Vážení čtenáři! Zaměstnanci knihovny Vám přejí šťastný nový rok a veselé Vánoce! Z celého srdce vám a vašim rodinám přejeme štěstí, lásku, zdraví, úspěch a radost!
Ať vám nadcházející rok přinese prosperitu, vzájemné porozumění, harmonii a dobrou náladu.
Hodně štěstí, prosperity a splnění nejcennějších tužeb v novém roce!
Otestujte přístup na EBS Ibooks.ru
Podrobnosti zveřejněny 3.12.Vážení čtenáři! Do 31.12.2019 je naší univerzitě poskytnut testovací přístup do Ibooks.ru EBS, kde se můžete seznámit s libovolnou knihou v režimu plného čtení. Přístup je možný ze všech počítačů univerzitní sítě. Pro získání vzdáleného přístupu je nutná registrace.
"Henrikh Osipovich Graftio - ke 150. výročí jeho narození"
Podrobnosti zveřejněny 02.12.Vážení čtenáři! Sekce "Virtuální výstavy" obsahuje novou virtuální výstavu "Henrikh Osipovich Graftio". V roce 2019 uplyne 150 let od narození Genrikha Osipoviče, jednoho ze zakladatelů vodního průmyslu v naší zemi. Encyklopedický vědec, talentovaný inženýr a vynikající organizátor Genrikh Osipovich výrazně přispěl k rozvoji domácí energetiky.
Výstavu připravili pracovníci oddělení naučné literatury knihovny. Výstava představuje díla Genrikha Osipoviče z historického fondu LETI a publikace o něm.
S výstavou se můžete seznámit
Otestujte přístup do systému elektronické knihovny IPRbooks
Podrobnosti zveřejněny 11.11.Vážení čtenáři! Od 8. 11. 2019 do 31. 12. 2019 byl naší univerzitě poskytnut bezplatný zkušební přístup do největší ruské fulltextové databáze - IPR BOOKS Electronic Library System. EBS IPR BOOKS obsahuje více než 130 000 publikací, z nichž více než 50 000 tvoří unikátní vzdělávací a vědecké publikace. Na platformě máte přístup k aktuálním knihám, které nelze na internetu volně najít.
Přístup je možný ze všech počítačů univerzitní sítě.
Pro získání vzdáleného přístupu je třeba kontaktovat oddělení elektronických zdrojů (místnost 1247) u správce VChZ Polina Yuryevna Skleimova nebo u. e-mailem [e-mail chráněný] s tématem „Registrace do IPRbooks“.
Popis: MINISTERSTVO POBOČKY RUSKA Federální stát autonomní vzdělávací "Jižní federální univerzita" Ústav špičkových technologií a piezotechniky Katedra informačních a měřicích technologií Sizyakin Stanislav Leonidovič Vývoj algoritmu pro vyšetřování chyb MEMS akcelerometr
ABSOLVENTSKÁ KVALIFIKACE vědecký poradce - Rostov na Donu - 2016 ANOTACE. 3 ESEJ. 4 ÚVOD 5-6 KAPITOLA 1. TEORETICKÁ ČÁST. 7-28 1.1. Formalizace úkolů při studiu chyb MEMS akcelerometr 7-16 1.2. Charakteristika chyb MEMS akcelerometru a jejich klasifikace. 17-21 1.3. Analýza metod pro vyšetřování chyb MEMS senzorů. 22-25 1.4. Experimentální nastavení. 25-26 KAPITOLA 2. PRAKTICKÁ ČÁST. 29-44 2.1. Statický testovací režim pro akcelerometry. 29-31 2.2. Vývoj podpory algoritmů. 32-37 2.3 Vývoj softwarového algoritmu. 37-39 ZÁVĚR. 40 REFERENCE .. 47 PŘÍLOHA A .. 42 PŘÍLOHA B .. 43-46 ANOTACE Práce obsahuje 47 stran strojopisného textu, 17 kreseb, 4 tabulky. Tato práce je věnována vývoji algoritmu a softwaru pro studium statistických chyb v akcelerometru MEMS. V rámci úkolu byla uvažována statická metoda pro zkoumání chyb akcelerometru LSM303DLH MEMS. Rovněž byly zkoumány statistické chyby tohoto senzoru. Chcete-li vyřešit daný problém, algoritmické a software pracovat se statistickými chybami. ESEJ V diplomové práci byla provedena studie statistických chyb akcelerometrů MEMS, vyvinut algoritmus a software pro vyšetřování chyb akcelerometrů typu LSM303DLH. Práce se skládá ze dvou kapitol. První kapitola uvádí obecné teoretické informace, analyzuje metody pro zkoumání chyb senzorů a také analyzuje charakteristiky statistických chyb v akcelerometrech MEMS. Druhá kapitola prezentuje výsledky syntézy algoritmu a softwaru pro modelování a studium statistických chyb MEMS akcelerometrů LSM303DLH. Je popsáno experimentální uspořádání, prezentovány výsledky výzkumu - získané hodnoty směrodatné odchylky, matematické očekávání, kovariance, korelace, testování hypotézy o normalitě šumu akcelerometru podle Pearsonova kritéria. ÚVOD V současné fázi aktivního zdokonalování mikroelektroniky se rozšířil vývoj mikroelektromechanických systémů, které se zkráceně nazývají MEMS. Anglický ekvivalent tohoto termínu je Micro ElectroMechanical Systems (MEMS). MEMS (Microelectromechanical Systems) jsou technologie a zařízení, které kombinují mikroelektronické a mikromechanické komponenty. Zařízení MEMS jsou obvykle vyráběna na křemíkovém plátku pomocí technik mikroobrábění podobných těm pro jednočipové integrované obvody. Typické rozměry nemikromechanických prvků se pohybují od 1 mikrometru do 100 mikrometrů, zatímco velikosti MEMS čipů se pohybují od 20 mikrometrů do jednoho milimetru. Účelem této práce je vyvinout algoritmus a software pro studium statistických chyb akcelerometru LSM303DLH. Hlavním účelem akcelerometru je poskytovat informace o aktuálním zrychlení zařízení, respektive rozdílu mezi zrychlením zařízení a gravitačním zrychlením. V klidu se údaje snímače shodují s vektorem gravitačního zrychlení. V podmínkách beztíže je skutečné zrychlení objektu způsobeno pouze gravitační silou, a proto je přesně stejné jako gravitační zrychlení. Nedochází tedy k žádnému zjevnému zrychlení a údaje jakéhokoli akcelerometru jsou nulové. Akcelerometry patří do třídy inerciálních senzorů, jejichž záběr je velmi široký: od mobilních telefonů a tabletových počítačů (jedním z úkolů je zajistit rotaci displeje) až po malé páskové inerciální navigační systémy integrované se satelitními navigačními systémy, které stanovení orientačních parametrů a souřadnic mobilních letadel, pozemních, povrchových a podvodních objektů. Předmětem výzkumu je studium statistických chyb MEMS senzoru (mikromechanický akcelerometr LSM303DLH). V průběhu práce byl algoritmický vývoj studia takových parametrů jako směrodatná odchylka, matematické očekávání, kovariance, korelace, testování hypotézy normality rozdělení obecné populace podle Pearsonova kritéria dobré shody je prezentováno. V softwarovém prostředí Delfi 7.0 byl vytvořen software pro výpočet těchto parametrů a zobrazování grafů odečtů akcelerometru, matematického očekávání podél osy x, y, osy z, frekvenčních histogramů pro vzorkování pozorovaných hodnot při testování hypotézy pro normální rozdělení obecné populace podle Pearsonova kritéria dobré shody. KAPITOLA 1. TEORETICKÁ ČÁST 1.1
Formalizace úloh při studiu chyb MEMS akcelerometru Předmětem výzkumu je mikroelektromechanický (MEMS) tříosý akcelerometr LSM303DLH v kombinaci s tříosým snímačem magnetického pole. Cílem práce je prostudovat chyby tohoto akcelerometru, vytvořit algoritmus a software pro určování statistických chyb senzoru. Předmětem výzkumu jsou metody a algoritmy pro stanovení chyb MEMS akcelerometru LSM303DLH Obrázek 1 - Tříosý akcelerometr LSM303DLH Princip činnosti pohybových senzorů (akcelerometrů a gyroskopů) je založen na měření posunutí setrvačné hmoty vzhledem k tělu a jeho převedení na proporcionální elektrický signál. Kapacitní metoda převodu naměřeného posuvu je nejpřesnější a nejspolehlivější, proto jsou kapacitní akcelerometry široce používány. Struktura kapacitního akcelerometru se skládá z různých desek, z nichž některé jsou stacionární, zatímco jiné se volně pohybují uvnitř pouzdra. Kapacity jsou součástí obvodu rezonančního generátoru. Zavěšená hmota vibruje působením aplikovaných řídicích elektrických signálů. Mezi deskami je vytvořen kondenzátor, jehož kapacita závisí na vzdálenosti mezi nimi. Pod vlivem zrychlovací síly se mění kapacita kondenzátoru. Obrázek 2 ukazuje topologii MEMS senzoru. Obrázek 2 - Topologie akcelerometru MEMS Hlavní strukturní jednotkou mikroelektromechanických akcelerometrů je citlivý prvek, schematická schémata které jsou znázorněny na obrázku 2. Snímací prvek (SE) obsahuje setrvačná hmota (IM) - 1, pružné prvky podzávaží - 2, nosný rám - 3 Obrázek 3 - typy SE akcelerometrů Schématický diagram MEMS akcelerometru 1 - IM, 2 - pevné elektrody, 3 - kotva, 4 - pohyblivé elektrody, 5 - rám, 6 - pružný závěsný prvek, 7 - základna (tělo) Setrvačná hmota (IM) je namontována v určité vzdálenosti od základny (tělesa) pomocí dvou párů pružných prvků, závěsu a kotev. MI se pohybuje v souladu s naměřeným zrychlením α. Kapacitní měřič objemu je tvořen hřebenovitými strukturami elektrod, z nichž pohyblivé elektrody tvoří jednu konstrukci s MI a stacionární, spojené rámem, jsou upevněny na základně (tělesu). Hlavními důvody chyby měření MEMS akcelerometru jsou teplota, vibrace a příčné zrychlení. Změna teploty okolí vede ke změně hodnoty dielektrické konstanty ε, mezery mezi deskou kyvadla a kryty. Při působení příčného zrychlení se objeví další deformace pružných prvků zavěšení a odpovídající posunutí kyvadla. Pohyby kyvadla po ose y se shodují se směrem osy citlivosti a jsou kompenzovány snímačem momentu, tzn. chyby nejsou zavedeny. Pohyby kyvadla podél osy z vzhledem ke stacionárním elektrodám snímače posunutí mění efektivní plochu překrytí elektrod a bez provedení konstruktivních opatření mohou vést k náhodné chybě. Této chybě se zabrání zvětšením plochy elektrod na krytech. Nejdůležitější parametry akcelerometru jsou rozsah měřených zrychlení, citlivost, obvykle vyjádřená jako poměr signálu ve voltech ke zrychlení, nelinearita v procentech plného rozsahu, šum, teplotní drifty (offset) a citlivost. Díky těmto vlastnostem našly své uplatnění v nejrůznějších odvětvích: vojenské i civilní letectví; automobilový průmysl; letecké přístrojové vybavení; robotika; vojenský průmysl; ropný a plynárenský průmysl; sport; lék. V řadě případů je podstatnou charakteristikou vlastní frekvence kmitů snímače nebo rezonanční frekvence, která určuje pracovní frekvenční pásmo snímače. Ve většině aplikací je důležitý teplotní rozsah a maximální dovolené přetížení - charakteristiky související s provozními podmínkami snímačů. Definujícími parametry ovlivňujícími přesnost určení zrychlení jsou nulové odchylky a odchylky citlivosti (zejména teploty) a také šum snímače, které omezují práh rozlišení zařízení. Citlivost snímače závisí na rezonanční frekvenci mechanického subsystému a také na kvalitě elektronického převodníku. Změna citlivosti s teplotou je spojena především se změnou koeficientu elasticity. Nulový teplotní drift je způsoben změnou koeficientu pružnosti, teplotní roztažností a technologickými chybami při výrobě snímače. Změna parametrů elektronické části snímače vlivem teploty je zpravidla mnohem menší. Protože akcelerometr měří zrychlení nebo sílu způsobující zrychlení setrvačné hmoty, fyzikální model akcelerometru je setrvačná hmota zavěšená na pružině upevněné ve stacionárním tělese - jednoduchý systém s jedním stupněm volnosti x ve směru osy měření. Setrvačná hmota nabývá zrychlení působením zrychlující síly (výsledná síla setrvačnosti při působení zrychlení), která je úměrná hmotnosti m a zrychlení a. Výkonová spektrální hustota (hustota šumu, µ G/ √Hz rms) ve fyzice a zpracování signálu - funkce, která popisuje rozložení výkonu signálu v závislosti na frekvenci, tedy výkon na jednotkový frekvenční interval. Tento termín se často používá k popisu spektrální síly toků elektromagnetického záření nebo jiných vibrací ve spojitém prostředí, například akustickém. V tomto případě je myšlen výkon na jednotku frekvence na jednotku plochy, například: W / Hz / m2. Hlavní charakteristiky akcelerometru LSM303DLH jsou uvedeny v tabulce 1: Tabulka 1 - Hlavní charakteristiky akcelerometru LSM303DLH Obrázek 5 - Blokové schéma akcelerometru LSM303DLH Obrázek 6 - Umístění pinů akcelerometru LSM303DLH
instituce vyššího vzdělávání
BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
ve směru 200100 - Instrumentace
Dr. Tech. Sci., Assoc., Shcherban Igor Vasilievich
Tabulka 2 - Účel pinů akcelerometru LSM303DLH
Obrázek 7 - Struktura systému zpracování pohybu
Obrázek 8 - Blokové schéma modulu LSM303DLH
Mikroelektromechanické (MEMS) senzory mají malé hmotnostní a rozměrové charakteristiky, nízkou spotřebu energie a náklady a jsou vysoce odolné proti přetížení a otřesům. Jejich hlavní nevýhodou je relativně malá přesnost. Tento fakt je dán především zásadním nedostatkem dnešní doby adekvátní a možné v dlouhých časových intervalech pro zamýšlené použití matematických modelů chyb takovýchto senzorů.
