автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Высокоточные низкочастотные акселерометры для систем управления движением изделий ракетно-космической техники

■»очо/БЭ

АЛЕКСЕЕВА Вера Владимировна

ВЫСОКОТОЧНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ММ* 2(№

Пенза 2011

4845759

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт физических измерений», г. Пенза.

Научный руководитель - доктор технических наук

Папко Антонина Алексеевна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юрков Николай Кондратьевич; кандидат технических наук Солодимова Галина Анатольевна.

Ведущая организация - РКК «Энергия», г. Королев Московской обл.

Защита диссертации состоится 19 мая 2011 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д.212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», с авторефератом -на сайте университета www.pnzgu.ru

Автореферат разослан апреля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

А. В. Светлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование и развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) изделий ракетно-космической техники (РКТ) является одним из эффективных путей поддержания необходимого уровня обороноспособности страны. Процессы измерения ускорений на платформенных (с конструктивной защитой от воздействия механических и температурных влияющих величин) и бесплатформенных системах управления движением базируются на низкочастотных акселерометрах уравновешивающего преобразования как их неотъемлемой части. Комплекс современных требований к акселерометрам ИИУС объектов РКТ требует высокоточного измерения ускорения (не хуже 0,005 %) в интервале от десятых долей м-с"2 и до 600 м-с'2, высокой стабильности коэффициента преобразования (до ±0,001 %/°С) в условиях воздействия изменений температуры окружающей среды в интервале от минус 65 до +65 °С, вибрационных и ударных процессов значительной амплитуды. Общим недостатком известных в настоящее время акселерометров для бесплатформенных систем управления (серия QA «Honeywell», серии МА и JA-5 «Japan Aviation Electronics», серия AT ОАО «Темп-Авиа», серия КИНД «НИИПМ им. академика В. И. Кузнецова», серия АЛЕ ОАО «НИИФИ», серия АК «НПЦ АП им. академика Н. А. Пилюгина») является неудовлетворительная температурная стабильность коэффициента преобразования, а для их малогабаритных вариантов (QA, JA-5, АЛЕ и AT) к ней добавляется нестабильность смещения нуля.

Исследованиям методов повышения точности цепей уравновешивающего преобразования посвящены работы В. С. Гутникова, Е. С. Лев-шиной, П. В. Новицкого (СПбТУ), Е. А. Мокрова (ОАО «НИИФИ», г. Пенза), Э. К. Шахова, В. М. Шляндина (ПТУ), У. М. Сиберта (Массачусет-ский технологический институт, США). Развитию методологии проектирования уравновешивающих акселерометров, устойчивых к воздействию жестких условий эксплуатации на изделиях РКТ, посвящено значительное число работ В. Ф. Коновалова (МГТУ им. И. И. Баумана) и А. А. Папко (ОАО «НИИФИ», г. Пенза).

Однако разработанные принципы и рекомендации не учитывают того, что при значительном серийном выпуске высокоточных акселерометров представления о реальных процессах их функционирования и механизмах возникновения возможных дефектов существенно изменяются не только при ужесточении требований к точности, но и по мере накопления статистических данных о поведении конкретных приборов при производстве и эксплуатации. То, что на единичных образцах может быть исключенным из ряда измерений как промах, повторяясь в серийном производстве и эксплуатации в виде самоустраняющихся дефектов, является следствием проявления влияния сочетания маловероятных факторов, обусловленных специфическими условиями высокоточных измерений, и приводит

3

V

\

к необходимости уточнения схемно-конструктивных решений, математических моделей, методов контроля и испытаний акселерометров.

В этой связи разработка высокоточных низкочастотных акселерометров для ИИУС изделий РКТ на основе новых технических решений, обеспечивающих соответствие каждого образца установленным требованиям в процессе серийного производства и эксплуатации, является актуальной задачей.

Актуальность решаемой задачи подтверждается включением исследований по созданию элементов систем управления движением в утвержденные перечни приоритетных направлений развития науки, техники и критических технологий РФ.

Целью диссертационной работы являются разработка и исследование возможностей и путей повышения стабильности и воспроизводимости метрологических характеристик малогабаритных высокоточных акселерометров с частотным выходом для ИИУС изделий РКТ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать функцию влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом;

- исследовать способы и алгоритмы повышения температурной стабильности коэффициента преобразования акселерометра;

- исследовать новые технические решения по уменьшению влияния нестабильности смещения нуля на достоверность оценки метрологических характеристик акселерометра;

- разработать рекомендации и методы испытаний, обеспечивающие воспроизводимость их результатов при определении параметров функции преобразования акселерометра в процессе изготовления и в составе ИИУС;

- подтвердить экспериментально эффективность результатов исследования схемно-конструктивных решений, рекомендаций и методов испытаний, обеспечивающих повышение стабильности, и разработать высокоточные акселерометры для ИИУС изделий РКТ.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, математического моделирования, теории измерений, теоретической и практической метрологии. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD, Maple, ANSYS.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований образцов высокоточных низкочастотных линейных акселерометров в процессе производства и эксплуатации в составе ИИУС изделий РКТ.

Научной новизной обладают:

1. Результаты исследования функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом, позволившие впервые установить, что возрастание или убывание функции зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания, а параметры наклона — от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.

2. Уточненная математическая модель процесса компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования, отличающаяся учетом влияния нормированных изменений температурных характеристик термодатчика и регулирующих элементов и позволяющая обосновать предельные возможности различных конфигураций схемы термокомпенсации и условия выбора номинальных значений сопротивлений регулирующих элементов, определяющих характеристики ИИУС изделий PKT.

3. Схемные и конструктивные решения, обеспечивающие повышение стабильности параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом за счет уменьшения числа резистивных делителей и источников опорного напряжения в преобразователе «напряжение - частота» (ПНЧ).

4. Обоснование взаимосвязи между воспроизводимостью результатов измерений при определении параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом и сочетанием маловероятных самоустраняющихся дефектов, вызванных влиянием индустриальных помех по цепям питания и несанкционированным нарушением режимов работы выходных каскадов, в процессе изготовления и эксплуатации ИИУС изделий PKT.

Практическое значение имеют:

1. Решение задачи компенсации температурной погрешности акселерометра путем введения в схему дополнительного операционного усилителя с термодатчиком и регулирующими элементами, конфигурация включения которых в схему зависит от знака и значения компенсируемой температурной погрешности, и применения нового алгоритма процесса термокомпенсации.

2. Разработка схемы миниатюрной СБИС ПНЧ с улучшенными метрологическими характеристиками за счет внедрения результатов исследований, обосновывающих возможность исключения из нее несовместимых с технологиями изготовления СБИС одного резистивного делителя и одного источника опорного напряжения.

3. Повышение воспроизводимости и стабильности параметров ИИУС за счет внедрения методов испытаний, исключающих недостоверную идентификацию маловероятных отказов при серийном производстве и проведении входного контроля в составе ИИУС.

