Štúdium charakteristík akcelerometra. Prijatie WRC na uverejnenie v „leti“ ebs spbgetu. Vývoj algoritmickej podpory
1. Účel a obsah práce
Cieľom tejto práce je študovať piezoelektrické akcelerometre a zvláštnosti ich činnosti. V procese laboratórnej práce sa študenti zoznámia s metódou určovania amplitúdových charakteristík piezoakcelerometrov a získajú praktické zručnosti pri meraní parametrov vibrácií.
Opis nastavenia laboratória
Na obr. 1 ukazuje diagram laboratórneho nastavenia.
Všetky experimenty sa vykonávajú na ladičke, vybavenej optickým systémom na priame meranie hodnoty amplitúdy posunu. Ladička je nadšená striedavým prúdom z laboratórneho autotransformátora, napájaného sieťou 220 V, 50 Hz. Oscilácie povrchu trepačky sa vyskytujú podľa harmonického zákona:
,
kde je amplitúda posunu vibrácií;
Frekvencia vibrácií ladičky, Hz.
Obr. Schéma nastavenia laboratória:
1 - trepačka ladiacej vidlice;
2 - laboratórny autotransformátor;
3 - jednotka napájania svetelnej žiarovky;
4 - skúmané senzory;
5 - elektronický voltmetr;
6 - elektronický osciloskop;
7 - generátor sínusového signálu;
8 - univerzálny most;
9 - zosilňovač náboja;
10 - sklad kontajnerov;
11 - spojovacie káble.
Zrýchlenie vibrácií povrchu, vyjadrené v jednotkách gravitačného zrýchlenia, je určené vzorcom
kde je druhý časový derivát funkcie.
Úpravou napájacieho napätia ladičky môžete hodnotu zmeniť.
Posun vibrácií sa stanoví na experimentálnom zariadení pomocou meracieho mikroskopu. Princíp činnosti merača vibračného výtlaku je vysvetlený na obr. 2a. Svetelný tok zo žiarovky vstupuje do šošovky mikroskopu. V okulári mikroskopu s pevným povrchom ladiacej vidlice je pozorovaná zvislá čiara - stopa značky nanesená na sklenený kruh s malým polomerom, pevne pripevnený k povrchu ladiacej vidlice (obr. 2b) ). Ostrosť obrazu sa nastavuje HLADNE - posunutím okulára mikroskopu v smere svetelného toku a POMALY - otáčaním okulára okolo jeho osi symetrie. Keď povrch ladiacej vidlice vibruje, obraz značky sa rozšíri do pásu (obr. 2c), ktorého šírka sa rovná dvojnásobnej amplitúde posunu vibrácií.
Ryža. 2. Princíp meracieho mikroskopu.
Na meranie signálov zo senzorov je potrebný elektronický voltmetr. Pri použití tohto zariadenia je potrebné mať na pamäti, že meria skutočnú hodnotu striedavého napätia, a preto by mala byť citlivosť stanovená podľa vzorca:
,
kde je výstupný signál zo snímača podľa hodnôt voltmetra, mV;
Amplitúda posunu vibrácií, μM;
Frekvencia vibrácií, Hz.
Aby sa znížil vplyv náhodných chýb pri určovaní citlivosti, merania sa vykonávajú raz a hodnota sa určuje podľa vzorca:
,
kde a sú hodnoty výstupného napätia a posunu vibrácií pre každé meranie.
Univerzálny mostík a merací generátor sú navrhnuté tak, aby merali kapacitu. Most sa používa v režime merania z externého zdroja energie (generátora) s frekvenciou výstupného napätia v rozmedzí 4-8 kHz.
Na monitorovanie výstupných signálov z použitých senzorov a meranie frekvencie vibrácií pomocou metódy Lissajousovho obrázku je potrebný elektronický osciloskop.
Zákazka
Laboratórna práca sa vykonáva v nasledujúcom poradí:
1. Stanovenie amplitúdových charakteristík piezoakcelerometra:
a) pripojte piezoaccerometer k milivoltmetru a zásobníku. Vystavte kontajnery v obchode;
b) zapnite vibračný stojan a odstráňte závislosť výstupného napätia od piezoakcelerometra na vibračnom posune povrchu stola. Hodnoty posunov vibrácií by sa mali monitorovať meracím mikroskopom. Výsledky merania zadajte do tabuľky. 1 (položka 1);
,
kde je frekvencia vibrácií určená metódou Lissajousovho obrázku (obr. 3).
,
stôl 1
| P / p # | , pF | magnitúdy | |||||
| μM, | |||||||
| =0 | , mV | U 11 | U 21 | U 31 | U 41 | U 51 | |
| =500 | , mV | U 12 | U 22 | U 32 | U 42 | U 52 | |
| =2500 | , mV | U 13 | U 23 | U 33 | U 43 | U 53 | |
| =10000 | , mV | U 14 | U 24 | U 34 | U 44 | U 54 |
Obr. Schéma merania frekvencie metódou Lissajousovho obrázku:
1 - elektronický osciloskop;
2 - merací generátor.
2. Výpočet amplitúdovo-frekvenčných charakteristík piezoakcelerometra v nízkofrekvenčnej oblasti:
a) zapojte kábel z testovaného prevodníka na vstup univerzálneho mostíka a zmerajte hodnoty na frekvencii 4-8 kHz;
,
kde je frekvencia napätia napájajúceho most;
;
.
3. Stanovenie dolnej medznej frekvencie frekvenčného rozsahu piezoelektrického meniča na základe stavu
,
kde je relatívna chyba charakteristiky amplitúdovej frekvencie pri medznej frekvencii.
Prijať rovnako (podľa pokynov učiteľa) 0,02; 0,03; 0,05.
4. Stanovenie vplyvu kapacity káblového vedenia na amplitúdovú a frekvenčnú odozvu piezoakcelerometra:
.
Hodnoty a sú prevzaté z údajov bodov 1c), 2a) a 2b);
b) nastavte vypočítanú hodnotu kapacity v sklade kontajnerov a zopakujte postup na získanie amplitúdovej charakteristiky piezoakcelerometra pri kapacitnom zaťažení = 2500 pF, = 10 000 pF. Výsledky meraní sú zhrnuté v tabuľke 1 (položka 3, respektíve položka 4).
5. Vynesenie charakteristík amplitúdy pri rôznych hodnotách kapacitného zaťaženia:
a) charakteristiky amplitúdy sú aproximované lineárnymi závislosťami formy
( =1,2,3,4,5; =1,2,3,4)
b) vykreslite zvyšok výsledkov merania do rovnakých grafov.
6. Konštrukcia grafov amplitúdovo-frekvenčných charakteristík pri rôznych zaťažovacích kapacitách a podľa danej hodnoty stanovenie dolnej medznej frekvencie pre každý prípad.
7. Stanovenie amplitúdovej charakteristiky systému „piezoakcelerometer - zosilňovač náboja“:
a) zostavte schému systému (obr. 4);
Obr. Schéma systému "senzor - nabíjací zosilňovač":
1- senzor;
2- sklad kontajnerov;
3- zosilňovač nabíjania;
4- univerzálny voltmetr.
b) pre každú hodnotu kapacity zaťaženia určte citlivosť systému podľa metódy popísanej v odsekoch 1b) a 1d). Výsledky meraní sú zhrnuté v tabuľke 2;
c) zostavte grafy amplitúdových charakteristík systému
pri rôznych hodnotách kapacitného zaťaženia.
8. Vynesenie závislosti citlivosti piezoakcelerometra od kapacitného zaťaženia podľa údajov v tabuľke 1 a závislosti citlivosti systému od kapacitného zaťaženia podľa údajov v tabuľke 2.
tabuľka 2
| P / p # | , pF | magnitúdy | |||||
| μM, | |||||||
| =0 | , mV | U 11 | U 21 | U 31 | U 41 | U 51 | |
| =2500 | , mV | U 12 | U 22 | U 32 | U 42 | U 52 | |
| =10000 | , mV | U 13 | U 23 | U 33 | U 43 | U 53 |
9. Výpočet chyby pri určovaní citlivosti snímača a systému podľa nasledujúcej metódy:
Záver
Výsledkom bakalárskej práce je vytvorenie siedmich laboratórnych prác: laboratórna práca č. 20 „Vyšetrovanie drôtových tenzometrov a ich spínacích obvodov“; laboratórna práca č. 21 „Meniče reostatu“; laboratórna práca č. 22 „Tepelné odporové meniče“; laboratórna práca č. 23 „Meracie obvody termistorov“; laboratórna práca č. 24 „Termoelektrické meniče“; laboratórna práca č. 25 „Indukčný impulzový tachometer“; laboratórna práca č. 26 „Výskum piezoelektrického akcelerometra“.
Každá práca obsahuje princíp činnosti, všeobecné technické informácie, schémy experimentálneho usporiadania, metodiku vykonávania experimentov a popis laboratórneho nastavenia, metódy výpočtu fyzických parametrov, ako aj postup vykonávania práce a obsah. správy.
Popisy týchto prác uspokojujú úroveň prípravy študentov 2 NS - 3NS kurzy a stánky zodpovedajú podmienkam laboratórií MSUL.
Literatúra
1. "Senzory termofyzikálnych a mechanických parametrov". Príručka v troch zväzkoch. Zv. 1 (kniha 1) / Pod celkovým počtom. vyd. Y. N. Kopteva; Ed. E.E.Bagdatieva, A.V.Gorisha, Ya.V.Malkova. - M.: IPRZhR, 1998.
2. "Primárne prevodníky telemetrických systémov". Laboratórna dielňa. E.E. Bagdatiev, V.E. Nikolaev, V.N. Gilevsky. - M.: 1986.
3. Metodické pokyny k laboratórnym prácam v disciplíne „Primárne prevodníky telemetrických systémov“. E. E. Bagdatiev, A. R. Glushko. - M.: 1987.
Popis: MINISTERSTVO ODBORU RUSKA Federálny štátny autonómny vzdelávací systém "Južná federálna univerzita" Ústav vysokých technológií a piezotechniky Katedra informačných a meracích technológií Sizyakin Stanislav Leonidovich Vývoj algoritmu na skúmanie chýb MEMS akcelerometer
KVALIFIKÁCIA ABSOLVENTA Supervízor - Rostov na Done-2016 ANOTÁCIA. 3 ESSAY. 4 ÚVOD 5-6 KAPITOLA 1. TEORETICKÁ ČASŤ. 7-28 1.1. Formalizácia úloh pri štúdiu chýb v akcelerometri MEMS 7-16 1.2. Charakteristiky chýb akcelerometra MEMS a ich klasifikácia. 17-21 1.3. Analýza metód na vyšetrenie chýb senzorov MEMS. 22-25 1.4. Experimentálne nastavenie. 25-26 KAPITOLA 2. PRAKTICKÁ ČASŤ. 29-44 2.1. Statický testovací režim pre akcelerometre. 29-31 2.2. Vývoj algoritmickej podpory. 32-37 2.3 Vývoj softvérového algoritmu. 37-39 ZÁVER. 40 ODKAZY .. 47 DODATOK A .. 42 DODATOK B .. 43-46 ANOTÁCIA Práca obsahuje 47 strán písaného textu, 17 kresieb, 4 tabuľky. Táto práca sa zaoberá vývojom algoritmu a softvéru na štúdium štatistických chýb v akcelerometri MEMS. Ako súčasť úlohy bola zvážená statická metóda na vyšetrenie chýb akcelerometra LSM303DLH MEMS. Skúmali sa aj štatistické chyby tohto senzora. Na vyriešenie problému boli implementované algoritmy a softvér na prácu so štatistickými chybami. ESSAY V diplomovej práci bola vykonaná štúdia štatistických chýb akcelerometrov MEMS, bol vyvinutý algoritmus a softvér na vyšetrenie chýb akcelerometrov typu LSM303DLH. Práca pozostáva z dvoch kapitol. Prvá kapitola prináša všeobecné teoretické informácie, analyzuje metódy skúmania chýb senzorov a analyzuje charakteristiky štatistických chýb v akcelerometroch MEMS. Druhá kapitola predstavuje výsledky syntézy algoritmických a softvérových modelov na modelovanie a štúdium štatistických chýb akcelerometrov MEMS LSM303DLH. Je popísané experimentálne usporiadanie, sú prezentované výsledky výskumu - získané hodnoty štandardnej odchýlky, matematické očakávania, kovariancia, korelácia, testovanie hypotézy o normálnosti hluku akcelerometra podľa Pearsonovho kritéria. ÚVOD V súčasnej fáze aktívneho zlepšovania mikroelektroniky sa rozšíril vývoj mikroelektromechanických systémov, ktoré sa v skratke nazývajú MEMS. Anglický ekvivalent tohto výrazu je kombinácia „Micro ElectroMechanical Systems“ (MEMS). MEMS (mikroelektromechanické systémy) sú technológie a zariadenia, ktoré kombinujú mikroelektronické a mikromechanické súčiastky. Zariadenia MEMS sa obvykle vyrábajú na kremíkovej doske pomocou technológie mikroobrábania podobnej technológii jednočipových integrovaných obvodov. Typické rozmery pre nemikromechanické prvky sa pohybujú od 1 mikrometra do 100 mikrometrov, zatiaľ čo veľkosti čipov MEMS sa pohybujú od 20 mikrometrov do jedného milimetra. Cieľom tejto práce je vyvinúť algoritmus a softvér na štúdium štatistických chýb akcelerometra LSM303DLH. Hlavným účelom akcelerometra je poskytnúť informácie o aktuálnom zrýchlení zariadenia, respektíve rozdiele medzi zrýchlením zariadenia a gravitačným zrýchlením. V pokojnom stave sa hodnoty senzora zhodujú s vektorom gravitačnej akcelerácie. V podmienkach beztiaže je skutočné zrýchlenie predmetu spôsobené iba gravitačnou silou, a preto sa presne rovná gravitačnému zrýchleniu. Neexistuje teda žiadne zjavné zrýchlenie a hodnoty akéhokoľvek akcelerometra sú nulové. Akcelerometre patria do triedy inerciálnych senzorov, ktorých záber je veľmi široký: od mobilných telefónov a tabletových počítačov (jednou z úloh je zaistiť otáčanie displeja) až po malé inerciálne navigačné systémy s pripájacím popruhom integrované so satelitnými navigačnými systémami, ktoré poskytujú stanovenie orientačných parametrov a súradníc mobilných lietadiel, pozemných, povrchových a podvodných objektov. Predmetom výskumu je štúdium štatistických chýb snímača MEMS (mikromechanický akcelerometer LSM303DLH). V priebehu práce algoritmický vývoj štúdia takých parametrov, akými sú štandardná odchýlka, matematické očakávania, kovariancia, korelácia, testovanie hypotézy o normálnosti rozloženia všeobecnej populácie podľa Pearsonovho kritéria vhodnosti je predstavený. Software bol vytvorený v softvérovom prostredí Delfi 7.0 na výpočet týchto parametrov a zobrazenie grafov hodnôt akcelerometra, matematických očakávaní pozdĺž osi x, osi y, osi z, frekvenčných histogramov na vzorkovanie pozorovaných hodnôt pri testovaní hypotézy pre normálne rozloženie všeobecnej populácie podľa Pearsonovho kritéria dobroty. KAPITOLA 1. TEORETICKÁ ČASŤ 1.1
