авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Электронные блоки для интегральных акселерометров прямого измерения и компенсационного типа

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 531. 781. 2

Долгов Александр Николаевич

Электронные блоки

для интегральных акселерометров

прямого измерения и компенсационного типа

05.11.03 - Приборы навигации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена на кафедре «Авиационные приборы и устройства» Арзамасского филиала Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель: д.т.н., проф. Вавилов В.Д.

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Тимошенков С.П.,

к.т.н., доц. Миркин Б.А.

Ведущая организация: ОАО АНПП “ТЕМП-АВИА”., г.Арзамас

Защита состоится 11 октября 2006 г, в 15:00 в ауд. 1258 на заседании диссертационного Совета Д 212.165.12 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан «____»_______________ 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета, к.т.н., доцент Петров В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальность выбранной темы подтверждается современным потоком информации в области интегрального приборостроения. С марта 2002 года микросистемная техника объявлена приказом Президента РФ критической технологией. В мире, а в том числе и в России, существуют специальные журналы, например, Sensor Letters (США), Микросистемная техника (Россия), Датчики и системы (Россия), в которых постоянно публикуются новейшие разработки и способы производства интегральных датчиков для различных областей техники. Из современных публикаций следует, что спрос на датчики постоянно растет. При этом прослеживается тенденция замещения традиционных датчиков интегральными на базе микроэлектромеханических систем. В то же время возрастают требования к точности датчиков.

В настоящее время микроэлектромеханические структуры широко применяются в навигационных и управляющих системах всех типов транспортных средств: автомобилях, самолетах, вертолетах, космических ЛА, а также на кораблях, подводных лодках и различных боеприпасах: ракетах, торпедах и т.д. Существуют также системы подземной навигации для исследования профиля скважин при буровых работах – гироскопические и магнитные инклинометры, выполненные в виде микроэлектромеханических систем и реализующие инерциальный принцип счисления пути и координат места.

На современном этапе развития конструкций летательных аппаратов, инклинометров и боеприпасов проявилась тенденция микроминиатюризации конструкций отдельных компонентов таких систем, в частности приборов первичной информации – датчиков линейных ускорений (ДЛУ, акселерометров), датчиков угловых скоростей (ДУС, двухстепенных гироскопов) и датчиков угловых координат (трехстепенных гироскопов), при сохранении и дальнейшем увеличении их точности, надежности, временной стабильности и снижении энергопотребления. Причем, если для гироскопических приборов эта тенденция едва прослеживается и имеет поисковый характер, то акселерометры успешно поддаются миниатюризации на протяжении последних 20-и лет как в нашей стране, так и за рубежом. Происходит это в основном благодаря интегральным технологиям, заимствованным из микроэлектроники (фото- и рентгенолитография, изотропное и анизотропное травление, ионная имплантация, эпитаксия и т.д.), а чувствительные элементы (ЧЭ) самих датчиков изготавливаются из кремния или кварца групповым способом. Наиболее известными разработчиками в области микросистемных приборов навигации в настоящее время являются фирма Analog Devices (Doscher J., США), Scientific Honeyweller (Askc. V.H., США), LITEF GmbH (ФРГ). Перечислим отечественные фирмы разрабатывающие микросистемные датчики: Арзамасское НПП “ТЕМП-АВИА” (к.т.н. Былинкин С.Ф.), Зеленоградский НИИЭТ (д.т.н. Тимошенков С.П.), Пензенский НИИФИ (д.т.н. Мокров Е.А.), МВТУ (д.т.н., профессор Коновалов С.Ф.) Тульский ГТУ (д.т.н., профессор Распопов В.Я.). Сервисная электроника датчиков первичной информации увеличивает степень своей интеграции, и на данный момент обозначился переход от гибридных интегральных схем (ГИС) со многими активными и пассивными компонентами на керамической подложке к специальным большим интегральным схемам (спецБИС) на одном кремниевом кристалле, имеющем источник опорного напряжения, генератор для измерительной схемы, фазочувствительный выпрямитель, измерительный усилитель с корректирующим устройством и усилитель мощности.