Nejoblíbenější aplikace v průmyslu MEMS jsou mikromechanické gyroskopy a akcelerometry. Jejich hlavními technickými charakteristikami jsou dynamický rozsah, citlivost, frekvenční charakteristika, charakteristiky šumových složek. Při kalibracích jsou mikroobvody s dostatečnou přesností upevněny na naklápěcím otočném stole, což umožní správnou orientaci os akcelerometrů vůči zemské ose a následně i zjištění jejich systematických chyb. Implementována je také možnost výpočtu koeficientů vlivu teploty a napájecího napětí na hlavní systematickou chybu, která je charakteristická zejména pro takové snímače. Vývoj MEMS je založen na mikroelektronické technologii, která se používá téměř ve všech produktech na bázi křemíku.
Použití technologií MEMS v moderních elektronických systémech může výrazně zvýšit jejich funkčnost. Pomocí technologických postupů, které se téměř neliší od výroby křemíkových mikroobvodů, vytvářejí vývojáři zařízení MEMS miniaturní mechanické struktury, které mohou interagovat s prostředím a fungovat jako senzory, které přenášejí dopad na integrovaný elektronický obvod... Senzory jsou nejčastějším využitím technologie MEMS: používají se v gyroskopech, akcelerometrech, tlakoměrech a dalších zařízeních. V současné době téměř všechny moderní automobily používají k aktivaci airbagů výše uvedené akcelerometry MEMS. Mikroelektromechanické tlakové senzory jsou široce používány v automobilovém a leteckém průmyslu. Gyroskopy se používají v různých zařízeních, od sofistikovaných navigačních zařízení kosmických lodí až po joysticky počítačové hry... MEMS zařízení s mikroskopickými zrcadly se používají k výrobě displejů a optických spínačů
S příchodem mikroelektromechanických systémů (MEMS) prošly inerciální senzory významným rozvojem. Výhody, jako je nízká cena, nízká spotřeba energie, malá velikost a možnost výroby dávkovou technologií, umožnily inerciálním MEMS senzorům dosáhnout široké škály aplikací na automobilovém, počítačovém a navigačním trhu.
Na rozdíl od tradiční technologie jsou mikroakcelerometry leptány pomocí specializovaných technik, které kombinují mechanické mikroobrábění povrchu polysilikonu a technologii elektronických obvodů.
1.2. Charakteristika chyb MEMS akcelerometru a jejich klasifikace
Charakteristickým rysem mikromechanických akcelerometrů je převládající výroba citlivých prvků těchto zařízení z materiálů na bázi křemíkové technologie, což předurčuje: malé rozměry a hmotnost akcelerometru, možnost použití technologie skupinové výroby a následně nízkou cenu hromadné výroby, vysoká provozní spolehlivost.
Jednou z hlavních příčin chyby měření mikromechanického akcelerometru je změna okolní teploty. Dodatečné posunutí nuly kvůli kolísání okolní teploty:
kde k T je teplotní drift posunů nuly akcelerometru; ∆T je změna teploty během zkoušky, T je rychlost změny teploty;
t je doba zkoušky.
Je známo, že přesnost měření je omezena nejen systematickou chybou, ale také spektrální složení měření hluku. Například při měření senzorem MEMS dochází k blikání, které zbarvuje šum měření.
Flicker noise (nadměrný šum) - anomální kolísání, které se vyznačuje nepřímo úměrnou závislostí spektrální výkonové hustoty na frekvenci, na rozdíl od bílého šumu, ve kterém je spektrální hustota konstantní. Flicker hluk byl detekován jako pomalé, chaotické změny tepelné emise z katod elektronické elektronky, nazývaný "efekt blikání". Následně byly nalezeny fluktuace se stejnými vlastnostmi v různých fyzikálně-chemických, biologických a dokonce i sociálních systémech. V současné době se pro označení anomálních fluktuací ve složitých systémech používá termín "blikající šum" spolu s méně vhodným, ale přiměřenějším pojmem "1/f šum" a pojmem "makrofluktuace". Typ šumu blikání je impulzivní (výbušný) šum pozorovaný v polovodičích: postupné změny úrovně signálu s náhodně rozloženými časovými intervaly mezi změnami úrovně. Jeho výkonová spektrální hustota roste s klesající frekvencí, omezuje možnost zvýšení přesnosti průměrováním a neumožňuje snížit náhodnou složku chyby na nulu. Navíc v digitálních snímačích vždy dochází k rušení hodinové frekvence, což také dodává zabarvení bílého šumu.
Akcelerometry, stejně jako gyroskopy, trpí posuny offsetu a offsetu, chybami nesouososti, posuny teploty a zrychlení, nelinearitou (tzv. VRE chyba) a posunem citlivosti. Nejdůležitější vlastnosti akcelerometrů pro jejich srovnávací analýza jsou offset a jeho drifty, offsetová nestabilita a hluk. V úvahu lze vzít i drift citlivosti, nelineární koeficient VRE a další parametry.
Jakékoli posunutí akcelerometru při absenci dvojitého integračního zrychlení způsobí chybu rychlosti úměrnou integračnímu času a chybu ve vypočítané poloze, která roste kvadraticky s časem. Nekontrolovaný posun nuly způsobí posunutí vektoru zrychlení vzhledem k jeho skutečnému směru, a to se týká nejen lineárních snímačů zrychlení, ale také gravitačního zrychlení, které je nutné odečíst od celkového výkonu akcelerometru. V inerciálních navigačních systémech drift posunu akcelerometru významně přispívá k chybě ve výpočtu rychlosti a polohy. Při měření orientace jsou nejvýznamnější úhlové chyby při výpočtu sklonů v podélném a příčném směru.
Volatilita vychýlení snímače je náhodná odchylka vychýlení vypočítaná za specifikovaný časový interval jako zprůměrované hodnoty. Tento parametr se vypočítává Allanovou metodou pro stacionární senzor. S prodlužující se dobou průměrování výstupní šum klesá a strmost dosáhne minimálního bodu a poté se opět zvyšuje. Minimální bod na Allanově křivce je nestabilita zkreslení, udávaná ve specifikacích akcelerometrů v mg nebo μg. Čím nižší je hodnota tohoto parametru, tím menší je chyba výpočtu.
rychlost, poloha a orientace. Nestabilitu offsetu akcelerometru ve většině specifikací definují výrobci jako nejlepší výkon dosažené v laboratorních podmínkách (při 20 °C a nepřítomnosti mechanického namáhání). Stabilita offsetu v reálu
podmínky představuje maximální drift zbytkové chyby posunutí po kompenzaci vlivů vnějších faktorů - teplota, ráz, vibrace, stárnutí.
Jak bylo uvedeno výše, MEMS se dělí na dva typy: snímače a akční členy. Jedním z nejpoužívanějších typů senzorů jsou pohybové senzory, které se zase dělí na akcelerometry (akcelerační senzory) a gyroskopy (rotační senzory). Využití těchto zařízení je dnes velmi široké: telefony, komunikátory, herní konzole, fotoaparáty a notebooky jsou stále častěji vybaveny takovými senzory. PROTI mobilní telefony a video set-top boxy se citlivost na pohyb uživatele využívá především pro zábavu. Ale v přenosných počítačích fungují akcelerometry velmi rovnoměrně užitečná funkce: zachycení okamžiku, kdy HDD mohou být poškozeny v důsledku nárazu a parkovacích hlav kotoučů. Ve fotografické výbavě je použití pohybových senzorů neméně důležité – právě na jejich základě fungují poctivé systémy stabilizace obrazu.
Výrobci automobilů (z mainstreamových průmyslových odvětví jako první testovali tento druh zařízení) aktivně využívají pohybové senzory již několik desetiletí, například v airbagech a protiblokovacích brzdových systémech. Odpovídající čipy jsou tedy již dlouho vyvíjeny, vyráběny řadou velkých i relativně malých firem a jsou vyráběny v takovém množství, že ceny jsou dlouhodobě spolehlivě staženy na minimum. Typický MEMS akcelerometr dnes stojí pár dolarů za kus.
Za přítomnosti zrychlení se hmotnost přemístí vzhledem ke stacionární části akcelerometru. Deska kondenzátoru připojená k závaží je posunuta vzhledem k desce na pevné části. Mění se kapacita, při stálém nabíjení se mění napětí - tuto změnu lze změřit a spočítat posunutí závaží. Díky znalosti jeho hmotnosti a parametrů odpružení je snadné najít požadované zrychlení. V praxi jsou MEMS akcelerometry navrženy tak, že není tak snadné oddělit součásti - závaží, závěs, pouzdro a desky kondenzátoru od sebe. Elegance MEMS ve skutečnosti spočívá v tom, že ve většině případů je v jednom detailu možné (nebo spíše je to prostě nutné) kombinovat několik objektů najednou.