4. Модернизация акселерометров АЛЕ 055 и разработка акселерометров AJIE 055М, AJIE 057 с температурными характеристиками до 0,001 %/°С,

что вдвое меньше, чем у лучшего отечественного аналога, на два порядка меньше, чем у других отечественных аналогов, и на порядок меньше, чем у лучшего зарубежного аналога.

На защиту выносятся:

1. Уточненная математическая модель процесса компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра на основе учета нормируемых пределов изменения температурных характеристик элементов цепи термокомпенсации, позволяющая сформулировать условия выбора ее конфигурации и снизить трудоемкость процесса термокомпенсации.

2. Конструктивные решения, обеспечивающие повышение стабильности пространственной ориентации измерительной оси акселерометра, улучшающие стабильность смещения нуля акселерометров для ИИУС изделий PKT.

3. Новые рекомендации и методы испытаний, обеспечивающие повышение воспроизводимости результатов измерений при оценке параметров функции преобразования и уменьшающие вероятность возникновения самоустраняющихся дефектов при изготовлении и эксплуатации высокоточных акселерометров с частотным выходом в составе ИИУС.

4. Разработка высокоточных миниатюрных акселерометров АЛЕ 055М и разработка AJIE 057 с высокой температурной стабильностью коэффициента преобразования и временной стабильностью смещения нуля.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты проведенных научных исследований использованы для модернизации прецизионных низкочастотных акселерометров АЛЕ 055 и разработки акселерометров нового поколения АЛЕ 055М, внедренных в ИИУС реактивных систем залпового огня (РСЗО) 9Б174, акселерометров АЛЕ 057, предназначенных для эксплуатации в составе ИИУС разгонных блоков 8К82КМ и системы управления движением узлов комплекса 1Т142.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2008, 2009, 2011); международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2006, 2010), ХХХУ научно-технической конференции «Пути повышения эффективности применения ракетно-артиллерийских комплексов, методов их эксплуатации и ремонта» (г. Пенза, 2009), всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в ракетно-космической промышленности» (г. Москва, 2009), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010, 2011), научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (г. Пенза, 2007,2008,2009,2010 и 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 3 работы опубликованы в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов; изложена на 138 страницах, содержит 43 рисунка, 19 таблиц; список использованных источников составляет 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснованы актуальность темы, цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы, показана научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены результаты анализа метрологических характеристик высокоточных акселерометров для ИИУС, построенных на основе метода уравновешивающего преобразования с использованием наиболее распространенных емкостных датчиков перемещения и магнитоэлектрических обратных преобразователей. Известные отечественные и зарубежные аналоги значительно различаются по температурной погрешности и дополнительным функциям — наличию активных фильтров нижних частот (ФНЧ), встроенных датчиков температуры, цепей термокомпенсации и т.д. Установлено, что из-за ограниченных вычислительных возможностей отечественные ИИУС изделий РКТ не выполняют функций введения поправок на влияние изменений температуры окружающей среды, что приводит к необходимости выполнения компенсации температурной погрешности непосредственно в акселерометрах. На основе анализа передаточной функции акселерометра АЛЕ 055 с частотным выходом, содержащего, кроме цепи уравновешивания, встроенные ФНЧ и ПНЧ, определена математическая модель функции влияния температуры окружающей среды на коэффициент преобразования Ч?, в виде

где К0, АК0(Т) - коэффициент преобразования и его приращение в интервале изменения температуры окружающей среды АТ; ая, ав, а,пр - температурная нестабильность характеристик масштабирующего резистора и обратного преобразователя как элементов цепи уравновешивания акселерометра; а^нч - температурная нестабильность коэффициента усиления ФНЧ; ат0, (Хе0 — температурная нестабильность параметров узлов, определяющих метрологические характеристики ПНЧ.

Определение границ изменения функции влияния на основе формулы (1) с использованием нормированных значений отдельных составляющих показывает, что они находятся в подтвержденном экспериментами интервале от 4-10-5 до 27-10"5 1/°С. Автором установлено, что возрастание или убывание функции зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания (первое слагаемое формулы (1)), а параметры наклона -от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.

Анализ структурной схемы этого же акселерометра позволил определить математическую модель описания предельного значения нестабильности смещения нуля Дм, приведенного ко входу цепи уравновешивания при гарантированном отсутствии риска заказчика:

АЙ0=ДКС+ —+ АуПТ АпНЧ , (2)

К кс Ккс • Кс Кр Кр • Л'фнч

где А кс — нестабильность смещения нуля механической колебательной системы (КС); Дс, Дуги, Дфнч, Дпнч - нестабильность смещения нуля датчика перемещения, усилителя постоянного тока (УПТ), ФНЧ и ПНЧ соответственно; Ккс, Кс, КР, Кфнч _ коэффициенты преобразования КС, датчика перемещения, цепи уравновешивания и ФНЧ соответственно.

Выявлено, что наиболее значимыми составляющими формулы (2) являются нестабильности Дкс, Дпнч из-за того, что первая из них входит в модель полным весом, а вторая - связана с принципиальной необходимостью использования в прецизионном ПНЧ источников опорного напряжения, отличительной характеристикой которых является неудовлетворительная стабильность за время вхождения в режим.

Исследование стабильности метрологических характеристик при эксплуатации серийных высокоточных акселерометров в составе ИИУС позволило также установить зависимость их воспроизводимости от влияния сочетаний маловероятных влияющих факторов. К ним отнесены факторы, взаимосвязь возникновения каждого из которых в отдельности с появлением самоустраняющихся дефектов акселерометров можно зафиксировать только в крайне редких случаях.

На основе проведенного в главе анализа сформулированы основные задачи дальнейших исследований, направленных на поиск путей повышения стабильности параметров функции преобразования акселерометров для ИИУС.

Во второй главе исследованы возможности известных датчиков температуры для целей компенсации влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования датчиков ИИУС. Определено, что наиболее эффективно задача термокомпенсации может быть решена применением дополнительного инвертирующего операционного усилителя DA с термозависимым коэффициентом усиления K(t), содержащего термодатчик R(t) из меди или платины и регулирующие элементы RI-R4, конфигурация включения которых в схему зависит от знака и зна-

чения компенсируемой температурной погрешности (рисунок 1). Штрихами на рисунке 1 отмечены элементы, включаемые в соответствии с разработанными автором рекомендациями (таблица 1).

т т.

Ц* С) -£=□ 1 СД

Г

> >

41

<и

Рисунок 1 - Обобщенная цепь компенсации влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра

В общем виде коэффициент преобразования цепи по рисунку 1 без учета температурных характеристик ее регулирующих элементов имеет вид

{(0 ЯЪ+М\\Щ)

£/„(/) Д1 + Д2||Л(0

(3)

Построение алгоритмов компенсации влияния изменений температуры окружающей среды датчиков на основе уравнения (3) приводит к неудовлетворительным результатам, не позволяя использовать ее значительных потенциальных возможностей, которые могут быть определены только при учете температурных характеристик всех ее элементов.