Formalizácia úloh pri štúdiu chýb akcelerometra MEMS Predmetom výskumu je mikroelektromechanický (MEMS) trojosový akcelerometer LSM303DLH v kombinácii s trojosovým senzorom magnetického poľa. Cieľom práce je študovať chyby tohto akcelerometra, vytvoriť algoritmus a softvér na určovanie štatistických chýb senzora. Predmetom výskumu sú metódy a algoritmy na určovanie chýb akcelerometra MEMS LSM303DLH Obrázok 1 - Trojosový akcelerometer LSM303DLH Princíp činnosti pohybových senzorov (akcelerometre a gyroskopy) je založený na meraní posunu zotrvačnej hmoty vzhľadom na teleso a jeho premene na proporcionálny elektrický signál. Kapacitná metóda prepočtu nameraného výtlaku je najpresnejšia a najspoľahlivejšia, preto sa široko používajú kapacitné akcelerometre. Štruktúra kapacitného akcelerometra pozostáva z rôznych dosiek, z ktorých niektoré sú nehybné, zatiaľ čo iné sa voľne pohybujú vo vnútri krytu. Kapacity sú zahrnuté v obvode rezonančného generátora. Zavesená hmotnosť osciluje pôsobením použitých riadiacich elektrických signálov. Medzi doskami je vytvorený kondenzátor, ktorého kapacita závisí od vzdialenosti medzi nimi. Pod vplyvom akceleračnej sily sa zmení kapacita kondenzátora. Obrázok 2 ukazuje topológiu senzora MEMS. Obrázok 2 - Topológia akcelerometra MEMS Hlavnou konštrukčnou jednotkou mikroelektromechanických akcelerometrov je snímací prvok, ktorého schematické diagramy sú znázornené na obrázku 2. Snímací prvok (SE) obsahuje zotrvačnú hmotnosť (IM) - 1, elastické prvky podhmotnosti - 2, nosný rám - 3 Obrázok 3 - typy akcelerometrov SE Schematický diagram akcelerometra MEMS 1 - IM, 2 - pevné elektródy, 3 - kotva, 4 - pohyblivé elektródy, 5 - rám, 6 - elastický závesný prvok, 7 - základňa (telo) Zotrvačná hmotnosť (IM) je namontovaná v určitej vzdialenosti od základne (tela) pomocou dvoch párov elastických prvkov, zavesenia a kotiev. MI sa pohybuje v súlade s nameraným zrýchlením α. Merač kapacitného výtlaku je tvorený hrebeňovými štruktúrami elektród, z ktorých pohyblivé elektródy tvoria s MI jednu štruktúru a pevné, spojené rámom, sú upevnené základňou (telom). Hlavnými dôvodmi chyby merania akcelerometra MEMS sú teplota, vibrácie a krížové zrýchlenie. Zmena teploty okolia vedie k zmene hodnoty dielektrickej konštanty ε, medzery medzi kyvadlovou doskou a krytmi. Pri pôsobení krížového zrýchlenia dochádza k ďalšej deformácii elastických prvkov zavesenia a zodpovedajúcemu pohybu kyvadla. Pohyby kyvadla pozdĺž osi y sa zhodujú so smerom osi citlivosti a sú kompenzované snímačom krútiaceho momentu, t.j. chyby nie sú zavedené. Pohyby kyvadla pozdĺž osi z vzhľadom na pevné elektródy snímača posunu menia účinnú oblasť prekrytia elektród a bez vykonania konštruktívnych opatrení môžu viesť k náhodnej chybe. Tejto chybe sa zabráni zvýšením plochy elektród na krytoch. Najdôležitejšími parametrami akcelerometra sú rozsah meraných zrýchlení, citlivosť, zvyčajne vyjadrená ako pomer signálu vo voltoch k zrýchleniu, nelinearita v percentách plného rozsahu, hluk, teplotné odchýlky od nuly (offset) a citlivosť. Vďaka týmto vlastnostiam našli svoje uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach: vojenské a civilné letectvo; automobilový priemysel; letecké prístroje; robotické; vojenský priemysel; ropný a plynárenský priemysel; šport; medicína. V mnohých prípadoch je základnou charakteristikou vlastná frekvencia kmitov senzora alebo rezonančná frekvencia, ktorá určuje prevádzkové frekvenčné pásmo senzora. Vo väčšine aplikácií je dôležitý teplotný rozsah a maximálne dovolené preťaženie - charakteristiky súvisiace s prevádzkovými podmienkami snímačov. Definujúce parametre ovplyvňujúce presnosť určenia zrýchlenia sú nulové a odchýlky citlivosti (hlavne teplota), ako aj hluk senzora, ktoré obmedzujú prah rozlíšenia zariadenia. Citlivosť senzora závisí od rezonančnej frekvencie mechanického subsystému, ako aj od kvality elektronického prevodníka. Zmena citlivosti s teplotou je spojená predovšetkým so zmenou koeficientu elasticity. Teplotný posun nuly je spôsobený zmenou koeficientu pružnosti, tepelnej rozťažnosti a technologickými chybami pri výrobe snímača. Zmena parametrov elektronickej časti senzora pod vplyvom teploty je spravidla oveľa menšia. Pretože akcelerometer meria zrýchlenie alebo silu spôsobujúcu zrýchlenie zotrvačnej hmotnosti, fyzikálny model akcelerometra je zotrvačná hmotnosť zavesená pružinou upevnenou v nehybnom telese - jednoduchý systém s jedným stupňom voľnosti x v smere meracia os. Zotrvačná hmotnosť získava zrýchlenie pôsobením akceleračnej sily (výsledná sila zotrvačnosti pôsobením zrýchlenia), ktoré je úmerné hmotnosti m a zrýchleniu a. Spektrálna hustota výkonu (hustota šumu, µ g/ √Hz rms) vo fyzike a spracovaní signálu - funkcia, ktorá popisuje distribúciu výkonu signálu v závislosti od frekvencie, to znamená výkonu na jednotku frekvenčného intervalu. Tento termín sa často používa na opis spektrálnej sily tokov elektromagnetického žiarenia alebo iných vibrácií v kontinuálnom médiu, napríklad v akustickom. V tomto prípade sa rozumie výkon na jednotku frekvencie na jednotku plochy, napríklad: W / Hz / m 2. Hlavné charakteristiky akcelerometra LSM303DLH sú uvedené v tabuľke 1: Tabuľka 1 - Hlavné charakteristiky akcelerometra LSM303DLH Obrázok 5 - Blokový diagram akcelerometra LSM303DLH Obrázok 6 - Umiestnenie kolíkov akcelerometra LSM303DLH
inštitúcia vyššieho vzdelávania
BAKALÁRSKE PRÁCE
v smere 200100 - Prístrojové vybavenie
Dr. Tech. Sci., Doc., Shcherban Igor Vasilievich
Tabuľka 2 - Účel kolíkov akcelerometra LSM303DLH
Obrázok 7 - Štruktúra systému na spracovanie pohybu
Obrázok 8 - Bloková schéma modulu LSM303DLH
Mikroelektromechanické (MEMS) snímače majú malú hmotnosť a veľkosť, nízku spotrebu energie a náklady a sú vysoko odolné voči preťaženiu a otrasom. Ich hlavnou nevýhodou je relatívne nízka presnosť. Táto skutočnosť je primárne spôsobená zásadným nedostatkom dnešných adekvátnych a vhodných na použitie v dlhých časových intervaloch na zamýšľané použitie matematických modelov chýb takýchto senzorov.
Najpopulárnejšími aplikáciami v odvetví MEMS sú mikromechanické gyroskopy a akcelerometre. Ich hlavnými technickými charakteristikami sú dynamický rozsah, citlivosť, frekvenčná odozva, charakteristiky hlukových zložiek. Počas kalibrácií sú mikroobvody upevnené s dostatočnou presnosťou na sklopno-otočnom stole, čo umožní správne orientovať osi akcelerometrov vzhľadom na zemskú os a v dôsledku toho určiť ich systematické chyby. Implementuje sa aj možnosť výpočtu koeficientov vplyvu teploty a napájacieho napätia na hlavnú systematickú chybu, ktorá je pre tieto snímače obzvlášť charakteristická. Vývoj MEMS je založený na mikroelektronickej technológii, ktorá sa používa takmer vo všetkých výrobkoch na báze kremíka.
Využitie technológií MEMS v moderných elektronických systémoch môže výrazne zvýšiť ich funkčnosť. Vývojári zariadení MEMS pomocou technologických postupov, ktoré sa takmer nelíšia od výroby kremíkových mikroobvodov, vytvárajú miniatúrne mechanické štruktúry, ktoré môžu interagovať s prostredím a pôsobiť ako senzory, ktoré prenášajú náraz do elektronického obvodu, ktorý je s nimi integrovaný. Senzory sú najbežnejším využitím technológie MEMS: používajú sa v gyroskopoch, akcelerometroch, tlakomeroch a ďalších zariadeniach. V dnešnej dobe takmer všetky moderné autá používajú na aktiváciu airbagov akcelerometre MEMS uvedené vyššie. Mikroelektromechanické snímače tlaku sú široko používané v automobilovom a leteckom priemysle. Gyroskopy sa používajú v rôznych zariadeniach, od sofistikovaného navigačného vybavenia vesmírnych lodí až po joysticky pre počítačové hry. Na výrobu displejov a optických spínačov sa používajú zariadenia MEMS s mikroskopickými zrkadlami
S nástupom mikroelektromechanických systémov (MEMS) prešli inerciálne snímače výrazným vývojom. Výhody, ako sú nízke náklady, nízka spotreba energie, malé rozmery a schopnosť vyrábať dávkovou technológiou, umožnili inertným snímačom MEMS dosiahnuť široké spektrum aplikácií na automobilovom, počítačovom a navigačnom trhu.
Na rozdiel od tradičnej technológie sú mikroakcelerometre leptané pomocou špecializovaných techník, ktoré kombinujú mechanické mikroobrábanie polysilikónového povrchu a technológiu elektronických obvodov.
1.2. Charakteristika chýb akcelerometra MEMS a ich klasifikácia
Charakteristikou mikromechanických akcelerometrov je prevládajúca výroba citlivých prvkov týchto zariadení z materiálov na báze kremíkovej technológie, ktorá určuje: malé rozmery a hmotnosť akcelerometra, možnosť použitia technológie skupinovej výroby a v dôsledku toho nízke náklady na hromadnú výrobu, vysoká prevádzková spoľahlivosť.
Jednou z hlavných príčin chyby merania mikromechanického akcelerometra je zmena teploty okolia. Dodatočné posunutie nuly kvôli kolísaniu teploty okolia:
kde k T je tepelný posun nulových posunov akcelerometra; ∆T je zmena teploty počas testu, T je rýchlosť zmeny teploty;
t je čas testu.
Je známe, že presnosť merania je obmedzená nielen systematickou chybou, ale aj spektrálnym zložením hluku merania. Napríklad pri meraní senzorov MEMS existuje šum pri blikaní, ktorý zafarbuje hluk merania.
Flicker noise (nadmerný šum) - anomálne výkyvy, ktoré sú charakterizované nepriamo úmernou závislosťou spektrálnej hustoty výkonu od frekvencie, na rozdiel od bieleho šumu, v ktorom je spektrálna hustota konštantná. Flicker šum bol objavený ako pomalá, chaotická zmena termionickej emisie z katód elektronických elektrónok, nazývaná „efekt blikania“. Následne boli fluktuácie s rovnakými vlastnosťami zistené v rôznych fyzikálnochemických, biologických a dokonca sociálnych systémoch. V súčasnej dobe sa na označenie anomálnych výkyvov v komplexných systémoch používa termín „hluk blikania“ spolu s menej pohodlným, ale primeranejším pojmom „1 / f šum“ a pojmom „makrofluktuácie“. Typ šumu blikania je impulzívny (výbušný) šum pozorovaný v polovodičoch: postupné zmeny úrovne signálu s náhodne rozloženými časovými intervalmi medzi zmenami úrovne. Jeho výkonová spektrálna hustota sa zvyšuje s klesajúcou frekvenciou, obmedzuje možnosť zvýšenia presnosti spriemerovaním a neumožňuje znížiť náhodnú zložku chyby na nulu. Okrem toho v digitálnych snímačoch vždy dochádza k rušeniu hodinovej frekvencie, čo tiež dáva farbu bielemu šumu.
Akcelerometre, podobne ako gyroskopy, trpia posunom posunutia a posunutia, chybným vyrovnaním, odchýlkami teploty a zrýchlenia, nelinearitou (nazývanou chyba VRE) a posunom citlivosti. Najdôležitejšími charakteristikami akcelerometrov pre ich porovnávaciu analýzu sú zdvihový objem a jeho drift, nestabilita posunu a hluk. Do úvahy je možné vziať aj posun citlivosti, nelineárny koeficient VRE a ďalšie parametre.
Akýkoľvek posun akcelerometra pri absencii dvojitého integračného zrýchlenia spôsobuje chybu rýchlosti úmernú času integrácie a chybu vo vypočítanej polohe, ktorá kvadraticky rastie s časom. Nekontrolovaný posun nuly spôsobí posunutie vektora zrýchlenia vzhľadom na jeho skutočný smer, a to platí nielen pre snímače lineárneho zrýchlenia, ale aj pre gravitačné zrýchlenie, ktoré je potrebné odpočítať od celkového výkonu akcelerometra. V inerciálnych navigačných systémoch posun posunu akcelerometra významne prispieva k chybe pri výpočte rýchlosti a polohy. Pri meraní orientácie sú najvýznamnejšie uhlové chyby pri výpočte svahov v pozdĺžnom a priečnom smere.
