Vienkāršākais akselerometrs sastāv no elektriskās ķēdes. Integrēti akselerometri

Primārās inerciālās informācijas sensori ir paātrinājuma mērītāji – akselerometri, kuru pamatā ir klasiskās Ņūtona mehānikas likumi.

Vienkāršākais aksiālais akselerometrs (15.5. att.) sastāv no inerces masas m, kas piestiprināta pie pamatnes ar atsperes palīdzību. Bāzei pārvietojoties X ass virzienā, ko sauc par akselerometra jutības asi, ar paātrinājumu a līdz masai m, tiks pielikts inerces spēks F = m a to, kā rezultātā masa sāks kustēties. attiecībā pret skalu virzienā, kas ir pretējs paātrinājuma vektoram. No atsperes puses uz masu iedarbosies spēks, kas ir pretējs spēkam F

Fpr \u003d Kpr * ΔX,

Att.15.5. Akselerometra darbības princips

Rīsi. 15.7.Noteikt akselerometra metodiskās kļūdas

kur K P p - atsperes stinguma koeficients;

ΔX ir masas nobīdes lineārā vērtība.

Pārejas procesa beigās spēks F pr līdzsvaros spēku F, savukārt ΔX vērtība ir proporcionāla izmērītajam paātrinājumam:

Izmantojot potenciometru, ΔX vērtību var pārvērst elektriskajā signālā, kas ir proporcionāls a.

Akselerometri mēra tikai paātrinājumus, ko rada negravitācijas spēki, un nemēra paātrinājumus gravitācijas dēļ. Patiešām, ja pamatne, uz kuras ir uzstādīts akselerometrs, virzās uz zemi ar gravitācijas paātrinājumu g (pieņemam, ka a k \u003d 0), tad, tā kā gravitācija vienādi iedarbojas uz akselerometra pamatni un masu m, masas nobīde attiecībā pret nulles atzīmi, skalas nebūs.

Ja a k ir paātrinājums, ko rada vilces un pretestības spēku starpība, tad kopējais bāzes absolūtais paātrinājums būs a = a k - (-g). Zīme "-" g priekšā ņem vērā vektora g negatīvo virzienu pa X asi Akselerometrs mērīs tikai paātrinājumu a k, tas ir, kopējā absolūtā paātrinājuma mērīšanā būs metodoloģiska kļūda, vienāds līdz gravitācijas paātrinājumam. Tāpēc vispārīgā gadījumā inerciālo sistēmu izmantošana ir iespējama tikai zināmā gravitācijas laukā. Paātrinājumu a k, ko mēra ar akselerometru, bieži sauc par "šķietamo", savukārt:

Līmeņa lidojuma gadījumā (nemainīgā augstumā) lidmašīnas pacelšanas spēks līdzsvaro gravitācijas spēku. Pateicoties pacelšanas spēkam Y vertikālā virzienā, tiek izveidots paātrinājums a līdz y. Horizontālā lidojumā paātrinājuma vertikālās sastāvdaļas nav, tāpēc a = a k y + g = 0, no kurienes a k y = -g, t.i. šajā gadījumā vertikālās sensora akselerometrs mērīs pacēluma radīto paātrinājumu, kas ir skaitliski vienāds, bet pēc zīmes ir pretējs gravitācijas paātrinājumam. Tieši šajā ziņā ir jāsaprot notiekošais apgalvojums, ka "akselerometrs reaģē uz gravitācijas paātrinājumu".

Papildus aksiālajiem akselerometriem inerciālajās sistēmās tiek izmantoti svārsta akselerometri, un abiem, lai uzlabotu darbības precizitāti un mērījumu diapazonu, ko ierobežo atsperes histerēze, mehāniskās atsperes vietā tiek izmantota elektriskā atspere.

Svārsta akselerometrs ar elektrisko atsperi (15.6. att.) darbojas šādi. Lidmašīnai pārvietojoties ierīces jutības X ass virzienā ar paātrinājumu a pret svārsta masu m, kas uzstādīts uz 1. pleca, tiks pielikts inerces spēks F, kas rada inerces spēka momentu M. = m attiecībā pret Z asi l un uz, kā rezultātā svārsts sāks griezties ap Z asi.. Leņķis svārsta rotācija ar tālvadības pults leņķa sensora (potenciometriskā, indukcijas vai cita veida) palīdzību tiek pārveidota par spriegumu U β = K du * β (K du ir leņķa sensora raksturlieluma slīpums), kas pēc pastiprināšanas plkst. pastiprinātājs ar vērtību U y = K y * U β > (K y - pastiprinātāja pastiprinājums) tiek padots uz griezes momenta sensoru DM. Pēdējais pieliek atgriezeniskās saites momentu svārsta balstiekārtas Z-asij

kur K dm ir griezes momenta sensora raksturlielumu stāvums;

K ep \u003d K du * K y * K dm - elektriskās atsperes pārraides koeficients, tādējādi elektriskās atsperes elementi ir leņķa sensors, pastiprinātājs un momenta sensors.

Stabilā stāvoklī atgriezeniskās saites moments līdzsvaros momentu vai inerci tā, lai svārsta griešanās leņķis un spriegums pie pastiprinātāja izejas būtu proporcionāls paātrinājumam:

un

Kad svārsts kopā ar to griežas leņķī θ, griezīsies arī jutības ass. Šajā gadījumā akselerometrs mērīs nevis visu paātrinājumu a k, bet gan tā sastāvdaļu a K, = a K cos β.

Turklāt akselerometrs reaģēs arī uz šķērseniskiem paātrinājumiem, kas vērsti pa Y asi.. Šis apstāklis ​​noved pie metodiskas kļūdas, kuras samazināšana ir iespējama, samazinot leņķi. , kas tiek panākts, palielinot pastiprinātāja pastiprinājumu.

Aplūkotajiem akselerometriem ir negatīva atgriezeniskā saite atsperes (mehāniskās vai elektriskās) klātbūtnes dēļ. Tāpēc šīs ierīces sauc kompensācijas.

Sakarā ar to, ka masas m rotācijas kustības gadījumā ir vieglāk izgatavot balstu ar mazāku berzi nekā tās translācijas kustības gadījumā, svārsta akselerometri ir atraduši vislielāko pielietojumu inerciālās navigācijas sistēmās.