По принципу действия все акселерометры можно разделить на приборы прямого измерения и компенсационные: чувствительный элемент первых непосредственно передает информацию о входной величине на вторичный преобразователь, и при этом все погрешности измерительного тракта присутствуют в выходном сигнале датчика, а вторые частично или полностью (с интегратором в контуре – астатизм первого порядка) уравновешивают измеряемую величину с помощью главной отрицательной обратной связи (ГООС), т.е. реализуют силовую разгрузку ЧЭ с помощью выходного сигнала, подаваемого на элемент компенсации. В последнем случае точность прибора зависит в основном от элемента компенсации – датчика силы или момента обратной связи. Поэтому к их электронному блоку не предъявляют каких либо особых требований. В приборах прямого измерения, напротив, точность зависит от всех узлов, что приводит к усложнению схемотехники таких конструкций. Таким образом проблема улучшения характеристик (точности, технологичности, массогабаритных показателей) электронных блоков для приборов прямого измерения все еще актуальна.

Несмотря на перекрестную чувствительность, наиболее широко применяемыми ДЛУ в современных навигационных и управляющих системах для всех видов ЛА по прежнему остаются традиционные маятниковые акселерометры компенсационного типа с камневыми виброопорами или упругим подвесом инерционной массы. Причем последние имеют существенные преимущества, поскольку у них отсутствует порог чувствительности в традиционном понимании, который можно было бы измерить, а минимальное значение измеряемого ускорения определяется моментом превышения выходным сигналом прибора уровня “шума” сервисной электроники.

Диссертация выполнялась в соответствии с планом основных научных работ Арзамасского филиала НГТУ по проблеме “Разработка и исследование интегральных датчиков первичной информации".

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование электронных блоков с улучшенными метрологическими характеристиками для интегральных датчиков ускорений прямого измерения и компенсационного типа.

Задачи диссертационной работы:

1. Разработка электронных преобразователей и их узлов, встраиваемых в интегральные акселерометры, с целью микроминиатюризации датчиков с одновременным повышением точности.

2. Экспериментальные исследования характеристик электронных блоков в составе интегральных акселерометров для практического подтверждения результатов диссертации.

Объект исследования. Объектом исследования являются: Электронные и микроэлектромеханические узлы интегральных акселерометров.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического моделирования, теории систем автоматического управления, физический эксперимент, синтез конструктивных решений и методы схемотехники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны генераторный емкостный датчик микроперемещений, отличающийся от известных снижением погрешности, за счет введения дополнительных цепей, компенсирующих влияние входных емкостей логического элемента и алгоритма обработки, и дифференциальный емкостный датчик перемещения, отличающийся введением непрерывной электрической отрицательной обратной связи для уменьшения тяжения подвижного электрода.

2. Предложены адаптированные для использования в интегральных датчиках синхронный детектор с коммутируемым конденсатором, отличающийся от известных возможностью применения емкостей малого номинала без фильтра низких частот, и синхронный детектор, не содержащий емкостей, отличающийся повышенной точностью.

3. Предложен магнитоэлектрический преобразователь силы, в отличие от известных адаптированный для интегрального исполнения.

4. Предложены методики и программы обработки экспериментальных данных для исследования статической характеристики акселерометров, впервые позволившие получить на основе измерений погрешности: нуля, крутизны, нелинейности, погрешности установки базы и погрешности от поперечных воздействий в диапазоне температур.

5. Новизна полученных результатов подтверждается патентами РФ на изобретение № 2218575, 2272297, 2272298.

Практическая ценность работы:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде рекомендаций и расчетных соотношений для проектирования и построения электронных блоков интегральных акселерометров.

2. Разработки электронных блоков для встраивания в интегральные акселерометры серийного изготовления.

