΩ. Šířka pásma 3 dB je 500 Hz. Rezonanční frekvence zařízení namontovaných plně v souladu s doporučením výrobce je minimálně 10 kHz.

Rýže. 4. Blokové schéma IC akcelerometru ADXL50

Integrální snímače zrychlení objemového provedení mají řadu nevýhod. Za prvé, jsou obtížně vyrobitelné, protože operace vytváření objemových struktur není příliš snadné kombinovat se standardními technologiemi povrchových integrací. Za druhé je žádoucí mít na obvodovém čipu snímač co nejmenší velikosti, také co nejmenší velikosti. Zmenšení velikosti krystalu má za následek zvýšení jeho mechanické pevnosti a snížení ceny. Přitom u snímače objemové struktury vyžaduje pouze umístění citlivého prvku 6,5 až 16 mm2 plochy krystalu. Umístěním obvodů pro úpravu signálu na čip lze tuto oblast zdvojnásobit. Zejména jeden z akceleračních senzorů Motoroly má tedy dvoukrystalový design. Na jednom krystalu je vyroben volumetricky citlivý prvek a na druhém obvod pro zpracování signálu.

Nabíječky / piezoelektrickéakcelerometry

Piezoelektrické akcelerometry používají systém pružina-hmotnost k vytvoření síly ekvivalentní amplitudě a frekvenci vibrací. Tato síla působí na piezoelektrický prvek, který na svých výstupech vytváří náboj úměrný vibračnímu posunu. Jedinečný design piezoelektrických akcelerometrů Bruel & Kjör poskytuje jak vysokou seismickou rezonanci, tak robustnost, díky čemuž jsou tento typ akcelerometrů univerzálními akcelerometry. obecný účel... Jejich výjimečný vysokofrekvenční výkon je také ideální pro měření vysokofrekvenčních vibrací: například při analýze hluku převodovky nebo monitorování turbíny vysokorychlostních rotačních zařízení. Piezoelektrické materiály jsou samogenerující, a proto nevyžadují externí zdroj energie.

Jsou schopné provozu při extrémních teplotách, ale vyznačují se nízkou výstupní citlivostí (která je typická pro konstrukci pružino-hmotnostního snímače). Protože většina vysokofrekvenčních akcelerometrů není tlumená, vysokofrekvenční harmonické v konstrukci mohou způsobit, že akcelerometr bude vyzvánět a přetížit následné elektronické obvody. Proto musí být rezonanční frekvence akcelerometru dostatečně vysoká, aby byla vyšší než vysokofrekvenční signály přítomné ve struktuře.

Akcelerometry IEPE

Akcelerometry IEPE jsou piezoelektrické akcelerometry s integrovanými předzesilovači, které poskytují napěťově modulovaný výstup do elektrického vedení. Akcelerometry Bruel & Kjör IEPE jsou speciálně navrženy pro měření vibrací v malých konstrukcích (např. Jejich vysoká výstupní citlivost, vysoký odstup signálu od šumu a široká šířka pásma umožňují jejich použití jako zařízení pro všeobecné použití i pro měření vysokofrekvenčních vibrací. Tyto levné a lehké akcelerometry jsou velmi výkonné přístroje s vyšší výstupní citlivostí než standardní piezoelektrické akcelerometry (bez integrovaných předzesilovačů). Jsou utěsněny, aby odolávaly znečištění životního prostředí, mají nízkou náchylnost k elektromagnetickému záření na rádiových frekvencích a nízkou výstupní impedanci díky externímu stejnosměrnému napájení. Nízkoimpedanční výstup umožňuje použití levných koaxiálních kabelů. Akcelerometry IEPE jsou netlumené vysokofrekvenční akcelerometry. Je třeba provést měření, aby se zabránilo „zvonění“ akcelerometru a přetížení.