Для этого случая ожидаемые значения компенсирующей температурной нестабильности коэффициента преобразования цепи по рисунку 1 в интервале изменений температуры окружающей среды от Ттт до Ттах с учетом температурных изменений резисторов Л1-Й4 и термодатчика /?(/), полученные на основе формулы (3), для вариантов 1, 2 в таблице 1 описываются уравнением

к1к=т+

г0 + Я2*

(1 + «юД7])

Л1(1 + аЛ1Д:г,) +

г0 (1 + а, АГ,) Л2 * (1 + а К2АЦ)

^#¡,(1 + 0^7,) +Д2*(1 + схл2М1)у

(1 + Ок3ЛГ2)

Я1{\ + атЩ) +

r0(l + atAT2)R2*(\ + aR2AT2) r0(l + atAT2) + R2*(l + aR2AT2) J

для вариантов 3,4 — уравнением

K1R=R3* +

'0-Д4 r0+R4

О + адзАГОд+^АГ,)

(1 + аиА7|)

ЛЗ*(1 + осюД7]) +

г0(1 + агА7])/?4(1+аД4А7]) r0( 1 + а, ATj) + /?4(1 + а Д4А71)

л\

(1 + аЙЗАГ2)(1 + агАГ2)

(1 + осЛ1ДГ2)

ДЗ*(1 + аязДГ2) +

' г0(1 + агАГ2)/?4(1+ад4АГ2) "

r0( 1 + а,ЛГ2) + Д4(1 +атАТ2)

J )

,(5)

где Д7] -Т0);АТ2 =(Ттах-Т0); а, - температурный коэффициент

сопротивления датчика температуры; аль а и, аЛЗ, аЛ4 - температурные коэффициенты сопротивления резисторов, образующих цепь термокомпенсации; г0 - сопротивление датчика температуры при номинальном значении температуры, например О °С.

Таблица 1 - Варианты конфигураций цепи термокомпенсации

№ варианта Варианты включения регулирующих элементов Я1-Л4 и датчика температуры R(t) Знак и пределы изменения компенсируемой погрешности, %/°С

R1 R2 ЛЗ Я4 R(t)

1 нерегулируемый регулируемый нерегулируемый отсутствует последовательно с Л1,ЙЗ от +0,004 до +0,025

2 регулируемый отсутствует нерегулируемый отсутствует последовательно с Л1,ЛЗ от+0,015 до +0,05

3 нерегулируемый отсутствует регулируемый отсутствует последовательно с ЯЗ от минус 0,015 до минус 0,05

4 нерегулируемый отсутствует нерегулируемый регулируемый параллельно с R4 от минус 0,004 до минус 0,025

Анализ возможностей схем термокомпенсации на основе формул (4), (5) с применением ЭВМ позволил определить предельные значения компенсируемой погрешности (столбец 7 таблицы 1), а также обосновать следующее условие выбора номинальных значений регулирующих элементов

Rl(R3)<

П)а1 пат

где п - установленное отношение температурных приращении сопротивлений.

Из-за сложности аналитического определения сопротивлений термо-компенсирующих резисторов R2, R4 по заданным значениям К,к автором предложен алгоритм решения задачи термокомпенсации средствами программы Maple, содержащий, кроме операций вычисления сопротивления регулирующих элементов и ожидаемых температурных характеристик, анализ результатов промежуточных вычислений, операцию выбора конфигурации цепи термокомпенсации на основании температурных испытаний акселерометра при отключенной цепи термокомпенсации.

В третьей главе показано, что нестабильность собственного смещения нуля акселерометра из-за значительного времени воспроизведения и фиксации измеряемой величины оказывает различное влияние на результаты измерений выходного сигнала акселерометра в разных точках градуировки и приводит к снижению достоверности определения параметров функции преобразования и воспроизводимости результатов измерений в составе ИИУС. Представлены результаты исследований возможности повышения достоверности измерений за счет уменьшения двух наиболее значимых и независимых друг от друга составляющих формулы (2) - Дпнч, Акс-

На основе анализа известных вариантов построения ПНЧ установлено, что наиболее точные из них построены на принципе двухтактного интегрирования с заданной длительностью одного такта. При этом для сохранения ожидаемой точности и обеспечения заданных требований к значениям смещения нуля bp и коэффициента преобразования К0р необходимо использование двух регулируемых источников опорного напряжения для регулирования заданных значений опорных напряжений резистивными делителями Кп\ =-—, Кгп =——— (рисунок 2).

R2 ** R6 + R7 F '

Функция преобразования такого ПНЧ имеет вид

f _ и0Кд\ , Ux , к п

Jвых - „ „ „—+ _ „--bF+K0F ' х '

ТЪЕ0Кя2 Т0Е0КД2

г

С5Ж\

oL

Г

<pQpMi$)Qúmefh опорного

Ффюроботель выходной частоты

интерОо,та бремени

i Выход F

J

Рисунок 2 - Функциональная схема исследуемого ПНЧ

Здесь U0, Ей - максимальные выходные напряжения источников опорных, напряжений, изменением значений которых осуществляется регулирование параметров функции преобразования. Очевидно, что стабильность приведенной функции определяется стабильностью значений параметров ¡Jo, Е0, Т0, Хяь Хд2. Для уменьшения уровня шумов, определяющих стабильность Ър, автором предложено исключить из схемы ПНЧ источник опорного напряжения U0 и резистивный делитель Кв2', регулирование смещения нуля предложено проводить от источника Е0 посредством делителя Кп\, а коэффициента преобразования - изменением длительности опорного интервагт'врёмени 7о с применением программируемого счетчика импульсов (исключенные элементы показаны на рисунке 2 пунктирными линиями). Расчетом показано, что внедрение предложенного решения увеличивает стабильность параметров функции преобразования ПНЧ не менее чем вдвое.

Установлено, что по мере повышения точности акселерометров расширяется номенклатура факторов, влияющих на стабильность их смещения нуля. При этом использование известных рекомендаций по увеличению стабильности смещения нуля путем уменьшения влияния остаточных напряжений в деталях, контактных напряжений в местах сопряжения деталей и сборок чувствительного элемента исчерпало свои возможности, приводя к необходимости выявления новых механизмов такого влияния. Исследования показали, что к их числу можно отнести влияние сочетания нестабильности пространственного положения измерительной оси с постоянно действующим на акселерометр гравитационным ускорением. В результате моделирования определено, что пространственная ориентация измерительной оси акселерометра зависит от несовершенства форм и взаимной несимметрии упругих подвесов. Проведена сравнительная оценка влияния для двух форм упругих подвесов - полукруглой и трапецеидальной (рисунок 3). В результате сравнения установлено, что более высокой

стабильностью пространственной ориентации измерительной оси обладают колебательные системы, подвесы которых формируются в течение одного технологического приема (рисунок 3,6). Разработаны рекомендации по выбору конструкции подвесов и обоснованы требования к взаимной несимметрии упругих подвесов, обеспечивающие заданную пространственную ориентацию измерительной оси.