Nestálosť predpätia senzora je náhodná variácia odchýlky vypočítaná za určený časový interval ako priemerné hodnoty. Tento parameter sa vypočíta pomocou Allanovej metódy pre stacionárny snímač. Ako sa priemerný čas zvyšuje, výstupný hluk klesá a sklon dosahuje svoj minimálny bod a potom sa opäť zvyšuje. Minimálny bod na Allanovej krivke je nestabilita predpätia uvedená v špecifikáciách akcelerometrov v mg alebo μg. Čím nižšia je hodnota tohto parametra, tým menšia je chyba vo výpočte.
rýchlosť, poloha a orientácia. Nestabilita posunu akcelerometra vo väčšine špecifikácií je výrobcom definovaná ako najlepší výkon dosiahnutý v laboratórnych podmienkach (pri 20 ° C a bez mechanického namáhania). Offsetová stabilita v skutočnosti
podmienky predstavuje maximálny drift zvyškovej chyby posunu po kompenzácii účinkov vonkajších faktorov - teploty, šoku, vibrácií, starnutia.
Ako bolo uvedené vyššie, MEMS je rozdelený do dvoch typov: senzory a akčné členy. Jedným z najpoužívanejších typov senzorov sú snímače pohybu, ktoré sú zase rozdelené na akcelerometre (senzory zrýchlenia) a gyroskopy (snímače rotácie). Využitie týchto zariadení je v dnešnej dobe veľmi široké: telefóny, komunikátory, herné konzoly, fotoaparáty a notebooky sú čím ďalej tým viac vybavené takýmito senzormi. V mobilných telefónoch a set-top boxoch slúži pohybová citlivosť používateľa predovšetkým na zábavu. V prenosných počítačoch však akcelerometre vykonávajú veľmi užitočnú funkciu: zachytávajú okamih, kedy môže dôjsť k poškodeniu pevného disku v dôsledku otrasov, a zaparkujú hlavy diskov. Vo fotografickom vybavení nie je používanie pohybových senzorov nemenej dôležité - práve na ich základe fungujú poctivé systémy stabilizácie obrazu.
Výrobcovia automobilov (z bežných priemyselných odvetví boli prví, ktorí testovali tento druh zariadenia) aktívne používajú pohybové senzory niekoľko desaťročí, napríklad v airbagoch a protiblokovacích brzdových systémoch. Zodpovedajúce čipy sú teda dlho vyvíjané, vyrábané mnohými veľkými a relatívne malými spoločnosťami a vyrábané v takom množstve, že ceny sú už dlho spoľahlivo znížené na minimum. Typický akcelerometer MEMS dnes stojí niekoľko dolárov za kus.
V prípade zrýchlenia je hmotnosť posunutá vzhľadom na stacionárnu časť akcelerometra. Doska kondenzátora pripevnená k závažiu je posunutá vzhľadom na dosku na stacionárnej časti. Kapacita sa mení, pri konštantnom nabití sa mení napätie - túto zmenu je možné zmerať a vypočítať posunutie hmotnosti. Preto je pri znalosti parametrov hmotnosti a zavesenia ľahké nájsť požadované zrýchlenie. V praxi sú akcelerometre MEMS navrhnuté tak, že nie je také ľahké oddeliť navzájom od seba súčiastky - závažie, zavesenie, puzdro a kondenzátorové dosky. Elegancia MEMS v skutočnosti spočíva v tom, že vo väčšine prípadov je v jednom detaile (alebo skôr je to jednoducho nevyhnutné) kombinovať niekoľko predmetov naraz.
Architektonicky sa zariadenie MEMS skladá z niekoľkých interagujúcich mechanických komponentov a mikroprocesora, ktorý spracováva údaje prijaté z týchto komponentov.
Pokiaľ ide o technológie na výrobu MEMS, existuje niekoľko základných prístupov. Ide o volumetrické mikroobrábanie, povrchové mikroobrábanie, technológiu LIGA (Litographie, Galvanoformung a Abformung) - litografia, galvanické pokovovanie, tvárnenie) a hlboké reaktívne leptanie iónov. Hromadné spracovanie je považované za nákladovo najefektívnejší spôsob výroby MEMS. Jeho podstata spočíva v tom, že nepotrebné časti materiálu sú zo silikónovej oblátky odstránené chemickým leptaním, v dôsledku čoho na oblátke zostanú len potrebné mechanizmy. Hlboko reaktívne iónové leptanie takmer úplne opakuje hromadný proces mikroobrábania, okrem toho, že na vytvorenie mechanizmov sa namiesto chemického leptania používa plazmové leptanie. Presným opakom týchto dvoch procesov je proces povrchového mikroobrábania, pri ktorom sa postupné nanášanie tenkých filmov „pestujú“ potrebné mechanizmy na kremíkovej doske. Nakoniec technológia LIGA používa röntgenovú litografiu na vytvorenie mechanizmov, ktoré sú oveľa vyššie ako šírka.
1.3. Analýza metód na vyšetrenie chýb senzorov MEMS
Chyba merania - odchýlka výsledku merania od skutočnej hodnoty nameranej hodnoty. Metódy na identifikáciu a hodnotenie chýb možno rozdeliť na analytické (teoretické) a experimentálne. V niektorých prípadoch sa používajú zmiešané metódy (kombinujúce teoretické a experimentálne). Odhady chýb pre typické merania sa zvyčajne dajú nájsť v informačných zdrojoch.
Analytické metódy na identifikáciu a hodnotenie chýb sú založené na funkčnej analýze meracej techniky. Aplikácii metód na identifikáciu a hodnotenie chýb spravidla predchádza hypotéza o prítomnosti chýb z konkrétneho zdroja vrátane:
- inštrumentálne chyby,
- metodické chyby,
- chyby v dôsledku rozdielov v podmienkach od bežných
- subjektívne chyby.
Analytické metódy sa najčastejšie používajú na výpočet inštrumentálnych a metodických zložiek chýb, ako aj chýb v dôsledku rozdielu medzi podmienkami merania a normálnymi. Na výpočty sú postavené špeciálne modely.
Medzi inštrumentálne chyby patria všetky chyby meracích prístrojov a pomocných zariadení: chyby zariadenia, chyby meradiel použitých na jeho nastavenie, chyby zariadení, ktoré zakladajú zariadenia na lineárne uhlové merania, spojovacie vodiče na pripojenie elektrických meracích prístrojov atď. Analytické výpočty presnosti meracích prístrojov sa vykonávajú s cieľom posúdiť ich teoretické chyby a prípustné technologické chyby pri výrobe a montáži dielov, ktoré sú povinnými súčasťami návrhu.
Chyby spôsobené nedodržaním bežných podmienok merania sú spôsobené vplyvom akejkoľvek ovplyvňujúcej fyzikálnej veličiny na meraný objekt a meracie prístroje, ktorá presahuje rozsah normalizovaných hodnôt. Teplota, elektromagnetické a iné polia, atmosférický tlak, nadmerná vlhkosť, vibrácie a mnoho ďalších faktorov môžu viesť k skresleniu nameranej hodnoty a / alebo informácií o nej.
Na posúdenie chyby „podmienok“ vo všeobecnom prípade by sa mal vziať do úvahy vplyv ovplyvňujúcich veličín na meracie prístroje a na merané objekty. Na výpočet vplyvu ovplyvňujúcej veličiny ψ na výsledok merania je potrebné poznať funkciu f (ψ) zmeny nameranej fyzikálnej veličiny a / alebo signálu meracieho prístroja pri argumente (ovplyvňujúca veličina ψ) sa zmení a hodnota argumentu ψ. Napríklad zmena lineárneho rozmeru (priemer alebo výška meranej časti) pod vplyvom teploty odlišnej od normálnej je zvyčajne spojená s takzvaným „tyčovým modelom“ a vypočítava sa pomocou elementárnej závislosti.
kde Δl je prírastok dĺžky (kladný alebo záporný);
α je teplotný koeficient lineárnej expanzie;
- teplota počas merania;
- nominálna hodnota normálnej teploty počas merania.
Na posúdenie vplyvu teploty na meracie prístroje je potrebné analyzovať vplyv teploty na merací obvod, identifikovať prvky, ktorých vplyv povedie k narušeniu funkcie konverzie merania, a určiť povahu skreslenia. . Táto cesta sa často ukazuje ako neproduktívna, pretože na zostavenie analytického modelu komplexného meracieho prístroja musíte stanoviť mnoho predpokladov, pričom nie vždy je možné zaistiť ich dostatočnú prísnosť. Experimentálny odhad chýb sa používa častejšie.
Metodologické chyby vznikajú v dôsledku teoretických predpokladov a zjednodušení prijatých počas merania alebo spracovania výsledkov, ako aj v dôsledku rozporu medzi skutočným predmetom merania a prijatým modelom. Odhad metodickej chyby je možné zvážiť na príklade merania hmotnosti predmetu vážením (metóda porovnania s mierou) na dvojramennej váhe. Na to je potrebné zostaviť model vyvažovania s prihliadnutím na archimédske sily, ktoré sú spôsobené výtlakom vzduchu ako predmetom merania, tak aj hmotnosťou. Chyby spôsobené nezrovnalosťou medzi skutočným meraným objektom a prijatým modelom je možné zvážiť pomocou príkladov meraní dĺžky, hustoty, teploty a ďalších fyzikálnych veličín. Pri meraní priemeru súčiastky pomocou meracej hlavy na stojane môžu byť metodické chyby spôsobené nedokonalým tvarom nominálne valcovej plochy. Metodická chyba pri meraní sedlovej časti je približne rovnaká ako odchýlka generátora od priamosti.
Subjektívne chyby môžu zahŕňať chyby v čítaní výsledku a chyby pri manipulácii s meradlami a meraným predmetom (zariadenia na zarovnávanie, nastavovanie a opravu nuly, blokovanie, zakladanie nákladného listu alebo súčiastky na obrábacom stroji). Na odhad chýb pri čítaní výsledkov z analógových zariadení je možné zostaviť geometrický model tvorby chýb spôsobených paralaxou (ak sa roviny mierky a ukazovateľa nezhodujú), ako aj modely zaoblenia alebo interpolácia zlomkovej časti delenia. Elementárny model zaokrúhľovania údajov v polohe ukazovateľa medzi značkami stupnice ukazuje, že v najhoršom prípade (poloha ukazovateľa je presne v strede) chyba zaokrúhľovania nepresiahne polovicu hodnoty delenia (j) analógovej prístrojovej stupnice a pri interpolácii zlomkovej časti delenia „od oka“ to bude ešte menej. V druhom prípade je prísnejší analytický odhad nemožný; chyba interpolácie sa preto odhaduje experimentálnymi metódami alebo sa požičiava z informačných zdrojov.
Úroveň úplnosti identifikácie a hodnotenia zložiek chýb závisí od prijatých informácií a môže sa líšiť od hodnotenia na stupnici mien až po hodnotenie na škále vzťahov. Príkladmi kvalitatívnych hodnotení na škále pomenovaní môže byť tvrdenie o prítomnosti chyby vyplývajúcej z určitých dôvodov, záver o povahe chyby („systematická konštantná chyba dĺžky objektu, keď sa jeho teplota líši od normálu“ alebo „progresívna chyba, keď sa teplota objektu monotónne mení“). Použitie stupnice poradia môže byť vyjadrené napríklad v odhadoch hladiny významnosti: zložky chyby druhého rádu maličkosti sú považované za zanedbateľné. Najvyššou úrovňou odhadov chýb bude získanie ich číselných hodnôt.
Hladina hluku akcelerometra je prahová hodnota hluku, ktorá nesúvisí s vonkajšími vplyvmi vo forme minimálneho výstupu senzora, rozlíšiteľného od hluku pozadia. Hustota šumu akcelerometra je špecifikovaná v rms mg / √ Hz a charakterizuje výstupný biely šum pre dané frekvenčné pásmo. Hluk akcelerometra negatívne ovplyvňuje minimálnu prípustnú výšku a uhol náklonu a výrazne ovplyvňuje presnosť výpočtov rýchlosti a polohy.
Chyba citlivosti je pomer chyby výstupu ako odchýlky od priamky k plnému vstupnému rozsahu a je vyjadrený v ppm (časti permillion). Chyba citlivosti nie je pre výkon akcelerometra taká výrazná, najmä v širokom rozsahu vstupného zrýchlenia. Drift vibračného posunu v dôsledku nelinearity sa nazýva chyba korekcie vibrácií (VRE) a je veľmi dôležitou charakteristikou pre zotrvačnú navigáciu. V špecifikáciách akcelerometra je VRE vyjadrený ako koeficient nelinearity druhého rádu, meraný v μg / g 2.
1.4. Experimentálne nastavenie
Hardvérová časť implementovaného komplexu obsahuje otočný otočný stôl (PTS) (foto na obrázku 9), prevodník výstupných signálov z digitálnych výstupov mikroobvodov LSM303DLH a L3G4200D na protokol UART 2.0 (foto na obrázku 11) a počítač.
NPS vám umožňuje nastaviť požadovanú orientáciu osí citlivosti senzorov voči rovine horizontu s presnosťou na 3 uhly. min. Uvedená presnosť je na kalibráciu chýb senzora celkom dostačujúca, pretože maximálna chyba v priestorovej orientácii čerpacej stanice je 3 uhlové. min určuje inštrumentálnu chybu pri meraní gravitačného zrýchlenia rádovo 10-6 m / s 2.
Obrázok 9 - Otočný otočný stôl
Obrázok 10 - Konvertor výstupných signálov mikroobvodov MEMS
do formátu UART
Obrázok 11 - Skúšky navrhnutých ISS SINS (vpravo) na čerpacej stanici
Softvérová časť komplexu je implementovaná v Delphi 7.0. Program poskytuje vyhľadávanie informácií z informačných výstupov mikroobvodov, preklad digitálnych kódov do fyzických veličín, záznam dát do dátových súborov a ich štatistické spracovanie.
KAPITOLA 2. PRAKTICKÁ ČASŤ
2.1 Režim statického testu pre akcelerometre.
Na statickú kalibráciu akcelerometrov existujú nasledujúce metódy.