Piezorezistivníakcelerometry

Deformační senzory piezorezistivních akcelerometrů mění elektrický odpor úměrně působícímu mechanickému namáhání. Monolitický snímač akcelerometru obsahuje vestavěné mechanické dorazy a je velmi robustní s velmi dobrý poměr signál / šum. Akcelerometry tohoto typu jsou ideální pro měření posunu, nízkofrekvenčních vibrací a otřesů a jsou určeny pro testování kolize, testování flutteru, jízdu na obtížných silnicích, jakož i biodynamická měření a podobné aplikace vyžadující minimální hmotnostní zatížení a širokou frekvenční odezvu. ... Mohou být také použity pro bump testování lehkých systémů nebo konstrukcí a jsou v souladu se specifikacemi SAEJ 211 pro antropomorfní figuríny. mít frekvenční odezva který se rozšiřuje na stejnosměrný proud, tzn. před ustáleným zrychlením jsou tyto akcelerometry ideální pro měření dlouhých přechodových jevů i krátkodobých otřesů. V mnoha případech je citlivost dostatečně vysoká a není potřeba žádné předzesilování výstupního signálu. Piezorezistivní akcelerometry mají minimální tlumení, takže nevytvářejí fázový posun na nízkých frekvencích. Při měření na nízkých frekvencích však mají své vlastní problémy a k překonání těchto nevýhod jsou zapotřebí speciální opatření.

Akcelerometryvariabilníkapacity

V akcelerometrech s proměnnou kapacitou vytváří jedinečný mikrosenzor s proměnnou kapacitou kapacitní zařízení s paralelními deskami. Výsledkem je snímač, který reaguje na zrychlení stejnosměrného vstupu, se stabilní charakteristikou tlumení, která maximalizuje frekvenční odezvu, a s dostatečnou pevností, aby vydržel velmi vysoké rázové a akcelerační zatížení.

Tyto nízkofrekvenční akcelerometry jsou ideální pro měření posunu a nízkofrekvenčních vibrací a jsou navrženy pro aplikace, jako je sledování trajektorie, posouzení konstrukce letadla/vozidla, testování flutteru a testování odpružení a brzd vozidla. Plynové tlumení a vestavěné omezovače mimo rozsah umožňují mikrosnímačům akcelerometru odolat rázům a zatížením zrychlením, které jsou typické pro typické aplikace s vysokou gramáží. Fyzické poškození snímače je časté během testů s vysokou gramáží; proto při výběru rázového akcelerometru doporučujeme přeceňovat maximální úroveň rázů.

Obecně platí, že čím blíže je akcelerometr ke zdroji (výbušnému nebo nárazovému), tím vyšší je vstupní g-úroveň. Doporučuje se také používat pájené koncovky a pryžové dráty kvůli jejich nízké hmotnosti, ale s těmito jemnými spoji je třeba při instalaci a manipulaci zacházet velmi opatrně.

Povrchníintegrálníakcelerometry

Analog Devices vyrábí řadu akcelerometrů ADXLxxx pro povrchovou montáž. První v této rodině je ADXL50, který byl uveden do sériové výroby v roce 1991.

Celý krystal akcelerometru 3,05-3,05 mm zabírají především obvody pro úpravu signálu, které obklopují miniaturní senzor akcelerometru o velikosti 1 × 1 mm umístěný v jeho středu. Senzor je struktura diferenciálního kondenzátoru se vzduchovým dielektrikem, jehož desky jsou vyřezány (vyleptány) z plochého kusu polysilikonové fólie o tloušťce 2 µm. Pevné desky tohoto kondenzátoru jsou jednoduché konzolové tyče umístěné ve výšce 1 mikron od povrchu krystalu ve vzduchu na polysilikonových kotevních sloupcích přivařených ke krystalu na molekulární úrovni.