18:1

а) б)

Рисунок 3 - Колебательные системы акселерометров: а - полукруглый подвес; б - трапецеидальный подвес

Моделирование приведенной конструкции подвеса средствами программы А^УБ подтверждает, что в ней технологически обеспечивается заданное значение разориентации измерительной оси не более 3 угловых минут.

В четвертой главе представлены результаты внедрения и экспериментального подтверждения основных научных положений диссертационной работы в разработках (рисунок 4) высокоточных акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием типа АЛЕ 055М, АЛЕ 057.

¿шРРйР

а) б)

Рисунок 4 - Фотографии акселерометров АЛЕ 055М (а) и АЛЕ 057 (б)

Экспериментально и методами логико-вероятностного анализа безотказности впервые установлены механизмы возникновения в ИИУС изде-

лий РКТ самоустраняющихся дефектов акселерометров в виде сочетания индустриальных помех по цепям питания эталонных средств измерений и выходным цепям акселерометров, несанкционированных нарушений режимов работы выходных каскадов, несоответствия условий проведения измерений при изготовлении и входном контроле. Разработаны методы испытаний акселерометров, учитывающие специальные рекомендации по исключению возможности возникновения самоустраняющихся дефектов.

Разработана процедура компенсации влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования с одновременным снижением трудоемкости. При этом принято, что процесс термокомпенсации считается эффективным, если число итераций по достижению заданного значения коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования К,, не превышает 2. Предельное значение К, установлено равным не хуже 0,001 %/°С по абсолютному значению, что является самым лучшим показателем среди известных высокоточных акселерометров.

Экспериментально подтверждено, что требуемая эффективность процесса компенсации обеспечивается последовательностью операций, включающей в себя:

1) проведение испытаний по определению температурных характеристик акселерометра при отключенном датчике температуры (итерация 1);

2) определение конфигурации цепи термокомпенсации с учетом необходимости подключения термодатчика и регулирующих элементов, значения сопротивлений которых вычисляются в соответствии с рекомендациями главы 2;

3) экспериментальное подтверждение соответствия коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования (итерация 2).

Подтверждены также:

- повышение температурной стабильности коэффициента преобразования акселерометров АЛЕ 055М, АЛЕ 057 до установленного уровня 0,001 %. Сравнение полученных результатов с аналогами приведен на рисунке 5;

- повышение стабильности смещения нуля от влияния всех факторов за время определения метрологических характеристик до уровня лучшего зарубежного образца - 5-10~5 м/с2;

- воспроизводимость коэффициента преобразования при изготовлении, входном контроле и эксплуатации не хуже 0,002 %.

При проведении экспериментов по подтверждению воспроизводимости и стабильности параметров функции преобразования акселерометров АЛЕ 055М, АЛЕ 057 при производстве и входном контроле в составе ИИУС изделий РКТ использовались эталонные поворотные устройства Р1 в комплекте с виброзащитными столами, эталонные центрифуги типа АсМуп, климатические камеры МС 71, частотомеры 43-54, источники пи-

тания в комплекте с корректором напряжения КНТ-6,3-Б, а объем выборок составлял не менее 100 образцов.

•¡и %

...............................0,5 АЛЕ 055М, АЛЕ 057 д . - V ■ - ггт - :

АЛЕ 055 ^ ОАЗООО —- " " .. - . * * АТ 1104-— ^ " " ДА-5 * -1,5 АЛЕ 048 - * 1

-60 -40 -20 0 20 40 60

I, °С

Рисунок 5 - Результаты сравнения достигнутых значений температурной стабильности коэффициента преобразования вновь разработанных образцов акселерометров и лучших отечественных и зарубежных аналогов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определено, что для обеспечения температурной стабильности коэффициента преобразования высокоточных акселерометров на уровне 0,001 %/°С при ограниченных вычислительных возможностях ИИУС необходимо применение встроенной термокомпенсации.

2. Впервые установлено, что возрастание или убывание функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания, а параметры наклона - от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.

3. Уточнение математической модели способа термокомпенсации коэффициента преобразования путем учета нормируемых изменений температурных характеристик термодатчика и регулирующих элементов позволило обосновать предельные возможности различных вариантов схем термокомпенсации, уточнить условия выбора номинальных значений сопротивлений регулирующих элементов и разработать методику, обеспечивающую достижение установленного уровня коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования.

4. Выявлены новые механизмы влияния, ограничивающие пределы воспроизводимости результатов измерений при оценке параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом; разработаны новые технические решения по повышению стабильности смещения нуля за счет сокращения числа источников опорного напряжения и резистивных делителей в ПНЧ и реализации механической колебательной системы на основе подвесов трапецеидальной формы.

5. Разработаны методы испытаний для определения метрологических характеристик акселерометров при изготовлении и эксплуатации в составе ИИУС, учитывающие специальные рекомендации по обеспечению устойчивости применяемых эталонных средств измерений к воздействию индустриальных помех, что значительно улучшило показатели ИИУС.

6. Разработаны высокоточные акселерометры с магнитоэлектрическим уравновешиванием типа АЛЕ 055 М, АЛЕ 057 с температурной стабильностью коэффициента преобразования А", < 0,001 %/°С, превышающей более чем на два порядка аналогичную характеристику отечественных аналогов и более, чем на порядок - зарубежных аналогов. По стабильности смещения нуля вновь разработанные акселерометры находятся на уровне лучших зарубежных аналогов и значительно превосходят отечественные аналоги.

7. Акселерометры АЛЕ 055, АЛЕ 055М внедрены в ИИУС РСЗО 9Б174, акселерометры АЛЕ 057 внедрены в ИИУС разгонных блоков 8К82КМ и системы управления движением узлов комплекса 1Т142.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Алексеева, В. В. Метод компенсации температурной погрешности коэффициента преобразования прецизионных акселерометров / Д. А. Скаморин, В. В. Алексеева // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009.-№ 1С. 118-124.

2. Алексеева, В. В. Повышение разрешающей способности и стабильности метрологических характеристик микромеханических акселерометров / В. В. Алексеева, А. А. Папко, М. А. Калинин, И. В. Кирянина, С. В. Шептали-на // Измерительная техника. - 2011 .—№ 3. - С. 16-19.

3. Алексеева, В. В. Оптимизация структур микромеханических акселерометров / А. А. Папко, М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Измерительная техника.-2011,-№3,-С. 19-21.

Публикации в других изданиях

4. Алексеева, В. В. Об особенностях термокомпенсации коэффициента преобразования прецизионных акселерометров / Е. А. Мокров,

А. А. Папко, В. В. Алексеева // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : материалы Междунар. науч.-техн. конф. — Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ, 2006. — С. 31-32.

5. Алексеева, В. В. О результатах внедрения технологий микромеханики в разработки акселерометров ФГУП «НИИ физических измерений» / М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : труды Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ, 2008. - С. 91-97.