Štandardnou testovacou metódou je metóda rotácií v gravitačnom poli Zeme. Táto metóda je najbežnejšia kvôli jednoduchosti jej implementácie. Meracia os akcelerometra by mala smerovať pozdĺž zložky gravitačného zrýchlenia. Za týmto účelom zaistite, aby meracia os akcelerometra bola umiestnená pod určitým uhlom λ k miestnej vertikále. Tu OSξηζ je geografický súradnicový systém, OSξ je miestny vertikála. Ideálne je zrýchlenie pozdĺž meracej osi. Na implementáciu tejto metódy je potrebné poznať hodnotu g a určiť smer gravitačného zrýchlenia v testovacom bode, z tohto smeru sa meria uhol λ.
Na testovanie akcelerometra musí byť predovšetkým známa hodnota gravitačného zrýchlenia v kalibračnom bode, ktorá je v súčasnosti stanovená s dostatočne vysokou presnosťou. Na implementáciu metódy je možné použiť dva typy zariadení - rotačné plošiny s jednou alebo dvoma navzájom kolmými osami otáčania. Potom sa získa výstupná charakteristika senzora. Vynára sa otázka, aké pravidlo by sa malo použiť na nastavenie uhla polohovania. Okrem toho sa vyskytujú problémy pri určovaní veľkosti účinného zrýchlenia spôsobeného prítomnosťou odchýlky olovnice a chybou v polohe senzora vzhľadom na os otáčania testovacích prostriedkov.
Skalárna metóda (šesťpolohová metóda) sa používa na kalibráciu 3 kolmých akcelerometrov. Táto metóda je založená na skutočnosti, že bez ohľadu na orientáciu osí citlivosti senzorov v miestnom súradnicovom systéme pri absencii vonkajších vplyvov je súčet druhých mocnín odčítaní troch kolmých senzorov rovný štvorcu referenčná sila g (gravitačné zrýchlenie pre akcelerometre). Rozdiel medzi touto metódou a inými metódami spočíva v použití ako referencie nie pre vektor, ale pre skalár funkčne spojený s týmto vektorom. Takáto náhrada môže výrazne zlepšiť presnosť kalibrácie triády akcelerometrov. V dôsledku toho presnosť rozvinutých koeficientov matematického modelu nezávisí od chýb v orientácii triády v rovine horizontu. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je, že nie je možné odhadnúť uhly neortogonality.
Testovanie akcelerometrov metódou gravitačnej príťažlivosti. Umožňuje nastaviť hodnoty efektívnej akcelerácie výrazne nižšie ako v prvej metóde. Táto metóda nie je použiteľná na testovanie mikromechanických akcelerometrov.
Testovanie akcelerometrov na obežnej dráhe umelej družice Zeme
- metóda testovania akcelerometrov v neprítomnosti gravitačného poľa alebo pri jeho kompenzácii v lokalizovanej oblasti. Vývoj tejto metódy je spôsobený potrebou eliminovať zložky hluku a zrýchlenia voľného pádu smerujúce pozdĺž meracej osi akcelerometra.
Metóda testovania akcelerometrov kompenzáciou gravitačného poľa poľom zotrvačných síl pohybujúceho sa objektu. Na implementáciu tejto metódy sa používa komora, v ktorej pri zmene tlaku je klesajúci akcelerometer ovplyvnený inou silou odporu vzduchu a v dôsledku toho zrýchlením. Táto metóda nenašla široké uplatnenie kvôli ťažkostiam pri jej implementácii a kvôli zložitosti zariadenia.
Metóda testovania akcelerometrov s rovnomerne zrýchleným translačným pohybom plošiny zariadením. Metóda simuluje prevádzkové podmienky väčšiny zariadení blízkych skutočnému životu. Aj keď je táto okolnosť významnou výhodou metódy na rozdiel od všetkých ostatných, vážne problémy s implementáciou testovacej stolice bránia jej rozsiahlemu použitiu.
Testovanie akcelerometrov nastavením Coriolisovho zrýchlenia. Metóda bola navrhnutá za účelom nastavenia malých konštantných zrýchlení. Hlavné ťažkosti pri implementácii metódy sú spojené s potrebou eliminovať škodlivý účinok zrýchlenia voľným pádom.
Zrýchlená reprodukcia pomocou rotačných platforiem. Samotná táto metóda (metóda odstredivky) je jediným praktickým prostriedkom na reprodukciu zrýchlení prekračujúcich gravitačné zrýchlenie. Na reprodukciu konštantného zrýchlenia sa používa metóda používajúca jednu rotačnú plošinu otáčajúcu sa okolo zvislej osi OSξ. V tomto prípade je akcelerometer namontovaný na rotačnej plošine vo vzdialenosti R od stredu otáčania. Citlivá os akcelerometra je horizontálna a smeruje do stredu rotácie. Odstredivky sú určené na testovanie a kalibráciu akcelerometrov a rôznych typov inerciálnych zariadení (mikromechanické systémy pre inerciálne zariadenia, lacné výrobné kremenné snímače alebo kremíkové snímače, prstencové laserové gyroskopy, gyroskopy s optickými vláknami, bezpečnostné zariadenia a ďalšie snímače). Táto metóda je : odchýlka citlivej osi od horizontálnej roviny, chyba pri nastavovaní a meraní uhlových rýchlostí otáčania plošiny a chyba v dôsledku zmeny dĺžky ramena odstredivky.
2.2. Vývoj algoritmickej podpory
V tomto príspevku budeme skúmať také štatistické chyby mikromechanického akcelerometra, akými sú štandardná odchýlka (RMSD), kovariancia, korelácia, testovanie hypotézy o normálnosti distribúcie všeobecnej populácie podľa Pearsonovho testu vhodnosti.
Štandardná odchýlka (RMSD) je indikátorom rozptylu hodnôt náhodnej premennej vzhľadom na jej matematické očakávania. Meria sa v jednotkách samotnej náhodnej premennej a používa sa pri testovaní štatistických hypotéz pri meraní lineárneho vzťahu medzi náhodnými premennými. Vypočítané podľa vzorca:
n - počet hodnôt náhodných premenných
- náhodná hodnota
Je matematické očakávanie náhodnej hodnoty
1. Kovariancia. Veličina sa nazýva kovariancia (spoločná variácia) náhodných premenných X a Y. Kovarianciu diskrétnych náhodných premenných je možné odhadnúť z ich diskrétnych hodnôt X = (x1, ... xN) a Y = (Yi, YN ) pomocou priemerného aritmetického vzorca:
2. Korelácia - korelačný koeficient je pomer kovariancie k súčinu štandardných odchýlok ich náhodných hodnôt X a Y:
3. Testovanie hypotézy o normálnosti distribúcie všeobecnej populácie podľa Pearsonovho testu vhodnosti. Kritérium vhodnosti sa nazýva kritérium testovania hypotézy o predpokladanom zákone neznámeho rozdelenia. Nechajte empirické rozdelenie získať pre vzorku veľkosti n:
možnostix i x 1 X 2 … x s
empirické frekvencien i n 1 n 2 … n s
Ak je predpokladané rozdelenie normálne, odhadnú sa dva parametre (matematické očakávanie a štandardná odchýlka), preto r = 2 a počet stupňov voľnosti
Aby bolo možné otestovať nulovú hypotézu H 0 na danej hladine významnosti, je potrebné najskôr vypočítať teoretické frekvencie a potom pozorovanú hodnotu kritéria:
a z tabuľky kritických distribučných bodov na danej hladine významnosti α a počte stupňov voľnosti nájdite kritický bod
Ak - nulová hypotéza je zamietnutá
Konkrétna forma kritéria, ktorá sa často používa na kontrolu konzistencie distribučnej hustoty získanej z údajov vzorky s určitou teoretickou hustotou distribúcie, sa nazýva kritérium vhodnosti. Podstatou tejto metódy overovania je, že niektoré štatistiky popísané približnou distribúciou sa používajú ako meradlo rozdielu medzi pozorovanou a teoretickou hustotou distribúcie. Hypotéza konzistencie distribúcií sa potom testuje analyzovaním distribúcie vzorky tejto štatistiky.
Predstavme si koncept objemu N nezávislých pozorovateľných hodnôt náhodnej veličiny x (k) s distribučnou hustotou p (x). Údaje z pozorovania sú zoskupené do k intervalov, nazývaných výboje, ktoré spolu tvoria histogram frekvencií. Počet pozorovaných hodnôt v i-tom bite sa nazýva pozorovaná frekvencia a označuje sa f i. Počet pozorovaní, ktoré, ako sa dá očakávať, spadajú do i-tej číslice, ak je skutočná distribučná hustota veličiny x (k) p 0 (x), sa nazýva očakávaná frekvencia na i-tej číslici a je označený F i. Rozdiel medzi pozorovanými a očakávanými frekvenciami v každom bite je (f i - F i). Aby sa určil všeobecný stupeň nezrovnalostí pre všetky číslice, sčítajú sa štvorce rozdielov vo frekvencii v každej číslici a získajú sa vzorové štatistiky.
Magnitúda má približne rovnaké rozloženie ako veľkosť a veľkosť. Počet stupňov voľnosti n sa v tomto prípade rovná číslu K mínus počet rôznych nezávislých lineárnych obmedzení (obmedzení) uložených na pozorovacie údaje. Jeden taký vzťah existuje, pretože frekvenciu v poslednom bite je možné určiť hneď, ako sa stanú známymi frekvenciami v prvých (K - 1) čísliciach. Existuje najmenej jedno ďalšie obmedzenie v dôsledku prispôsobenia očakávanej teoretickej hustoty distribúcie frekvenčnému histogramu získanému z pozorovacích údajov. Vo všeobecnom prípade, keď je očakávaná teoretická distribučná hustota normálnou funkciou, platia dve dodatočné obmedzenia, pretože priemer a rozptyl sa musia vypočítať tak, aby vyhovovali normálnej distribučnej hustote. Preto vo všeobecnom prípade, keď sa kritérium dobroty zhody používa ako kritérium na kontrolu normality distribúcie, počet stupňov voľnosti funkcie je n = K-3.
Po určení počtu stupňov voľnosti pre veličinu zodpovedajúcu tomuto prípadu sa test hypotézy vykoná nasledovne. Predpokladajme, že podľa hypotézy má veličina x (k) distribučnú hustotu p (x) = p 0 (x), nájdite súčet. Pretože sa odchýlka p (x) od p 0 (x) zvyšuje, používa sa jednostranný test. Oblasť prijatia hypotézy je určená nerovnosťou
kde sú funkčné údaje vybrané z tabuľky 2. Ak je vzorková hodnota súčtu väčšia, hypotéza p (x) = p 0 (x) sa na hladine významnosti odmietne. Ak je súčet menší alebo rovný, hypotéza sa akceptuje. Pravdepodobnosť chyby prvého druhu je. Pravdepodobnosť chyby druhého druhu nemožno jednoznačne definovať, pretože
že existuje nespočetné množstvo rôznych spôsobov nesúladu p (x) a p 0 (x).
Tabuľka 3 - Percentuálne distribučné body
Sila kritéria vhodnosti je závislá od výberu číslic. Na ich výber existujú rôzne teoretické a praktické odporúčania. V prípade, že by sa kritérium malo použiť na úrovni významnosti
Tabuľka 4 - Minimálna hodnota optimálneho počtu bitov K
pre vzorky veľkosti N at
Najvýhodnejšie je použiť zvažované kritérium, ktoré špecifikuje výboje rovnakej šírky. Ak vylúčime z úvahy hypotézu homogenity rozdelenia, táto metóda poskytne rôzne hodnoty očakávaných frekvencií v rôznych čísliciach. Bitová šírka by mala byť zvolená tak, aby boli v rôznych intervaloch dosiahnuté rovnaké frekvencie. S výnimkou prípadu kritéria na kontrolu homogenity distribúcie, použitie opísanej techniky vedie k tomu, že rôzne bity budú mať nerovnaké šírky. Príjem nastavenia rovnakých hodnôt frekvencie komplikuje aplikáciu kritéria, ale spravidla zvyšuje jeho silu. Je žiaduce poskytnúť hodnotu frekvencie v každej číslici rovnajúcu sa najmenej 5, aj keď v extrémnych čísliciach je prijateľná hodnota frekvencie rovnajúca sa iba 2.
2.3. Vývoj softvérového algoritmu
Softvérová časť komplexu je implementovaná v Delphi 7.0. Program poskytuje vyhľadávanie informácií z informačných výstupov mikroobvodov v digitálnom kóde, záznam dát do dátových súborov a ich štatistické spracovanie.
Implementuje sa odčítanie informácií z mikromechanického akcelerometra pozdĺž troch osí-os x, os y, os z. Údaje o každej z osí v digitálnej forme sa zaznamenávajú do priečinka „meranie“ umiestneného na disku „C“.
1. Implementovaný výstup údajov do grafu
Obrázok 12 - Graf hodnôt akcelerometra
2. Vykonajú sa výstup vycentrovaných údajov do grafu
Obrázok 13 - Graf stredových hodnôt akcelerometra
Vypočítalo sa matematické očakávanie a získal sa nasledujúci graf:
Obrázok 14 - Graf matematických očakávaní
MX, MY, MS, v uvedenom poradí, matematické očakávania pozdĺž osí x, y, z
3. Vypočítané hodnoty RMS
4. Vypočítané hodnoty kovariancie
5. Vypočítané korelačné hodnoty
6. Testovanie hypotézy o normálnom rozdelení generála
klasifikácia podľa Pearsonovho testu vhodnosti.
Na vzorkovanie pozorovaných hodnôt pozdĺž osí X, Y, Z boli získané nasledujúce histogramy frekvencií
Obrázok 15 - Histogram frekvencií na vzorkovanie pozorovaných hodnôt pozdĺž osi X
Obrázok 16 - Histogram frekvencií na vzorkovanie pozorovaných hodnôt pozdĺž osi Y
Obrázok 17 - Histogram frekvencií na vzorkovanie pozorovaných hodnôt podľa
Pohľad na histogram nám umožňuje predpokladať, že distribúcia sa riadi normálnym zákonom.