Mūsdienu akselerometru ar elektrisko atsperi sliekšņa jutība ir aptuveni 10 -4 - 10 -5 g.

Akselerometros ir arī metodoloģiskas kļūdas, kas saistītas ar pašas Zemes rotāciju un gaisa kuģa kustību attiecībā pret Zemi. Šīs kļūdas ir ērti analizēt, izmantojot akselerometra vienādojumus 1. vai 2. formā.

Pirmā forma attiecas uz izmērītajiem paātrinājumiem absolūts gaisa kuģa lineārie ātrumi, absolūts GPS griešanās leņķiskie ātrumi inerciālajā atskaites sistēmā un īpatnējās gravitācijas komponenti

spēks

Otrā forma saista izmērītos paātrinājumus ar ceļa ātruma komponentiem, radinieks GSP griešanās leņķiskie ātrumi un īpatnējā smaguma komponenti g T .

Akselerometru vienādojumi pirmajā formā ir vienkāršāk iegūti un izskatās. Iepriekš tika parādīts, ka akselerometrs mēra nevis absolūto, bet šķietamo paātrinājumu:

Iepriekš minētās atkarības ir uzrakstītas vispārīgā formā, tajā pašā inerciālajā atskaites sistēmā

Vispirms noteiksim absolūtā paātrinājuma vērtību. Saskaņā ar teorēmu par vektora atvasinājumu rotējošā koordinātu sistēmā:

Tālāk mēs paplašinām pa asīm, ņemot vērā noteikumu par divu vektoru reizinājumu:

Tagad, atceroties, ka inerciālai koordinātu sistēmai (
- īpatnējā gravitācijas spēka vektors), mēs beidzot nosakām absolūtā ātruma sastāvdaļas, kuru vērtības ir akselerometra vienādojumi 1. formā:

kur V x (t o), V y (t o), V z (t o) - absolūtā ātruma sākotnējās vērtības;

g ox , g oy , g oz - īpatnējā gravitācijas spēka vektora sastāvdaļas;

a K X , a K y un K z ir akselerometra signāli. No vienādojumiem var redzēt, ka, lai noteiktu ātrumu (un pēc tam lineārās koordinātas), ar akselerometra signālu integrēšanu vien nepietiek, ir jāņem vērā atlikušie integrandā iekļautie termini. Šos dalībniekus sauc kompensācijas, un to neievērošana noved pie akselerometru galveno metodoloģisko kļūdu parādīšanās. Kompensācijas termiņiem ir pirmā vai otrā mazuma pakāpe, un tie netiek ņemti vērā tikai IKV sistēmās. Šis vienkāršojums ir izskaidrojams ar šādu pamatojumu:

1) m / s 2 - otrā mazuma pakāpe;

4) Vz un jo īpaši vertikālā koordināte z IKV sistēmās netiek aprēķināta vertikālā kanāla skaitļošanas nestabilitātes dēļ; citos ANN arī tiek aprēķināta tikai Vz vērtība kanāla skaitļošanas nestabilitātes dēļ.

Pilnīgie akselerometru vienādojumi 2. formā ir:

Tādējādi IKV sistēmām ātrumu aprēķināšanas algoritms izskatās šādi:

kur: W - braukšanas ātrums;

GPS griešanās leņķiskie ātrumi attiecībā pret Zemi;

Zemes griešanās leņķiskie ātrumi;

Īpatnējā smaguma sastāvdaļas.

ANN izmanto gan 1., gan 2. vienādojuma formu.

Jebkuras INS pamatā ir ICV. Visi IKV faktiski ir GSP, ko noteiktā pozīcijā tur īpaši žirostabilizatori.

ELS "Lan" informē, ka 2019. gada septembrim tika atjauninātas mūsu augstskolai ELS "Lan" pieejamās tematiskās kolekcijas:
Inženierzinātnes un tehniskās zinātnes - Izdevniecība "Lan" - 20

Ceram, ka jaunais literatūras krājums noderēs izglītības procesā.

Pārbaudiet piekļuvi kolekcijai "FireBook" ELS "Lan"

Cienījamie lasītāji! No 10/01/2019 līdz 31/10/2019 mūsu universitātei ir dota bezmaksas testa piekļuve jaunajam izdevējdarbības krājumam Lan ELS:
Izdevniecības PozhKniga "Inženierzinātnes un tehniskās zinātnes".
Izdevniecība PozhKniga ir Integrēto drošības sistēmu un inženierzinātņu universitātes (Maskava) neatkarīga apakšnodaļa. Izdevniecības specializācija: izglītojošas un uzziņu literatūras sagatavošana un izdošana par ugunsdrošību (uzņēmuma drošība, normatīvais un tehniskais atbalsts integrētās drošības sistēmas darbiniekiem, ugunsdrošības uzraudzība, ugunsdrošības aprīkojums).

Veiksmīgi pabeigta literatūras izdošana!

Cienījamie lasītāji! Ar prieku informējam par sekmīgu literatūras izdošanas pabeigšanu pirmā kursa studentiem. Sākot ar 1.oktobri, Atvērtās piekļuves lasītava Nr.1 ​​strādās pēc ierastā grafika no 10:00 līdz 19:00.
No 1.oktobra audzēkņi, kuri ar savām grupām nav saņēmuši literatūru, tiek aicināti uz mācību literatūras nodaļām (1239., 1248.kab.) un sociālekonomiskās literatūras nodaļu (5512.kab.), lai saņemtu nepieciešamo literatūru atbilstoši noteiktajiem noteikumiem. par bibliotēkas lietošanu.
Fotografēšana bibliotēkas kartēm notiek lasītavā Nr.1 ​​pēc grafika: otrdien, ceturtdien no 13:00 līdz 18:30 (pārtraukums no 15:00 līdz 16:30).

27. septembris - sanitārā diena (tiek parakstītas apvedceļa lapas).

Bibliotēkas karšu izsniegšana

Cienījamie augstskolas studenti un darbinieki! 20.09.2019 un 23.09.2019 no 11:00 līdz 16:00 (pārtraukums no 14:20 līdz 14:40) aicinām visus, t.sk. pirmkursniekiem, kuriem nebija laika nofotografēties ar savām grupām, bibliotēkas 1. lasītavā (1201.kab.) izsniegt bibliotēkas karti.
No 24.09.2019 atsākas fotografēšana bibliotēkas kartēm pēc ierastā grafika: otrdien un ceturtdien no 13:00 līdz 18:30 (pārtraukums no 15:00 līdz 16:30).

