автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Разработка маятникового компенсационного акселерометра с кремниевым упругим подвесом

Сокращения, обозначения

Введение

ГЛАВА 1. Цифровой компенсационный акселерометр с импульсным током обратной связи

1.1. Структура импульсного компенсационного контура корейского акселерометра

1.2. Исследование режимов работы датчика угла

1.2.1. Анализ режима работы датчика угла с генератором сигнала возбуждения

1.2.2. Анализ режима работы датчика угла с возбуждением импульсным током обратной связи датчика силы

1.3. Исследование погрешности магнитоэлектрического датчика силы, обусловленной электромагнитным тяжением

ГЛАВА 2. Разработка корейского акселерометра

2.1. Основные принципы концепции разработки корейского акселерометра

2.2. Конструкция корейского акселерометра

2.3. Динамический структурный анализ узла подвеса маятника корейского акселерометра

2.4. Разработка датчика силы

2.4.1. Сравнение двух вариантов конструкции датчика силы в корейском акселерометре

2.4.1.1. Акселерометр с электродинамическим датчиком силы

2.4.1.2. Акселерометр с магнитоэлектрическим датчиком силы

2.4.2. Электродинамический датчик силы (для акселерометров

КА-100 и КА-200Е)

2.4.3. Магнитоэлектрический датчик силы с внешним кольцевым магнитом (для акселерометра КА-200Р)

2.4.4 Магнитоэлектрический датчик силы с внутренним цилиндрическим магнитом (для акселерометра КА-300)

2.4.5. Анализ результатов разработки трёх вариантов датчика силы для корейского акселерометра

2.5. Разработка датчика угла

2.6. Экспериментальное исследование совмещённого датчика угла и датчика силы

2.7. Расчёт параметров термокомпенсатора

2.7.1. Температурная стабилизация взаимного положения ротора и статора совмещённого датчика угла-датчика силы

2.7.2. Компенсация температурного дрейфа нулевого сигнала акселерометра

2.8. Цифровой контур компенсации с широтно-импульсной модуляцией

2.8.1. Общая характеристика цифрового контроллера контура регулирования

2.8.2. Структура и особенности цифрового контроллера контура регулирования

2.8.3. Испытания макета цифрового контроллера контура регулирования, гибридных схем и схем в дискретном исполнении

2.8.4. Концепция создания "интеллектуального" акселерометра

ГЛАВА 3. Изготовление корейского акселерометра

3.1. Общие вопросы изготовления корейского акселерометра

3.2. Изготовление пластины маятникового узла акселерометра из монокристаллического кремния методом анизотропного травления

3.3. Сборка корейского акселерометра

3.3.1. Общие положения процесса сборки акселерометра

3.3.2. Сборка узла подвеса маятника

3.3.3. Сборка узла корпуса чувствительного элемента

3.3.4. Сборка чувствительного элемента

3.3.5. Сборка корпуса прибора и кожуха с обогревателем

3.3.6. Сборка акселерометра

3.3.7. Основные особенности сборки акселерометров КА-200Р и КА

3.4. Регулировка параметров корейского акселерометра

3.4.1. Общие замечания по методике регулировки акселерометра

3.4.2. Регулировочные операции при сборке подвеса маятника

3.4.3. Регулировочные операции при сборке чувствительного элемента

3.4.4. Регулировка параметров прибора

3.4.5. Предварительная проверка качества сборки прибора

ГЛАВА 4. Тестирование корейских акселерометров

4.1. Статические испытания корейских акселерометров на автоматизированной системе тестирования

4.2. Испытания корейских акселерометров на центрифуге

4.3. Испытания корейских акселерометров на стенде угловой вибрации

4.4. Испытания корейских акселерометров на стенде линейной 203 вибрации

4.4.1. Испытания акселерометров на случайную вибрацию

4.4.2. Испытания акселерометров на гармоническую вибрацию

4.5. Испытания корейских акселерометров на ударном стенде

ГЛАВА 5. Применение корейских акселерометров в системе диагностики сооружений

Предпосылки для разработки прецизионного акселерометра в республике Корея

В 1993 году в республике Корея совместно со специалистами из МГТУ им. Н. Э. Баумана начались работы по созданию прецизионного акселерометра, получившего в процессе разработки название "корейский акселерометр" или в аббревиатуре "КА".