6. Алексеева, В. В. О результатах внедрения технологий микросистемной техники в разработки акселерометров ФГУП «НИИ физических измерений» / М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Прогрессивные технологии в ракетно-космической промышленности. По итогам научно-технической конференции и научно-практического семинара молодых ученых и специалистов предприятий космической промышленности : сб. материалов. — Королев : Изд-во НОУ «ИПК МАШприбор», 2009. - Ч. 2. - С. 44-48.

7. Алексеева, В. В. О выборе оптимальной структуры построения измерительной цепи микромеханического акселерометра / А. А. Папко, М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий : тез. докл. II всерос. науч.-техн. конф. - М. : Радиотехника, 2009.

8. Алексеева, В. В. О повышении достоверности определения метрологических характеристик прецизионных акселерометров за счет оценки влияния взаимодействия с эталонными средствами воспроизведения ускорения и введения поправок в результат измерений / А. А. Папко, М. А. Калинин, И. В. Кирянина, В. В. Алексеева // Измерения и испытания в ракетно-космической промышленности : тез. докл. всерос. науч.-техн. конф. -М. : Метрологическая ассоциация промышленников и предпринимателей, 2009.-С. 115.

9. Алексеева, В. В. О моделировании параметров механической колебательной системы акселерометра и методах ее контроля в производстве / С. В. Шепталина, В. В. Алексеева, Д. А. Скаморин, А. В. Соловьев // Датчики и системы : сб. докл. XXVIII науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2009. - С. 59-65.

10. Алексеева, В. В. О результатах научных исследований при организации серийного производства прецизионных акселерометров для систем управления движением летательных аппаратов / В. В. Алексеева // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : труды междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПТУ, 2009. - С. 154-157.

11. Алексеева, В. В. О взаимосвязи фактического уровня вероятности безотказной работы высокоточных акселерометров с особенностями их серийного освоения / В. В. Алексеева, И. В. Кирянина // Датчики и системы : сб. докл. XXIX науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2010. - С. 68-71.

12. Алексеева, В. В. Об определении фактического уровня вероятности безотказной работы высокоточных низкочастотных акселерометров в процессе их серийного освоения / В. В. Алексеева, И. В. Кирянина // Надежность и качество - 2010 : материалы междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010.-С. 405-409.

13. Алексеева, В. В. Об оптимизации структур микромеханических акселерометров на основе моделирования влияния паразитных МДП-структур в измерительных цепях / А. А. Папко, М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Микротехнологии в космосе: материалы науч.-техн. конф. - М. : Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем, 2010. - С. 38-39.

14. Алексеева, В. В. Взаимосвязь фактического уровня вероятности безотказной работы высокоточных низкочастотных акселерометров с особенностями их серийного освоения / В. В. Алексеева, И. В. Кирянина // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : труды междунар. науч-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010.-С. 247-253.

15. Алексеева, В. В. О возможностях улучшения температурной стабильности коэффициента преобразования высокоточных акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием / В. В. Алексеева // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : труды междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.

16. Алексеева, В. В. Отработка алгоритмов компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования высокоточных акселерометров / В. В. Алексеева // Датчики и системы : сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011.

17. Алексеева, В. В. О совершенствовании способов и методик компенсации влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования высокоточных акселерометров / В. В. Алексеева // Надежность и качество - 2010 : материалы междунар. симп. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.

Научное издание

АЛЕКСЕЕВА Вера Владимировна

ВЫСОКОТОЧНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Подписано в печать 18.04.2011. Формат 60x84Vi6. Усл. печ. л. 0,93. Заказ № 227. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПТУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@mail.pnzgu.ru

Введение.

1 Сравнительный анализ метрологических характеристик высокоточных акселерометров и определение направлений исследований.

1.1 Оценка технического уровня существующих образцов высокоточных акселерометров производства ОАО «НИИФИ» в сравнении с лучшими отечественными и зарубежными аналогами.

1.2 Предварительный анализ модели стабильности коэффициента преобразования акселерометров уравновешивающего преобразования.

1.3 Определение предельных значений температурной нестабильности коэффициента преобразования высокоточного акселерометра с магнитоэлектрическим уравновешиванием.

1.4 Анализ методов обеспечения стабильности смещения нуля.

1.5 Исследование влияния маловероятных факторов на метрологическую надежность высокоточных акселерометров.

1.6 Выводы.

2 Исследование способов компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования высокоточных акселерометров.

2.1 Анализ существующих способов компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования.

2.2 Моделирование процесса термокомпенсации коэффициента преобразования высокоточных акселерометров и обоснование выбора схемы канала термокомпенсации.

2.3 Выводы.

3 Исследование источников и способов снижения нестабильности смещения нуля высокоточных низкочастотных акселерометров.

3.1 Исследование влияния дрейфа источников опорного напряжения на стабильность смещения нуля прецизионных акселерометров с частотных выходом.

3.2 Исследование термоэлектрических механизмов возникновения дрейфа смещения нуля.

3.3 Исследование влияния контактных напряжений в сборках ЧЭ.

3.4 Исследование влияния несимметрии конфигурации упругого подвеса маятника на стабильность пространственного положения измерительной оси.

3.5 Оценка влияния маловероятных факторов на воспроизводимость результатов испытаний при оценке метрологических характеристик высокоточных акселерометров.

3.6 Выводы.

4 Результаты экспериментального подтверждения основных научных положений диссертации.

4.1 Экспериментальное подтверждение повышения стабильности смещения ПНЧ.

4.2 Экспериментальное подтверждение действенности рекомендаций по повышению стабильности пространственной ориентации измерительной оси акселерометра.

4.3 Разработка рекомендаций к методам испытаний, обеспечивающим повышение воспроизводимости результатов измерений.

4.4 Разработка методики температурной компенсации коэффициента преобразования акселерометров.

4.5 Разработка малогабаритных высокоточных акселерометров

АЛЕ 055М, АЛЕ 057.

4.6 Выводы.

Актуальность работы. Совершенствование и развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) изделий ракетно-космической техники (РКТ) является одним из эффективных путей поддержания необходимого уровня обороноспособности страны. Процессы измерения ускорений на платформенных (с конструктивной защитой от воздействия механических и температурных влияющих величин) и бесплатформенных системах управления движением базируются на низкочастотных акселерометрах уравновешивающего преобразования как их неотъемлемой части. Комплекс современных требований к акселерометрам ИИУС объектов РКТ требует высокоточного измерения ускорения (не хуже 0,005 %) в интервале от десятых долей м-с" и до 600 м-с" , высокой стабильности коэффициента преобразования (до ±0,001 %/°С) в условиях воздействия изменений температуры окружающей среды в интервале от минус 65 до +65 °С, вибрационных и ударных процессов значительной амплитуды. Общим недостатком известных в настоящее время акселерометров для бесплатформенных систем управления (серия QA «Honeywell», серии МА и JA-5 «Japan Aviation Electronics», серия AT ОАО «Темп-Авиа», серия КИНД «НИИПМ им. академика В. И. Кузнецова», серия AJIE ОАО «НИИФИ», серия АК «НПЦ АП им. академика Н. А. Пилюгина») является неудовлетворительная температурная стабильность коэффициента преобразования, а для их малогабаритных вариантов (QA, JA-5, АЛЕ и AT) к ней добавляется нестабильность смещения нуля.