Lai iegūtu bibliotēkas karti, līdzi jābūt: studentiem - pagarinātā studenta apliecība, darbiniekiem - augstskolas karte vai pase.

Pozīcijas atgriezeniskās saites kompensācijas akselerometri mehānisko atsperi aizstāj ar "elektrisko atsperi". Ar pēdējo saprot elektromehānisku ierīci, kas rada momentu, kas kompensē inerces momentu, kas rodas izmērītā paātrinājuma ietekmē.

Rīsi. VI 1.23. Svārsta tipa kompensācijas akselerometrs

Rīsi. VI 1.24. Svārsta tipa kompensācijas akselerometra pludiņa variants: 1 - induktīvā nobīdes devējs; 2 - šķidrums; 3 - pludiņš; 4 - griezes momenta sensors; 5 - pastiprinātājs

Uz att. VI 1.23 parāda vienu no svārsta tipa kompensācijas akselerometra shēmām. Svārsta 1 novirzi paātrinājuma ietekmē induktīvais sensors 4 pārvērš elektriskajā signālā, kas pēc pastiprināšanas tiek ievadīts griezes momenta sensora 2 tinumā. Pēdējais rada kompensācijas momentu. Elektriskā strāva pie fāzes jutīgā pastiprinātāja 3 izejas un sprieguma kritums Uiv (ko rada šī strāva uz papildu pretestību) ir proporcionāls izmērītajam paātrinājumam x. Lai slāpētu svārsta svārstības, pastiprinātājā ir koriģējoša saite.

Uz att. VI 1.24 parāda pludiņa kompensācijas akselerometra varianta diagrammu. Pludiņa celšanas spēks ir tuvu visas ierīces kustīgās daļas svaram. Pludiņa smaguma centrs tiek pārvietots attiecībā pret pludiņa asi par tādu daudzumu, kas nodrošina nepieciešamo svārstu. Pludiņa ierīcēm ir augsta jutība nelielu berzes spēku kļūdu dēļ.

Kompensācijas akselerometra shēma ar masu uz elastīgās balstiekārtas, kapacitatīvo signāla sensoru un elektromehānisko sensoru, kas rada kompensējošo spēku, ir parādīta attēlā. VI 1.25. Šī shēma ļauj vājināt elastīgās balstiekārtas histerēzes ietekmi un tās raksturlielumu nelinearitāti ar nosacījumu, ka "elektriskās atsperes" stingrība ir daudz augstāka nekā elastīgās balstiekārtas stingrība.

Rīsi. VII.25. Kompensējošais akselerometrs ar elastīgo balstiekārtu: 1 - kapacitatīvā nobīdes devējs, 2 - inerciālā masa; 3 - elastīga piekare, 4 - spēka sensora tinums, 5 - pastiprinātājs

Rīsi. VII.26. Integrējošā akselerometra shēma

Spēka sensorā, ko izmanto "elektriskās atsperes" ķēdē, izveidotajam spēkam jābūt proporcionālam strāvai, kas plūst tā tinumā.

Integrēti akselerometri. Zemes ātrumu var noteikt, nepārtraukti integrējot horizontālos paātrinājumus no pacelšanās. Lai noteiktu nobraukto attālumu, iegūtā vērtība ir jāintegrē vēlreiz. Integrāciju var veikt divos veidos ar:

atsevišķu elektrisko vai elektromehānisko integratoru, kura ieeja ir paātrinājumam proporcionāls akselerometra signāls;

mehāniska vai elektromehāniska integrējoša ierīce, kas apvienota ar akselerometra jutīgo elementu.

Apskatīsim pēdējo metodi sīkāk.

Uz att. VI 1.26 parāda vienu no iespējamām integrējošā akselerometra shēmām. Paātrinājuma ietekmē, kas vērsts perpendikulāri zīmējuma plaknei, svārsts 6 novirzīsies, un induktīvā sensorā 5 parādās signāls. Šis signāls, ko pastiprina pastiprinātājs, liks griezties elektromotoram 3. Uz tā ass ir uzstādīts pastāvīgais magnēts 2, kuru pagriežot, vadošajā vāciņā 1 rodas virpuļstrāvas. Virpuļstrāvu mijiedarbība ar magnēta lauku rada griezes momentu, kas pielikts svārsta asij. Griezes moments ir proporcionāls magnēta a rotācijas ātrumam:

Bet moments līdzsvaro akselerometra inerces momentu, tāpēc vienmērīgā procesā

un magnēta griešanās leņķis būs proporcionāls izmērītā paātrinājuma laika integrālim:

kur ir svārsta garums; - svārsta masa; x ir izmērītais paātrinājums.

Rīsi. VII.27. Akselerometra shēma ar dubultu paātrinājumu integrāciju

Leņķis a (samazināts ar pārnesumu reduktoru) ir integrējošā akselerometra izejas koordināte. ķēdes shēma akselerometrs ar dubultu paātrinājumu integrāciju ir parādīts att. VI 1.27. Akselerometra jutīgais elements ir svārsts 5, uz kura ass ir uzstādīts elektromotora stators 2.

Statora iekšpusē var brīvi griezties rotors 1. Svārsta novirze no nulles stāvokļa izraisa signālu induktīvā sensorā 4, kas tiek pievadīts pastiprinātāja izejas pastiprinātājam - elektromotora statoram. Elektromotora izstrādātais griezes moments liek rotoram griezties ar paātrinājumu

kur ir rotora inerces moments.

Arī reaktīvais moments, kas tiek pielikts no rotora sāniem uz statoru, ir vienāds un vērsts uz inerces momentu, ko svārsts 5 attīsta paātrinājuma X ietekmē.

Līdzsvara stāvoklī momenti un (attiecas uz svārsta asi) tiek savstarpēji kompensēti. Atrodam vienādošanas pasākumu

Leņķis a (samazināts ar pārnesumu reduktoru) ir dubultās integrācijas akselerometra izejas vērtība. Ierīces kļūda galvenokārt ir saistīta ar berzes spēkiem svārsta balstiekārtā un uzkrājas proporcionāli tās darbības laika kvadrātam. Šo kļūdu var samazināt, samazinot berzes spēkus un palielinot motora rotora inerces momentu.