Architektonicky se MEMS zařízení skládá z několika vzájemně se ovlivňujících mechanických komponent a mikroprocesoru, který zpracovává data přijatá z těchto komponent.
Pokud jde o technologie výroby MEMS, je zde použito několik základních přístupů. Jedná se o objemové mikroobrábění, povrchové mikroobrábění, technologie LIGA (Litographie, Galvanoformung a Abformung) - litografie, galvanické pokovování, tváření) a hluboké reaktivní iontové leptání. Hromadné zpracování je považováno za nákladově nejefektivnější způsob výroby MEMS. Jeho podstata spočívá v tom, že se z křemíkové destičky chemickým leptáním odstraní nepotřebné části materiálu, v důsledku čehož na destičce zůstanou pouze potřebné mechanismy. Hluboké reaktivní iontové leptání téměř úplně opakuje proces hromadného mikroobrábění, kromě toho, že k vytvoření mechanismů se místo chemického leptání používá plazmové leptání. Přesným opakem těchto dvou procesů je proces mikroobrábění povrchu, při kterém se potřebné mechanismy „vypěstují“ na křemíkové destičce postupným nanášením tenkých vrstev. A konečně technologie LIGA využívá techniky rentgenové litografie k vytvoření mechanismů, které jsou mnohem vyšší než šířka.
1.3. Analýza metod pro vyšetřování chyb MEMS senzorů
Chyba měření - odchylka výsledku měření od skutečné hodnoty naměřené hodnoty. Metody identifikace a hodnocení chyb lze rozdělit na analytické (teoretické) a experimentální. V některých případech se používají smíšené metody (kombinující teoretické a experimentální). Odhady chyb pro typická měření lze obvykle nalézt v informačních zdrojích.
Analytické metody pro identifikaci a posouzení chyb jsou založeny na funkční analýza měřicí techniky. Aplikaci metod pro identifikaci a posouzení chyb obvykle předchází hypotéza o přítomnosti chyb z určitého zdroje, včetně:
- instrumentální chyby,
- metodologické chyby,
- chyby způsobené odlišnostmi podmínek od normálu
- subjektivní chyby.
Analytické metody se nejčastěji používají k výpočtu instrumentální a metodické složky chyb, ale i chyb v důsledku nesouladu podmínek měření s normálními. Pro výpočty jsou vytvořeny speciální modely.
Mezi přístrojové chyby patří všechny chyby měřicích přístrojů a pomocných zařízení: chyby přístroje, chyby měření použitých k jeho nastavení, chyby přístrojů, na kterých jsou založeny přístroje pro lineárně-úhlová měření, propojovací vodiče pro připojení elektrických měřicích přístrojů atd. Analytické výpočty přesnosti měřicích přístrojů se provádějí za účelem posouzení jejich teoretických chyb a přípustných technologických chyb při výrobě a montáži dílů, které jsou povinnými součástmi konstrukce.
Chyby v důsledku nedodržení normálních podmínek měření jsou způsobeny dopadem jakékoliv ovlivňující fyzikální veličiny na měřený objekt a měřicí přístroje, která přesahuje rozsah normalizovaných hodnot. Teplota, elektromagnetická a jiná pole, atmosférický tlak, nadměrná vlhkost, vibrace a mnoho dalších faktorů mohou vést ke zkreslení naměřené hodnoty a/nebo informací o ní.
Pro posouzení chyby "podmínek" v obecném případě je třeba vzít v úvahu vliv ovlivňujících veličin jak na měřicí přístroje, tak na měřené objekty. Pro výpočet vlivu ovlivňující veličiny ψ na výsledek měření je nutné znát funkci f (ψ) změny měřené fyzikální veličiny a/nebo signálu měřicího přístroje, když argument (ovlivňující veličina ψ) změny a hodnotu argumentu ψ. Například změna lineárního rozměru (průměr nebo výška měřeného dílu) vlivem jiné než normální teploty je obvykle spojena s tzv. „tyčovým modelem“ a vypočítává se pomocí elementární závislosti
kde Δl je přírůstek délky (kladný nebo záporný);
α je teplotní koeficient lineární roztažnosti;
- teplota při měření;
- jmenovitá hodnota normální teploty při měření.
Pro posouzení vlivu teploty na měřicí přístroje je nutné analyzovat vliv teploty na měřicí obvod, identifikovat prvky, jejichž vliv povede ke zkreslení měřicí převodní funkce, a určit povahu zkreslení. . Tato cesta se často ukazuje jako neproduktivní, protože pro sestavení analytického modelu složitého měřícího přístroje je nutné stanovit mnoho předpokladů, přičemž ne vždy je možné zajistit jejich dostatečnou přesnost. Častěji se používá experimentální odhad chyb.
Metodické chyby vznikají jednak v důsledku teoretických předpokladů a zjednodušení přijatých při měření nebo zpracování výsledků, jednak v důsledku nesouladu mezi skutečným objektem měření a přijatým modelem. Odhad metodické chyby lze uvažovat na příkladu měření hmotnosti předmětu vážením (metoda srovnání s mírou) na dvouramenných váze. K tomu je potřeba sestavit model vyvažování zohledňující Archimedovy síly, které jsou způsobeny vytlačením vzduchu jak objektem měření, tak závažím. Chyby způsobené nesouladem mezi skutečným objektem měření a převzatým modelem lze uvažovat na příkladech měření délky, hustoty, teploty a dalších fyzikálních veličin. Takže při měření průměru součásti s měřicí hlavou na stojanu mohou být metodické chyby způsobeny nedokonalým tvarem nominálně válcové plochy. Metodická chyba při měření sedlovitého dílu je přibližně rovna odchylce tvořící čáry od přímosti.
Mezi subjektivní chyby mohou patřit chyby při čtení výsledku a chyby při manipulaci s měřicími přístroji a měřeným objektem (přístroje pro seřizování, seřizování a opravu nuly, zamykání, zakládání nákladního listu nebo dílu na obráběcím stroji). Chcete-li odhadnout chyby při čtení výsledků z analogových zařízení, můžete sestavit geometrický model vytváření chyb v důsledku paralaxy (pokud se roviny stupnice a ukazatele neshodují), stejně jako model zaokrouhlování nebo interpolace poddělení. Elementární model zaokrouhlování odečtu na pozici ukazatele mezi značkami stupnice ukazuje, že v nejhorším případě (poloha ukazatele je přesně uprostřed) nepřesáhne chyba zaokrouhlení polovinu hodnoty dělení (j) analogové přístrojové stupnice a při interpolaci zlomkové části dělení "podle oka" to bude ještě méně. V druhém případě není možné provést přesnější analytický odhad, proto je chyba interpolace odhadnuta experimentálními metodami nebo vypůjčena z informačních zdrojů.
Úroveň úplnosti při identifikaci a hodnocení složek chyb závisí na obdržených informacích a může se lišit od hodnocení na stupnici názvů až po hodnocení na škále vztahů. Příkladem kvalitativního hodnocení na pojmenovací škále může být tvrzení o přítomnosti chyby vzniklé z určitých důvodů, závěr o povaze chyby („systematická konstantní chyba v délce předmětu, když se jeho teplota liší od normálu“, popř. "progresivní chyba, když se teplota objektu mění monotónně"). Použití škály řádu lze vyjádřit např. v odhadech hladiny významnosti: složky chyby malosti druhého řádu jsou považovány za zanedbatelné. Nejvyšší úroveň odhady chyb budou získány získáním jejich číselných hodnot.
Hladina hluku akcelerometru je prahová hodnota hluku nekorelovaná s vnějšími vlivy ve formě minimálního výstupu snímače, odlišitelného od hluku pozadí. Hustota šumu akcelerometru se udává v rms mg / √Hz a charakterizuje výstupní bílý šum pro dané frekvenční pásmo. Hluk akcelerometru negativně ovlivňuje minimální přípustný úhel sklonu a náklonu a významně ovlivňuje přesnost výpočtů rychlosti a polohy.
Chyba citlivosti je poměr výstupní chyby jako odchylky od přímky k plnému vstupnímu rozsahu a je vyjádřen v ppm (ppm). Chyba citlivosti není pro výkon akcelerometru tak podstatná, zejména v širokém rozsahu vstupního zrychlení. Posun vibračního posunu v důsledku nelinearity se nazývá vibrační rektifikační chyba (VRE) a je velmi důležitou charakteristikou pro inerciální navigaci. Ve specifikacích akcelerometru je VRE vyjádřen jako nelineární koeficient druhého řádu, měřený v μg / g 2.
1.4. Experimentální nastavení
Hardwarová část realizovaného komplexu zahrnuje otočný otočný stůl (TS) (foto na obrázku 9), převodník výstupních signálů z digitálních výstupů mikroobvodů LSM303DLH a L3G4200D na protokol UART 2.0 (foto na obrázku 11) a počítač .
NPS umožňuje nastavit požadovanou orientaci os citlivosti snímačů vůči rovině horizontu s přesností na 3 úhly. min. Uvedená přesnost je zcela dostatečná pro kalibraci chyb snímače, protože maximální chyba v prostorové orientaci čerpací stanice je 3 úhlové. min určuje přístrojovou chybu při měření gravitačního zrychlení řádově 10-6 m/s 2.
Obrázek 9 - Otočný otočný stůl
Obrázek 10 - Převodník výstupních signálů mikroobvodů MEMS
do formátu UART
Obrázek 11 - Testy navržené ISS SINS (vpravo) na čerpací stanici
Softwarová část komplexu je implementována v Delphi 7.0. Program zajišťuje vyhledávání informací z informačních výstupů mikroobvodů, převod digitálních kódů do fyzikálních veličin, záznam dat do datových souborů a jejich statistické zpracování.
KAPITOLA 2. PRAKTICKÁ ČÁST
2.1 Režim statického testu pro akcelerometry.
Pro statickou kalibraci akcelerometrů existují následující metody.
Standardní zkušební metodou je metoda zemské gravitace. Tato metoda je nejběžnější kvůli jednoduchosti její implementace. Měřicí osa akcelerometru by měla směřovat podél složky gravitačního zrychlení. Za tímto účelem se ujistěte, že osa měření akcelerometru leží v určitém úhlu λ k místní vertikále. Zde OSξηζ je geografický souřadnicový systém, OSξ je místní vertikála. Ideálně zrychlení podél osy měření. Pro realizaci této metody je nutné znát hodnotu g a určit směr tíhového zrychlení v testovacím bodě, z tohoto směru se měří úhel λ.
Pro testování akcelerometru musí být v první řadě známa hodnota tíhového zrychlení v kalibračním bodě, která je v současnosti stanovena s dostatečně vysokou přesností. Pro implementaci metody lze použít dva typy zařízení - rotační plošiny s jednou nebo dvěma navzájem kolmými rotačními osami. Poté se získá výstupní charakteristika snímače. To vyvolává otázku, jaké pravidlo by mělo být použito pro nastavení úhlu polohování. Kromě toho se vyskytují problémy při určování velikosti efektivního zrychlení způsobeného přítomností odchylky olovnice a chybou v umístění snímače vzhledem k ose otáčení testovacího prostředku.