ZÁVER
Ako je uvedené vyššie, témou projektu je: vývoj algoritmu na skúmanie chýb akcelerometra MEMS. Charakteristickým rysom MEMS (mikroelektromechanických systémov) je skutočnosť, že elektrické a mechanické jednotky v nich sú vytvorené zo spoločnej základne (napríklad zo silikónového substrátu), a v dôsledku použitia technológie vytvárania objemových štruktúr je možné získať zariadenie mikrosystému s vysokými prevádzkovými a technickými vlastnosťami (hmotnosť a veľkosť, hmotnosť, energia atď.).
Cieľ tejto práce bol dosiahnutý, ktorým je vývoj algoritmu a softvéru na štúdium štatistických chýb akcelerometra LSM303DLH.
Skúmajú sa štatistické chyby senzora MEMS (mikromechanický akcelerometer LSM303DLH). V priebehu práce je algoritmický vývoj štúdia takých parametrov, akými sú štandardná odchýlka, matematické očakávania, kovariancia, korelácia, testovanie hypotézy o normálnom rozdelení všeobecnej populácie podľa Pearsonovho kritéria vhodnosti. predstavený. Software bol vytvorený v softvérovom prostredí Delfi 7.0 na výpočet týchto parametrov a zobrazovanie grafov hodnôt akcelerometra, matematických očakávaní pozdĺž osi x, osi y, osi z, frekvenčných histogramov na vzorkovanie pozorovaných hodnôt pri testovaní hypotézy pre normálne rozdelenie všeobecnej populácie podľa Pearsonovho kritéria dobroty.
BIBLIOGRAFIA
1. Raspopov, V.Ya. Mikromechanické zariadenia: učebnica. Manuálny /
V. Ya. Raspopov. - M.: Strojárstvo, 2007.- 400
2. Denisenko V.V. Počítačové riadenie technologického postupu,
experiment, zariadenie.
3. Technický list. LSM303DLH Senzorový modul: 3-osový akcelerometer a 3-os
magnetometer © 2009 STMicroelectronics - Všetky práva vyhradené
5. Bendat J, Pirsol A. Meranie a analýza náhodných procesov - M.: Mir,
6. Hluk blikania (šum 1 / f, nadmerný hluk) [Elektronický zdroj]. - Režim
(Dátum prístupu: 20.04.2016).
7. Trhy na trhu so špičkovými snímačmi zotrvačnosti MEMS. Nové úrovne
výkonnostné charakteristiky [elektronický zdroj]. - Prístupový režim:
8. Dao Wang Ba Dynamická metóda výskumu chýb triád
akcelerometre [Text]: dis ... cand. tech. Vedy: 05.11.03: chránené
22.01.15: schválené 15.07.14/Tao Wang Ba. - Petrohrad - 2015, - 113 s.
9. Kolganov, V.N. Metóda stanovenia statických charakteristík
akcelerometre centrifúgy [elektronický zdroj] / V.N. Kolganov, A.A.
Papko, T.N. Balašová, Yu.M. Malkin // Patent RU 2192016 - režim
PRÍLOHA A
MINISTERSTVO ODBORU RUSKA
FEDERÁLNY ŠTÁT AUTONOMNÝ
VZDELÁVACIA INŠTITÚCIA VYŠŠIEHO VZDELÁVANIA
JUŽNÁ FEDERÁLNA UNIVERZITA
Oddelenie informácií a
meracie technológie “
Smer školenia
12.03.01 Výroba nástrojov
Bakalárske zadanie FQP
Študent Sizyakin Stanislav Leonidovich
1. Téma:„Vývoj algoritmu na skúmanie chýb
Akcelerometer MEMS “.
2. Dátum ukončenia dokončených prác: 30.05.2016.
3. Počiatočné údaje:
Mikroelektromechanický (MEMS) senzorový akcelerometer LSM303DLH
4. Zoznam problémov, ktoré je potrebné vypracovať:
Vývoj algoritmickej podpory na určovanie štatistických chýb senzora
Vývoj softvéru
7. Dátum vydania zadania: 02/12/2016
8. Manažér: ___________________________ Shcherban I.V.
Podpisové meno
9. Úloha je prijatá na vykonanie:
_______________________________________________
Dátum Podpis študenta
APLIKÁCIAB
Programový kód
Výpočet štandardnej odchýlky (RMS) sa vykonáva v softvérovej forme. Procedúra SKOClick (Sender: TObject)
procedúra TForm1.SKOClick (Odosielateľ: TObject);
SumKoX, SumKoY, SumKoZ: skutočné;
j4: Celé číslo;
SumKoX: = 0;
SumKoY: = 0;
SumKoZ: = 0;
Resetovať (novéXd); // Xa
Reset (newYd); // Áno
Resetovať (novéZd); // Za
zatiaľ čo j4<=Kolizm do
Prečítajte si (newXd, X1);
Prečítajte si (newYd, Y1);
Čítať (novéZd, 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: = Pravda;
closefile (newXd);
closefile (newYd);
closefile (newZd);
Výpočet kovariancie bol vykonaný vo forme programu. Postup Postup CovariaziyaClick (Odosielateľ: TObject)
// Vypočítajte kovarianciu pre osi akcelerometra
postup TForm1.CovariaziyaClick (Odosielateľ: TObject);
j2: Celé číslo;
Resetovať (novéXd); // Xa
Reset (newYd); // Áno
Resetovať (novéZd); // Za
zatiaľ čo j2<=Kolizm do
Prečítajte si (newXd, X1);
Prečítajte si (newYd, Y1);
Čítať (novéZd, 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. Povolené:= Pravda;
Výpočet korelácie bol vykonaný vo forme programu. Procedúra Postup Korrelazya. Kliknite
postup TForm1.KorrelaziyaClick (Odosielateľ: 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);
Programovaný test hypotézy o normálnosti rozloženia bežnej populácie.
ProcedúraProcesPirsonClick (Odosielateľ: TObject)
procedúra TForm1.PirsonClick (Odosielateľ: TObject);
// skontrolujte normálne rozdelenie podľa Pearsonovej dohody
j3: Celé číslo;
Resetovať (novéXd); // Xg
Reset (newYd); // Yg
Resetovať (novéZd); // Zg
IntX: = (Abs (MinX) + abs (MaxX)) / Raz; //určujeme veľkosť intervalov výbojov
IntY: = (Abs (MinY) + abs (MaxY)) / Raz;
IntZ: = (Abs (MinZ) + abs (MaxZ)) / Raz;
aX: = MinX; // definujte dolnú hranicu prvého bitu
aY: = MinY;
aZ: = MinZ;
pre i: = 2 až Raz urob
pre i: = 2 až Raz urob
AX [i]: = MinX + IntX * (i-1); // definujte dolné hranice číslic
AY [i]: = MINY + IntY * (i-1
AZ [i]: = MinZ + IntZ * (i-1);
zatiaľ čo j3<=Kolizm do
Prečítajte si (newXd, X1);
Prečítajte si (newYd, Y1);
Čítať (novéZd, Z1);
pre i: = 1 do Raz do
ak ((X1> = os [i]) a (X1
ak ((Y1> = ay [i]) a (Y1
ak ((Z1> = az [i]) a (Z1
Inc (j3);
pre i: = 1 do Raz do
Series4.AddXY (I, (bx [i]), "", Series4.SeriesColor); //vynesenie histogramov
Series5.AddXY (I, (by [i]), "", Series5.SeriesColor);
Series6.AddXY (I, (bz [i]), "", Series6.SeriesColor);
closefile (newXd);
closefile (newYd);
closefile (newZd);
PODROBNOSTI O SÚBOROCH:
Pripojený názov súboru: Vývoj algoritmu na skúmanie chýb akcelerometra MEMS.zip
Veľkosť súboru: 2,4 MB
K stiahnutiu: 309 stiahnutí
Pridané: 10/30/2016 11:33Úvod
Kapitola 1. Analýza kvalitatívnych charakteristík presných akcelerometrov a štúdium spôsobov zvýšenia presnosti.
1.1. Analýza moderných presných akcelerometrov a výber výskumného objektu. jedenásť
1.2. Technológia návrhu a montáže akcelerometra 18
1.3. Hlavné parametre, ktoré určujú presnosť akcelerometra a úroveň ich implementácie 24
1.4. Vyhlásenie o probléme výskumu. 31
Kapitola 2. Vývoj matematického modelu na hodnotenie statických parametrov presnosti akcelerometra . 33
2.1. Model nulového signálu akcelerometra AK-6. 35
2.2. Posúdenie stupňa vplyvu primárneho návrhu a technologických parametrov na hodnotu a stabilitu "nuly" a "základne" akcelerometrov. 48
2.3. Závery 51
Kapitola 3. Analýza fyzikálnych procesov, ktoré určujú dominantné chyby akcelerometra, a vývoj spôsobov, ako tieto chyby znížiť. 53
3.1. Vyšetrenie účinku upevnenia citlivého prvku v puzdre akcelerometra na stabilitu polohy osi citlivosti zariadenia. 54
3.2. Analýza práce častí a zostáv SE pri zmene teploty. 61
3.3. Experimentálna štúdia príčin nestability nulového signálu a základne akcelerometra počas výroby a prevádzky. 67
3.5. Závery 77
Kapitola 4. Vývoj metód a nástrojov na hodnotenie charakteristík kvality akcelerometrov počas ich testovania . 79
4.1. Analýza existujúceho technologického postupu kalibrácie akcelerometrov. 80
4.2. Vývoj kalibračnej techniky pre blokový systém akcelerometrov pre vysoko presné inerciálne navigačné systémy. 83
4.3. Metóda kalibrácie skalárneho akcelerometra. 85
4.3.1. Analýza konštrukčných a technologických faktorov, ktoré určujú hlavné chyby triády akcelerometrov, a vývoj modelu chýb. 85
4.3.2. Odvodenie väzobných rovníc pre triádu akcelerometrov. 89
4.4. Spôsoby, ako zlepšiť presnosť odhadu parametrov triády akcelerometrov. 93
4.5. Závery. 97
Kapitola 5. Stanovenie požiadaviek na technologické zariadenia a experimentálne overenie primeranosti určovania parametrov navrhovanou kalibračnou metódou. 98
5.1. Primárne faktory, ktoré je potrebné vziať do úvahy pri simulácii procesu kalibrácie. 98
5.2. Popis algoritmu na modelovanie navrhovanej techniky. 101
5.3. Matematické modelovanie procesu kalibrácie triády akcelerometrov. 109
5.4. Analýza výsledkov matematického modelovania 111
5.5. Experimentálne overovanie a analýza presnosti určovania parametrov zariadení na základe základných a skalárnych
kalibračné techniky. 137
5.6. Analýza vplyvu zložky štvorcového zákona chyby na výsledky kontrolných meraní v širokom rozsahu zmien zrýchlenia. 141
5.7. Závery. 151
Hlavné výsledky práce. 152
Bibliografia.
Úvod do práce
Rozvoj leteckého prístrojového vybavenia je neoddeliteľne spojený s vytváraním nových typov lietadiel (AC), ktoré majú vysokú rýchlosť a dosah a vyžadujú si stále vyššiu úroveň automatizácie procesov riadenia letu.
Medzi mnohými informačnými systémami, ktoré poskytujú tvorbu údajov o aktuálnych parametroch pohybu lietadiel, zaujímajú zvláštne miesto inerciálne navigačné systémy (INS). Byť autonómny, t.j. úplne proti rušeniu, poskytujú potrebné informácie všetkým systémom riadenia pohybu lietadiel.
Je potrebné poznamenať, že existujúce systémy satelitnej navigácie sa v súčasnosti zvažujú na použitie v palubnom zariadení ako dodatočné a nápravné prostriedky. Obmedzenie používania satelitnej navigácie je primárne spojené s problémami stálosti príjmu signálu, nízkou frekvenciou aktualizácií informácií, ťažkosťami pri určovaní uhlového pohybu lietadla vzhľadom na ťažisko atď. Avšak s vysokou presnosťou určovania aktuálnych súradníc vytvára predpoklady na použitie takýchto systémov na korekciu driftov zotrvačných citlivých prvkov s cieľom zvýšiť integrálnu presnosť INS.
V poslednej dobe je možné výrazne zvýšiť rýchlosť a spoľahlivosť palubných počítačových zariadení, vďaka čomu sú rozšírené inerciálne navigačné systémy strapdown (bezkartové) (SINS), v ktorých je systém fyzickej podpory nahradený matematickým.
Má množstvo výhod oproti platformám ANN, medzi ktoré patrí výrazné zjednodušenie konštrukcie, ktoré má za následok zníženie parametrov hmotnosti a veľkosti, zvýšenie
PLATFORMY INERTIÁLNE NAVIGAČNÉ SYSTÉMY
ZDARMA INERTIÁLNE NAVIGAČNÉ SYSTÉMY
fyzický 3-stranný
matematický 3-stranný
Nestabilita nuly a
základňa akcelerometra od
spustenie na spustenie
Nestabilita driftu gyroskopu pri štarte
Dynamický
rozsah gyroskopu
^ h
o "a o c
Zvrat Ch.E. do akéhokoľvek uhla okolo ktorejkoľvek z 3 osí.
Vyrovnanie
Kaliber Ch.E. v každom behu
„Lvicheose gyrocompassing
Nestabilita nuly a základňa akcelerometra pri štarte
Poloha osí bloku SE je vo vybranom súradnicovom systéme nemenná
^ ML ~
Dynamický
rozsah akcelerometra
Nestabilita
mierka
akcelerometer
Čas pripravenosti jednotky Ch.E.
-sL 4 ^
Pevná väzba bloku Ch.E k osiam objektu OI.A).
Matematické gyroskopy
Nestabilita driftu
gyroskop od spustenia do
spustiť
Poloha osí bloku SE sa mení v súlade so zmenou osí L.A.
Nestabilita veľkého rozsahu
koeficient gyroskopu
Nedostatok tepelnej stabilizácie
Spotreba energie
Nestabilita tempa. coeff.
Ryža. 1.1.1. Požiadavky na SE modernými systémami zotrvačnej hmotnosti
navigácia.
spoľahlivosť, skrátenie životného cyklu, zníženie
spotreba energie, nárast množstva generovaných informácií, SINS výrazne zvyšuje požiadavky na parametre primárnych informačných senzorov. Rozdiel medzi požiadavkami platformy ANN a SINS na gyroskopy a akcelerometre je znázornený na obr. 1.1.1.