Paātrinājumu integrēšanai var izmantot virknes akselerometru. Tā ir vibrācijas ierīce, kas sastāv no virknes, kuras dabiskā frekvence mainās atkarībā no tās spriedzes, ko rada inerciāla masa izmērīta paātrinājuma ietekmē. Dabiskās frekvences izmaiņas ir proporcionālas stīgas stiepes spēka kvadrātsaknei, t.i.

kur K ir koeficients atkarībā no virknes lieluma un inerciālās masas lieluma.

Ja inerciālā masa tiek apturēta starp divām stīgām, kurām ir sākotnējais spriegums, tad gar stīgām virzīta paātrinājuma klātbūtnē vienas stīgas spriegums palielināsies par vērtību, bet otras attiecīgi samazināsies.

Šajā gadījumā stīgu dabiskās vibrācijas frekvences

Šo vienādojumu kopīgais risinājums dod

Ja frekvenču summa mērierīcē tiek uzturēta nemainīga, tad frekvenču starpība ir proporcionāla izmērītajam paātrinājumam x.

Rīsi. VII.28. Svārsta tipa kompensācijas akselerometra strukturālā diagramma

Šajā gadījumā divu stīgu akselerometra dabisko svārstību frekvenču starpības integrālis noteiktā laika periodā ir proporcionāls paātrinājuma integrālim, t.i., ātruma pieaugumam tajā pašā laika periodā. Lai integrētu stīgu akselerometra signālus, var izmantot digitāla tipa integratorus vai impulsu skaitītājus ar augstu precizitātes pakāpi. Paātrinājumu integrēšanas metodes, izmantojot žiroskopiskus integrējošus akselerometrus ar žiroskopiskām svārstām, ir norādītas nodaļā. VIII, 6. §.

Kompensācijas akselerometru pārneses funkciju noteikšana. Svārsta tipa kompensācijas akselerometra (VI 1.28. att.) pārneses funkcija tiek noteikta, izmantojot blokshēmu, kas parādīta att. VII.28:

kur un ir svārsta masa un plecs;

Kustīgās sistēmas inerces moments;

Induktīvā sensora, griezes momenta sensora un pastiprinātāja pārneses koeficienti;

R - izejas elektriskā pretestība;

Koriģējošās saites pārsūtīšanas funkcija.

Izteiksme (VI 1.31) tiek pārvērsta formā

Galvenā informācija

Akselerometri ir lineāri paātrinājuma sensori, un tādēļ tos plaši izmanto, lai izmērītu slīpuma leņķus, inerces spēkus, trieciena slodzi un vibrācijas. Tos plaši izmanto transportā, medicīnā, rūpnieciskajās mērīšanas un kontroles sistēmās un inerciālās navigācijas sistēmās. Nozare ražo daudz dažādu veidu akselerometrus ar dažādiem darbības principiem, paātrinājuma mērījumu diapazoniem, masu, izmēriem un cenām. Galveno akselerometru veidu salīdzinājums ir dots tabulā. 1. Attēlā. 1 parāda dažādu veidu akselerometru aizņemtās platības cenu un kvalitātes diagrammā.

Rīsi. 1. Diagramma "cena-kvalitāte" priekš dažādi veidi akselerometri

Mūsdienu mikroapstrādes tehnoloģijas ļauj izgatavot integrētus akselerometrus ar maziem izmēriem un zemu cenu. Pašlaik tiek ražoti trīs veidu akselerometra IC: pjezoplēves, tilpuma un virsmas.

1. tabula. Salīdzinošās īpašības akselerometri

Filmu pjezoelektriskie akselerometri

Filmas pjezoelektriskā paātrinājuma sensori ir izgatavoti uz daudzslāņu pjezoelektriskās polimēru plēves bāzes. Daudzslāņu plēve ir piestiprināta pie alumīnija oksīda pamatnes, un tai ir piestiprināta pulverveida metāla inerciāla masa. Mainoties sensora ātrumam, inerces spēku iedarbības rezultātā plēve tiek deformēta. Pjezoelektriskā efekta dēļ plēves slāņu robežās rodas potenciāla atšķirība, kas ir atkarīga no paātrinājuma. Sensora sensora elementam ir ārkārtīgi augsta izejas pretestība, tāpēc Atochem Sensors ACH-01 sensora substrātam ir arī zema aizbīdņa strāva FET, kas ir sprieguma pastiprinātājs. Tas ļauj izmērīt paātrinājuma mainīgos lielumus salīdzinoši zemā frekvencē. Šāda veida sensoriem ir slikta raksturlielumu atkārtojamība sērijveida ražošanā, augsta jutība pret temperatūras un spiediena izmaiņām. Viņi nevar kontrolēt pastāvīgus paātrinājumus un gravitācijas spēkus. Galvenā pielietojuma joma ir gaisa spilvenu vadības ķēdes.

Tilpuma integrālie akselerometri

Tilpuma sensora piemērs ir Lucas NovaSensor NAC-201/3 izmantošanai automobiļu gaisa spilvenu vadības sistēmās. Šis sensors sastāv no divām silīcija plāksnēm 1 un 2, kas ir sapludinātas kopā (2. att.). Ar trim plānām silīcija sijām c, d un e, kas atrodas 1. plāksnē, inerciālā masa a ir savienota ar silīcija rāmi b uz 2. plāksnes. Šī masa ir mehāniski savienota ar silīcija rāmi vienā galā (punkti f 2. attēlā). ). Katrs no īsajiem ārējiem (elastīgajiem) sijām satur pāris implantētu pjezorezistoru, kas veido pustiltu. Divi pustilti ir savienoti tilta ķēdē. Automašīnai saduroties ar šķērsli, masa virzās uz leju, saliecot sijas c, d, e un izraisot pjezorezistoru deformāciju. Tādējādi sensors un ārpus mikroshēmas signāla apstrādes elektronika rada 50 līdz 100 mV pilna mēroga izejas signālu, ko izraisa Vitstonas tilta pjezorezistoru deformācija.