Na Obr. 3 ukazuje hlavní konstrukční blok elementární buňky senzoru. Ve skutečnosti má snímač 54 jednotkových buněk pro měření zrychlení, ale pro zjednodušení je na obrázku znázorněn pouze jeden článek. Setrvačná hmota senzoru zrychlení se posune vzhledem ke zbytku krystalu, když se změní rychlost pohybu krystalu. Jeho prstovité výstupky tvoří pohyblivou desku proměnného kondenzátoru. Na každém konci tato konstrukce spočívá na kotevních sloupcích, které mají podobnou konstrukci jako držáky pevných desek. Protažení na koncích setrvačné hmoty, které ji drží na hmotnosti, jsou jakoby mechanické pružiny konstantní pružnosti, omezující pohyb testovací hmoty a její návrat do původní polohy. Jinými slovy, síla setrvačnosti při vystavení zrychlení

vyvážená silou pružiny

kde m je hmotnost, a je zrychlení, k je tuhost pružiny, x je posunutí hmoty vzhledem k počátečnímu stavu. Z toho vyplývá, že a = x (k / m) a k / m je konstrukční parametr snímače.

Protože k pohybu setrvačné hmoty musí docházet v rovině polysilikonové fólie, leží osa citlivosti snímače v této rovině, a je tedy rovnoběžná s rovinou desky plošných spojů, ke které je snímač připájen.

Rýže. 6. Použití akcelerometru k měření náklonu

Každá ze sad pevných kondenzátorových desek (Y a Z) je elektricky zapojena paralelně v obvodovém čipu. Výsledkem je dvojice nezávislých kondenzátory X - Y a X - Z, jejichž pohyblivá deska je tvořena celým souborem prstovitých výstupků setrvačné hmoty. Uvnitř krystalu jsou tyto tři desky připojeny k vestavěným obvodům úpravy signálu akcelerometru. V klidném stavu (pohyb konstantní rychlostí) jsou všechny „prsty“ pohyblivé ploténky X díky striím ve stejné vzdálenosti od párů prstů pevných plotének. Při jakémkoli zrychlení se pohyblivé prsty přibližují k jedné ze sad pevných prstů a vzdalují se od druhé sady. V důsledku tohoto relativního pohybu se příslušné vzdálenosti stanou nerovnými a kapacity mezi pohyblivou deskou a každou ze stacionárních desek se změní.

Přestože obvod pro úpravu senzoru a signálu v IC akcelerometru ADXL50 je ve skutečnosti uzavřená smyčka se zpětnou vazbou a rovnováhou sil, nejprve popíšeme činnost zařízení s otevřenou zpětnou vazbou. Antifázové obdélníkové signály o frekvenci 1 MHz stejné amplitudy jsou přiváděny z generátoru na horní a spodní desku Y a Z (obr. 4).

Kapacity CS1 a CS2 mezi pevnou a pohyblivou deskou jsou při absenci zrychlení stejné, proto jsou na pohyblivou desku přenášeny signály stejné amplitudy. Rozdílový signál přicházející na vstup opakovače je roven nule.

Při zrychlování snímače není rozdílový signál roven nule a jeho amplituda závisí na hodnotě posunutí pohyblivé desky a fáze je určena znaménkem zrychlení.

Fázově citlivý demodulátor převádí tento signál na nízkofrekvenční signál (s pásmem od 0 do 1000 Hz), který charakterizuje velikost a znak zrychlení. Toto napětí je přivedeno na předzesilovač, z jehož výstupu jde signál na externí výstup IO.

Rýže. 7. Blokové schéma dvouosého akcelerometru ADXL202

Aby se snížil vliv okolní teploty, dočasné změny parametrů, aby se snížila nelinearita přechodové odezvy akcelerometru, vývojáři zavedli negativní zpětnou vazbu na polohu setrvačné hmoty. K tomu je napětí z výstupu předzesilovače přes odpor 3 MΩ přivedeno na pohyblivé desky snímače. Toto napětí vytváří elektrostatické síly mezi pohyblivými a stacionárními deskami, které mají tendenci nastavit setrvačné hmoty do původního stavu. Protože v tomto případě máme sledovací systém s vysokým faktorem kvality, setrvačná hmota se nikdy neodchýlí od své původní polohy o více než 0,01 μm.

Při absenci zrychlení je výstupní napětí předzesilovače VO = 1,8 V, při plné akceleraci ± 50 g VO = 1,8 ± 1,5 V.