Skalární metoda (metoda šesti poloh) se používá ke kalibraci 3 kolmých akcelerometrů. Tato metoda je založena na skutečnosti, že bez ohledu na orientaci os citlivosti snímačů v místním souřadnicovém systému za nepřítomnosti vnějších vlivů je součet druhých mocnin odečtů tří kolmých snímačů roven druhé mocnině referenční síla g (gravitační zrychlení pro akcelerometry). Rozdíl mezi touto metodou a ostatními spočívá v použití jako reference nikoli vektoru, ale skaláru funkčně spojeného s tímto vektorem. Taková náhrada může výrazně zlepšit přesnost kalibrace triády akcelerometrů. V důsledku toho přesnost vyvinutých koeficientů matematického modelu nezávisí na chybách v orientaci triády v rovině horizontu. Hlavní nevýhodou této metody je nemožnost odhadnout úhly neortogonality.
Testování akcelerometrů metodou gravitační přitažlivosti. Umožňuje nastavit hodnoty efektivního zrychlení výrazně nižší než v první metodě. Tato metoda není použitelná pro zkoušení mikromechanických akcelerometrů.
Testování akcelerometrů na oběžné dráze umělé družice Země
- metoda testování akcelerometrů v nepřítomnosti gravitačního pole nebo při jeho kompenzaci v lokalizované oblasti. Rozvoj této metody je způsoben potřebou eliminace složek hluku a zrychlení volného pádu směřujících podél měřící osy akcelerometru.
Metoda testování akcelerometrů kompenzací gravitačního pole polem setrvačných sil pohybujícího se objektu. K realizaci tohoto způsobu se používá komora, ve které při změně tlaku působí na klesající akcelerometr různá velikost odporové síly vzduchu a tím i zrychlení. Tato metoda nenašla široké uplatnění kvůli obtížím při její implementaci a kvůli složitosti zařízení.
Metoda testování akcelerometrů s rovnoměrně zrychleným translačním pohybem plošiny se zařízením. Metoda simuluje provozní podmínky většiny zařízení, které se blíží skutečným. Přestože je tato okolnost významnou výhodou metody, na rozdíl od všech ostatních brání jejímu širokému použití vážné potíže při realizaci zkušební stolice.
Testování akcelerometrů nastavením Coriolisova zrychlení. Metoda byla navržena za účelem nastavení malých konstantních zrychlení. Hlavní obtíže při zavádění metody jsou spojeny s nutností eliminovat škodlivý vliv zrychlení volného pádu.
Reprodukce zrychlení pomocí rotačních platforem. Tato metoda samotná (metoda odstředivky) je jediným praktickým prostředkem pro reprodukci zrychlení přesahujících zrychlení způsobené gravitací. Metoda využívající jedinou rotační plošinu rotující kolem vertikální osy OSξ se používá k reprodukci konstantního zrychlení. V tomto případě je akcelerometr namontován na otočné plošině ve vzdálenosti R od středu otáčení. Citlivá osa akcelerometru je vodorovná a směřuje ke středu otáčení. Centrifugy jsou určeny k testování a kalibraci akcelerometrů a různého druhu inerciální zařízení (mikromechanické systémy pro inerciální zařízení, nenákladné na výrobu křemenných snímačů nebo křemíkových snímačů, prstencové laserové gyroskopy, vláknové optické gyroskopy, bezpečnostní zařízení a další snímače). Hlavními zdroji chyb kalibrace touto metodou jsou: odchylka citlivé osy od vodorovné roviny, chyba v nastavení a měření úhlových rychlostí otáčení plošiny a chyba způsobená změnou délky ramena odstředivky.
2.2. Vývoj podpory algoritmů
V tomto článku budeme zkoumat takové statistické chyby mikromechanického akcelerometru, jako je standardní odchylka (RMSD), kovariance, korelace, testování hypotézy normality distribuce obecné populace podle Pearsonova testu dobré shody.
Standardní odchylka (RMSD) je indikátor rozptylu hodnot náhodné proměnné vzhledem k jejímu matematickému očekávání. Měří se v jednotkách samotné náhodné veličiny a používá se při testování statistických hypotéz, při měření lineárního vztahu mezi náhodnými veličinami. Vypočteno podle vzorce:
n - počet hodnot náhodných proměnných
- náhodná hodnota
Je matematické očekávání náhodné hodnoty
1. Kovariance. Tato veličina se nazývá kovariance (společná variace) náhodných proměnných X a Y. Kovarianci diskrétních náhodných veličin lze odhadnout z jejich diskrétních hodnot X = (x1, ... xN) a Y = (Yi, YN ) pomocí aritmetiky středního vzorce:
2. Korelace - korelační koeficient je poměr kovariance k součinu směrodatných odchylek jejich náhodných hodnot X a Y:
3. Testování hypotézy o normálním rozdělení obecné populace podle Pearsonova testu dobré shody. Kritérium dobra se nazývá kritériem pro testování hypotézy o předpokládaném zákonu neznámého rozdělení. Nechť je získáno empirické rozdělení pro vzorek o velikosti n:
možnostix i x 1 X 2 … x s
empirické frekvencen i n 1 n 2 … n s
Pokud je předpokládané rozdělení normální, pak se odhadnou dva parametry (matematické očekávání a směrodatná odchylka), proto r = 2 a počet stupňů volnosti
Aby bylo možné otestovat nulovou hypotézu H 0 na dané hladině významnosti, musíme nejprve vypočítat teoretické četnosti a poté pozorovanou hodnotu kritéria:
a z tabulky kritických distribučních bodů na dané hladině významnosti α a počtu stupňů volnosti najděte kritický bod
Pokud - je nulová hypotéza zamítnuta
Konkrétní forma kritéria, která se často používá ke kontrole konzistence hustoty distribuce získané ze vzorků dat, s určitou teoretickou hustotou distribuce, se nazývá kritérium dobré shody. Podstatou této ověřovací metody je, že některé statistiky popsané přibližným rozdělením se používají jako míra nesouladu mezi pozorovanou a teoretickou hustotou rozdělení. Hypotéza konzistence rozdělení je pak testována analýzou výběrového rozdělení této statistiky.
Představme si pojem objemu N nezávislých pozorovatelných hodnot náhodné veličiny x (k) s hustotou rozdělení p (x). Údaje z pozorování jsou seskupeny do k intervalů, nazývaných výboje, které dohromady tvoří histogram frekvencí. Počet pozorovaných hodnot v i-tém bitu se nazývá pozorovaná frekvence a označuje se f i. Počet pozorování, do kterého lze očekávat, že bude spadat i-tá pozice, je-li skutečná hustota rozdělení veličiny x (k) p 0 (x), nazývá se očekávaná frekvence v i-tém bitu a značí se F i. Rozdíl mezi pozorovanými a očekávanými frekvencemi v každém bitu je (f i - F i). Aby bylo možné určit obecný stupeň nesrovnalostí pro všechny číslice, sečtou se druhé mocniny frekvenčních rozdílů v každé číslici a získají se statistiky vzorku.
Velikost má přibližně stejné rozložení jako velikost a velikost. Počet stupňů volnosti n je v tomto případě roven číslu K mínus počet různých nezávislých lineárních omezení (omezení) uložených na pozorovacích datech. Jeden takový vztah existuje, protože frekvence v posledním bitu může být určena, jakmile jsou frekvence v prvních (K – 1) číslicích známé. Existuje alespoň jedno další omezení kvůli přizpůsobení očekávané teoretické hustoty distribuce frekvenčnímu histogramu získanému z pozorovacích dat. V obecném případě, kdy je očekávaná teoretická hustota rozdělení normální funkcí, jsou uložena dvě další omezení, protože průměr a rozptyl musí být vypočteny tak, aby vyhovovaly hustotě normálního rozdělení. Proto v obecném případě, kdy je kritérium dobré shody použito jako kritérium pro kontrolu normality rozdělení, je počet stupňů volnosti pro funkci n = K - 3.
Po určení vhodného tento případ počet stupňů volnosti pro hodnotu, test hypotézy se provede následovně. Předpokládejme, že podle hypotézy má veličina x (k) distribuční hustotu p (x) = p 0 (x) najděte součet. Protože jakákoliv odchylka p (x) od p 0 (x) narůstá, používá se jednostranný test. Oblast přijetí hypotézy je určena nerovností
kde jsou funkční data vybrána z tabulky 2. Pokud je výběrová hodnota součtu větší, hypotéza p (x) = p 0 (x) je na hladině významnosti zamítnuta. Pokud je součet menší nebo roven, hypotéza je přijata. Pravděpodobnost, že uděláte chybu prvního druhu, je. Pravděpodobnost, že uděláte chybu druhého druhu, nelze jednoznačně definovat, protože
že jich je nespočet různé způsoby nesoulad mezi p (x) a p 0 (x).
Tabulka 3 - Procentuální distribuční body
Síla kritéria dobré shody závisí na výběru číslic. Existují různé teoretické a praktické rady... V případě, kdy by mělo být kritérium aplikováno na hladině významnosti
Tabulka 4 - Minimální hodnota optimálního počtu bitů K
pro vzorky velikosti N at
Nejvhodnější je použít uvažované kritérium, které specifikuje výboje stejné šířky. Pokud vyloučíme z úvahy hypotézu o homogenitě rozdělení, tato metoda dává různé hodnoty očekávaných frekvencí v různých číslicích. Šířka číslic by měla být zvolena tak, aby byly získány stejné frekvence v různých intervalech. Kromě případu kritéria pro kontrolu homogenity rozložení vede použití popsané techniky k tomu, že různé bity budou mít nestejnou šířku. Přijmout zadání stejné hodnoty frekvence komplikuje aplikaci kritéria, ale zpravidla zvyšuje jeho sílu. Je žádoucí poskytnout hodnotu frekvence v každé číslici rovnající se alespoň 5, ačkoli hodnota frekvence rovnající se pouze 2 je přijatelná pro krajní číslice.
2.3. Vývoj softwarového algoritmu
Softwarová část komplexu je implementována v Delphi 7.0. Program zajišťuje vyhledávání informací z informačních výstupů mikroobvodů v digitálním kódu, záznam dat do datových souborů a jejich statistické zpracování.
Odečítání informací z mikromechanického akcelerometru je realizováno podél tří os - osa x, osa y, osa z. Údaje o každé z os v digitální podobě se zaznamenávají do složky „měření“ umístěné na disku „C“.
1. Implementován výstup dat na graf
Obrázek 12 - Graf hodnot akcelerometru
2. Byl proveden výstup vycentrovaných dat na grafu
Obrázek 13 - Graf centrovaných hodnot akcelerometru
Bylo vypočteno matematické očekávání, byl získán následující graf:
Obrázek 14 - Graf matematického očekávání
MX, MY, MS, respektive matematické očekávání podél os x, y, z
3. Vypočítané efektivní hodnoty
4. Vypočítané hodnoty kovariance
5. Vypočtené korelační hodnoty
6. Testování hypotézy o normálním rozdělení obecného
klasifikace Pearsonovým testem dobré shody.
Pro vzorkování pozorovaných hodnot podél os X, Y, Z byly získány následující histogramy frekvencí
Obrázek 15 - Histogram frekvencí pro vzorkování pozorovaných hodnot podél osy X
Obrázek 16 - Histogram frekvencí pro vzorkování pozorovaných hodnot podél osy Y
Obrázek 17 - Histogram frekvencí pro vzorkování pozorovaných hodnot podle
Pohled na histogram nám umožňuje učinit předpoklad, že rozdělení se řídí normálním zákonem.