Rīsi. 2. Integrēts 3D dizaina akselerometrs

Tā kā gaisa spilvenu vadības sistēmas uzticamība ir ārkārtīgi prasīga (padomājiet par drošības spilvena nepareizas aktivizēšanas sekām uz aizņemtas automaģistrāles ar ātrumu 150 km / h), sensors ir aprīkots ar paškontroles sistēmu. galvenā loma paškontroles sistēmā spēlē ierosinātāja rezistors, kas tiek uzkarsēts, izlaižot caur to elektrisko impulsu ar strāvu 50 mA, spriegumu 9 V un ilgumu 50 ms. Sildot siju, kas atrodas plāksnes 1 vidusdaļā, notiek tā pagarināšanās, jo silīcija izplešanās temperatūras koeficients ir pozitīvs. Un tā kā tā gali ir fiksēti, tas izliecas, novirza inerciālo masu un saliec staru, kurā ir pjezorestori. Šis stars tiek pārvietots par aptuveni 3 µm tajā pašā virzienā kā masa, kad automašīna saduras ar šķērsli.

Rīsi. 3. Paātrinājuma sensora elementārās šūnas galvenais strukturālais bloks

Sensora mikroshēmā nav signāla apstrādes ķēdes mērīšanas tiltam. Sensoru opcijas atšķiras ar to, ka NAC-203 ir iebūvēta biezās plēves shēma, kas ļauj lāzera pielāgot jutību un temperatūras korekciju ražošanas laikā, savukārt NAC-201 nodrošina šīs funkcijas lietotājam. NAC-201 mērīšanas tilta ieejas un izejas pretestības ir 2 kΩ. 3 dB joslas platums ir 500 Hz. Pilnībā saskaņā ar ražotāja ieteikumiem uzstādīto ierīču rezonanses frekvence ir vismaz 10 kHz.

Rīsi. 4. ADXL50 akselerometra IC strukturālā diagramma

Trīsdimensiju dizaina integrētajiem paātrinājuma sensoriem ir vairāki trūkumi. Pirmkārt, tos ir grūti izgatavot, jo lielapjoma konstrukciju veidošanas darbības nav ļoti viegli apvienot ar standarta virsmas integrētajām tehnoloģijām. Otrkārt, vēlams, lai ķēdes mikroshēmā būtu pēc iespējas mazāku izmēru sensors, arī pēc iespējas mazāki izmēri. Kristāla izmēra samazināšana palielina tā mehānisko izturību un samazina izmaksas. Tajā pašā laikā trīsdimensiju sensorā tikai jutīgā elementa atrašanās vietai ir nepieciešams no 6,5 līdz 16 mm2 kristāla laukuma. Ievietojot mikroshēmas signāla kondicionēšanas shēmas, šo laukumu var dubultot. Tāpēc jo īpaši vienam no Motorola paātrinājuma sensoriem ir divu mikroshēmu dizains. Uz viena kristāla ir izveidots tilpuma jutīgs elements, bet uz otra - signāla apstrādes ķēde.

Uz virsmas integrēti akselerometri

Analog Devices ražo ADXLxxx saimi uz virsmas montējamus akselerometrus. Pirmais šajā saimē ir ADXL50, kura sērijveida ražošana tika uzsākta 1991. gadā.

Visu 3,05–3,05 mm akselerometra matricu galvenokārt aizņem signāla kondicionēšanas ķēdes, kas ieskauj miniatūru 1 x 1 mm paātrinājuma sensoru, kas atrodas tā centrā. Sensors ir diferenciāla kondensatora struktūra ar gaisa dielektriķi, kura plāksnes ir izgrieztas (iegravētas) no plakana polisilīcija plēves gabala, kura biezums ir 2 µm. Šī kondensatora fiksētās plāksnes ir vienkārši konsoles stieņi, kas atrodas 1 μm augstumā no kristāla virsmas gaisā uz polisilīcija enkura stabiem, kas piemetināti kristālam molekulārā līmenī.

Uz att. 3 parāda sensora elementārās šūnas galveno strukturālo bloku. Faktiski sensoram ir 54 elementāras šūnas paātrinājuma mērīšanai, taču vienkāršības labad attēlā parādīta tikai viena šūna. Mainot kristāla ātrumu, paātrinājuma sensora inerciālā masa tiek nobīdīta attiecībā pret pārējo kristālu. Tās pirkstiem līdzīgie izvirzījumi veido mainīga kondensatora kustīgu plāksni. Katrā galā šo konstrukciju atbalsta enkura stabi, kas pēc konstrukcijas ir līdzīgi fiksēto plākšņu turētājiem. Strijas inerciālās masas galos, noturot to uz svara, it kā ir nemainīgas elastības mehāniskas atsperes, kas ierobežo testa masas kustību un atgriešanos sākotnējā stāvoklī. Citiem vārdiem sakot, inerces spēks paātrinājuma ietekmē

līdzsvarots ar atsperes spēku

kur m ir masa, a ir paātrinājums, k ir atsperes stingrība, x ir masas nobīde attiecībā pret sākotnējo stāvokli. No tā izriet, ka a = x (k / m), un k / m ir sensora konstrukcijas parametrs.

Tā kā inerciālās masas kustībai jānotiek polisilīcija plēves plaknē, sensora jutības ass atrodas šajā plaknē, un tāpēc tā ir paralēla iespiedshēmas plates plaknei, pie kuras sensors ir pielodēts. .

Katrs no fiksēto kondensatora plākšņu komplektiem (Y un Z) ir elektriski savienots paralēli ķēdes mikroshēmā. Rezultātā tiek iegūts pāris neatkarīgu kondensatoru X-Y un X-Z, kuru kustīgo oderi veido viss inerciālās masas pirkstveida izvirzījumu komplekts. Kristāla iekšpusē šīs trīs plāksnes ir savienotas ar iebūvētajām akselerometra signāla kondicionēšanas shēmām. Mierīgā stāvoklī (kustībā ar nemainīgu ātrumu) visi kustīgās plāksnes X “pirksti” striju dēļ atrodas vienādā attālumā no fiksēto plākšņu pirkstu pāriem. Ar jebkuru paātrinājumu kustīgie pirksti tuvojas vienam no fiksēto pirkstu komplektiem un attālinās no otra. Šīs relatīvās kustības rezultātā attiecīgie attālumi kļūst nevienlīdzīgi un mainās kapacitātes starp kustīgo plāksni un katru no fiksētajām plāksnēm.