Vylepšenie presnosti akéhokoľvek inerciálneho navigačného systému priamo súvisí s riešením problému vytvárania akcelerometrov presnej triedy. Trend nahradenia plošinových systémov systémami strapdown túto úlohu ešte komplikuje, pretože výrazne sprísňuje požiadavky na parametre presnosti akcelerometrov. V prvom rade sa to týka veľkosti a stability jeho nulového signálu („nula“), faktora mierky (MC) a polohy osi citlivosti („základňa“) v širokom rozsahu prevádzkových podmienok, ktoré je určené nemožnosť kalibrácie akcelerometra zakaždým, keď je zapnutý SINS. Riešenie tohto problému nie je možné bez podrobnejšej analýzy príčin chýb akcelerometra a vplyvu konštrukčných a technologických parametrov na hodnoty a stabilitu „nuly“, „báz“ a faktora mierky na na základe ktorého je možné vypracovať technické návrhy na zlepšenie konštrukcie a výroby technológie akcelerometra.
Certifikácia vyššie uvedených parametrov kvality akcelerometrov je neoddeliteľnou súčasťou technologického postupu jeho výroby. Pretože získané odhady parametrov akcelerometrov sú priamo zahrnuté v chybe certifikácie, zvýšenie presnosti akcelerometra jednoznačne znamená prísnejšie požiadavky na presnosť meracieho zariadenia. Metóda certifikácie (kalibrácie), ktorá sa v súčasnosti používa v sériovej výrobe, je založená na použití zariadení, ktorých chyba je primeraná hodnoteným parametrom. Okrem toho náklady na toto zariadenie (predovšetkým presné optické
deliace hlavy) je veľmi vysoký a samotný proces je veľmi namáhavý, hlavne kvôli nemožnosti jeho automatizácie.
V súlade s vyššie uvedeným je štúdium faktorov, ktoré určujú chybu akcelerometra, a vývoj na základe návrhov a technologických odporúčaní na zlepšenie presnosti, ako aj vytvorenie účinnejšej kalibračnej techniky, naliehavou úlohou. .
Tento článok pojednáva o otázkach prispôsobenia parametrov kremenného akcelerometra AK-6 vyvinutého na Moskovskom inštitúte elektromechaniky a automatizácie požiadavkám moderných SINS, v súvislosti s ktorými je vyvinutý matematický model hlavných parametrov zariadenia , zvažujú sa technologické aspekty konštrukcie a montáže tohto akcelerometra, na základe ktorého analýzy sa navrhujú spôsoby modernizácie dizajnu, ako aj nový modulárny model kalibrácie akcelerometra.
Účel práce je vývoj konštruktívnych a technologických riešení, ktoré zlepšujú presnosť akcelerometra, ako aj vytvorenie novej metódy kalibrácie akcelerometra, ktorá poskytuje potrebnú presnosť pri určovaní parametrov zariadení za predpokladu, že pracovná náročnosť procesu sa zníži a používa sa lacnejšie zariadenie.
Ciele výskumu.
V súlade s účelom práce je možné formulovať nasledujúce ciele výskumu:
identifikácia parametrov presnosti komerčne dostupných akcelerometrov, ktoré nespĺňajú požiadavky sľubných SINS;
skúmanie konštruktívnych a technologických dôvodov a analýza fyzikálnej podstaty tvorby dominantných chýb akcelerometra;
formalizácia vzťahu medzi konštrukčnými a technologickými parametrami akcelerometra s jeho chybami;
vývoj a experimentálne overovanie účinnosti konštrukčných a technologických odporúčaní na zlepšenie technológie návrhu a montáže akcelerometra;
vývoj a potvrdenie účinnosti metódy na kalibráciu akcelerometrov, ktorá zaisťuje požadovanú presnosť, znižuje pracovnú náročnosť procesu a na jeho implementáciu nevyžaduje drahé vybavenie. Výskumné metódy.
Získané výsledky sú založené na komplexnej aplikácii hlavných ustanovení teoretickej mechaniky, teórie elektrických obvodov, teórie presnosti výroby, matematických analytických metód, teórie lineárnych vektorových priestorov, metód aproximácie a linearizácie, ako aj prírodné a matematické modelovanie. Vedecká novinka práca pozostáva z:
konštrukcia a experimentálne potvrdenie fyzického modelu chyby akcelerometra spojenej s nestabilitou polohy dosky snímacieho prvku a samotného snímacieho prvku v telese akcelerometra;
vývoj matematického modelu popisujúceho : : dominantné chyby akcelerometra v jeho konštrukcii a technologických parametroch;
vývoj modulárnej metódy na kalibráciu akcelerometrov; , formulácia a zdôvodnenie požiadaviek na špeciálne zariadenie na kalibráciu akcelerometrov podľa navrhovanej metódy. Praktická hodnota práca spočíva v:
vývoj technických riešení na zlepšenie návrhu a technologického postupu montáže akcelerometrov so zaistením zníženia jeho dominantných chýb;
aplikácia vyvinutého matematického modelu chyby akcelerometra na výber racionálnych hodnôt parametrov jeho elektronického obvodu a primeraných tolerancií pre odchýlku týchto parametrov z hľadiska zabezpečenia požadovanej presnosti akcelerometra;
vývoj a experimentálna validácia
účinnosť novej metódy na kalibráciu akcelerometrov,
poskytnutie významného zvýšenia presnosti odhadov o
prudký pokles požiadaviek na presnosť testovacieho zariadenia;
implementácia vyvinutých technických riešení v
projektová dokumentácia a proces montáže
komerčne dostupný akcelerometer AK-6.
Odsúdenie práce... Materiály uvedené v tomto
dizertačná práca, referovaná na nasledujúcich konferenciách:
Celo ruská vedecká a technická konferencia „Nové materiály a technológie“ НМТ - 2000, „Nové materiály a technológie“ НМТ - 2002, Medzinárodná vedecká konferencia mládeže „XXVII Gagarinove čítania“ 2001 „XXVIII Gagarinove čítania“ 2002, „XXIX Gagarinove čítania“ 2003 ., Medzinárodné sympózium „Aerospace Instrumentation Technologies“ 2002.
Publikácie... Výsledky dizertačnej práce boli publikované v 8 tlačených prácach a technických správach vydaných MIEA v rokoch 2000/01.
Štruktúra a rozsah práce: Dizertačná práca pozostáva z úvodu, piatich kapitol, záveru a bibliografie 111 titulov. Materiál je prezentovaný na 153 stranách ilustrovaných 70 obrázkami, grafmi a 35 tabuľkami. Obsah práce. Práca pozostáva z piatich kapitol.
V podávané stručne zhodnotil relevantnosť a praktickú hodnotu práce. Formuluje sa účel práce, úlohy a metódy výskumu, vedecká novinka, výsledky schválenia a implementácie tejto práce. Je tu uvedená štruktúra práce a zhrnutie hlavných častí.
V. prvá kapitola je uvedený prehľad návrhov, princípov činnosti a charakteristík viacerých akcelerometrov, sú identifikované hlavné parametre, ktoré určujú presnosť akcelerometra, a podrobne sa zvažuje konštrukcia kremenného akcelerometra AK-6.
V druhá kapitola bol vytvorený matematický model nulového signálu akcelerometra, na jeho základe bol vyhodnotený stupeň vplyvu parametrov konštrukčných a technologických prvkov na veľkosť a stabilitu „nulového“ a „základného“ akcelerometra.
V. tretia kapitola Na základe experimentálnych a teoretických štúdií bola vykonaná analýza a boli formulované požiadavky na návrh citlivého prvku a jeho upevnenie v prípade AK-6, aby sa zvýšila presnosť a stabilita „základného“ a nulového signálu. akcelerometra v širokom teplotnom rozsahu. Navrhovaná technológia návrhu a montáže zariadenia bola zavedená do výroby.
V. piata kapitola bolo vykonané matematické modelovanie, na základe ktorého boli formulované požiadavky na zariadenia na testovanie akcelerometrov, ako aj experimentálne overenie primeranosti určených parametrov podľa navrhovanej metódy.
V. záver sú uvedené hlavné výsledky práce a závery k nej.
Technológia návrhu a montáže akcelerometra
Akcelerometer AK -6 - kyvadlo, kompenzačný typ s pružným zavesením citlivého prvku, implementovaný na dvoch torzných tyčiach hrubých 20 μm.
Princíp činnosti akcelerometra AK-6 je určený základným zákonom dynamiky, podľa ktorého keď objekt, na ktorom je akcelerometer inštalovaný v smere osi citlivosti so zrýchlením a, vznikne zotrvačný moment Mi vzhľadom na os zavesenia referenčnej hmotnosti, čo vedie k jeho uhlovej odchýlke D, ktorá sa meria ustanoveniami snímača (DP). Signál z DP je vedený cez zosilňovač spätnej väzby (UOS) do vinutia snímača sily (DS). DS vyvíja moment M vzhľadom na os zavesenia hmoty, ktorý kompenzuje zotrvačný moment Mi. V tomto prípade je výstupné napätie U cez odpor RH zaťaženia úmerné meranému zrýchleniu a.
Štrukturálne sa akcelerometer AK-6 skladá z nasledujúcich hlavných častí, obr. 1.2.1.:
1. Snímací prvok zabezpečujúci fixáciu referenčnej hmotnosti, ako aj realizáciu DP a DS.
2. Spätnoväzbový zosilňovač, ktorý prevádza signál DP na riadiaci signál DS, ktorý je zároveň výstupným signálom akcelerometra.
3. Tepelný snímač, ktorý generuje elektrický signál úmerný skutočnej teplote vo vnútornej dutine akcelerometra.
4. Hermeticky uzavreté puzdro, ktoré obsahuje vyššie uvedené jednotky. Štrukturálny a štruktúrny diagram uvažovaného kremenného akcelerometra s výberom medziľahlých podskupín je znázornený na obr. 1.2.2. Citlivý prvok.
Skladá sa z dvoch puzdier (19 a 32) s tvarovanými doskami snímača posunu a magnetov (31) snímača sily, kremennej dosky (34) pozostávajúcej z vonkajšieho prstenca použitého na upevnenie medzi telesami SE pozdĺž dosiek , spojené torznými tyčami s kyvadlom, na ktoré sú nastriekané dosky DP, a pevnými cievkami (28) tvoriacimi systém DS s puzdrovými magnetmi, ako aj so spojovacím krúžkom.
Technologický postup výroby kremennej platne je originálny a obsahuje súbor operácií na vytvorenie kyvadla a torzných tyčí a zabezpečenie prísnych požiadaviek na frekvenciu, rovinnosť a rovnobežnosť jej povrchov.
Potom sa pomocou chemického leptania pomocou ochranných masiek najskôr vytvoria platiny z maziva v dvoch prechodoch a potom daná hrúbka torzií. Po úplnom vytvorení platne sa na nej metódou tepelného vákuového nanášania zlata s hrúbkou 0,1 μm vytvoria platne kapacitného JJ a vodiče jednosmerného obvodu. Na zaistenie potrebnej priľnavosti sa zlato nastrieka na chrómovú podvrstvu, ktorá sa tvorí podobným spôsobom.
Rám s navinutou cievkou snímača sily je prilepený k jazyku dosky epoxidovým lepidlom a vývody cievky sú spojené so striekanými vodičmi termokompresným zváraním.
Zváranie snímacieho prvku sa vykonáva v špeciálnom zariadení, ktoré zaisťuje vzájomné centrovanie horných a dolných telies SE vzhľadom na dosku. Zariadenie má nastaviteľnú svorku, ktorá poskytuje silu stlačenia telies, pričom miesto pôsobenia tlakovej sily sa aplikuje v „strede tlaku“ dosiek, t.j. v ťažisku trojuholníka tvoreného platikmi. Tieto operácie sa vykonávajú tak, aby sa doska pripevnila iba pozdĺž dosiek a aby sa zaistila rovnomerná medzera medzi kyvadlom doštičiek a puzdrom SE.
Kryty ChE sú spojené pevným krúžkom z rovnakého materiálu pomocou laserového bodového zvárania vykonaného podľa špeciálneho algoritmu.
Posúdenie stupňa vplyvu primárneho návrhu a technologických parametrov na hodnotu a stabilitu "nuly" a "základne" akcelerometrov.
Vzhľadom na získanú rovnicu (2.32.) Je zrejmé, že statická chyba polohy hmotnosti za podmienky a = 0, ktorá je ekvivalentná odchýlke osi citlivosti akcelerometra od základnej, je určené technologickými chybami pri výrobe snímača polohy, ako aj diferenciálnych a integračných zosilňovačov, a nezávisí od elastických charakteristík torzného zavesenia hmotných a elektrostatických síl snímača polohy. Výraz (2.32.) Potvrdzuje skutočnosť, že na skutočnom akcelerometri nie je možné metodickú chybu úplne odstrániť.
Analýza rovnice (2.35.) Jednoznačne ukazuje, že existujú nezávislé súčasti nulového signálu, z ktorých jeden je určený chybami pri vykonávaní elektronických obvodov a druhý relatívnymi chybami elektromechanickej časti akcelerometra - rozdielom medzi nulovými polohami každej z rušivých síl a nulovou polohou informačného signálu snímača polohy. Bez ohľadu na povahu chýb je však možné ich vplyv výrazne obmedziť racionálnou voľbou geometrických parametrov torzií a budiaceho napätia snímača polohy, ktoré zabezpečujú splnenie podmienky kt = ke. Je potrebné poznamenať, že podmienka kt - 0 a ke - 0 je vo všeobecnosti nesprávna, pretože neberie do úvahy ďalšie základné požiadavky na akcelerometer. Toto sa týka najmä mechanickej pevnosti torzných tyčí a minimálneho prípustného sklonu charakteristiky informačného signálu snímača polohy. Kompletný súbor podmienok by preto mal vyzerať kt = ke pri kt - min a ke - min, t.j. existuje problém s optimalizáciou. Výber zvyšných nominálnych parametrov zahrnutých v (2.35.) Je tiež optimalizačným problémom, pri ktorého riešení sú získané vzťahy, s výnimkou (2.15.), Nevyhnutným, ale zjavne nedostatočným súborom matematických modelov. U vybraných nominálnych parametrov však tieto pomery umožňujú vyriešiť problém racionálneho rozloženia tolerancií pre tieto parametre.