ZÁVĚR
Jak již bylo zmíněno výše, tématem diplomové práce je vývoj algoritmu pro vyšetřování chyb MEMS akcelerometru. Charakteristickým rysem MEMS (mikroelektromechanických systémů) je skutečnost, že elektrické a mechanické jednotky v nich jsou tvořeny ze společného základu (například křemíkového substrátu) a v důsledku použití technologie vytváření objemových struktur je možné získat mikrosystémová zařízení s vysokými provozními a technickými vlastnostmi (hmotnost a velikost, hmotnost, energie atd.).
Cíl této práce byl splněn, kterým je vývoj algoritmu a softwaru pro studium statistických chyb akcelerometru LSM303DLH.
Jsou zkoumány statistické chyby MEMS senzoru (mikromechanický akcelerometr LSM303DLH). V průběhu práce je algoritmický vývoj studia takových parametrů, jako je standardní odchylka, matematické očekávání, kovariance, korelace, testování hypotézy pro normální rozdělení obecné populace podle Pearsonova kritéria dobré shody. prezentovány. V softwarovém prostředí Delfi 7.0 byl vytvořen software pro výpočet těchto parametrů a zobrazování grafů odečtů akcelerometru, matematického očekávání podél osy x, y, osy z, frekvenčních histogramů pro vzorkování pozorovaných hodnot při testování hypotézy pro normální rozdělení obecné populace podle Pearsonova kritéria dobré shody.
BIBLIOGRAFIE
1. Raspopov, V.Ya. Mikromechanická zařízení: učebnice. manuál /
V.Ya. Raspopov. - M .: Strojírenství, 2007 .-- 400
2. Denisenko V.V. Ovládání počítače technologický postup,
experiment, vybavení.
3. Datový list. LSM303DLH Senzorový modul: 3osý akcelerometr a 3osý
magnetometr © 2009 STMicroelectronics - Všechna práva vyhrazena
5. Bendat J, Pirsol A. Měření a analýza náhodných procesů - M .: Mir,
6. Flicker hluk (1 / f hluk, nadměrný hluk) [Elektronický zdroj]. - Režim
(Datum přístupu: 20.04.2016).
7. Trendy na trhu špičkových senzorů setrvačnosti MEMS. Nové úrovně
výkonnostní charakteristiky [Elektronický zdroj]. - Režim přístupu:
8. Dao Wang Ba Dynamická metoda výzkumu triádových chyb
akcelerometry [Text]: dis ... cand. tech. Vědy: 05.11.03: chráněno
22.01.15: schváleno 15.07.2014 / Tao Wang Ba. - Petrohrad - 2015, - 113 s.
9. Kolganov, V.N. Metoda stanovení statických charakteristik
centrifugové akcelerometry [Elektronický zdroj] / V.N. Kolganov, A.A.
Papko, T.N. Balašová, Yu.M. Malkin // Patent RU 2192016 - Režim
PŘÍLOHA A
MINISTERSTVO POBOČKY RUSKA
FEDERÁLNÍ STÁT AUTONOMNÍ
VZDĚLÁVACÍ INSTITUCE VYSOKÉHO ŠKOLSTVÍ
JIŽNÍ FEDERÁLNÍ UNIVERZITA
Oddělení informací a
měřicí technologie"
Směr tréninku
12.03.01 Výroba nástrojů
Bakalářský úkol FQP
Student Sizyakin Stanislav Leonidovič
1. Téma:„Vývoj algoritmu pro vyšetřování chyb
MEMS akcelerometr“.
2. Termín dokončení dokončeného díla: 30.05.2016.
3. Počáteční údaje:
Mikroelektromechanický (MEMS) senzor akcelerometr LSM303DLH
4. Seznam problémů, které mají být vypracovány:
Vývoj algoritmické podpory pro určování statistických chyb senzoru
Vývoj softwaru
7. Datum vystavení zadání: 2.12.2016
8. Manažer: ____________________________ I. V. Ščerban
Jméno podpisu
9. Úkol je přijat k provedení:
_______________________________________________
Datum Podpis studenta
SLEPÉ STŘEVOB
Programový kód
Popraven v programově výpočet směrodatné odchylky (RMS). ProcedureSKOClick (odesílatel: TObject)
procedure TForm1.SKOClick (Sender: TObject);
SumKoX, SumKoY, SumKoZ: Skutečné;
j4: celé číslo;
SumKoX: = 0;
SumKoY: = 0;
SoučetKoZ: = 0;
Resetovat (newXd); // Xa
Resetovat (newYd); // Ano
Resetovat (newZd); // Za
zatímco j4<=Kolizm do
Číst (newXd, X1);
Číst (newYd, Y1);
Přečíst (newZd, Z1);
SumKoX: = SumKoX + Sqr (X1-MoX);
SumKoY: = SumKoY + Sqr (Z1-MoZ);
SumKoZ: = SumKoZ + Sqr (Y1-MoY);
SrKOX: = Sqrt (SumKoX / Kolizm);
SrKOZ: = Sqrt (SumKoY / Kolizm);
SrKOY: = Sqrt (SumKoZ / Kolizm);
Inc (j4);
SKOXLabel.Caption: = "SKOX =" + FloatToSTRf ((SrKOX), ffFixed, 6,3);
SKOYLabel.Caption: = "SKOY =" + FloatToSTRf ((SrKOY), ffFixed, 6,3);
SKOZLabel.Caption: = "SKOZ =" + FloatToSTRf ((SrKOZ), ffFixed, 6,3);
Korrelaziya.Enabled: = True;
closefile (newXd);
closefile (newYd);
closefile (newZd);
Vypočítaná kovariance v softwaru. ProcedureProcedureCovariaziyaClick (odesílatel: TObject)
// Výpočet kovariance pro osy akcelerometru
procedure TForm1.CovariaziyaClick (Sender: TObject);
j2: celé číslo;
Resetovat (newXd); // Xa
Resetovat (newYd); // Ano
Resetovat (newZd); // Za
zatímco j2<=Kolizm do
Číst (newXd, X1);
Číst (newYd, Y1);
Přečíst (newZd, Z1);
covXY: = covXY + (X1-MoX) * (Y1-MoY);
covXZ: = covXZ + (Y1-MoX) * (Z1-MoZ);
covYZ: = covXY + (Z1-MoZ) * (Y1-MoY);
Inc (j2);
covXYLabel.Caption: = "covXY =" + FloatToSTRf ((covXY), ffFixed, 6,3);
covXZLabel.Caption: = "covXZ =" + FloatToSTRf ((covXZ), ffFixed, 6,3);
covYZLabel.Caption: = "covYZ =" + FloatToSTRf ((covYZ), ffFixed, 6,3);
closefile (newXd);
closefile (newYd);
closefile (newZd);
SKO. Povoleno:= Skutečný;
Výpočet korelace byl proveden v programovém formuláři. ProcedureProcedureKorrelazya.Klikněte
procedure TForm1.KorrelaziyaClick (Sender: TObject);
KorXY: = covXY / (SrKOX * SrKOY);
KorXZ: = covXZ / (SrKOX * SrKOZ);
KorYZ: = covXY / (SrKOZ * SrKOY);
KorXYLabel.Caption: = "KorXY =" + FloatToSTRf ((KorXY), ffFixed, 7.4);
KorXZLabel.Caption: = "KorXZ =" + FloatToSTRf ((KorXZ), ffFixed, 7.4);
KorYZLabel.Caption: = "KorYZ =" + FloatToSTRf ((KorYZ), ffFixed, 7.4);
Byl proveden naprogramovaný test hypotézy o normalitě rozložení běžné populace.
ProcedureProcedurePirsonClick (odesílatel: TObject)
procedure TForm1.PirsonClick (Sender: TObject);
// kontrola normálního rozdělení podle Pearsonovy dohody
j3: celé číslo;
Resetovat (newXd); // Xg
Resetovat (newYd); // Yg
Resetovat (newZd); // Zg
IntX: = (Abs (MinX) + abs (MaxX)) / Raz; //určujeme velikost intervalů výbojů
IntY: = (Abs (MinY) + abs (MaxY)) / Raz;
IntZ: = (Abs (MinZ) + abs (MaxZ)) / Raz;
aX: = MinX; // definuje spodní hranici prvního bitu
aY: = MinY;
aZ: = MinZ;
pro i: = 2 až Raz do
pro i: = 2 až Raz do
AX [i]: = MinX + IntX * (i-1); // definuje spodní hranice číslic
AY [i]: = MinY + IntY * (i-1
AZ [i]: = MinZ + IntZ * (i-1);
zatímco j3<=Kolizm do
Číst (newXd, X1);
Číst (newYd, Y1);
Přečíst (newZd, Z1);
pro i: = 1 až Raz do
jestliže ((X1> = ax [i]) a (X1
jestliže ((Y1> = ay [i]) a (Y1
jestliže ((Z1> = az [i]) a (Z1
Inc (j3);
pro i: = 1 až Raz do
Series4.AddXY (I, (bx [i]), "", Series4.SeriesColor); //vykreslování histogramů
Series5.AddXY (I, (by [i]), "", Series5.SeriesColor);
Series6.AddXY (I, (bz [i]), "", Series6.SeriesColor);
closefile (newXd);
closefile (newYd);
closefile (newZd);
PODROBNOSTI SOUBORU:
Název přiloženého souboru: Vývoj algoritmu pro vyšetřování chyb MEMS akcelerometru.zip
Velikost souboru: 2,4 MB
Stahování: 309 Stažení
Přidané: 10/30/2016 11:33Charakteristickým rysem mikromechanických akcelerometrů je převládající výroba citlivých prvků těchto zařízení z materiálů na bázi křemíkové technologie, což předurčuje: malé rozměry a hmotnost akcelerometru, možnost použití technologie skupinové výroby a následně nízkou cenu hromadné výroby, vysoká provozní spolehlivost.
Jednou z hlavních příčin chyby měření mikromechanického akcelerometru je změna okolní teploty. Dodatečné posunutí nuly kvůli kolísání okolní teploty:
kde k T je teplotní drift posunů nuly akcelerometru; ■ T je změna teploty během testu, T je rychlost změny teploty; t je doba zkoušky.
Je známo, že přesnost měření je omezena nejen systematickou chybou, ale také spektrálním složením šumu měření. Například při měření senzorem MEMS dochází k blikání, které zbarvuje šum měření.
Flicker noise (nadměrný šum) - anomální kolísání, které se vyznačuje nepřímo úměrnou závislostí spektrální výkonové hustoty na frekvenci, na rozdíl od bílého šumu, ve kterém je spektrální hustota konstantní. Flicker šum byl objeven jako pomalá chaotická změna tepelné emise katod elektronek, nazývaná "efekt blikání". Následně byly nalezeny fluktuace se stejnými vlastnostmi v různých fyzikálně-chemických, biologických a dokonce i sociálních systémech. V současné době se pro označení anomálních fluktuací ve složitých systémech používá termín "blikající šum" spolu s méně vhodným, ale přiměřenějším pojmem "1/f šum" a pojmem "makrofluktuace". Typ šumu blikání je impulzivní (výbušný) šum pozorovaný v polovodičích: postupné změny úrovně signálu s náhodně rozloženými časovými intervaly mezi změnami úrovně. Jeho výkonová spektrální hustota roste s klesající frekvencí, omezuje možnost zvýšení přesnosti průměrováním a neumožňuje snížit náhodnou složku chyby na nulu. Navíc v digitálních snímačích vždy dochází k rušení hodinové frekvence, což také dodává zabarvení bílého šumu.