Исследованиям методов повышения точности цепей уравновешивающего преобразования посвящены работы В. С. Гутникова, Е. С. Левшиной, П. В. Новицкого (СПбТУ), Е. А. Мокрова (ОАО «НИИФИ», г. Пенза), Э. К. Шахова, В. М. Шляндина (ЛГУ), У. М. Сиберта (Массачусетский технологический институт, США). Развитию методологии проектирования уравновешивающих акселерометров, устойчивых к воздействию жестких условий эксплуатации на изделиях РКТ, посвящено значительное число работ В. Ф. Коновалова (МГТУ им. Н. И. Баумана) и А. А. Папко (ОАО «НИИФИ», г. Пенза).

Однако разработанные принципы и рекомендации не учитывают того, что при серийном выпуске высокоточных акселерометров представления о реальных процессах их функционирования и механизмах возникновения возможных дефектов существенно изменяются не только при ужесточении требований к точности, но и по мере накопления статистических данных о поведении конкретных приборов на всех этапах жизненного цикла. То, что на единичных образцах может быть исключенным из ряда измерений как промах, повторяясь в серийном производстве и эксплуатации в виде самоустраняющихся дефектов, является следствием проявления влияния сочетания маловероятных факторов, обусловленных специфическими условиями высокоточных измерений, и приводит к необходимости уточнения схемно-конструктивных решений, математических моделей, методов контроля и испытаний акселерометров.

В этой связи разработка высокоточных низкочастотных акселерометров для ИИУС изделий РКТ на основе новых технических решений, обеспечивающих соответствие каждого образца установленным требованиям в процессе серийного производства и эксплуатации, является актуальной задачей.

Актуальность решаемой задачи подтверждается включением исследований по созданию элементов систем управления движением в утвержденные перечни приоритетных направлений развития науки, техники и критических технологий РФ.

Целью диссертационной работы являются разработка и исследование возможностей и путей повышения стабильности и воспроизводимости метрологических характеристик малогабаритных высокоточных акселерометров с частотным выходом для ИИУС изделий РКТ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать функцию влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом;

- исследовать способы и алгоритмы повышения температурной стабильности коэффициента преобразования акселерометра;

- исследовать новые технические решения по уменьшению влияния нестабильности смещения нуля на достоверность оценки метрологических характеристик акселерометра;

- разработать рекомендации и методы испытаний, обеспечивающие воспроизводимость их результатов при определении параметров функции преобразования акселерометра в процессе изготовления и в составе ИИУС;

- подтвердить экспериментально эффективность результатов исследования схемно-конструктивных решений, рекомендаций и методов испытаний, обеспечивающих повышение стабильности, и разработать высокоточные акселерометры для ИИУС изделий PKT.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, математического моделирования, теории измерений, теоретической и практической метрологии. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD, Maple, ANSYS.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований образцов высокоточных низкочастотных линейных акселерометров в процессе производства и эксплуатации в составе ИИУС изделий PKT.

Научной новизной обладают:

1. Результаты исследования функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом, позволившие впервые установить, что возрастание или убывание функции зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания, а параметры наклона — от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.

2. Уточненная математическая модель процесса компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования, отличающаяся учетом влияния нормированных изменений температурных характеристик термодатчика и регулирующих элементов и позволяющая обосновать предельные возможности различных конфигураций схемы термокомпенсации и условия выбора номинальных значений сопротивлений регулирующих элементов, определяющих характеристики ИИУС изделий PKT.

3. Схемные и конструктивные решения, обеспечивающие повышение стабильности параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом за счет уменьшения числа резистивных делителей и источников опорного напряжения в преобразователе «напряжение - частота» (ПНЧ).

4. Обоснование взаимосвязи между воспроизводимостью результатов измерений при определении параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом и сочетанием маловероятных самоустраняющихся дефектов, вызванных влиянием индустриальных помех по цепям питания и несанкционированным нарушением режимов работы выходных каскадов, в процессе изготовления и эксплуатации ИИУС изделий PKT.

Практическое значение имеют:

1. Решение задачи компенсации температурной погрешности акселерометра путем введения в схему дополнительного операционного усилителя с термодатчиком и регулирующими элементами, конфигурация включения которых в схему зависит от знака и значения компенсируемой f температурной погрешности, и применения нового алгоритма процесса термокомпенсации. ч

2. Разработка схемы, миниатюрной СБИС ПНЧ с улучшенными метрологическими характеристиками за счет внедрения результатов исследований, обосновывающих возможность исключения из нее несовместимых с технологиями изготовления СБИС одного резистивного делителя и одного источника опорного напряжения.

3. Повышение воспроизводимости и стабильности параметров ИИУС за счет внедрения методов испытаний, исключающих недостоверную идентификацию маловероятных отказов при серийном производстве и проведении входного контроля в составе ИИУС.

4. Модернизация акселерометров AJIE 055 и разработка акселерометров AJIE 055М, AJIE 057 с температурными характеристиками до 0,001 %/°С, что вдвое меньше, чем у лучшего отечественного аналога, на два порядка меньше, чем у серийных отечественных аналогов, и на порядок меньше, чем у лучшего зарубежного аналога.

На защиту выносятся:

1. Уточненная математическая модель процесса компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра на основе учета нормируемых пределов изменения температурных характеристик элементов цепи термокомпенсации, позволяющая сформулировать условия выбора ее конфигурации и снизить трудоемкость процесса термокомпенсации.

2. Конструктивные решения, обеспечивающие повышение стабильности пространственной ориентации измерительной оси акселерометра, улучшающие стабильность смещения нуля акселерометров для ИИУС изделий PKT.

3. Новые рекомендации и методы испытаний, обеспечивающие повышение воспроизводимости результатов- измерений при оценке параметров функции преобразования и уменьшающие вероятность возникновения самоустраняющихся дефектов при изготовлении и эксплуатации высокоточных акселерометров с частотным выходом в составе ИИУС.

4. Разработка высокоточных миниатюрных акселерометров АЛЕ 055М и разработка АЛЕ 057 с высокой температурной стабильностью коэффициента преобразования и временной стабильностью смещения нуля.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты проведенных научных исследований использованы для модернизации прецизионных низкочастотных акселерометров АЛЕ 055 и разработки акселерометров нового поколения АЛЕ 055М, внедренных в ИИУС реактивных систем залпового огня (РСЗО) 9Б174 и акселерометров АЛЕ 057, предназначенных для эксплуатации в составе ИИУС разгонных блоков 8К82КМ и системы управления движением узлов комплекса 1Т142.

4.6 Выводы

4.6.1 По результатам статистической обработки результатов контроля нестабильности ПНЧ акселерометров получено уменьшение ее разброса после внедрения предложенных решений более, чем в 10 раз.