Lai gan ADXL50 akselerometra IC sensors un signāla kondicionēšanas ķēde faktiski ir slēgta cilpa ar atgriezenisko saiti un līdzsvarošanas spēkiem, mēs vispirms aprakstīsim ierīces darbību ar atvērtu atgriezenisko saiti. Pretfāzes taisnstūrveida signāli ar frekvenci 1 MHz ar tādu pašu amplitūdu tiek padots no ģeneratora uz augšējo un apakšējo Y un Z plāksni attiecīgi (4. att.). Ja nav paātrinājuma, kapacitātes CS1 un CS2 starp fiksētajām un kustīgajām plāksnēm ir vienādas, tāpēc uz kustīgo plāksni tiek pārraidīti vienādas amplitūdas signāli. Diferenciālais signāls pie atkārtotāja ieejas ir vienāds ar nulli. Kad sensors tiek paātrināts, starpības signāls nav vienāds ar nulli, un tā amplitūda ir atkarīga no kustīgās plāksnes nobīdes, un fāzi nosaka paātrinājuma zīme.

Fāzes jutīgs demodulators pārvērš šo signālu zemfrekvences signālā (ar joslu no 0 līdz 1000 Hz), kas raksturo paātrinājuma lielumu un zīmi. Šis spriegums tiek piegādāts priekšpastiprinātājam, no kura izejas signāls iet uz IC ārējo izeju.

Lai samazinātu apkārtējās vides temperatūras ietekmi, pagaidu parametru izmaiņas un samazinātu akselerometra pārejošas reakcijas nelinearitāti, izstrādātāji ieviesa negatīvas atsauksmes par inerciālās masas stāvokli. Lai to izdarītu, spriegums no priekšpastiprinātāja izejas caur 3 MΩ rezistoru tiek padots uz sensora kustīgajām plāksnēm. Šis spriegums rada elektrostatiskos spēkus starp kustīgajām un fiksētajām plāksnēm, kas mēdz atjaunot inerciālo masu sākotnējā stāvoklī. Tā kā šajā gadījumā mums ir servosistēma ar augstu kvalitātes koeficientu, inerciālā masa nekad nenovirzīs no sākotnējās pozīcijas vairāk kā par 0,01 µm. Ja nav paātrinājuma, priekšpastiprinātāja izejas spriegums ir VO = 1,8 V, ar pilnu paātrinājumu ± 50 g VO = 1,8 ± 1,5 V.

Vēlākos akselerometra IC modeļos Analog Devices inženieri atteicās no atgriezeniskās saites par inerciālās masas stāvokli. No vienas puses, tas ļāva gandrīz uz pusi samazināt sensora mikroshēmas laukumu, palielināt tā efektivitāti, palielināt izejas sprieguma diapazonu, praktiski novērst ārējos komponentus un samazināt izmaksas, bet, no otras puses, pārvietošana inerciālā masa palielinājās, kas izraisīja zināmu linearitātes pasliktināšanos.

ADXL saimes akselerometri ir aprīkoti arī ar pašpārbaudes sistēmu. ADXL50 testa signāls zemfrekvences taisnstūra impulsu secības veidā tiek pielietots kustīgajai plāksnei. Tas izraisa inerciālās masas svārstības, līdzīgas tām, ko izraisa inerces spēku ietekme. Veselīga sensora izejas spriegums arī mainīsies tādā pašā frekvencē.

Rīsi. 8. XMMA saimes mikroshēmas paātrinājuma sensora vienkāršota konstrukcija

Modeļos bez pozīcijas atgriezeniskās saites paātrinājuma mērīšanas ķēdē tiek izmantotas tikai 42 sensoru šūnas. Atlikušie 12 ir iekļauti pašpārbaudes ķēdē. Pašpārbaude tiek veikta, piemērojot augstu loģikas līmeni mikroshēmas “SELF-TEST” tapai. Šajā gadījumā sensora kustīgā daļa tiek pakļauta elektrostatiskajam spēkam, kas atbilst aptuveni 20% no pilna mēroga paātrinājuma. Veselīga sensora IC izejas spriegums proporcionāli samazināsies. Tādējādi tiek pārbaudīta akselerometra visas mehāniskās struktūras un elektriskās ķēdes darbspēja.

Lai samazinātu prasības barošanas avota stabilitātei un dotu iespēju akselerometrus darbināt tieši no baterijām, to izejas spriegums ir proporcionāls paātrinājuma un barošanas sprieguma reizinājumam. Šajā gadījumā tas jāieslēdz saskaņā ar ratiometrisko shēmu, kā parādīts attēlā. 5. Šajā shēmā ir ērti izmantot ADC, kas izmanto barošanas spriegumu kā atsauci. Jāņem vērā, ka starp akselerometra izeju un ADC SHA ieeju jābūt bufera pastiprinātājam, jo ​​akselerometra izejas strāva svārstās ±100 μA diapazonā un pie pietiekami liela paraugu ņemšanas ātruma. , SHA kondensatoram nebūs laika uzlādēt līdz spriegumam pie akselerometra izejas.

Pašlaik Analog Devices ražo vairākus integrēto akselerometru modeļus: vienas ass ADXL105, ADXL150, ADXL190 maksimālajam paātrinājumam attiecīgi ±5 g, ±50 g, ±100 g, un divu asu ADXL202, ADXL210 un ADXL250. paātrinājums uz abām asīm attiecīgi ±2 g, ±10 g un ±50 g. Sensori galvenokārt tiek ražoti plakanās keramikas QC-14 iepakojumos ar plakaniem vadiem, un asis, pa kurām mēra paātrinājumu, ir vērstas paralēli vadu plaknei (tas ir, paralēli iespiedshēmas plates plaknei). ADXL202E variants ir pieejams miniatūrā bezsvina kristāla nesējā LCC-8, kura izmēri ir 5x5x2 mm. Lai atvieglotu saskarni ar mikrokontrolleriem, ADXL202 un ADXL210 IC izejas signāli ir nemainīgas frekvences taisnstūrveida impulsi. Paātrinājuma informācija tiek parādīta pēc relatīvā impulsa ilguma g.

