Электронные блоки для интегральных акселерометров прямого измерения и компенсационного типа

Нагрузочный резистор и силовая рамка выполнены в одном технологическом цикле, что позволило существенно снизить погрешность:

(15)

Требование равенства нулю выражения в скобках (15), обеспечило минимальное значение погрешности преобразователя.

В третьей главе проведены теоретические исследования характеристик электронных устройств, приводится анализ свойств разработанных электронных блоков, использующих принцип модуляции-демодуляции, с точки зрения получения оптимальных характеристик. Основная идея построения емкостного преобразователя с местной обратной связью перенесена на проработку узлов конкретного варианта преобразователя перемещений. Нормированная амплитудно-час­тотная характеристика синхронного модулятора представляет экспоненциально убывающую функцию в зависимости от возрастания частоты входных сигналов. Показано, что синхронный модулятор в динамическом плане является аперио­дическим фильтром, амплитудно-час­тотная характеристика (рис. 6) которого является убывающей функцией.

Информационным параметром емкостного преобразователя до фильтра нижних частот является амплитуда переменного напряжения, симметричная относительно нулевого уровня. Информация о знаке содержится в выделении фазы синхросигналом. После синхронного детектирования (демодуляции) выходной сигнал фильтра становится знакочувствительным. При наличии постоянного смещения относительно нулевого уровня, например, при перекосе ОУ1 в схеме будет иметь место внутренний шум.

Проведен анализ применимости фильтров низких частот в микроэлектромеханических системах. Постоянная времени фильтра должна быть выбрана так, чтобы шумы ключевых схем модулятора и демодулятора, а также шумы, обусловленные смещением нулевого уровня, снизить до допустимого значения. Показано, что применимость фильтров в микроэлектромеханических системах в сильной степени зависит от реализации остальных узлов датчиков перемещений и от степени миниатюризации изделия в целом.

Получена вероятностная оценка погрешностей электронных схем на примере интегрального акселерометра для определения степени достоверности результатов измерений.

В четвертой главе описаны объекты исследований и испытательное оборудование. Для осуществления экспериментальных исследований статической характеристики при нормальных условиях и температурной характеристики изготовлены макеты разработанных электронных блоков и проведены экспериментальные исследования случайных погрешностей электронных схем на примере интегрального акселерометра.

Разработана методика обработки экспериментальных данных статической характеристики при нормальных условиях и соответствующая программа для реализации ее на компьютере, а также разработана методика обработки экспериментальных данных температурной характеристики и соответствующая программа для реализации ее на компьютере. В таблице 1 приведены результаты обработки экспериментальных данных, полученных по разработанной методике.

Таблица 1

№ акс	Относительные погрешности, %
1	-0,452600	-0,157578	-0,109464	-0,117066	1,076539	-0,096056
2	-0,007032	0,295163	-0,071212	-0,148006	-0,057996	-0,028568
3	-0,120836	0,265847	-0,114329	-0,344815	-0,071165	-0,164519
4	-0,119154	1,380997	-0,036822	-1,018604	0,071506	-0,388703
5	-0,088431	0,621116	-0,034181	-0,532906	-0,112779	0,082896

В таблице 1 приняты следующие обозначения: – погрешность нуля; – погрешность крутизны статической характеристики; – погрешность квадратичной нелинейности; – погрешность кубической нелинейности; – погрешность выставки базы; – погрешность от перекрестных ускорений.

Из таблицы 1 видно, что погрешность крутизны и кубической нелинейности вносят наибольший вклад в суммарную погрешность акселерометра.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны генераторный датчик перемещения для интегрального акселерометра, с повышенной на порядок точностью измерений посредством применения ключевой схемы, переключающей времязадающий резистор, и дополнительных емкостей на входе триггера, и дифференциальный емкостный датчик перемещения с непрерывной электрической обратной связью, в котором повышена точность измерений за счет снижения влияния электростатического тяжения.

2. Разработаны адаптированные для использования в интегральных датчиках синхронный детектор с коммутируемым конденсатором, отличающийся от известных тем, что используемые емкости имеют малый номинал и не требуется применения фильтра низких частот, и оригинальный синхронный детектор, не содержащий емкостей, отличающийся повышенной точностью.

3. Разработан магнитоэлектрический преобразователь силы (момента) для применения в интегральных акселерометрах компенсационного типа с подвесами без металлизированных дорожек, что в конечном итоге повысило точность при одновременном упрощении технологии изготовления ЧЭ.