Vzhľadom na problém racionálneho rozloženia tolerancií z hľadiska analýzy presnosti produktu na základe teórie citlivosti pristúpime k určeniu funkcií vplyvu primárnych parametrov na Ueblxo a Л0. V tomto prípade budeme v mnohých prípadoch považovať za primárne parametre odchýlku konštrukčného parametra od nominálnych hodnôt. V tomto prípade vezmeme nulu ako nominálnu hodnotu odchýlky. Na základe pravidla diferenciácie komplexných funkcií a s prihliadnutím na to, že v mieste diferenciácie sú vzťahy platné: pre funkcie vplyvu primárnych parametrov na hodnotu D0 získavame nasledujúce výrazy:
Na základe analýzy je možné vyvodiť tieto závery: - vytvorenie jednej z hlavných chýb akcelerometra - jeho nulový signál sa vyskytuje vo fáze montáže a je spôsobený technologickým rozšírením primárnych parametrov hlavných funkčných prvkov akcelerometer; - metodická chyba akcelerometra spojená s počiatočným posunom osi citlivosti je určená chybami jeho cesty zosilnenia informácií, čo je dôsledkom nedokonalosti operačných zosilňovačov, a preto ich nemožno úplne vylúčiť ; - špecifikovaná metodická chyba nezávisí od parametrov výkonových charakteristík torzných tyčí zavesenia hmoty a elektrostatického účinku snímača polohy; - nulový signál akcelerometra obsahuje dve nezávislé súčasti, z ktorých jedna je chyba elektronického obvodu, druhá je chyba montáže elektromechanickej časti; vykonaná analýza nám umožňuje dospieť k záveru, že technologické chyby majú výrazne väčší vplyv na parametre elektrostatickej sily ako na informačný signál; - formuloval niektoré požiadavky na výber nominálnych parametrov funkčných prvkov, úplný súbor požiadaviek možno získať doplnením skonštruovaného matematického modelu o funkčné modely popisujúce prevádzkové parametre akcelerometra; - skonštruovaný matematický model umožňuje vyriešiť problém racionálneho výberu tolerancií pre primárne parametre hlavných funkčných prvkov akcelerometra s cieľom zvýšiť stabilitu jeho nulového signálu a „základne“.
Analýza práce častí a zostáv SE pri zmene teploty.
Na základe vykonanej práce boli sformulované nasledujúce odporúčania na zaistenie stability základnej chyby a nulového signálu v AK-6.
Aby sa vylúčili možné posuny kremennej dosky vzhľadom na prípady SE, spojené s prebytkom v extrémnych bodoch teplotného rozsahu napätí vo vonkajšom prstenci dosky trecích síl rovín platní pozdĺž pristátia rovinách puzdier je potrebné zaistiť zaručenú kompresnú silu puzdier SE so spojovacím krúžkom v celom teplotnom rozsahu, ktoré je možné implementovať: - zmena konštrukcie spojovacieho krúžku poskytujúca jeho predbežné natiahnutie v vertikálny smer, tj jeho vykonanie vo forme pružiny; - zmena v procese montáže, ktorá zaisťuje predbežné natiahnutie spojovacieho krúžku. ... Spojovací krúžok CHE Za týmto účelom bola vyvinutá konštrukcia spojovacieho krúžku (obr. 3.15.) S prvkom so zníženou tuhosťou (1), priemermi pristátia pre spodný a horný kryt (4, respektíve 3) a upevňovacím prvkom (príruba) - 2. V časti konečnej montáže SE (obr. 3.16.) sa zmenil aj montážny postup tak, že: - spojovací krúžok (1) je pripevnený k spodnej časti tela (2) ) laserovým bodovým zváraním (3);
Schéma konečnej montáže SE. - táto zostava je inštalovaná v špeciálnom zariadení (5) na základe príruby spojovacieho krúžku; - potom sa nainštaluje doska s cievkami a horná časť tela (4); - na hornú časť tela v mieste priesečníku stredov trojuholníka tvoreného platinami kremennej platne pôsobí tlaková sila (6), ktorá sa vďaka schéme polohovania prenáša na spojovací krúžok, ktorý sa mení jeho geometrické rozmery vo zvislom smere; - horná časť tela je upevnená vzhľadom na spojovací krúžok bodovým laserovým zváraním.
Aby sa vylúčili možné pohyby SE vzhľadom na teleso akcelerometra, súvisiace s rozdielom v TCLE prípadov SE, nastavovacieho krúžku a telesa zariadenia, a aby sa zaistila izolácia SE od tela, je nevyhnutné zmeniť konštrukčnú a montážnu technológiu, ktorú je možné implementovať: - bez nastavovacieho krúžku a lepiaceho spoja; - upevnenie SE v telese akcelerometra jeho upevnením. príruba spojovacieho krúžku medzi dvoma keramickými priechodkami slúžiacimi ako izolátor; - použitie pružiny na zaistenie stability upnutia príruby v celom rozsahu prevádzkových teplôt. Pre uvažovaný dizajn Obr. 3.17. proces montáže by mal byť implementovaný nasledovne: - v hornej časti telesa 7 akcelerometra je nainštalovaná plochá pružina 2, na ktorú je umiestnená keramická objímka 3; - na keramickú objímku 3 namontujte na prírubu spojovacieho krúžku 2 ChE 1 a nainštalujte druhú keramickú objímku 5; - nainštalujte poistnú podložku a vykonajte centrovanie tejto zostavy; - na podložku zámku aplikujte kalibrovanú silu a vykonajte jej fixáciu vzhľadom na telo zariadenia bodovým laserovým zváraním 9. Na obr. 3.18. a tabuľka 3.7. sú uvedené výsledky testovania dávky zariadení (teplotná závislosť nulových signálov) zostavených podľa vyvinutého návrhu a technologických odporúčaní. Ako je zrejmé z predložených údajov, uvažovaný parameter má väčšiu stabilitu, pokiaľ ide o hodnotu závislosti od teploty, ako aj o teplotnú hysterézu v porovnaní s podobnou dávkou zariadení zostavených pomocou starej technológie (tabuľka 1.3.2. A obr. 1.3.2.). Vo všeobecnosti sa stabilita parametrov akcelerometrov (pokiaľ ide o nulový signál a „základňu“) v dôsledku implementácie vyvinutých odporúčaní zvýšila o viac ako 20%.
Vývoj kalibračnej techniky pre blokový systém akcelerometrov pre vysoko presné inerciálne navigačné systémy
Aby sa získala dokonalejšia kalibračná technika, pokúsil sa v nej použiť skalárny štandard, ktorého hodnota nezávisí od orientácie akcelerometra. Ako taký štandard bolo navrhnuté použiť druhou mocninu modulu vektora gravitačného zrýchlenia, ktorá je veľmi presne známa pre akýkoľvek bod na Zemi a nezávisí od výberu súradnicového systému.
V súvislosti s nahradením vektorového štandardu skalárnou metódou má táto technika množstvo funkcií, z ktorých hlavné sú nasledujúce. Ako viete, na určenie vektora v trojrozmernom priestore je potrebné zmerať jeho priemet do 3 smerov, ktoré neležia v rovnakej rovine. Pri použití metódy by teda mali byť kalibrované súčasne najmenej tri nástroje. Táto okolnosť je obzvlášť dôležitá pri kalibrácii akcelerometrov, napríklad pre SINS, pretože umožňuje kalibrovať naraz triádu zariadení v zostave, ktoré je možné nainštalovať do systému bez demontáže pri zachovaní relatívnej polohy ich osí.
Na matematický opis techniky je potrebné určiť chybový model triády akcelerometrov a zostaviť systém komunikačných rovníc vyjadrujúcich uvažované chyby zariadení prostredníctvom ich výstupných signálov.
Pri zostavovaní modelu chýb pre jeden akcelerometer budeme predpokladať, že v ideálnom prípade, keď nie sú žiadne chyby, je jeho výstupný signál úplne určený veľkosťou projekcie vektora gravitačného zrýchlenia G na smer citlivosti os zariadenia analogicky s (4.1.1): W = M (G e) (4.3.1) Označením skalárneho súčinu v (4.2.1) ako ga s prihliadnutím na možné chyby dostaneme: W = М (8® + g + 5, g + 52 g2 + 83 g3 + 54 g4 + 55 g5 + ...) (4.3.2) kde 5j je koeficient chyby j-tého rádu. Každý člen v zátvorkách rovnice (4.3.2) predstavuje chybu zodpovedajúceho poradia redukovanú na vstup. Rozdelením oboch strán rovnice (4.2.2) na modul vektora gravitačného zrýchlenia a faktora mierky M dostaneme: A = Up + a + D, a + D2 a2 + D3 a3 + D4 a4 + D5 a5 +. .. (4.3 .3) kde A je výstupný signál akcelerometra v bezrozmernej forme; a - zrýchlenie merané akcelerometrom uvedeným v G; Aj - bezrozmerný koeficient chyby j -tého stupňa: Aj = 574) 1
Koeficient Do má vizuálny fyzikálny význam - rovná sa uhlu medzi vektormi G a (G + 5®), ak predpokladáme, že vektory G a 50 sú na seba kolmé. Preto ostatné koeficienty A, - je vhodné reprezentovať v uhlovej miere.
Pri použití tejto techniky je poradie uvažovaných chybových koeficientov teoreticky neobmedzené, ale pre väčšinu aplikácií stačí vziať do úvahy chyby, ktoré nie sú vyššie ako druhé poradie. Chybové modely akcelerometrov zahrnutých v triáde majú teda 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 pri meraní vektora zrýchlenia triádou akcelerometrov nie sú systémom úplne určené (4.2.4). Pre úplný opis chýb je tiež potrebné vziať do úvahy chyby vyplývajúce z možného nesúladu skutočnej orientácie osi citlivosti každého akcelerometra so zodpovedajúcou osou nominálnej súradnicovej sústavy triády. 4.2.1. Uvažujme model chýb triády akcelerometrov ako celku ako meter vektora zrýchlenia.
Khrabrov, Sergej Vasilievič
-[Strana 1]-
Ako rukopis
UDC 531,781,2
Ivan Vavilov
VÝVOJ MIKROSYSTÉMOVÉHO AKCELEROMETRA
kandidát technických vied
Nižný Novgorod - 2006
Práce boli vykonávané na Katedre leteckých prístrojov a zariadení pobočky Arzamas Štátnej technickej univerzity v Nižnom Novgorode.
Vedecký poradca: Ph.D., docent. Pozdyaev V.I.
Oficiálni oponenti: doktor technických vied, profesor Raspopov V.Ya.
Doktor technických vied, vedúci výskumu
FSUE "NPP" Polet "Keistovich A.V.
Vedúci podnik: JSC „Závod na výrobu nástrojov Arzamas“,
Arzamas.
Obrana sa uskutoční 11. októbra 2006 o 15:00 v hľadisku. 1258 na zasadnutí dizertačnej rady D 212.165.12 na Štátnej technickej univerzite v Nižnom Novgorode na 603600, GSP-41, Nižný Novgorod, sv. Minina, 24
Dizertačnú prácu nájdete v knižnici Štátnej technickej univerzity v Nižnom Novgorode
Vedecký tajomník dizertačnej rady
Ph.D., docent ______________ V.V. Petrov
VŠEOBECNÝ POPIS PRÁCE
Rastúci dopyt po informáciách v rôznych riadených technických systémoch slúži ako stimulačný faktor pri vývoji integrovaných senzorov. Mikroelektromechanické systémy (MEMS) sú založené na koncepte od „senzora k systému“, ktorého formuláciu podstaty možno predložiť vo forme nasledujúcich ustanovení:
- vývoj, výskum a tvorba integrovaných senzorov priameho merania kombinujúcich primárny citlivý prvok a sekundárny elektronický prevodník za predpokladu, že sú vykonávané v rámci jedného technologického postupu
- vývoj, výskum a tvorba integrovaných kompenzačných senzorov, ktoré kombinujú primárny snímací prvok, sekundárny elektronický prevodník a snímač spätnej väzby na ovládanie snímacieho prvku za predpokladu, že sú vykonávané v rámci jedného technologického postupu
- vývoj, výskum a tvorba integrovaných senzorov s výpočtovými schopnosťami, napríklad implementácia viacfaktorových meraní, analógovo-digitálne a digitálno-analógové konverzie, prispôsobenie optimálnym podmienkam, výkonnosť riadiacich a diagnostických funkcií atď., za predpokladu, že sú vykonáva v rámci jedného technologického postupu
- vývoj, výskum a tvorba bezdrôtových integrovaných senzorov s nízkou spotrebou energie, ktoré majú vlastnosti prvých troch skupín.
Jednou z prvých systematizačných prác na mikrosystémových senzoroch bol článok K. Petersena „Silikón ako mechanický materiál pre integrované štruktúry“, publikovaný v časopise IEEE č. 5, 1982. Obdobie vývoja integrovaných senzorov je niečo málo cez tridsať rokov. Počas tejto doby bola vyvinutá široká škála senzorov: od integrovaného tenzometra po kompenzačný akcelerometer. Najúspešnejším vývojárom v oblasti mikrosystémových navigačných zariadení je v súčasnosti Analog Devices (USA). V našej krajine vyvíjajú senzory mikrosystému: Arzamas Research and Production Enterprise "TEMP-AVIA" (Ph.D. Bylinkin S.F.), Penza Research Institute of Physics (D.Sc. Timoshenkov SP), Tula State Technical University (Doctor technických vied V.Ya. Raspopov), MVTU (doktor technických vied SF Konovalov) atď. Nedá sa však povedať, že by sa toto obdobie nachádzalo v záverečných fázach. Zvlášť slabým článkom je vývoj integrovaných senzorov parametrov pohybu, ako sú lineárne a uhlové akcelerometre. Stále nie sú žiadne akcelerometre so 100% integráciou a skutočná presnosť známeho vývoja nepresiahla 12% nameraného rozsahu. Integráciou sa rozumie zjednotenie funkčných jednotiek a blokov do jedného konštruktu, ktorý predstavuje jednu monolitickú „časť“. Presnosť merania integrovaných akcelerometrov je možné zvýšiť o viac ako rádovo zavedením obvodu so spätnou väzbou so záporným napätím do obvodu, ale je to spôsobené komplikáciou obvodu.