Akcelerometry, stejně jako gyroskopy, trpí posuny offsetu a offsetu, chybami nesouososti, posuny teploty a zrychlení, nelinearitou (tzv. VRE chyba) a posunem citlivosti. Nejdůležitějšími vlastnostmi akcelerometrů pro jejich srovnávací analýzu jsou výchylka a její drifty, nestabilita výchylky a šum. V úvahu lze vzít i drift citlivosti, nelineární koeficient VRE a další parametry.
Jakékoli posunutí akcelerometru při absenci dvojitého integračního zrychlení způsobí chybu rychlosti úměrnou integračnímu času a chybu ve vypočítané poloze, která roste kvadraticky s časem. Nekontrolovaný posun nuly způsobí posunutí vektoru zrychlení vzhledem k jeho skutečnému směru, a to se týká nejen lineárních snímačů zrychlení, ale také gravitačního zrychlení, které je nutné odečíst od celkového výkonu akcelerometru. V inerciálních navigačních systémech drift posunu akcelerometru významně přispívá k chybě ve výpočtu rychlosti a polohy. Při měření orientace jsou nejvýznamnější úhlové chyby při výpočtu sklonů v podélném a příčném směru.
Volatilita vychýlení snímače je náhodná odchylka vychýlení vypočítaná za specifikovaný časový interval jako zprůměrované hodnoty. Tento parametr se vypočítává Allanovou metodou pro stacionární senzor. S prodlužující se dobou průměrování výstupní šum klesá a strmost dosáhne minimálního bodu a poté se opět zvyšuje. Minimální bod na Allanově křivce je nestabilita zkreslení, udávaná ve specifikacích akcelerometrů v mg nebo μg. Čím nižší je hodnota tohoto parametru, tím menší je chyba ve výpočtu rychlosti, polohy a orientace. Nestabilitu offsetu akcelerometru ve většině specifikací definují výrobci jako nejlepší výkon dosažený v laboratorních podmínkách (při 20 °C a bez mechanického namáhání). Stabilita ofsetu v reálných podmínkách je maximální drift zbytkové chyby ofsetu po kompenzaci vnějších faktorů, jako je teplota, otřesy, vibrace, stárnutí.
Jak bylo uvedeno výše, MEMS se dělí na dva typy: snímače a akční členy. Jedním z nejpoužívanějších typů senzorů jsou pohybové senzory, které se zase dělí na akcelerometry (akcelerační senzory) a gyroskopy (rotační senzory). Využití těchto zařízení je dnes velmi široké: telefony, komunikátory, herní konzole, fotoaparáty a notebooky jsou stále častěji takovými senzory vybaveny. Mobilní telefony a video set-top boxy slouží především k zábavním účelům. Ale v přenosných počítačích plní akcelerometry velmi užitečnou funkci: zachycují okamžik, kdy může dojít k poškození pevného disku otřesem, a zaparkují hlavy disku. Ve fotografické výbavě je použití pohybových senzorů neméně důležité – právě na jejich základě fungují poctivé systémy stabilizace obrazu.
Výrobci automobilů (z mainstreamových průmyslových odvětví jako první testovali tento druh zařízení) aktivně využívají pohybové senzory již několik desetiletí, například v airbagech a protiblokovacích brzdových systémech. Odpovídající čipy jsou tedy již dlouho vyvíjeny, vyráběny řadou velkých i relativně malých firem a jsou vyráběny v takovém množství, že ceny jsou dlouhodobě spolehlivě staženy na minimum. Typický MEMS akcelerometr dnes stojí pár dolarů za kus.
Za přítomnosti zrychlení se hmotnost přemístí vzhledem ke stacionární části akcelerometru. Deska kondenzátoru připojená k závaží je posunuta vzhledem k desce na pevné části. Mění se kapacita, při stálém nabíjení se mění napětí - tuto změnu lze změřit a spočítat posunutí závaží. Díky znalosti jeho hmotnosti a parametrů odpružení je snadné najít požadované zrychlení. V praxi jsou MEMS akcelerometry konstruovány tak, že není tak snadné od sebe oddělit součásti - závaží, zavěšení, pouzdro a desky kondenzátoru. Elegance MEMS ve skutečnosti spočívá v tom, že ve většině případů je v jednom detailu možné (nebo spíše je to prostě nutné) kombinovat několik objektů najednou.
Architektonicky se MEMS zařízení skládá z několika vzájemně se ovlivňujících mechanických komponent a mikroprocesoru, který zpracovává data přijatá z těchto komponent.
Pokud jde o technologie výroby MEMS, je zde použito několik základních přístupů. Jedná se o objemové mikroobrábění, povrchové mikroobrábění, technologie LIGA (Litographie, Galvanoformung a Abformung) - litografie, galvanické pokovování, tváření) a hluboké reaktivní iontové leptání. Hromadné zpracování je považováno za nákladově nejefektivnější způsob výroby MEMS. Jeho podstata spočívá v tom, že se z křemíkové destičky chemickým leptáním odstraní nepotřebné části materiálu, v důsledku čehož na destičce zůstanou pouze potřebné mechanismy. Hluboké reaktivní iontové leptání téměř úplně opakuje proces hromadného mikroobrábění, kromě toho, že k vytvoření mechanismů se místo chemického leptání používá plazmové leptání. Přesným opakem těchto dvou procesů je proces mikroobrábění povrchu, při kterém se potřebné mechanismy „vypěstují“ na křemíkové destičce postupným nanášením tenkých vrstev. A konečně technologie LIGA využívá techniky rentgenové litografie k vytvoření mechanismů, které jsou mnohem vyšší než šířka.
Úvod
Kapitola 1. Analýza kvalitativních charakteristik přesných akcelerometrů a studium způsobů zlepšení přesnosti.
1.1. Analýza moderních přesných akcelerometrů a výběr výzkumného objektu. jedenáct
1.2. Konstrukce a technologie montáže akcelerometru 18
1.3. Hlavní parametry, které určují přesnost akcelerometru, a úroveň jejich implementace 24
1.4. Vyjádření výzkumného problému. 31
Kapitola 2. Vývoj matematického modelu pro posouzení statických parametrů přesnosti akcelerometru . 33
2.1. Model nulového signálu akcelerometru AK-6. 35
2.2. Posouzení míry vlivu primárních konstrukčních a technologických parametrů na hodnotu a stabilitu „nuly“ a „základny“ akcelerometrů. 48
2.3. Závěry 51
Kapitola 3. Analýza fyzikálních procesů, které určují dominantní chyby akcelerometru a vývoj způsobů, jak chybu snížit. 53
3.1. Zkoumání vlivu upevnění citlivého prvku v pouzdře akcelerometru na stabilitu polohy osy citlivosti zařízení. 54
3.2. Analýza provozu dílů a sestav SE při změně teploty. 61
3.3. Experimentální studie příčin nestability nulového signálu a základny akcelerometru při výrobě a provozu. 67
3.5. Závěry 77
Kapitola 4. Vývoj metod a prostředků pro hodnocení kvalitativních charakteristik akcelerometrů při jejich testování . 79
4.1. Analýza stávajícího technologického postupu pro kalibraci akcelerometrů. 80
4.2. Vývoj kalibrační techniky pro systém blokového akcelerometru pro vysoce přesné inerciální navigační systémy. 83
4.3. Skalární technika pro kalibraci akcelerometrů. 85
4.3.1. Analýza konstrukčních a technologických faktorů, které určují hlavní chyby triády akcelerometrů a vývoj modelu chyb. 85
4.3.2. Odvození vazebných rovnic pro triádu akcelerometrů. 89
4.4. Způsoby, jak zlepšit přesnost odhadu parametrů triády akcelerometrů. 93
4.5. Závěry. 97
Kapitola 5. Stanovení požadavků na technologická zařízení a experimentální ověření přiměřenosti stanovení parametrů navrženou kalibrační metodou. 98
5.1. Primární faktory, které je třeba vzít v úvahu při simulaci procesu kalibrace. 98
5.2. Popis algoritmu pro modelování navržené techniky. 101
5.3. Matematické modelování procesu kalibrace triády akcelerometrů. 109
5.4. Analýza výsledků matematického modelování 111
5.5. Experimentální ověření a rozbor přesnosti stanovení parametrů zařízení podle základních a skalárních
kalibrační techniky. 137
5.6. Analýza vlivu kvadratické složky chyby na výsledky kontrolních měření v širokém rozsahu změn zrychlení. 141
5.7. Závěry. 151
Hlavní výsledky práce. 152
Bibliografie.
Úvod do práce
Rozvoj letecké přístrojové techniky je neoddělitelně spjat se vznikem nových typů letadel (AC), které mají vysokou rychlost a dolet a vyžadují stále vyšší úroveň automatizace procesů řízení letu.
Mezi mnoha informačními systémy, které poskytují tvorbu dat o aktuálních parametrech pohybu letadel, zaujímají zvláštní místo inerciální navigační systémy (INS). Být autonomní, tzn. zcela proti rušení poskytují potřebné informace všem systémům řízení pohybu letadla.
Je třeba poznamenat, že stávající družicové navigační systémy jsou v současné době zvažovány pro použití v palubním zařízení jako doplňkový a opravný prostředek. Omezení použití družicové navigace je spojeno především s problémy stálosti příjmu signálu, nízkou frekvencí aktualizací informací, obtížemi při určování úhlového pohybu letadla vůči těžišti atd. Vysoká přesnost stanovení aktuálních souřadnic vytváří předpoklady pro použití takových systémů pro korekce driftů inerciálních citlivých prvků za účelem zvýšení integrální přesnosti INS.
V poslední době se podařilo výrazně zvýšit rychlost a spolehlivost palubních výpočetních zařízení, díky čemuž se rozšířily strapdown (bezkartové) inerciální navigační systémy (SINS), ve kterých je fyzický nosný systém nahrazen matematickým. .
Díky řadě výhod oproti platformním ANN, mezi které patří výrazné zjednodušení konstrukce, což má za následek snížení hmotnostních a rozměrových parametrů, zvýšení
PLOŠINOVÉ INERCIÁLNÍ NAVIGAČNÍ SYSTÉMY
ZDARMA INERCIÁLNÍ NAVIGAČNÍ SYSTÉMY
fyzické 3-stranné
matematický 3-stranný
Nestabilita nula a
základna akcelerometru od
spustit spustit
Nestabilita driftu gyroskopu při spuštění
Dynamický
rozsah gyroskopu
^ h
o „a o c
Zvrat Ch.E. do libovolného úhlu kolem kterékoli ze 3 os.
Nivelace
Kalibr Ch.E. v každém běhu
"Lvicheose gyrocompassing."
Nestabilita nuly a základny akcelerometru při startu
Poloha os bloku SE je ve zvoleném souřadném systému neměnná
^ ML ~
Dynamický
rozsah akcelerometru
Nestabilita
měřítko
akcelerometr
Doba připravenosti jednotky CH.E.
-sL 4 ^
Pevná vazba bloku Ch.E k osám objektu OI.A).
Matematický gyrokompas
Nestabilita driftu
gyroskop od startu do
zahájení
Poloha os bloku SE se mění v souladu se změnou os L.A.
Nestabilita velkého rozsahu
koeficient gyroskopu
Nedostatek tepelné stabilizace
Spotřeba energie
Nestabilita tempa. koef.