3. Методики определения характеристик интегральных акселерометров, в составе которых применены разработанные электронные блоки, позволяют получить основные метрологические параметры приборов.

Реализация в промышленности. Результаты диссертационной работы внедрены в разработку новых электронных блоков для интегральных акселерометров в ОАО "Арзамасский приборостроительный завод" и в учебный процесс в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре “Авиационные приборы и устройства” по специальностям 190300 и 190900, что подтверждается соответствующими документами.

Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:

  1. На региональной научно-технической конференции “Наука – производству”, Н. Новгород, 1998 г.
  2. На международной молодежной научной конференции “XXV гагаринские чтения”, Москва, 1999 г.
  3. На Всероссийской научно-технической конференции “Методы и средства измерения физических величин”, Н. Новгород, 2000 г.
  4. На Всероссийской научно-технической конференции “Информационные системы и технологии”, Н. Новгород, 2002 г.
  5. На расширенном заседании кафедры “Авиационные приборы и устройства” Арзамасского филиала НГТУ в 2003 г.
  6. На расширенном заседании кафедры “Авиационные приборы и устройства” Арзамасского филиала НГТУ в 2004 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ, из них 5 статей, 7 – тезисов докладов на научно-технических конференциях, 3 – патента на изобретение, 1 – методические указания к лабораторным работам.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, четырех приложений, списка литературы и содержит 145 страниц машинописного текста: иллюстраций – 61 (рисунки, схемы, графики), таблиц – 9, список литературы – 76 наименований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Разработка оригинальных генераторного емкостного датчика перемещения с улучшенными метрологическими характеристиками и дифференциального емкостного датчика перемещения с непрерывной электрической отрицательной обратной связью для уменьшения тяжения подвижного электрода.

2. Разработка и исследование новых синхронных детекторов, адаптированных для применения в микроэлектромеханических системах при различных условиях: с применением минимальных емкостей и без емкостей с одновременным улучшением по точности.

3. Впервые разработанная конструкция магнитоэлектрического преобразователя силы в интегральном исполнении с подвесами без металлизированных дорожек для применения в интегральных акселерометрах компенсационного
типа.

4. Методики и программы обработки экспериментальных данных для исследования статической и температурной характеристик акселерометров, позволившие получить на основе измерений погрешности: нуля, крутизны, нелинейности, погрешности базы установки и погрешности от поперечных воздействий при заданных температурах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе анализа современного состояния интегральных датчиков первичной информации сформулированы цель и задачи исследований, а также обоснована актуальность выбранной темы.

Первая глава диссертации посвящена обзору современного состояния преобразователей перемещения и их реализации в микросистемных устройствах. В результате анализа преобразователей перемещений на различных физических принципах предпочтение отдано емкостному принципу.

Вторая глава посвящена разработке электронных блоков для интегральных датчиков. На рис. 1 приведен разработанный датчик перемещения с электрической обратной связью. В нем исключено влияние паразитных емкостей, так как неподвижные электроды измерительных емкостей подключены к сравнительно низкоомным источникам опорного напряжения, а подвижный электрод – к инвертирующему входу операционного усилителя DA1, имеющему потенциал близкий к нулю.

Цепочка R1–R2–C3 применена для обеспечения устойчивости схемы (компенсации утечек операционного усилителя и измерительных емкостей). Она имеет малое сопротивление для постоянного тока и большое для переменного. При этом выходное напряжение датчика найдено в виде:

(1)

Обеспечив выполнение условия:

, (2)

считаем, что:

, (3)

Выходной сигнал практически не зависит от частоты переключения напряжения питания моста и является линейным по перемещению. Тяжение подвижной пластины отсутствует, так как заряды измерительных емкостей равны. Основной недостаток схемы – сложность из-за применения двуполярного источника питания с плавающей средней точкой.