Interesants akselerometru pielietojums ar nelielu maksimālā izmērāmā paātrinājuma vērtību (un attiecīgi augstu jutību) ir slīpuma leņķa noteikšana attiecībā pret horizontu. To var izmantot automašīnu drošības sistēmās, lai noteiktu urbja atrašanās vietu, urbjot slīpas akas utt.

Rīsi. 9. att. Kondensatoru kapacitātes starpības atkarības grafiks no paātrinājuma sensora šūnas no kustīgās plāksnes kustības

Akselerometra izejas spriegums ir proporcionāls tā jutības ass slīpuma leņķa sinusam attiecībā pret horizontu. Lai šo leņķi noteiktu nepārprotami, ir nepieciešams izmantot biaksiālo akselerometru. ADXL202 ir gandrīz ideāls šim nolūkam. Šī sensora izejas signālu atkarības, kas samazinātas līdz 1 g, no tā slīpuma leņķa ir parādītas 1. 6.

Rīsi. 7.a attēlā parādīta ADXL202 biaksiālā akselerometra vienkāršota blokshēma. Tās izejas signāli ir impulsi, kuru relatīvais ilgums ir proporcionāls paātrinājumam. Šis izejas veids nodrošina paaugstinātu trokšņu noturību, signāla pārraidi pa vienu līniju un tā uztveršanu ar jebkuru mikrokontrolleri, kuram ir taimeris (nav nepieciešams ADC!). Signālam pie katra sensora kanāla izejas ir tāda forma, kā parādīts attēlā. 7, b, un paātrinājumu g vienībās aprēķina pēc formulas:

Ņemiet vērā, ka relatīvais ilgums = 0,5 atbilst nulles paātrinājumam. Impulsa periods T2 nav jāmēra katram impulsam. Tas ir jāpielāgo tikai tad, kad mainās temperatūra. Tā kā izejas impulsu frekvence abiem kanāliem ir vienāda, pietiek ar perioda T2 mērīšanu tikai vienā kanālā. Šī vērtība ir iestatīta diapazonā no 0,5 līdz 10 ms ar ārējo rezistoru RSET. Akselerometru ar PWM izvadi trūkums ir nepieciešamība izmantot ļoti ātrus mikrokontrollerus, lai iegūtu augstu izšķirtspēju plašā joslas platumā.

Pabeidzot Analog Devices akselerometru aprakstu, sniegsim dažus interesantus skaitļus, kas raksturo šo mikroshēmu dizainu un ražošanas tehnoloģijas līmeni.

• Inerciālā svara masa ir 0,1 μg.
• Katras diferenciālā kondensatora daļas kapacitāte ir 0,1 pF.
• Minimālā nosakāmā kapacitātes novirze ir 20 aF (10–18 F).
• Kapacitātes izmaiņas, kas atbilst pilnas skalas paātrinājumam, ir 0,01 pF.
• Attālums starp kondensatora plāksnēm ir 1,3 mikroni.
• Kustīgo kondensatora plākšņu minimālā nosakāmā novirze ir 0,2 angstromi (piektā daļa no atoma diametra!).

Motorola XMMA akselerometru saime sastāv no plakanas kapacitatīvā paātrinājuma sensora šūnas un CMOS signāla kondicionēšanas ķēdes, atšķirībā no iepriekšējiem modeļiem, tajā pašā mikroshēmā. Sensoriskais elements (G-šūna) aizņem lielāko daļu kristāla. Tas ir veidots no polikristāliskā silīcija virsmas mikroapstrādē un sastāv no divām fiksētām plāksnēm, starp kurām atrodas uz elastīgas balstiekārtas piestiprināta plāksne, kas spēj kustēties inerces spēku iedarbībā (8. att.). Kad centrālā plāksne paātrinājuma rezultātā novirzās no centrālās pozīcijas, attālums no tās līdz vienai no fiksētajām plāksnēm palielināsies par tādu pašu summu, par kādu samazināsies attālums līdz otrai plāksnei. Attāluma izmaiņas raksturo paātrinājumu. Paātrinājuma jutības ass ir vērsta perpendikulāri silīcija vafeles (mikroshēmas) virsmai, tāpēc DIP iepakojumā ražotie sensori mēra paātrinājumu, kas vērsts normāli pret iespiedshēmas plati. Lai būtu iespējams mērīt paātrinājumus, kas vērsti paralēli iespiedshēmas platei, uzņēmums šos sensorus ražo arī SIP iepakojumos, kuros mikroshēma atrodas perpendikulāri iespiedshēmas platei.

Rīsi. 10. MMAS500G akselerometra blokshēma

G-šūnas plāksnes veido divus pretpārslēgtus kondensatorus. Sensoram pārvietojoties ar paātrinājumu, kas vērsts perpendikulāri plākšņu plaknei, kustīgā plāksne novirzīsies virzienā, kas ir pretējs paātrinājumam, un attālumi starp plāksnēm tiks pārdalīti. Abu kondensatoru kapacitātes mainīsies saskaņā ar formulu

kur S ir plākšņu laukums, e ir dielektriskā konstante un x ir attālums starp plāksnēm. Kā redzams, šī atkarība ir nelineāra. Uz att. 9 parādīts grafiks par šo kondensatoru (C1–C2) kapacitātes starpības atkarību no kustīgās plāksnes kustības. G-šūnu kondensatora neatbilstības shēmas mēra sprieguma izmaiņas kustīgajā plāksnē (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) vai uzlādē pāri tai (XMMA1000, XMMA2000). Spriegumu mēra ar elektrometrisko pastiprinātāju, un lādiņu mēra ar lādiņa pastiprinātāju. Spriežot pēc ražotāja sniegtajiem šo mikroshēmu tehniskajiem aprakstiem, tās neuztver pastāvīgu paātrinājumu. Uz att. 10 ir XMMAS500G akselerometra blokshēma ar izmērāmu paātrinājuma diapazonu 500 g. Signāls no elektrometriskā pastiprinātāja izejas tiek padots uz 4. kārtas zemfrekvences filtru un no tā uz temperatūras kompensācijas ķēdi.

Motorola akselerometrus var izmantot arī ratiometriskajos iestatījumos.