Rýže. 1.1.1. Požadavky na SE u moderních inerciálních systémů
navigace.
spolehlivost, zkrácení životního cyklu, snížení
spotřeba energie, zvýšení množství generovaných informací, SINS výrazně zvyšuje požadavky na parametry primárních informačních senzorů. Rozdíl mezi požadavky platformy ANN a SINS na gyroskopy a akcelerometry ukazuje Obr. 1.1.1.
Zlepšení přesnosti jakéhokoli inerciálního navigačního systému přímo souvisí s řešením problému vytváření přesných akcelerometrů. Trend vytěsňování plošinových systémů páskovými systémy tento úkol dále komplikuje, protože prudce zpřísňuje požadavky na přesnost akcelerometrů. Především se jedná o velikost a stabilitu jeho nulového signálu ("nula"), faktor měřítka (MC) a polohu osy citlivosti ("základny") v širokém rozsahu provozních podmínek, které jsou určeny nemožnost kalibrace akcelerometru při každém zapnutí SINS. Řešení tohoto problému není možné bez hlubší analýzy příčin chyb akcelerometru a vlivu konstrukčních a technologických parametrů na hodnoty a stabilitu „nuly“, „základny“ a měřítka, na na jehož základě mohou být vypracovány technické návrhy, jak pro zlepšení konstrukce, tak pro technologickou výrobu akcelerometru.
Certifikace výše uvedených kvalitativních parametrů akcelerometrů je nedílnou součástí technologického procesu jeho výroby. Vzhledem k tomu, že získané odhady parametrů akcelerometrů jsou přímo zahrnuty do certifikační chyby, nese zvýšení přesnosti akcelerometru jednoznačně zpřísnění požadavků na přesnost měřicího zařízení. Certifikační (kalibrační) metoda v současnosti používaná v sériové výrobě je založena na použití zařízení, jehož chyba je přiměřená hodnoceným parametrům. Kromě toho náklady na toto zařízení (především přesné optické
dělicí hlavy) je velmi vysoká a samotný proces je velmi pracný, především z důvodu nemožnosti jeho automatizace.
V souladu s výše uvedeným je naléhavým úkolem studium faktorů určujících chybu akcelerometru a vývoj na jeho základě konstrukčních a technologických doporučení pro zlepšení přesnosti, jakož i vytvoření efektivnější metody kalibrace.
Tento příspěvek pojednává o otázkách přiblížení parametrů křemenného akcelerometru AK-6, vyvinutého v JSC "Moskevský institut elektromechaniky a automatizace", požadavkům moderních SINS, v souvislosti s nimiž byl vytvořen matematický model hlavních parametrů zařízení. je vyvíjen, jsou uvažovány technologické aspekty návrhu a montáže tohoto akcelerometru, na základě jejichž analýzy jsou navrženy způsoby modernizace konstrukce a je uvažován nový modulární model kalibrace akcelerometru.
Účel práce je vývoj konstrukčních a technologických řešení zlepšujících přesnost akcelerometru a také vytvoření nové metody pro kalibraci akcelerometru, která poskytuje potřebnou přesnost při určování parametrů zařízení za předpokladu, že pracnost procesu se snižuje a používá se levnější zařízení.
Cíle výzkumu.
V souladu s účelem práce lze formulovat následující výzkumné cíle:
identifikace parametrů přesnosti komerčně dostupných akcelerometrů, které nesplňují požadavky slibných SINS;
zkoumání konstrukčních a technologických důvodů a analýza fyzikální podstaty vzniku dominantních chyb akcelerometru;
formalizace vztahu mezi konstrukčními a technologickými parametry akcelerometru s jeho chybami;
vývoj a experimentální ověřování účinnosti konstrukčních a technologických doporučení pro zlepšení konstrukční a montážní technologie akcelerometru;
vývoj a potvrzení účinnosti metody pro kalibraci akcelerometrů, která zajišťuje požadovanou přesnost, snižuje pracnost procesu a nevyžaduje drahé vybavení pro jeho realizaci. Metody výzkumu.
Získané výsledky jsou založeny na komplexní aplikaci hlavních ustanovení teoretické mechaniky, teorie elektrických obvodů, teorie přesnosti výroby, matematických metod analýzy, teorie lineárních vektorových prostorů, metod aproximace a linearizace, jakož i přírodní a matematické modelování. Vědecká novinka práce se skládá z:
konstrukce a experimentální potvrzení fyzikálního modelu chyby akcelerometru spojené s nestabilitou polohy desky snímacího prvku a samotného snímacího prvku v těle akcelerometru;
vývoj matematického modelu popisujícího : : dominantní chyby akcelerometru v jeho konstrukci a technologických parametrech;
vývoj modulární metody pro kalibraci akcelerometrů; , formulace a odůvodnění požadavků na speciální zařízení pro kalibraci akcelerometrů podle navržené metody. Praktická hodnota práce spočívá v:
vývoj technických řešení pro zlepšení konstrukce a technologického procesu montáže akcelerometrů, zajišťujících snížení jeho dominantních chyb;
aplikace vyvinutého matematického modelu chyby akcelerometru pro výběr racionálních hodnot parametrů jeho elektronického obvodu a přiměřených tolerancí odchylky těchto parametrů, z hlediska zajištění požadované přesnosti akcelerometru;
vývoj a experimentální ověřování
účinnost nové metody pro kalibraci akcelerometrů,
poskytující významné zvýšení přesnosti odhadů na
prudký pokles požadavků na přesnost zkušebního zařízení;
implementace vyvinutých technických řešení v
projektová dokumentace a proces montáže
komerčně dostupný akcelerometr AK-6.
Schválení práce... Materiály uvedené v tomto
disertační práce, byly hlášeny na následujících konferencích:
Všeruská vědecká a technická konference "Nové materiály a technologie" НМТ - 2000, "Nové materiály a technologie" НМТ - 2002, Mezinárodní vědecká konference mládeže "XXVII Gagarinovy četby" 2001 "XXVIII Gagarinovy četby" 2002, "XXVIII Gagarinovy četby" 2002, "XXVIII. 20 Gagarinovy četby" , Mezinárodní sympozium "Aerospace Instrumentation Technologies" 2002.
Publikace... Výsledky disertační práce byly publikovány v 8 tiskovinách a technických zprávách vydaných MIEA v roce 2000/01.
Struktura a rozsah práce: Disertační práce se skládá z úvodu, pěti kapitol, závěru a bibliografie 111 titulů. Materiál je prezentován na 153 stranách ilustrovaných 70 obrázky, grafy a 35 tabulkami. Obsah práce. Práce se skládá z pěti kapitol.
v spravovány stručně zhodnotil relevanci a praktickou hodnotu práce. Je formulován účel práce, úkoly a metody výzkumu, vědecká novinka, výsledky aprobace a realizace této práce. Je uvedena struktura práce a shrnutí hlavních částí.
PROTI první kapitola je uveden přehled konstrukcí, principů činnosti a charakteristik řady akcelerometrů, jsou identifikovány hlavní parametry určující přesnost akcelerometru a je podrobně zvážena konstrukce quartzového akcelerometru AK-6.
v druhá kapitola byl vytvořen matematický model nulového signálu akcelerometru, na jehož základě bylo provedeno posouzení míry vlivu parametrů konstrukčních a technologických prvků na velikost a stabilitu „nuly“ a „základny“ akcelerometrů.
PROTI třetí kapitola Na základě experimentálních a teoretických studií byla provedena analýza a byly formulovány požadavky na návrh citlivého prvku a jeho upevnění v pouzdře AK-6 za účelem zvýšení přesnosti a stability „základního“ a nulového signálu. akcelerometru v širokém teplotním rozsahu. Navržený design a technologie montáže zařízení byly zavedeny do výroby.
PROTI pátá kapitola bylo provedeno matematické modelování, na jehož základě byly formulovány požadavky na zařízení pro testování akcelerometrů a experimentální ověření přiměřenosti stanovených parametrů podle navržené metody.
PROTI závěr jsou uvedeny hlavní výsledky práce a závěry k ní.
Konstrukce a technologie montáže akcelerometru
Akcelerometr AK-6 - kyvadlový, kompenzačního typu s pružným zavěšením citlivého prvku, realizovaný na dvou torzních tyčích tloušťky 20 μm.
Princip činnosti akcelerometru AK-6 je určen základním zákonem dynamiky, podle kterého při objektu, na kterém je akcelerometr instalován ve směru jeho osy citlivosti se zrychlením a, vzniká moment setrvačnosti Mi vzhledem k osa zavěšení referenční hmoty, což vede k její úhlové odchylce D, která je měřena pomocí snímačů (DP). Signál z DP je přiváděn přes zpětnovazební zesilovač (UOS) do vinutí snímače síly (DS). DS vyvíjí moment M vzhledem k ose zavěšení hmoty, který kompenzuje moment setrvačnosti Mi. V tomto případě je výstupní napětí U na odporu zátěže RH úměrné naměřenému zrychlení a.
Konstrukčně se akcelerometr AK-6 skládá z následujících hlavních částí, Obr. 1.2.1:
1. Snímací prvek, který zajišťuje fixaci referenční hmoty a také realizaci DP a DS.
2. Zpětnovazební zesilovač, který převádí signál DP na řídicí signál DS, který je zároveň výstupním signálem akcelerometru.
3. Tepelný senzor, který generuje elektrický signál úměrný skutečné teplotě ve vnitřní dutině akcelerometru.
4. Uzavřené pouzdro, které obsahuje výše uvedené uzly. Strukturální a strukturní schéma uvažovaného quartzového akcelerometru s výběrem mezilehlých podsestav je na Obr. 1.2.2. Citlivý prvek.
Skládá se ze dvou pouzder (19 a 32) s tvarovanými deskami snímače posuvu a magnety (31) snímače síly, křemenná deska (34) sestávající z vnějšího kroužku sloužícího k upevnění mezi tělesy SE podél desek. , spojený torzními tyčemi s kyvadlem, na které jsou nastříkány desky DP a pevnými cívkami (28) tvořícími systém DS s magnety pouzdra, jakož i spojovacím kroužkem.
Technologický postup výroby křemenné desky je originální a obsahuje soubor operací pro vytvoření kyvadla a torzních tyčí a zajištění přísných požadavků na četnost, rovinnost a rovnoběžnost jejích ploch.
Z petsinu se pak pomocí chemického leptání za použití ochranných masek nejprve ve dvou přechodech vytvarují platiky a poté zadaná tloušťka torzních tyčí. Po úplném vytvoření desky se na ní metodou tepelné vakuové depozice zlata o tloušťce 0,1 μm vytvoří desky kapacitního JJ a vodiče stejnosměrného obvodu. Pro zajištění potřebné adheze se zlato nastříká na chromovou podvrstvu, která se vytvoří podobným způsobem.
Rám s vinutou cívkou snímače síly je přilepen k jazýčku desky epoxidovým lepidlem a vývody cívky jsou spojeny s nastříkanými vodiči termokompresním svařováním.
Svařování citlivého prvku se provádí ve speciálním zařízení, které zajišťuje vzájemné vystředění horního a spodního těla SE vzhledem k desce. Zařízení má nastavitelnou svorku, která zajišťuje sílu stlačení těles, přičemž místo působení tlakové síly působí v "centru tlaku" desek, tzn. v těžišti trojúhelníku tvořeného platinami. Tyto operace se provádějí pro upevnění desky pouze podél desek a pro zajištění rovnoměrné mezery mezi kyvadlem desky a pouzdry SE.