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

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вавилов, В.Д. Интегральный акселерометр с цифровым выходом [Текст] : тезисы доклада / Вавилов В.Д., Долгов А.Н. // Приборостроение в аэрокосмической технике : Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции, посвящённой 25-летию кафедры "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского филиала НГТУ. – Арзамас: Аф НГТУ, 1999. – С. 41-43.
2. Вавилов, В.Д. Интегральный акселерометр с электростатической обратной связью [Текст] : тезисы доклада / Вавилов В.Д., Долгов А.Н. // Наука – производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино- и приборостроении : Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции, посвящённой 30-летию Арзамасского филиала НГТУ. – Арзамас: Аф НГТУ, 1998. – С. 134.
3. Вавилов, В.Д. Интегральный датчик линейных ускорений [Текст] : тезисы доклада / Вавилов В.Д., Долгов А.Н. // XXV гагаринские чтения : Тезисы докладов Международной молодёжной научной конференции. Москва, 6 – 10 апреля 1999 г. – М.: Изд-во ЛАТМЭС, 1999. – Том 2, С. 789.
4. Вавилов, В.Д. Математическая модель емкостного преобразователя перемещений с электрической обратной связью [Текст] / Вавилов В.Д., Долгов А.Н. //Перспектива 2: Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и молодых ученых АГПИ и Аф НГТУ – Арзамас: АГПИ, 2002. – С. 11-14.
5. Вавилов, И.В. Современное состояние разработок интегральных датчиков [Текст] / Вавилов И.В., Долгов А.Н., Поздяев В.И. : Сборник статей “Прогрессивные техно­логии в машино – и приборостроении” – Н.Новгород, 2002. – С. 364-374.
6. Долгов, А.Н. Емкостной датчик уровня топлива [Текст] / Долгов А.Н. //Технологии в машино- и приборостроении на рубеже XXI века: Сборник статей по материалам Всероссийской научно-технической конференции. – Нижний Новгород: НГТУ, 2000. – С. 213–215.
7. Долгов, А.Н. Исследование статической характеристики интегральных акселерометров [Текст] :тезисы доклада / Долгов А.Н. // Информационные системы и технологии. ИСТ–2002. : Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции.– Нижний Новгород: НГТУ, 2002. – С. 198–199.
8. Долгов, А.Н. Математическая модель емкостного датчика перемещения [Текст] : тезисы доклада / Долгов А.Н. // Методы и средства измерений физических величин: Тезисы докладов V Всероссийской научно-технической конференции. В 4 частях. Часть 4. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет, 2000. – С. 6.
9. Долгов, А.Н. Методика компьютерной обработки результатов испытаний интегральных акселерометров [Текст] / Долгов А.Н. //Перспектива 3: Межвузовский сборник научных трудов молодых ученых/ Арзамасский государственный педагогический институт им. А.П. Гайдара. – Арзамас: АГПИ, 2003. – С. 218–223.
10. Долгов, А.Н. Разработка емкостного датчика перемещения для интегральных датчиков. [Текст] / Долгов А.Н. //Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Сборник статей – Н. Новгород –Арзамас: НГТУ-АГПИ, 2001. – С. 300-302.
11. Долгов, А.Н. Разработка микросистемного преобразователя перемещений [Текст] /А.Н. Долгов, И.В. Вавилов //Информационные системы и технологии ИСТ–2006 : тезисы докладов международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию факультета информационных систем и технологий. – Н. Новгород : НГТУ, 2006. – С. 31.
12. Емкостный преобразователь перемещений [Текст] : Пат. № 2272298 Рос. Федерация / Вавилов В. Д., Долгов А. Н., Вавилов И. В. ; – №2004128663/28 ; заявл. 27.09.2004 ; опубл. 20.03.2006; Бюл. №8.
13. Магнитоэлектричиский преобразователь силы [Текст] : Пат. № 2218575 Рос. Федерация / Былинкин С. Ф., Вавилов В. Д., Миронов С. Г., Долгов А. Н. ; – №2002111047 ; заявл. 24.04.2002 ; опубл. 10.12.2003; Бюл. №34.
14. Многофакторные исследования статической характеристики интегрального акселерометра [Текст]: Метод. указания к лаб. работам /НГТУ; Сост.: Вавилов В.Д., Долгов А.Н. – Н. Новгород, 2003. – 32 с.
15. Устройство для измерения микроперемещений [Текст] : Пат. № 2272297 Рос. Федерация / Вавилов В. Д., Долгов А. Н., Вавилов И. В. ; – №2004128664/28 ; заявл. 27.09.2004 ; опубл. 27.03.2006; Бюл. №9.
16. Французов, А.А. Транзисторный термометр [Текст] : тезисы доклада / Французов А.А., Долгов А.Н. // Приборостроение в аэрокосмической технике : Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции, посвящённой 25-летию кафедры "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского филиала НГТУ. – Арзамас: Аф НГТУ, 1999. – С. 44–45.