4.6.2 Статистическая обработка результатов контроля разориентации измерительной оси акселерометра с подвесом полукруглой формы показывает, что ее математическое ожидание не превышает 4,5 угл. мин., а нестабильность пространственного положения измерительной оси не превышает 0,5 угл. мин. Полученные значения соответствуют перспективным требованиям и подтверждают значимость рекомендаций по доработке КД подвеса с полукруглым профилем.

4.6.3 Результаты контроля различия значений коэффициентов преобразования, определенных в различное время, на различном оборудовании, различными операторами и на различных предприятиях, до и после внедрения решений по увеличению воспроизводимости результатов измерений подтверждает, что реализация рекомендаций, уточняющих методы испытаний по оценке воспроизводимости, позволила уменьшить относительные различия коэффициентов преобразования уК1 и укг не менее, чем в 1,3 раза.

4.6.4 Разработан усовершенствованный метод испытаний при термокомпенсации коэффициента преобразования акселерометра, обеспечивающий достижение значений коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования менее 0,001 %/°С за два цикла испытаний, из которых первый предназначен для определения собственных температурных характеристик акселерометра.

4.6.5 Разработаны высокоточные акселерометры с магнитоэлектрическим уравновешиванием типа АЛЕ 055М, АЛЕ 057 с температурной стабильностью коэффициента преобразования К(< 0,001 %/°С, превышающей более чем на два порядка аналогичную характеристику отечественных аналогов и более, чем на порядок - зарубежных аналогов. По стабильности смещения нуля и значению разориентации измерительной оси вновь разработанные акселерометры находятся на уровне лучших зарубежных аналогов и значительно превосходят отечественные аналоги.

137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. При выполнении работы установлено, что известные высокоточные акселерометры для ИИУС изделий РКТ отличаются значительной собственной' температурной нестабильностью коэффициента преобразования, достигающей значений (0,012 - 0,025) %/°С. В зависимости от вычислительных возможностей системы управления осуществляется либо температурная коррекция коэффициента преобразования, либо' используется встроенная термокомпенсация. При этом использование известных цепей термокомпенсации на основе операционных усилителей приводит к значительной трудоемкости и непредсказуемости результатов процесса термокомпенсации.

2. Проведено исследование функции* влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом, в результате чего впервые установлено, что возрастание или убывание функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания, а параметры наклона - от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.

3. Уточнение математической модели способа термокомпенсации коэффициента преобразования путем учета нормируемых изменений температурных характеристик термодатчика и регулирующих элементов позволило обосновать предельные возможности различных вариантов схем термокомпенсации, уточнить условия выбора номинальных значений сопротивлений регулирующих элементов и разработать методику, обеспечивающую достижение установленного уровня коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования.

4. В результате исследования нестабильности смещения нуля, определяющей пределы воспроизводимости параметров функции преобразования акселерометра, выявлены новые механизмы влияния на него и разработаны пути повышения стабильности смещения нуля за счет сокращения числа источников опорного напряжения и резистивных делителей в ПНЧ и реализации механической колебательной системы на основе подвесов трапецеидальной формы.

5. Разработаны методы испытаний для определения метрологических характеристик акселерометров при изготовлении и эксплуатации в составе ИИУС, учитывающие специальные рекомендации по обеспечению устойчивости применяемых эталонных средств измерений к воздействию индустриальных помех, что значительно улучшило показатели ИИУС.

6. Разработаны высокоточные акселерометры с магнитоэлектрическим уравновешиванием типа АЛЕ 05 5М, АЛЕ 057 с температурной стабильностью коэффициента преобразования К( < 0,001 %/°С, превышающей более чем на два порядка аналогичную характеристику отечественных аналогов и более, чем на порядок - зарубежных аналогов. По стабильности смещения нуля вновь разработанные акселерометры находятся на уровне лучших зарубежных аналогов и значительно превосходят отечественные аналоги.

7. Акселерометры АЛЕ 055, АЛЕ 055М внедрены в ИИУС РСЗО 9Б174, акселерометры АЛЕ 057 - в ИИУС разгонных блоков 8К82КМ и системы управления движением узлов комплекса 1Т142.

1. Абрамов И.И. Проблемы и принципы физики и моделирования приборных структур микро- и наноэлектроники. Часть 1. Основные положения // Нано- и микросистемная техника. № 8. - 2006., с. 34-37.

2. Акселерометры АТ 1104, АТ 1105. Информационные материалы ОАО "Арзамасское научно-производственное объединения "Темп-Авиа".

3. Алексеева В. В. Отработка алгоритмов компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования высокоточных акселерометров, //• Датчики, и системы: сб. докл. XXX науч.-техн. конф. молодых, ученых и специалистов. Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011.

4. Алексеева В. В., Папко А. А., Калинин М. А., Кирянина И. В., Шепталина С. В. Повышение разрешающей способности и стабильности метрологических характеристик микромеханических акселерометров // Измерительная техника. — 2011. -№3.-С.16-19.

5. Андреева Л;Е. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение, 1981.-392с.

6. Бельцев А. В., Богатов В. В., Каржавин А. В. и др. Термоэлектрические преобразователи температуры. Теория, практика, развитие // Приборы, 2004. № 3 (45). с. 53-63.

7. Бессонов Л:А. Теоретические основы электротехники. М: Высшая школа, 1996. - 5 80 с.

8. Васильев В: Ю. Процессы релаксации тонких слоев борофосфороси-ликатных стекол при термически активированном вязком течении на ступенчатом рельефе интегральных, микросхем;//Микроэлектроника; 2003. Том 32, № 3. с. 163-176. ■

9. Галин JI. А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. М.: Наука, 1980. 303 с.

10. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М. : Изд-во стандартов, 1999. 35 с.

11. ГОСТ 18955-73. Акселерометры низкочастотные линейные. Термины и определения. М. : Изд-во стандартов, 1973. 12 с.

12. ГОСТ Р В.20.39.304-98 Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам. Издание официальное ГОССТАНДАРТ России, Москва.

13. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002-ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002.

14. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -JI: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.

15. Демкин Н. Б., Измайлов В. В. Развитие учения о контактной жесткости // Инженерный журнал, 2003. № 9 // Приложение к журналу. Справочник. — с. 7-10.

16. Демкин Н. Б. Теория контакта реальных поверхностей и трибология // Трение и износ, 1995. Т. 16, № 6. с. 1003-1024.

17. Ицкович Э. Современные датчики и тенденции их развития // Электронные компоненты.-2003,-с.23-26.

18. Кашкаров А.П. Фото- и • термодатчики в электронных схемах. М: «Альтекс»; 2004. - 222 с.

19. Колганов В.Н., Папко A.A., Трофимов А.Н. Особенности решения проблемы взаимодействия градуировочных и измерительных средств при разработке и серийном производстве линейных акселерометров // Датчики и системы. 2000. - № 7. - с. 70-71.

20. Космические навигационные системы / Под редакцией Романова JI.M.-MO РФ, 1994.-632С.

21. Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. М: Мир, 1979. - 360 с.