При создании КА необходимо было ориентироваться на высокий уровень развития в республике Корея электронной промышленности и учитывать недостаточное развитие отрасли прецизионной электромеханики. Поэтому разработчики акселерометра стремились спроектировать прибор с максимально простой конструкцией электромеханической части, при изготовлении которой использовались бы технологические процессы, оборудование и материалы, традиционные для полупроводниковой промышленности.

Кроме того, разрабатываемый акселерометр должен быть надёжен при эксплуатации и недорог при изготовлении.

Были намечены следующие основные области применения разрабатываемого КА. а) Как ЧЭ для инклинометрических систем при бурении нефтяных и газовых скважин [ 1 ]. Акселерометры в этих системах имеют диапазон измео рения до ± 2 g и точность измерения порядка 10 угловых минут (2.8-10 g). Но акселерометры инклинометрических систем должны обеспечивать работоспособность до температуры + 150 0 С, выдерживать воздействие температуры до + 175 0 С, а также сохранять работоспособность при гармонической вибрации амплитудой до 20 g в диапазоне (10 . 500) Гц и после ударов амплитудой от 100 g и длительностью 10 мсек до 1000 g длительностью 3 мсек. b) Как ЧЭ, измеряющие вибрацию и углы наклона объектов в СДС (мостов, высотных зданий и тому подобных объектов) [ 2 ]. В таких системах необходимо иметь два типа акселерометров:

- акселерометр - датчик вибрации для вертикального канала системы с диапазоном измерения до 2 g и полосой пропускания от 0.05 Гц до 20 Гц;

- акселерометр - датчик вибрации и угла наклона для горизонтального канала о измерения системы с диапазоном измерения до 10 угловых минут (2.8-10 g ), порогом чувствительности 10 -б g и полосой пропускания от 0 Гц до 20 Гц. c) Как акселерометр для ИНС в платформенном и бесплатформенном вариантах [ 3 ]. Такой прибор должен иметь следующие характеристики: диапазон измерения от ± 20 % до ± 70 масштабный коэффициент около 3 мА/^; порог чувствительности около 10"6 g; нулевой сигнал не более 1 мg; нелинейность выходной характеристики 0.01 % от диапазона измерения акселерометра; рабочий диапазон температур от - 60 0 С до + 90 0 С; температурный коэффициент изменения масштабного коэффициента 5-10 ~3 % Г С; температурный коэффициент изменения нулевого сигнала 50 мк§ / 0 С; температурный коэффициент изменения базовой погрешности 5 угловых секунд / 0 С; полоса пропускания до 300 Гц.

Акселерометр должен сохранять указанные точностные параметры после воздействия линейной случайной вибрации длительностью 30 минут в диапазоне (5 . 2000) Гц со среднеквадратичным уровнем ускорения = 7 g и после воздействия серии ударов амплитудой до 60 g длительностью (7.9) мсек.

Помимо указанных трёх основных областей применения КА намечалось использовать в автопилотах для авиации, в навигационных системах для автомобилей и так далее.

Анализ конструктивных схем акселерометров, способных обеспечить заданные точностные параметры в намеченных областях применения

Первый этап анализа - это рассмотрение возможности разработки КА по схеме акселерометра прямого преобразования, имеющего частотный выходной сигнал.

Наибольшее число разработок такого типа акселерометров имеют преобразователи, использующие поверхностные акустические волны [ 4 ] или преобразователи, использующие кварцевую резонирующую пластину [ 5 ].

Теоретически эти акселерометры имеют высокую точность измерения, сравнимую с точностью компенсационных акселерометров. Однако на практике высокую точность измерения у таких приборов пока достичь не удалось. Особенно сильно снижает метрологические характеристики этих приборов значительная и крайне нестабильная зависимость частоты выходного сигнала акселерометра от температуры. Кроме того, у разработчиков этих приборов часто возникают трудности с реализацией необходимого демпфирования инерционной массы акселерометра. Иногда для обеспечения работоспособности приборов в сложных условиях эксплуатации требуется снабжать их амортизаторами.

Поэтому схема акселерометра прямого преобразования, использующего преобразователи на поверхностных акустических волнах или преобразователи - кварцевые резонаторы, не была выбрана для разработки КА.

На втором этапе анализа рассмотрим возможность применения в указанных областях поплавковых компенсационных акселерометров [ 6 ]. Внутренняя полость корпуса этих приборов заполнена специальной рабочей жидкостью, что обеспечивает прежде всего полную или частичную разгрузку опор инерционной массы, а также эффективное демпфирование.

В качестве опор поплавковых акселерометров используются чаще всего упругие торсионные подвесы, камниевые подшипники с виброоживлением (так называемые виброопоры) и магнитные подвесы.