V pozdějších modelech IC akcelerometrů inženýři z Analog Devices opustili zpětnou vazbu o poloze setrvačné hmoty. Na jednu stranu to umožnilo téměř zmenšit plochu krystalu snímače, zvýšit jeho účinnost, zvýšit kolísání výstupního napětí, prakticky eliminovat externí součástky a snížit cenu, na druhou stranu však posun setrvačná hmotnost se zvýšila, což vedlo k určitému skutečnému zhoršení linearity.

Řada akcelerometrů ADXL je také vybavena systémem autotestu. V ADXL50 je na pohyblivou desku aplikován nízkofrekvenční testovací signál obdélníkového tvaru. To způsobuje kolísání setrvačné hmoty podobné těm, které způsobují setrvačné síly. Výstupní napětí dobrého snímače se bude také měnit stejnou rychlostí.

Rýže. 8. Zjednodušený návrh snímače zrychlení mikroobvodu rodiny XMMA

U modelů bez polohové zpětné vazby je v obvodu měření zrychlení použito pouze 42 buněk snímače. Zbývajících 12 je zahrnuto do schématu autotestu. Vlastní testování se provádí aplikací vysoké logické úrovně na kolík „SELF-TEST“ mikroobvodu. V tomto případě působí na pohyblivou část snímače elektrostatická síla odpovídající přibližně 20 % zrychlení plného rozsahu.

Výstupní napětí IC pracovního senzoru se bude úměrně snižovat. Tím se ověřuje funkčnost kompletní mechanické struktury a elektrického obvodu akcelerometru.

Aby se snížily požadavky na stabilitu napájecího zdroje a bylo možné napájet akcelerometry přímo z baterií, je jejich výstupní napětí úměrné součinu zrychlení a napájecího napětí. V tomto případě by měl být zapnut podle poměrového schématu, jak je znázorněno na obr. 5. V tomto obvodu je vhodné použít ADC, který používá napájecí napětí jako referenční. Je třeba poznamenat, že mezi výstupem akcelerometru a vstupem ADC UVC musí být vyrovnávací zesilovač, protože výstupní proud akcelerometru se pohybuje v rozsahu ± 100 μA a při dostatečně vysoké vzorkovací frekvenci je Kondenzátor UVX se nestihne nabít až na napětí na výstupu akcelerometru.

V současné době Analog Devices vyrábí několik modelů integrovaných akcelerometrů: jednoosé ADXL105, ADXL150, ADXL190 pro maximální zrychlení ± 5 g, ± 50 g, ± 100 g, v tomto pořadí, a dvouosé ADXL202, ADXL210 a ADXL250 pro maximální zrychlení obou. ± 2 g. ± 10 g, respektive ± 50 g. Snímače se vyrábějí převážně v plochých keramických pouzdrech QC-14 s rovinnými vývody a osy, podél kterých se měří zrychlení, směřují rovnoběžně s rovinou vývodů (tedy rovnoběžně s rovinou plošného spoje). Verze ADXL202E je k dispozici v miniaturním bezolovnatém krystalovém nosiči LCC-8 o průměru 5 5 5 2 mm. Pro snadné propojení s mikrokontroléry jsou výstupní signály integrovaných obvodů ADXL202 a ADXL210 obdélníkové pulzy konstantní frekvence. Informace o zrychlení je zobrazena relativní šířkou impulzu g.

Zajímavou aplikací akcelerometrů s nízkou hodnotou maximálního naměřeného zrychlení (a tím i vysokou citlivostí) je určení úhlu náklonu vůči horizontu.

Toto lze použít v bezpečnostní systémy vozidel, k určení místa vrtání při vrtání šikmých vrtů apod.

Rýže. 9. Graf závislosti kapacitního rozdílu kondenzátorů z buňky snímače zrychlení na pohybu pohyblivé desky.

Výstupní napětí akcelerometru je úměrné sinusu úhlu sklonu osy jeho citlivosti vůči horizontu. Aby bylo možné tento úhel jednoznačně určit, je nutné použít dvouosý akcelerometr. ADXL202 je pro tento účel téměř ideální. Závislosti výstupních signálů tohoto snímače, redukovaných na 1 g, na úhlu jeho sklonu jsou na Obr. 6.