22. Левшина Б. С., Фетисов М. М. Вопросы расчета компенсационных приборов-для измерения обобщенной механической силы. Приборостроение, 1964. № I.e. 1-5.

23. Левшина Б. С., Новицкий.П. В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. 320 с.

24. Левшина Б. С. Некоторые вопросы расчета погрешностей магнитоэлектрических обратных преобразователей. Труды ЛПИ им. М.И. Калинина, 1961, № 3. с. 83-90.

25. Ленк Дж. Руководство для пользователей операционных усилителей. -М: Связь, 1978.-326 с.

26. Можаев A.C. Автоматизированное логико-вероятностное моделирование технических систем. СПб.: Военный инженерно-технический университет, 1999. - 63 с. :

27. Можаев A.C. Общий логико-вероятностный: метод анализа надежности сложных систем. Л-: BMA, 1988. - 67 с. .

28. Можаев A.C. Современное состояние и некоторые паправления.разви-тия; логико-вероятностных методов? анализа систем. 4.1 // Теория и информаци- . онная технология: моделирования безопасности сложных систем. Вып.Г. СПб;: ИПМАШ РАН, 1994. с.21 -53

29. Можаев A.C. Теоретические основы общего логико-вероятностного метода автоматизированного моделирования систем. СПб: БИТУ, 2000. — 145 с.

30. Можаев A.C. Учет временной; последовательности отказов элементов в логико-вероятностных моделях надежности // Межвузовский сборник:. Надежность систем энергетики. Новочеркасск НИИ, 1990; - с.94-103

31. Мокров Е. А. Датчики и преобразующая аппаратура НИИ физических измерений для авиационно-космической'техники и других отраслей народного хозяйства // Электронные компоненты.-2003;-№2.-с.35-40.

32. Мокров Е. А., Папко А. А., Колганов В. Н. Технологии микромеханики в акселерометрах НИИ физических измерений. Труды международной научно-технической конференции. "Искусственный интеллект", 2001. № 3.с. 658-670.

33. Мокров Е. А. Папко А. А. Об оптимизации функций обратных преобразователей компенсационных акселерометров. Измерительная техника, 2004. №5. с. 41-43.

34. Мокров Е. А., Папко А. А. О фликер-шумах в компенсационных акселерометрах // Научно-технический сборник. Совершенствование датчиков физических величин. Сер. VI, Методы и средства преобразования сигналов / М.: ЦНТИ "Поиск". 1990. Вып. 2. с. 42-47.

35. Мокров Е. А., Папко А. А. Предельно достижимая разрешающая способность в компенсационных акселерометрах // Радиотехника, 1996. № 2. с. 102-104.

36. Мокров Е. А., Папко А. А. Статико-динамические акселерометры для ракетно-космической техники. Пенза : ПАИИ, 2004. 164 с.

37. Мокров Е. А. Состояние и перспективы развития акселерометров НИИ< физических измерений // Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем: процессы, модели, эксперимент, 1998. № 1. с. 6-24.

38. Основные термины в области метрологии. Словарь-справочник. Юдин М. Ф. и др. Под ред. Ю. В. Тарбеева. М.: Изд-во стандартов, 1989. 113 с.

39. Острейковский В.А., Швыряев Ю.В. Безопасность атомных станций. Вероятностный анализ. М.: Физматлит, 2008. — 352 с.

40. Папко А. А., Калинин М. А., Алексеева В. В. Оптимизация структур микромеханических акселерометров // Измерительная техника. 2011. - № 3. - С. 1921.

41. Прочность. Устойчивость. Колебание. Справочник в 3 т.- 2 / Под ред. И. А. Биргера и Я. Г. Пановко. М. : Машиностроение, 1968. 463 с.

42. РМГ 29-99. Метрология. Основные термины и определения.

43. Развитие теории контактных задач в СССР / Под редакцией JI. А. Галина. М.: Наука, 1976. 612 с.

44. Распопов В. Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. Тул. Гос. Университет. Тула, 2002. 392 с.

45. Рябинин И.А. Надежность и безопасность сложных систем. СПб.: Политехника, 2000. - 248 с.66: Сиберт У. М. Цепи, сигналы, системы: в 2-х ч. М.: Мир, 1988. - 336 с.

46. Скаморин Д. А., Алексеева В. В. Метод компенсации температурной погрешности коэффициента преобразования прецизионных акселерометров / // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2009.-№1.- С. 118-124.

47. Соколов JT.B., Архипов C.B., Школьников В.М. Исследование механизма глубинного анизотропного химического травления при формированииобъемных микромеханических структур в кремнии (100) // Микроэлектроника. -2003. Том 32. -№ 3. -С.194-201.

48. Суслов А. F., Аверченков В. И., Горленко О. А. и др. Технологическое обеспечение и повышение контактной жесткости и износостойкости деталей // Инженерный журнал, 2003. № 9. Приложение к журналу, с. 2-7.

49. Сысоева С. Теоретические основы инерциальной навигации // Компоненты'и технологии. 20 И. - №2.-с. 28-32.

50. Туричин А. М., Новицкий П. В., Левшина Е. С. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. Л:: Энергия, 1975. 576 с. •

51. Туричин А М; Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л.: Энергия, 1966. 690 с.

52. Фрайден Дж. Современные датчики. М.: Техносфера, 2005. - 588 с.

53. Черкасов Г.И. Логико-вероятностные методы расчета надежности структурно-сложных систем- // Качество и надежность изделий; - М.: Знание, 1991. — Вып.3

54. Шахов Э.К., Михотин В;Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения.-М:Э)нергоатомиздат, 1986. 142 с.

55. Штрапенин F. Интегральные датчики температуры фирмы National Semiconductor//Компоненты и технологии. 2005. - №3. - с. 46-49

56. Щербаков В ¡И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях. Киев: Техника, 1983. - 213 с.

57. Электрические измерения неэлектрических величин / Под редакцией Новицкого П. В. Л. : Энергия, Ленингр. отд-ние, 1975. 576 с.

58. Impact sensor for vehicle safety restraint system. United States Patent 5,177,370. Опубл. 5.01.1993.

59. Magnetically biased velocity change sensor. United States Patent 4,329,549. Опубл. 11.05.1982 (Breed Corporation)

60. Mini-Q Accelerometers. Allied Signal. For more information.

61. Mozhaev A.S. Theory and practice of Automated structural-logical Simulation of system. International Conference on Informatics and Control, torn 3. St. Petersburg SPNRAS, 1997. — p.l 109-1118.

62. Passenger compartment sensor requiring substantial velocity change. United States Patent 4,573,706. Опубл. 4.03.1986 (Breed Corporation).

63. Servo Accelerometer Type JA-5. Japan Aviation Electronics Industry, Limited.

64. Q-Flex QA-3000 Accelerometer. Honeywell. For more informations.

65. Velocity change sensor. United States Patent 4,284,863. Опубл. 18.08.1981. (Breed Corporation)

66. Velocity change sensor with spring bias. United States Patent 5,031,931. Опубл. 16.07.1991 (Breed Automotive Corporation).