Достоинства поплавковых компенсационных акселерометров: высокая точность измерения; малый порог чувствительности; высокая вибрационная и ударная прочность. Таким образом поплавковый компенсационный акселерометр отвечает всем техническим требованиям, предъявляемым к КА.

Недостатки поплавковых компенсационных акселерометров: сложная конструкция прибора; очень высокая стоимость; для производства этих приборов необходимо дорогостоящее технологическое оборудование, имеющее узкую специфику применения. Такое технологическое оборудование отсутствует в корейской промышленности.

Учитывая указанные серьёзные технологические и экономические недостатки поплавкового акселерометра, конструктивная схема этого прибора не была использована при разработке КА.

Третий этап анализа - рассмотрение возможности применения в указанных областях известных акселерометров типа "<3-Р1ех" [ 7 ], разработанных компанией "ЗипсЫгепсГ. Компенсационные акселерометры "0^1 ех" содержат корпус с размещённой внутри инерционной массой и магнитными системами сдвоенного магнитоэлектрического ДС. Инерционная масса прибора имеет форму маятника, подвешенного в корпусе на гибких балках, образующих упругий подвес.

Маятниковый узел акселерометра выполнен из единой пластины плавленого кварца и содержит подвижную часть (выполненную в виде лопасти), соединенную с неподвижной частью (с опорной рамкой) с помощью двух гибких (утонённых) плоскопараллельных перемычек (балок). Каждая сторона лопасти имеет металлическое покрытие, формируя конденсатор на каждой стороне лопасти с внутренней поверхностью магнитной системы ДС. Эти конденсаторы образуют дифференциальный емкостной ДУ. Зазор емкостного ДУ является одновременно рабочим зазором газового демпфера. Этот зазор формируется с помощью трех равновысоких выступов (опорных платиков), выполняемых по обе стороны опорной рамки.

Упругий подвес маятника акселерометра, изготовленный из плавленого кварца методом изотропного травления, практически не имеет гистерезисных свойств, что обеспечивает высокие метрологические характеристики прибора.

Вместе с тем использование плавленого кварца создаёт ряд технологических проблем, как то: необходимость производства специальных заготовок для изготовления маятников; трудности защиты поверхности заготовки от травления; возможность подтрава заготовки под защитный слой, связанная с изотропным характером процесса травления.

Акселерометр типа "(2-Р1ех" был выбран в качестве прототипа при разработке КА. Однако при этом было признано нецелесообразным использовать в качестве материала для изготовления пластины маятникового узла акселерометра плавленого кварца, поскольку в республике Корея отсутствует технология его обработки

Задачи разработки и исследований корейского акселерометра

Первой из решаемых в ходе выполнения представляемой работы задач является создание конструктивного ряда акселерометров для измерения ускорений в следующих диапазонах: малый диапазон измерения ± 2.0 g; средний диапазон измерения ± 20 g; большой диапазон измерения ± 75 g.

Второй из задач работы является разработка прибора с максимально простой конструкцией электромеханической части, при изготовлении которой использовались бы технологические процессы, оборудование и материалы, традиционные для полупроводниковой промышленности. Акселерометр должен быть надёжен в эксплуатации и иметь малую цену.

Третья задача разработки КА - это создание для прибора импульсного контура компенсации с цифровым выходом и управлением от микроконтроллера.

Четвёртая задача - исследование погрешностей акселерометра и основных форм колебаний элементов его конструкции.

Основные результаты тестирования акселерометров КА-200Р представлены в таблице 3.

219 Заключение

В результате выполненной проектной и исследовательской работы:

1. Разработана и исследована оригинальная и простая конструкция корейского кремниевого компенсационного маятникового акселерометра с совмещёнными датчиками угла и момента. Конструкция запатентована в России, Корее и США.

2. На базе разработанной конструкции разработана технология изготовления приборов и их элементов и создан ряд первых в истории Кореи недорогих прецизионных акселерометров, обеспечивающих потребности в различных областях применения.

3. Разработана и реализована оригинальная компенсационная схема триады акселерометров, в которой общий микроконтроллер входит в составы трёх компенсационных контуров акселерометров.

4. Исследованы основные инструментальные погрешности корейских акселерометров, определены пути компенсации погрешностей схемными и конструктивными методами.

5. Проведенные всесторонние экспериментальные исследования партий корейских акселерометров подтвердили наличие у этих приборов высоких метрологических характеристик и правильность основных положений, сформулированных в диссертации.