Rýže. 7a ukazuje zjednodušené blokové schéma dvouosého akcelerometru ADXL202. Jeho výstupní signály jsou impulsy, jejichž relativní doba trvání je úměrná zrychlení. Tento typ výstupu zajišťuje zvýšenou odolnost proti rušení, přenos signálu po jedné lince a jeho příjem libovolným mikrokontrolérem s časovačem (ADC není potřeba!). Signál na výstupu každého senzorového kanálu má tvar znázorněný na Obr. 7, b, a zrychlení v jednotkách g se vypočítá podle vzorce:

Všimněte si, že relativní trvání = 0,5 odpovídá nulovému zrychlení. Periodu pulsů T2 není nutné měřit při každém pulsu. Je třeba jej zušlechťovat pouze při změně teploty.

Protože frekvence výstupních impulsů je pro oba kanály stejná, stačí měřit periodu T2 pouze na jednom kanálu. Tato hodnota se nastavuje v rozsahu od 0,5 do 10 ms externím rezistorem RSET. Nevýhodou akcelerometrů s PWM výstupem je nutnost použití velmi rychlých mikrokontrolérů pro získání vysokého rozlišení při široké šířce pásma.

Na závěr popisu akcelerometrů od Analog Devices uvádíme některá zajímavá čísla charakterizující konstrukci a úroveň technologie výroby těchto mikroobvodů.

· Hmotnost setrvačné hmotnosti - 0,1 μg.

· Kapacita každé části diferenčního kondenzátoru je 0,1 pF.

· Minimální detekovatelná odchylka kapacity je 20 aF (10-18 F).

· Změna kapacity odpovídající plnému zrychlení - 0,01 pF.

· Vzdálenost mezi deskami kondenzátoru je 1,3 mikronu.

· Minimální detekovatelná odchylka pohyblivých kondenzátorových desek je 0,2 angstromu (jedna pětina průměru atomu!).

Řada akcelerometrů Motorola XMMA se skládá z planárního kapacitního senzoru zrychlení a obvodů pro úpravu signálu CMOS, na rozdíl od dřívějších modelů, na jediném čipu. Snímací prvek (G-buňka) zabírá většinu krystalu. Je vytvořen z polykrystalického křemíku pomocí povrchového mikroobrábění a skládá se ze dvou pevných desek, mezi kterými je deska upevněná na pružném závěsu a schopná pohybu při působení setrvačných sil (obr. 8). Když je středová deska vychýlena ze střední polohy v důsledku zrychlení, vzdálenost od ní k jedné ze stacionárních desek se zvětší o stejnou hodnotu, o kterou se zmenší vzdálenost k druhé desce. Změna vzdálenosti charakterizuje zrychlení.

Osa citlivosti na zrychlení směřuje kolmo k povrchu křemíkového plátku (čipu), proto snímače vyrobené v DIP pouzdru měří zrychlení kolmé k desce plošných spojů. Aby bylo možné měřit zrychlení směřující rovnoběžně s plošným spojem, vyrábí firma tyto snímače i v pouzdrech SIP, ve kterých je čip umístěn kolmo k plošnému spoji.

Rýže. 10. Blokové schéma akcelerometru MMAS500G

Desky G-buněk tvoří dva protilehlé kondenzátory. Když se senzor pohybuje se zrychlením kolmým k rovině desek, pohyblivá deska se vychýlí v opačném směru, než je zrychlení, a dojde k přerozdělení vzdáleností mezi deskami. Kapacity obou kondenzátorů se budou měnit podle vzorce

kde S je plocha desek, e je dielektrická konstanta a x je vzdálenost mezi deskami. Jak vidíte, tato závislost je nelineární. Na Obr. 9 ukazuje graf závislosti rozdílu kapacit těchto kondenzátorů (C1-C2) na pohybu pohyblivé desky. Obvody nesouladu kondenzátoru G-buňky měří změnu napětí na pohyblivé desce (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) nebo náboj na ní (XMMA1000, XMMA2000).