Relevantnosť práce. Charakteristickým rysom svetového vývoja informačných technológií na konci 20. a začiatku 21. storočia je alokácia integrálne formovaných (komplexných) technológií, medzi ktoré patria technológie mikromechanických systémov. U nás i v zahraničí neustále rastie záujem o vývoj integrálnych senzorov, ktorý je spojený s možnosťou účinne riešiť množstvo problémov s monitorovaním a riadením s ich pomocou. Od 30. marca 2002 je mikrosystémová technológia v Rusku oficiálne vyhlásená za kritickú. V zozname kritických technológií, ktorý schválil prezident Ruska, je znenie definované nasledovne: „Superminiatúrne mechanizmy, zariadenia, stroje s predtým nedosiahnuteľnou hmotnosťou a rozmermi, energetické indikátory a funkčné parametre vytvorené ekonomicky efektívnymi mikro- integrálnymi skupinami. a nanotechnologické procesy. “ Možnosti meracích systémov, ako sú zotrvačné navigačné systémy (INS), inklinometre, smerové čiary atď., Boli vždy určené charakteristikami primárnych prevodníkov. Existujúce konštrukcie integrovaných senzorov zrýchlenia nespĺňajú moderné požiadavky z dôvodu vysokej náročnosti výroby, ako aj dočasnej nestability metrologických charakteristík a malého zdroja.
Táto práca bola vykonaná v súlade s témami výskumu podniku Arzamas JE „TEMP-AVIA“, ako aj s plánom hlavných vedeckých prác Polytechnického inštitútu Arzamas (pobočka NSTU) na problém „Vývoj a výskum integrálnych senzory primárnych informácií “.
Účel práce. Cieľom dizertačnej práce je výskum a vývoj nového senzora akcelerácie mikrosystému a jeho uzlov, ako aj zostavenie matematických modelov senzora a vypočítaných pomerov na teoretické určenie jeho statických, dynamických a presných charakteristík.
Ciele dizertačnej práce:
1. Štúdium štruktúry nového mikrosystémového akcelerometra a jeho súčastí mechanických a elektrických zostáv s využitím polovodičových materiálov a technológie mikroprocesora.
2. Vývoj matematických modelov snímača na analýzu vo fázach výskumu a vývoja a práce na vývoji všetkých charakteristík akcelerometra mikrosystému: statického, amplitúdovo-frekvenčného, fázovo-frekvenčného, prechodového, presného a charakteristického pre jednotlivé uzly.
3. Realizácia experimentálnych štúdií statických a dynamických charakteristík nových senzorov zrýchlenia mikrosystému, ktorých výsledky umožňujú posúdiť presnosť a výhody integrálnych konštrukcií oproti tradičným neintegrálnym.
4. Porovnanie experimentálnych a teoretických výsledkov práce.
Predmet štúdia. Predmetom výskumu sú tieto zariadenia:
- Prvky snímajúce kremíkové kyvadlo.
- Prevodníky kapacitného výtlaku na elektrický signál.
- Zariadenia na testovanie lineárnych akcelerometrov.
- Mikroelektronické prevodníky a jednotky vstavané do integrovaných senzorov zrýchlenia.
Výskumné metódy. Pri riešení stanovených úloh boli použité metódy matematického a počítačového modelovania charakteristík akcelerometra, experiment v plnom rozsahu, metódy teoretickej mechaniky, teória pružnosti a automatické ovládanie.
Vedecká novinka práca je nasledujúci:
1. Štruktúra bola preskúmaná a bol vyvinutý nový citlivý prvok (RF patent č. 2231795), ktorý má dvakrát menšiu chybu merania ako analógy, a bol vyvinutý matematický model pre nový mikrosystémový akcelerometer s upresnením vplyvu charakteristiky prvkov, v dôsledku ktorých sa vypočítané údaje zhodujú s experimentálnymi.
2. Bol vyvinutý pôvodný kapacitný prevodník (patenty: č. 2231796 a č. 2272298). Teoretické vzťahy boli získané pre výpočet mikroelektronických prevodníkov určených na spoločnú prácu s mikromechanickými SE, čo vývojárom poskytlo nový efektívny nástroj pre návrh.
3. Vykonali sa experimentálne štúdie a počítačové modelovanie statických a dynamických charakteristík mikrosystémových akcelerometrov na maketách a hotových výrobkoch a porovnali sa s teoretickými výsledkami, ktoré potvrdili primeranosť teoretických ustanovení.
Praktická hodnota práce:
1. Teoretické riešenia boli prakticky využité pri výpočte charakteristík, pri optimalizácii parametrov vyvíjaných integrovaných senzorov zrýchlenia a vytvorili základ pre vývoj obvodov a štruktúr chránených patentmi Ruskej federácie.
2. Výsledky teoretických a experimentálnych štúdií vo forme odporúčaní a vypočítaných pomerov na určenie najdôležitejších charakteristík senzorov boli použité pre návrh a konštrukciu integrálnych senzorov zrýchlenia typov AT1105 a AT1112 v rozsahu od 0,5 g do 50 g.
3. Vyvinuté metódy na stanovenie statických charakteristík integrálnych senzorov zrýchlenia a ich chýb pomocou testovacieho zariadenia umožňujú získať základné metrologické parametre prístrojov.
4. Výsledky dizertačnej práce boli zavedené do sériovo vyrábaných výrobkov ANPP „TEMP-AVIA“ a do vzdelávacieho procesu v pobočke Arzamas NSTU na oddelení „Letecké prístroje a zariadenia“ v odboroch 190300 a 190900.
Priemyselná implementácia. Závery, odporúčania a výsledky získané v dizertačnej práci sú implementované v podniku ANPP „TEMP-AVIA“ (Arzamas), čo potvrdzujú dokumenty uvedené v prílohe.
Odsúdenie práce. Dizertačná práca a jej jednotlivé sekcie boli prediskutované a pozitívne hodnotené na nasledujúcich konferenciách a stretnutiach:
- Na regionálnej vedecko -technickej konferencii „Metódy a prostriedky merania fyzikálnych veličín“, N. Novgorod, 1997, 1998, 2002, 2003
- Na ruských vedeckých konferenciách „Progresívne technológie v strojárstve a výrobe nástrojov“. 2002, 2003, 2004
- Na rozšírenom zasadnutí odboru leteckých prístrojov a zariadení pobočky Arzamas NSTU v rokoch 1998, 2000, 2001, 2002, 2003 a 2004.
Publikácie. Na základe výsledkov vykonaného výskumu bolo publikovaných 17 prác, z toho 13 článkov a štyri patenty na vynálezy.
Pracovná záťaž. Dizertačná práca pozostáva z úvodu, štyroch kapitol, záveru, dodatku, zoznamu odkazov, zoznamu prijatých označení a obsahuje 153 strán písaného textu: ilustrácie - 39 (obrázky, schémy, grafy), tabuľky - 15, zoznam referencií - 83 titulov.
CHRÁNENÉ
1. Štrukturálne obvody a matematický model nového prvku citlivého na kyvadlo kompenzovaného vplyvom teplotných napätí.
2. Originálny mikrosystémový kapacitný snímač polohy s akcelerometrickým testovaním, menšie rozmery za rovnakú cenu.
3. Matematický model mikrosystémového akcelerometra, ktorý umožňuje odhadnúť jeho parametre aj vo fázach výskumu a vývoja.
4. Vzťahy pre výber optimálnych parametrov mikrosystémového akcelerometra na základe kritéria minimálnych chýb merania, ktoré umožňujú akcelerometrom priameho merania získať presnosť ekvivalentnú presnosti kompenzačného akcelerometra s elektrostatickou spätnou väzbou.
5. Blokové schémy inštalácií na experimentálne štúdie statických a dynamických charakteristík mikrosystémových akcelerometrov a výsledky experimentálnych štúdií.
6. Vzťahy pre teoretické výpočty: tuhosť pružných závesov, absolútne koeficienty plynovo-dynamického tlmenia, elastické závesy pre pozdĺžnu stabilitu a prvky elektrického obvodu.
V úvode zdôvodnil relevantnosť zvolenej témy a na základe analýzy súčasného stavu integrálnych senzorov primárnych informácií sformuloval cieľ a ciele výskumu.
Prvá kapitola Disertačná práca je venovaná prehľadu súčasného stavu mikrosystémových akcelerometrov, v ktorom je vykonaná porovnávacia analýza ich charakteristík. Uvažuje sa s domácimi aj zahraničnými riešeniami a identifikujú sa pozitívne a negatívne aspekty štruktúr z hľadiska získania maximálnej presnosti. V dôsledku analýzy bol uprednostnený akcelerometer mikrosystému s lokálnou spätnou väzbou.
Druhá kapitola sódyR.životy teoretické zdôvodnenie konštrukcie mikromechanického citlivého prvku a elektrického obvodu. Odhad počtu stupňov voľnosti pohyblivej kyvadlovej jednotky sa vykonáva na základe analýzy tuhosti pružných závesov v rôznych smeroch. Z analýzy vyplýva, že uhlový pohyb kyvadla vzhľadom na os y (obr. 1) a lineárny vzhľadom na osi x a y chýbajú, pretože ich tuhosti sú nekonečne veľké. Porovnaním uhlovej tuhosti okolo osí x a z môžeme dospieť k záveru, že uhlová tuhosť okolo osi z prevyšuje uhlovú tuhosť okolo osi x faktorom. Numericky to predstavuje najmenej päť rádov, čo za predpokladu rovnakých síl pôsobiacich pozdĺž porovnávaných osí umožňuje zanedbať nekonečne malý uhlový posun vzhľadom na os z.
Axiálna tuhosť zavesenia pozdĺž kladného a záporného smeru osi z nie je vo všeobecnosti rovnaká. V pozitívnom smere funguje odpruženie v napätí a v negatívnom smere v tlaku. Súčasne je pri vysokom zaťažení v negatívnom smere potrebné skontrolovať pozdĺžnu stabilitu zavesenia. Tu je potrebné poznamenať, že v prípade suspenzií so zakrivením v šírke a hrúbke je krátky úsek v minimálnom priereze suspenzie vystavený stlačeniu a pri zachovaní jeho vlastností v elastickom rozsahu je suspenzia vždy stabilná.
Uvažovaný návrh kyvadla SE integrálneho akcelerometra so zavedenými predpokladmi má dva stupne voľnosti: uhlový posun vzhľadom na os x a lineárny posun pozdĺž osi y. V súlade s tým má mikromechanická pohyblivá jednotka prenosovú funkciu štvrtého rádu. Pri použití Lagrangeovej rovnice druhého druhu na analýzu dynamiky bola prenosová funkcia pohybujúcej sa jednotky definovaná ako:
, (1)
kde koeficienty prenosovej funkcie sú vyjadrené prostredníctvom parametrov pohybujúcej sa jednotky:
(2)
kde je moment zotrvačnosti kyvadla okolo osi z; m je hmotnosť kyvadla; Kd a Kdu - axiálne a uhlové absolútne koeficienty tlmenia; G a Gу - axiálna a uhlová tuhosť pružného zavesenia; lc je vzdialenosť od ťažiska k osi kyvadla kyvadla.
Strmosť statickej charakteristiky citlivého prvku je určená z (1) s prihliadnutím na (2) pri:
(3)
Na zvládnutie posunov kyvadla bol vyvinutý špeciálny elektrický prevodník. Nasledujúce požiadavky boli vzaté ako počiatočné predpoklady pre vývoj prevodníka: 1 - zabezpečenie lineárnosti statických charakteristík v celom rozsahu merania; 2 - vplyv dielektrickej konštanty média vypĺňajúceho priestor medzi meracími elektródami prevodníka musí byť v prevodníku úplne vylúčený; 3 - hodnoty odporu by mali byť zahrnuté do prevodových pomerov vo forme prevodových pomerov; 4 - chyba minimálnej teploty pri zmene parametrov; 5 - dostatočné filtrovanie výstupného signálu z nosnej frekvencie generátora napájajúceho kapacitný mostík; 6 - odstránenie napätia medzi pohyblivými a pevnými elektródami kapacitného mostíka; 7 - v dynamickom vzťahu by mal byť snímač posunu bez zotrvačnosti bez zohľadnenia dolnopriepustného filtra; 8 - nezávislosť strmosti statickej charakteristiky a nulového signálu meniča od frekvencie napájacieho generátora a minimalizácia chýb z nestability napájacích zdrojov.
Úplne formulované požiadavky spĺňa schéma znázornená na obr. 2, a. Na dosiahnutie požadovaných charakteristík z hľadiska statickej a dynamickej presnosti schémy bolo vypracovaných niekoľko variantov riešení pre konkrétny uzol a boli vybrané optimálne. Obvod obsahuje: diferenciálny obvod meracích kapacít C1 - C2; zariadenie na prepínanie referenčných napätí Kl1-Kl4; zosilňovač na OU1, synchrónny (demodulátor) detektor (Cl5 a Cl8); generátor hodinovej frekvencie (obr. 2, b) na logickom prvku typu Schmidtovho spúšťača; zdroje referenčných napätí a dolnopriepustný filter (LPF) na OA2. Elektrický diagram je popísaný nasledujúcou prenosovou funkciou:
(4)
kde 
- koeficient strmosti statických charakteristík meniča;
Časová konštanta filtra;
Kompletná prenosová funkcia mikrosystémového akcelerometra pozostáva z produktu prenosových funkcií mechanických a elektrických častí:
(5)
Koeficienty prenosovej funkcie sa nachádzajú v parametroch pohybujúcej sa jednotky: 
.
Koeficient sklonu statickej charakteristiky akcelerometra mikrosystému so spätnou väzbou lokálnej jednotky sa získa z prenosovej funkcie (5) v tejto forme:
Ako alternatívny obvod bol vyvinutý a skúmaný obvod elektrostatického spracovania a modulácie šírky impulzov (PWM). Po porovnaní je preferovaná schéma na obr. 2.
V tejto práci boli skúmané SE s vnútorným a vonkajším upevnením nosnej platne. Z výskumu bolo zistené, že jednobodové vnútorné upevnenie je výhodnejšie z hľadiska menšieho vplyvu kontaktných napätí prenášaných z tela.
Stiahnite si novú verziu archívu 7 zip
Konfigurácia programu Mozilla Thunderbird: Ako na to
OL PORTAL - všetky sociálne siete a messengery v jednej aplikácii
Programy pre komunikáciu v hrách
Bezplatné stiahnutie XnView pre Windows (ruská verzia) Pomocník Xnview v ruštine
Zlyháva pri inštalácii alebo spustení DirectX v určitých aplikáciách
Navigátory offline (bez internetu) pre Android: kontrola hodnotenia