1. Web-site.URL: http://www.inertialsensor.com/qatl60.shml

2. Web-site. URL: http://vdot.state.va.us/vtrc/briefs/97-r5rb/accel.htm

3. Salychev O. S. Inertial Systems in Navigation and Geophysics. Moscow: Bau-man MSTU Press, 1998. - 352 p.: ill.; - Bibliogr.: p. 349-352. ISBN 5-70381346-8

4. Pat. 4676104 (USA), Int. C1.4 G 01 P 15/08. Surface skimming bulk acoustic wave accelerometer / D. E. Cullen; United Technologies Corporation. № 762900; 1985.

5. Pat. 4517841 (USA), Int. C1.3 G 01 P 15/10. Accelerometer with beam resonator force transducer / R. B. Peters, J. F. Tonn, A. Malametz, R.A. Hilliker, V. B. Corey; Sundstrand Data Control, Inc. № 456254; 1983.

6. Pat. 3702073 (USA), Int. CI. G 01 Р 15/08. Accelerometer / E. D. Jacobs; Sundstrand Data Control, Inc. № 803208; 1969.

7. Коновалов С. Ф. Теория виброустойчивости акселерометров. М.: Машиностроение, 1991. - 270 с. - Библиогр.: С. 267-269.

8. Коновалов С. Ф. Разработка цифрового измерителя скорости: Дис. канд. техн. наук: 05.11.03. М., 1967. - 304 с.

9. Никитин Е. А., Шестов С. А., Матвеев В. А. Гироскопические системы. Элементы гироскопических приборов: Учеб. пособие / Под ред. Д. С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1988. -Часть III. - 432 с. - Библиогр.: С. 426-427.

10. Yazdi N., Ayazi F., Najafi К. Micromachined Inertial Sensors // Proceedings of the IEEE. 1998. - Vol. 86, №8. - P. 1640-1659. - Bibliogr.: p. 1655-1658 (133 nam.).

11. Опыт разработки навигационных приборов на базе монокристалла кремния / С. Ф. Коновалов, Т. Н. Лаптева, К. С. Ли и др. // Микросистемная техника. -2001. -№4.-с. 17-25.

12. Коновалов С.Ф., Лапин А. А., Юрасов Ю. В. Удароустойчивый подвес акселерометра // Докл. II Санкт-Петербургская международная конференция по гироскопической технике и навигации. Санкт-Петербург, 1995. - С. 133-139.

13. А. с. 1708103 СССР, МКИ5 Н 01 L 21/00. Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния / Т. Н. Лаптева, И. И. Медведева, С. Ф. Коновалов, А. А. Трунов. №4696326/25; Заяв. 31.03.89. // Открыт. Изобретения. - 1991. - №5.

14. Пат. 2126161 (РФ), МКИ6 G 01 Р 15/13. Компенсационный акселерометр /С.Ф. Коновалов, Г.М. Новосёлов, А.В. Полынков, Ч.О. Ли, Ч.Х. О, К.С. Ли; Коновалов Сергей Феодосьевич. № 97100156/28; Заяв.27.06.94. // Открыт. Изобретения. - 1999. -№4.

15. Pat. 6073490 (USA), Int. С1.7 G 01 Р 15/00. Servo Accelerometer / S.F. Kono-valov, G.M. Novosyolov, A.V. Polynkov, C.O. Lee, J.H. Oh, K.S. Lee; Kono-valov Sergey Feodosievich. № 08/765576; 1994.

16. Pat. 0336151 (Korea), Int. CI. G 01 P 15/08. Servo Accelerometer / S.F. Kono-valov, G.M. Novosyolov, A.V. Polynkov, C.O. Lee, J.H. Oh, K.S. Lee; Kono-valov Sergey Feodosievich. № 1996-0707610; 1996.

17. Gould J. E. Stability of permanent Magnets / B. Sc. F. Inst. P., Permanent1985

18. Magnet Association, Central Research Laboratories.-Sheffield (England), 8 p.

19. А. с. 845103 СССР, МКИЗ О 01 Р 21/00. Способ исследования виброустойчивости акселерометров / С. Ф. Коновалов, Г. М. Новосёлов. № 2623705/18-28; Заяв. 30.05.78; Опубл. 07.07.81, //Б.И. - 1981. -№25.

20. Система диагностики состояния строительных сооружений / С. Ф. Коновалов, А. А. Елизаров, К. С. Ли и др. // Докл. IX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Санкт-Петербург, 2002. - С. 249-257.