Napětí je měřeno elektrometrickým zesilovačem a náboj je měřen zesilovačem náboje. Soudě podle technických popisů těchto mikroobvodů poskytnutých výrobcem nevnímají konstantní zrychlení. Na Obr. 10 ukazuje blokové schéma akcelerometru XMMAS500G, který má měřitelný rozsah zrychlení 500 g. Signál z výstupu elektrometrického zesilovače jde do dolní propusti 4. řádu a z ní do obvodu teplotní kompenzace.

Lze také použít akcelerometry Motorola s povoleným poměrovým měřením.

Přesnostintegrální akcelerometry. Statická přesnost

Přesnost převodu zrychlení na elektrický signál pomocí akcelerometrů, stejně jako přesnost jiných typů senzorů, je určena hodnotami nulového offsetu, chyby plného rozsahu (nebo citlivosti) a také teplotou a časový posun těchto parametrů. Chyby linearity (nelinearity) a boční citlivost jsou také důležitými přispěvateli k chybě.

Nulový offset a citlivost akcelerometrů za normálních podmínek jsou nastaveny během výroby. Zbytkovou chybu lze snížit kalibrací a uložením kalibračních konstant do paměti mikrokontroléru. Akcelerometr lze kalibrovat dvěma způsoby: na vibračním stole s příkladným senzorem zrychlení a pomocí gravitace.

Rýže. 11. Grafy zrychlení a rychlosti integrálního akcelerometru v podmínkách silných podélných vibrací

Použití šejkru má následující výhody:

· Možnost kalibrace, včetně senzorů citlivých pouze na proměnnou akceleraci;

· Schopnost kalibrovat senzory se zrychleními, která jsou mnohonásobně větší než g;

a nevýhody:

· Vyžaduje se drahý šejkr;

· Problém upevnění snímače při kalibraci na vysokou g.

Výhody použití gravitace pro kalibraci:

· Není potřeba žádné drahé vybavení;

· Metoda není příliš citlivá na chybu instalace senzoru;

· Lze použít pouze pro senzory citlivé na konstantní zrychlení;

· Nelze kalibrovat celou škálu senzorů schopných převádět velká zrychlení.

Teplotní posun v nulovém posunu a rozpětí lze také kompenzovat.

Pro tento účel jsou některé modely (např. XMMA1000, ADXL105) vybaveny vestavěnými teplotními senzory. Jedním z důvodů nelinearity převodních charakteristik integrálních akcelerometrů s kapacitními snímači je nelineární závislost kapacity kondenzátoru na vzdálenosti mezi deskami (viz obr. 9).

Při použití nábojového zesilovače, jako u XMMA1000, je potenciál pohyblivé desky konstantní a rovný polovině napájecího napětí, které budeme považovat za rovné 2V (viz obr. 8). V tomto případě ze vzorce q = CV, vezmeme-li v úvahu (1), vyplývá, že přírůstek náboje pohyblivé desky, když se pohybuje o vzdálenost x, bude

Jak vidíte, závislost přírůstku náboje na změně vzdálenosti mezi deskami není lineární. Pokud je v akcelerometru použit napěťový zesilovač (elektrometrický), pak se náboj senzorových kondenzátorů nezmění.

Potom bude přírůstek napětí na pohyblivé desce lineárně záviset na změně vzdálenosti mezi deskami:

Podle z těchto důvodů Akcelerometr XMMA1000 (nabíjecí zesilovač) má typickou chybu linearity 1 % FS oproti 0,5 % pro MMAS40G (napěťový zesilovač). Akcelerometry řady ADXL mají diferenciální kapacitní snímač, jehož pevné desky jsou napájeny stejným, ale protifázovým budicím napětím V1 a V2 o frekvenci 1 MHz. Proto je komplexní efektivní hodnota napětí na střední desce podle metody dvou uzlů určena vzorcem:

kde je kruhová frekvence buzení. Vzhledem k tomu, že V1 = -V2

Závislost napětí na pohyblivých deskách snímače na posuvu se tedy ukazuje jako lineární. Akcelerometry řady ADXL mají typickou chybu linearity 0,2 %.