Вариант применения разработанного емкостного датчика перемещения в интегральном акселерометре приведен на рис. 2. Он содержит генератор управляющего напряжения, ключевую схему генерации переменного опорного напряжения, емкостной полумост, масштабный усилитель, двухполупериодный синхронный детектор и фильтр низких частот второго порядка. Для симметризации меандра в цепи генератора применен счетный триггер. Источник постоянного опорного напряжения на схеме не показан.

Интегральное уравнение для выходного напряжения операционного усилителя ОУ1 имеет вид:

. (4) Емкостный преобразователь-7. (4)

 Емкостный преобразователь-8

Рис. 2. Емкостный преобразователь перемещений в составе интегрального акселерометра

Интегральное уравнение (4) нелинейно. С учетом того, что частота питания моста (100-500 кГц) много больше полосы пропускания механической части (20-100 Гц), формула (4) после преобразования Лапласа приняла вид:

. (5)

Выходное напряжение ОУ1 имеет вредную составляющую, сдвинутую по фазе относительно переменного опорного напряжения. Она уменьшается с ростом частоты питания моста и частично компенсируется после двухполупериодного синхронного детектора, поэтому ею можно пренебречь.

Для того, чтобы коэффициенты передачи синхронного детектора были равны по модулю в оба полупериода, необходимо выполнение условий: . В итоге выходное напряжение емкостного преобразователя перемещения найдено в виде:

. (6)

В формулу (6) входит отношение разности измерительных емкостей к их сумме, то есть схема является дифференциальной и, кроме того, имеет линейную зависимость от перемещения.

Предложен простой по конструкции двухполупериодный синхронный детектор с коммутируемым конденсатором (рис. 3), в котором при входном сигнале

выходной сигнал детектора получен в виде:

,

где U– – амплитуда отрицательного входного напряжения, U+ – амплитуда положительного входного напряжения, T – период колебаний входного напряжения, 1 и 2 – постоянные времени детектора.

Особенностью этого детектора является то, что его выходное напряжение уже сглажено. Кроме того, при малой разнице амплитуд полупериодов, значительно повышается быстродействие детектора.

Разработан двухполупериодный синхронный детектор (рис. 4), не содержащий конденсаторов, для изготовления в составе интегральной схемы с улучшенными метрологическими характеристиками. Общие недостатки большинства известных синхронных детекторов - неравенство положительного и отрицательного коэффициентов передачи детектора, высокий уровень температурной погрешности из-за вхождения в коэффициент передачи сопротивления открытого ключа, в разработанном устранены.

При выполнении равенства

, (10)

положительный и отрицательный коэффициенты передачи равны.

Показано, что величина разности положительного и отрицательного коэффициентов передачи детектора зависит лишь от точности выполнения (10):

. (11)

Погрешность нуля детектора можно определить (положив сопротивление закрытого ключа бесконечным и обозначив сопротивление открытого ключа r):

. (12)

Как правило, сопротивления в схемах с операционным усилителем не превышают нескольких сотен кОм, поэтому погрешность нуля детектора много меньше смещения нуля усилителя и поддается снижению за счет его балансировки.

Разработан магнитоэлектрический датчик силы на основе постоянного магнита, выполняемого интегрально (рис. 5). Упрощена конструкция интегрального магнитоэлектрического датчика силы посредством исключения металлизации на его упругих подвесах. Как дополнительный эффект увеличена точность датчика силы за счет использования чистых проводящих подвесов из монокристаллов.

Сила развиваемая преобразователем зависит от управляющего напряжения и суммы сопротивлений рамки r и нагрузки R:

, (13)

где B – магнитная индукция в зазоре магнитопровода; I – сила тока, текущего по цепи: нижняя контактная площадка - подвесы - подвижный узел - подвесы - верхняя контактная площадка; L – длина части подвижного узла, находящейся в зазоре магнитопровода.

Температурная погрешность преобразователя определена в виде:

(14)

где – суммарная погрешность преобразователя силы; , , и – температурные коэффициенты магнитной индукции, линейного расширения, сопротивления рамки и нагрузки соответственно.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.