Pouzdra ChE jsou spojena pevným kroužkem ze stejného materiálu pomocí laserového bodového svařování prováděného podle speciálního algoritmu.
Posouzení míry vlivu primárních konstrukčních a technologických parametrů na hodnotu a stabilitu „nuly“ a „základny“ akcelerometrů.
Vzhledem k získané rovnici (2.32.) je vidět, že statická chyba polohy hmoty za podmínky a = 0, která je ekvivalentní odchylce osy citlivosti akcelerometru od základní, je určen technologickými chybami při výrobě snímače polohy, stejně jako diferenciálních a integračních zesilovačů a nezávisí na elastických charakteristikách torzního zavěšení hmoty a elektrostatických sil snímače polohy. Výraz (2.32.) Potvrzuje skutečnost, že v reálném akcelerometru nelze metodickou chybu zcela odstranit.
Rozbor rovnice (2.35.) jednoznačně ukazuje, že existují nezávislé složky nulového signálu, z nichž jedna je určena chybami v provádění elektronických obvodů a druhá relativními chybami elektromechanické části akcelerometru - rozdílem mezi nulovými polohami každé z rušivých sil a nulovou polohou informačního signálu snímače polohy. Bez ohledu na charakter chyb však lze jejich vliv výrazně snížit racionální volbou geometrických parametrů torzí a budícího napětí snímače polohy, které zajistí splnění podmínky kt = ke. Je třeba poznamenat, že podmínka kt - 0 a ke - 0 obecně je nesprávná, protože nezohledňuje další základní požadavky na akcelerometr. Zejména se to týká mechanické pevnosti torzních tyčí a minimálního přípustného sklonu charakteristiky informačního signálu snímače polohy. Kompletní sada podmínek by tedy měla vypadat jako kt = ke při kt - min a ke - min, tzn. existuje problém s optimalizací. Volba zbytku jmenovitých parametrů obsažených v (2.35.) je rovněž optimalizačním problémem, při jehož řešení jsou získané vztahy, s výjimkou (2.15.), nezbytnou, ale zjevně nedostačující množinou matematických modely. Pro zvolené jmenovité parametry však tyto poměry umožňují řešit problém racionálního rozložení tolerancí pro tyto parametry.
Vzhledem k problému racionálního rozdělení tolerancí z hlediska analýzy přesnosti produktu na základě teorie citlivosti přistoupíme ke stanovení funkcí vlivu primárních parametrů na Ueblxo a Л0. V tomto případě budeme v řadě případů považovat za primární parametry odchylku konstrukčního parametru od jmenovitých hodnot. V tomto případě budeme brát jako nominální hodnotu odchylky nulu. Na základě pravidla derivace komplexních funkcí a s přihlédnutím k tomu, že v místě derivace platí vztahy: pro funkce vlivu primárních parametrů na hodnotu D0 získáme následující výrazy:
Na základě analýzy lze vyvodit následující závěry: - vznik jedné z hlavních chyb akcelerometru - jeho nulový signál se vyskytuje ve fázi montáže a je způsoben technologickým rozšířením primárních parametrů hlavních funkčních prvků akcelerometru; - metodická chyba akcelerometru spojená s počátečním posunem osy citlivosti je dána chybami jeho cesty zesilující informaci, která je důsledkem nedokonalosti operačních zesilovačů a nelze ji z tohoto důvodu zcela vyloučit; - uvedená metodická chyba nezávisí na parametrech výkonových charakteristik torzních tyčí zavěšení hmoty a elektrostatického účinku snímače polohy; - nulový signál akcelerometru obsahuje dvě nezávislé součásti, z nichž jedna je chyba elektronického obvodu, druhá je chyba montáže elektromechanické části; provedená analýza umožňuje dospět k závěru, že technologické chyby mají výrazně větší vliv na parametry elektrostatické síly než na informační signál; - formuloval některé požadavky na výběr jmenovitých parametrů funkčních prvků, úplný soubor požadavků lze získat doplněním sestrojeného matematického modelu o funkční modely popisující provozní parametry akcelerometru; - sestrojený matematický model umožňuje řešit problém racionální volby tolerancí primárních parametrů hlavních funkčních prvků akcelerometru za účelem zvýšení stability jeho nulového signálu a "základny".
Analýza provozu dílů a sestav SE při změně teploty.
Na základě provedené práce byla formulována následující doporučení pro zajištění stability základní chyby a nulového signálu v AK-6.
Aby se vyloučily možné pohyby křemenné desky vzhledem k případům SE, spojené s překročením extrémních bodů teplotního rozsahu napětí ve vnějším prstenci desky třecích sil rovin desek podél přistání rovinách pouzder je nutné zajistit garantovanou přítlačnou sílu pouzder SE se spojovacím kroužkem v celém teplotním rozsahu, což lze realizovat: - změnou konstrukce spojovacího kroužku zajišťující jeho předběžné natažení v vertikální směr, tzn jeho provedení ve formě pružiny; - změna v procesu montáže, která zajišťuje předběžné napnutí spojovacího kroužku. ... Spojovací kroužek CHE Pro tento účel byla vyvinuta konstrukce spojovacího kroužku (obr. 3.15.) s prvkem se sníženou tuhostí (1), dosedacími průměry pro spodní a horní pouzdro (4, resp. 3) a upevňovacím prvkem (příruba) - 2. Postup montáže byl také změněn v části konečné montáže SE (obr. 3.16.) tak, že: - spojovací kroužek (1) je připevněn ke spodnímu tělesu (2 ) bodovým laserovým svařováním (3);
Schéma konečné montáže SE. - tato sestava je instalována ve speciálním zařízení (5) založeném na přírubě spojovacího kroužku; - poté se nainstaluje deska s cívkami a horní těleso (4); - na horní část těla v místě průsečíku střednic trojúhelníku tvořeného křemennou deskou působí tlaková síla (6), která se díky schématu umístění přenáší na spojovací prstenec, který mění své geometrické rozměry ve vertikálním směru; - horní část těla je fixována vůči spojovacímu kroužku bodovým laserovým svařováním.
Aby se vyloučily možné pohyby SE vzhledem k tělesu akcelerometru, spojené s rozdílem TCLE pouzder SE, montážního kroužku a těla zařízení, a také aby byla zajištěna izolace SE od těla, je nutná změna konstrukce a technologie montáže, kterou lze realizovat: - vyjma stavěcího kroužku a lepeného spoje; - upevnění SE v těle akcelerometru jeho upevněním. příruba spojovacího kroužku mezi dvěma keramickými pouzdry působícími jako izolant; - použití pružiny pro zajištění stability upnutí příruby v celém rozsahu provozních teplot. Pro uvažované provedení Obr. 3.17. montážní proces by měl být realizován následovně: - v horní části těla 7 akcelerometru je instalována plochá pružina 2, na které je umístěna keramická objímka 3; - na keramickou objímku 3 nasaďte na přírubu spojovacího kroužku 2 ChE 1 a namontujte druhou keramickou objímku 5; - nainstalujte pojistnou podložku a proveďte vystředění této sestavy; - použijte kalibrovanou sílu na pojistnou podložku a proveďte její fixaci vůči tělu zařízení bodovým laserovým svařováním 9. Na Obr. 3.18. a tabulka 3.7. jsou prezentovány výsledky testování šarže zařízení (teplotní závislost nulových signálů), sestavených podle vyvinutých konstrukčních a technologických doporučení. Jak je patrné z prezentovaných dat, uvažovaný parametr má větší stabilitu jak z hlediska hodnoty závislosti na teplotě, tak i teplotní hystereze ve srovnání s obdobnou sérií zařízení montovaných starou technologií (tab. 1.3.2. A obr. 1.3.2.). Obecně se stabilita parametrů akcelerometrů (ve smyslu nulového signálu a „základny“) v důsledku implementace vypracovaných doporučení zvýšila o více než 20 %.
Vývoj kalibrační techniky pro blokový systém akcelerometrů pro vysoce přesné inerciální navigační systémy
Pro získání dokonalejší techniky kalibrace byl učiněn pokus použít v ní skalární standard, jehož hodnota nezávisí na orientaci akcelerometru. Jako takový standard bylo navrženo použít druhou mocninu modulu vektoru tíhového zrychlení, která je velmi přesně známa pro jakýkoli bod na Zemi a nezávisí na volbě souřadnicového systému.
V souvislosti s nahrazením vektorového standardu skalární metodou má technika řadu vlastností, z nichž hlavní je následující. Jak víte, pro určení vektoru v trojrozměrném prostoru je nutné změřit jeho průmět do 3 směrů, které neleží ve stejné rovině. Při použití metody by tedy měly být kalibrovány alespoň tři přístroje současně. Tato okolnost je zvláště důležitá při kalibraci akcelerometrů, například pro SINS, protože umožňuje okamžitou kalibraci triády zařízení v sestavě, kterou lze instalovat do systému bez demontáže při zachování vzájemné polohy jejich os.
Pro matematický popis techniky je nutné určit chybový model triády akcelerometrů a sestavit systém komunikačních rovnic vyjadřujících uvažované chyby zařízení prostřednictvím jejich výstupních signálů.
Při sestavování modelu chyb pro jeden akcelerometr budeme předpokládat, že v ideálním případě, kdy chyby nejsou, je jeho výstupní signál zcela určen velikostí průmětu vektoru tíhového zrychlení G do směru osa citlivosti zařízení analogicky s (4.1.1): W = M (G e ) (4.3.1) Označením skalárního součinu v (4.2.1) jako g a při zohlednění možných chyb dostaneme: W = М (8о + g + 5, g + 52 g2 + 83 g3 + 54 g4 + 55 g5 + .. .) (4.3.2) kde 5j je chybový koeficient j-tého řádu. Každý člen v závorce rovnice (4.3.2) představuje chybu odpovídajícího řádu redukovanou na vstup. Vydělením obou stran rovnice (4.2.2) modulem vektoru tíhového zrychlení a měřítkovým faktorem M dostaneme: A = Up + a + D, a + D2 a2 + D3 a3 + D4 a4 + D5 a5 + . .. (4.3 .3) kde A je výstupní signál akcelerometru v bezrozměrné podobě; a - zrychlení měřené akcelerometrem, vztaženo na G; Aj - bezrozměrný chybový koeficient j-tého stupně: Aj = 574) 1
Koeficient Do má vizuální fyzikální význam - je roven úhlu mezi vektory G a (G + 5®), pokud předpokládáme, že vektory G a 50 jsou na sebe kolmé. Proto zbytek koeficientů A, - je vhodné znázornit v úhlové míře.
Při použití této techniky je pořadí uvažovaných chybových koeficientů teoreticky neomezené, pro většinu aplikací však postačí zohlednit chyby maximálně druhého řádu. Chybové modely akcelerometrů zahrnutých do triády tedy mají tvar: Ax = A0x + ax + D1x ax + D2x ax2 Ay = Dow + ay + A 1y ay + A2y ay2 (4.3.4) Az = A0z + az + Alz az + Д2г az2 Chyby v měření vektoru zrychlení triádou akcelerometrů nejsou systémem zcela určeny (4.2.4). Pro úplný popis chyb je nutné vzít v úvahu i chyby vyplývající z možného nesouladu skutečné orientace osy citlivosti každého akcelerometru s odpovídající osou nominálního souřadnicového systému triády. 4.2.1. Uvažujme chybový model triády akcelerometrů jako celek jako metr vektoru zrychlení.
Chrabrov, Sergej Vasilievič