Jako další zdroj chyb je indikována hystereze (tj. neúplná obnovitelnost) s vibracemi a rázy. V proprietárním popisu mikroobvodů nejsou žádné informace o hysterezi, ale experimenty s použitím integrálních akcelerometrů řady ADXL ke stanovení rychlostí a posunů, které provedli autoři tohoto článku, ukázaly, že v přítomnosti velkých -amplitudové vibrace, chyba, která je zřejmě způsobena hysterezí, může dosáhnout zcela neplatných hodnot. Podle našeho názoru je tato hystereze způsobena tím, že při výrazných zrychleních může být deformace výztuh, které hrají roli pružin, nepružná a s poklesem zrychlení se setrvačná hmota buď velmi pomalu vrací do své polohy. původní stav (viskózní neelasticita), nebo se nevrátí vůbec. Na Obr. 11 ukazuje grafy zrychlení (a) a rychlosti (b) v závislosti na čase akcelerometru ADXL150 upevněného na jednom z konců ocelové tyče dlouhé 1,5 m, která se pohybuje s velkými zrychleními na vzdálenost 0,5 m. Díky elasticitě Tento pohyb je doprovázen vibracemi s poměrně velkou amplitudou s frekvencí přibližně 300 Hz. Graf zrychlení byl získán přímým čtením signálu akcelerometru pomocí 12bitového ADC se vzorkovací frekvencí 80 kHz. Graf rychlosti je výsledkem numerické integrace těchto dat pomocí lichoběžníkové metody. Na začátku a na konci intervalu pozorování (0-0,9 s) je rychlost snímače nulová.

Na grafu rychlosti (obr. 11, b), jehož body jsou vypočteny podle údajů akcelerometru, byla chyba konečné hodnoty rychlosti přibližně 1,25 m/s při maximální rychlosti 3,5 m/s.

Rýže. 12. Grafy zrychlení a rychlosti integrálního akcelerometru při snížených vibracích

Na Obr. 12 ukazuje grafy zrychlení (a) a rychlosti (b) stejného snímače s podobnými parametry pohybu, ale upevněné na tužší konstrukci. Pohyb doprovázelo výrazně menší podélné chvění. Jak vidíte, chyba v určení rychlosti se mnohonásobně snížila.

Boční citlivost

Boční citlivost charakterizuje schopnost snímače převést na elektrický signál zrychlení směřující pod úhlem 90° k ose citlivosti snímače (příčné). Ideální akcelerometr má nulovou boční citlivost. V pasových datech snímače je uvedena část (v procentech) bočního zrychlení, která přechází na výstup.

Hluk akcelerometru

Úroveň šumu přímo souvisí se šířkou pásma snímače. Snížení šířky pásma zapnutím dolní propusti na výstupu snímače vede ke snížení hladiny šumu. To zlepšuje poměr signálu k šumu a zvyšuje rozlišení, ale zavádí zkreslení amplitudy a fázového kmitočtu. Některé modely akcelerometrů obsahují dolní propust (rodina XMMA - 4. řád, ADXL190 - 2. řád). Biaxiální snímače ADXL202 / 210 mají vývody pro připojení dvou externích kondenzátorů, které tvoří dva dolní propusti prvního řádu se dvěma vnitřními odpory 32 kΩ.

Příklad. ADXL150 má typickou spektrální hustotu šumu 1 mg/Hz v šířce pásma 10-1000 Hz. Když je dolní propust zapnutá s mezní frekvencí 100 Hz, efektivní hodnota šumu na výstupu filtru bude 10 mg a hodnota amplitudy s pravděpodobností 0,997 je v rozmezí 30 mg.

Protože tento snímač má plnou stupnici 50 g, dynamický rozsah je 20 lg (50 / 0,03) = 64,4 dB. To není špatné, ale podle tohoto ukazatele jsou integrální akcelerometry mnohem horší než piezoelektrické. Například piezoelektrický akcelerometr Bruel & Kjaer Type 4371 má dynamický rozsah 140 dB.

Hlavní dynamickou charakteristikou akcelerometrů je šířka pásma -3 dB. Stůl 2 ukazuje hlavní charakteristiky některých typů integrálních snímačů zrychlení.

Zuzavírání

V této době se akcelerometry aktivně využívají v přenosných zařízeních jako jsou např mobilní telefony, tablety a notebooky, aby bylo možné sledovat jejich polohu v prostoru a poskytovat s tím související další funkce. Jednodušší snímače se používají v mechanických pohonech pevné disky(což se v budoucnu nestane). Je těžké jmenovat nejlepší akcelerometr, jelikož aplikace se neustále rozšiřují a požadavky na citlivost, výstupní data a rozměry jsou zcela odlišné. Vyvíjejí se technologie, které zavedou do architektonických struktur akcelerometry ve větším měřítku než dříve, což pomůže předejít řadě nehod.

Seznam použité literatury

1.Goodinaf F. Integrální akcelerometr 50 G se samoregulací, realizovaný na vyhřívaném budiči // Elektronika. 1993. č. 7-8. S. 54-57.

2.Goodinaf F. Kapacitní senzor zrychlení založený na kombinaci objemových a povrchových mikrostruktur // Electronica. 1993. č. 11-12. S. 86-87.

3.Goodinaf F. Integrální senzor zrychlení pro automobilové airbagy // Elektronika. 1991. č. 16. S. 7-14.

4. Doscher J. Návrh a aplikace akcelerometru. Analogová zařízení. 1998.

5.Serridge M., Licht T.R. Příručka piezoelektrických akcelerometrů a předzesilovačů. Brüel & Kjr. 1987.

Publikováno na Allbest.ru

Podobné dokumenty

Piezoelektrické akcelerometry: obecné charakteristiky, princip činnosti a rozsah. Základní konstrukční možnosti piezoelektrických akcelerometrů. Dekodéry, operační zesilovače a analogově-digitální převodníky, jejich účel.

práce na kurzu, přidáno 16.05.2014


Etapy vývoje návrhu a technologie výroby snímače zrychlení kapacitního typu. Účel akcelerometru, výběr desky plošných spojů, způsoby pájení, montážní a instalační vlastnosti. Funkční a nákladová analýza buňky senzoru zrychlení.

práce, přidáno 12.7.2011


Vývoj konstrukce a technologie výroby polovodičového mikroobvodu vyrobeného v integrovaném provedení. Odůvodnění volby technologie výroby mikroobvodu, na jejímž základě technologický postup, krystalová topologie.

semestrální práce, přidáno 13.07.2008


semestrální práce, přidáno 6.12.2010


Použití parametrických ferorezonančních stabilizátorů napětí. Konstrukční a technologický návrh integrovaného mikroobvodu. Výpočet integrálního tranzistoru a jeho charakteristiky. Vývoj technických požadavků a topologie mikroobvodů.

semestrální práce přidána 15.07.2012


semestrální práce přidána 30.01.2014


Odůvodnění výběru snímače. Volba čipu AD594, mikrokontroléru. Blokové schéma pro programování MK ATmega8. Připojení mikroobvodu k termočlánkům. Jednoduché a duální připojení napájení. Schéma zapojení zajišťující stejné teploty.

semestrální práce, přidáno 23.12.2015


Přístroje používané k měření zrychlení - akcelerometry. Výběr piezoelektrického materiálu. Tvar setrvačné hmoty, její vliv na charakteristiku snímače. Popis konstrukce akcelerometru. Volba elektrického obvodu. Výstupní napětí zesilovače.

semestrální práce přidána 15.05.2014


Hlavní aktivní prvky používané v zařízeních pracujících v oblasti rádiových vln. Důležité vlastnosti integrované obvody. Polovodičové a hybridní integrované obvody... Zdroje a přijímače optického záření, modulátory.

abstrakt, přidáno 14.02.2016


Vývoj a implementace zařízení pro výběr binární podsekvence znaků z nekonečné binární posloupnosti. Volba mikroobvodu posuvného registru. Metody ladění modelu USPB, generátor slov. Volba mikroobvodu pro realizaci zobrazovací jednotky.