Integrālā akselerometra precizitāte

Statiskā precizitāte

Akselerometru paātrinājuma pārvēršanas elektriskajā signālā precizitāti, kā arī cita veida sensoru precizitāti nosaka nulles nobīdes vērtības, pilnas skalas kļūda (vai jutība), kā arī šo parametru temperatūras un laika novirze. Linearitātes kļūdas (nelinearitāte) un šķērseniskā jutība arī ir svarīgas kļūdas sastāvdaļas. Nulles nobīde un akselerometru jutība plkst normāli apstākļi pielāgots ražošanas laikā. Atlikušo kļūdu var samazināt, kalibrējot un saglabājot kalibrēšanas konstantes mikrokontrollera atmiņā. Akselerometra kalibrēšana iespējama divos veidos: uz vibrācijas statīva ar priekšzīmīgu paātrinājuma sensoru un izmantojot gravitāciju.

Šeikera izmantošanai ir šādas priekšrocības:

• spēja kalibrēt, ieskaitot sensorus, kas ir jutīgi tikai pret mainīgu paātrinājumu;
• iespēja kalibrēt sensorus ar paātrinājumu, kas daudzkārt lielāks par g;

un trūkumi:

• nepieciešams dārgs kratītājs;
• sensora fiksēšanas problēma, veicot kalibrēšanu ar augstu g.

Gravitācijas izmantošanas priekšrocības kalibrēšanai:

• nav nepieciešams dārgs aprīkojums;
• metode nav ļoti jutīga pret sensora uzstādīšanas kļūdu;

un trūkumi:

• var piemērot tikai sensoriem, kas ir jutīgi pret pastāvīgu paātrinājumu;
• nav iespējams kalibrēt visu sensoru skalu, kas spēj pārveidot lielus paātrinājumus.

Var kompensēt arī nulles nobīdes un diapazona temperatūras novirzi. Šim nolūkam daži modeļi (piemēram, XMMA1000, ADXL105) ir aprīkoti ar iebūvētiem temperatūras sensoriem.

Viens no integrēto akselerometru ar kapacitatīvā tipa sensoriem konversijas raksturlieluma nelinearitātes iemesliem ir kondensatora kapacitātes nelineārā atkarība no attāluma starp plāksnēm (sk. 9. att.). Izmantojot uzlādes pastiprinātāju, kā tas tiek darīts XMMA1000, kustīgās plāksnes potenciāls ir nemainīgs un vienāds ar pusi no barošanas sprieguma, ko uzskatīsim par vienādu ar 2V (sk. 8. att.). Šajā gadījumā no formulas q = CV, ņemot vērā (1), izriet, ka kustīgās plāksnes lādiņa pieaugums, kad tā pārvietojas attālumā x, būs

Kā redzams, lādiņa pieauguma atkarība no attāluma starp plāksnēm izmaiņām ir nelineāra. Ja akselerometrā tiek izmantots sprieguma pastiprinātājs (elektrometriskais), sensora kondensatoru lādiņš nemainīsies. Tad sprieguma pieaugums uz kustīgās plāksnes būs lineāri atkarīgs no attāluma izmaiņām starp plāksnēm:

Šo iemeslu dēļ akselerometram XMMA1000 (uzlādes pastiprinātājam) ir tipiskā linearitātes kļūda 1% no pilnas skalas, salīdzinot ar 0,5% MMAS40G (sprieguma pastiprinātājam). ADXL saimes akselerometriem ir kapacitatīvā diferenciālā tipa sensors, kura fiksētās plāksnes tiek barotas ar vienādiem, bet pretfāzes ierosmes spriegumiem V1 un V2 ar frekvenci 1 MHz. Tāpēc vidējās plāksnes sprieguma komplekso efektīvo vērtību saskaņā ar divu mezglu metodi nosaka pēc formulas:

(3)

kur ir apļveida ierosmes frekvence. Ņemot vērā to, ka V1 = -V2, un

no (3) mēs iegūstam

Tādējādi sprieguma atkarība no sensora kustīgajām plāksnēm no pārvietojuma ir lineāra. ADXL saimes akselerometru tipiskā linearitātes kļūda ir 0,2%.

Kā vēl viens kļūdu avots ir norādīta histerēze (tas ir, nepilnīga atgūstamība) vibrāciju un triecienu laikā. Patentētajā mikroshēmu aprakstā nav informācijas par histerēzi, taču šī raksta autoru veiktie eksperimenti par ADXL saimes integrālo akselerometru izmantošanu ātrumu un pārvietojumu noteikšanai parādīja, ka lielas amplitūdas vibrāciju klātbūtnē. , kļūda, acīmredzot histerēzes dēļ, var sasniegt diezgan nederīgas vērtības. Mūsuprāt, šo histerēzi izraisa fakts, ka pie ievērojamiem paātrinājumiem atsperu lomu spēlējošo breketu deformācija var būt neelastīga, un, samazinoties paātrinājumam, inerciālā masa vai nu ļoti lēni atgriežas sākotnējā stāvoklī ( viskozā neelastība) vai neatgriežas vispār. Uz att. 11. attēlā parādīti paātrinājuma (a) un ātruma (b) grafiki attiecībā pret laiku ADXL150 akselerometram, kas uzstādīts uz 1,5 m gara tērauda stieņa viena gala, kurš pārvietojas 0,5 m attālumā ar lieliem paātrinājumiem. stieni, šo kustību pavada diezgan lielas amplitūdas vibrācijas ar aptuveni 300 Hz frekvenci. Paātrinājuma grafiks tika iegūts, tieši nolasot akselerometra signālu ar 12 bitu ADC ar paraugu ņemšanas frekvenci 80 kHz. Ātruma grafiks ir šo datu skaitliskās integrācijas rezultāts, izmantojot trapecveida metodi. Novērošanas intervāla sākumā un beigās (0–0,9 s) sensora ātrums ir vienāds ar nulli. Ātruma grafikā (11. att., b), kura punkti aprēķināti pēc akselerometra datiem, ātruma gala vērtības kļūda bija aptuveni 1,25 m/s pie maksimālā ātruma 3,5 m/s.

Uz att. 12. attēlā parādīti tā paša sensora paātrinājuma (a) un ātruma (b) grafiki ar tuvu kustības parametriem, bet fiksēti uz stingrākas struktūras. Kustību pavadīja ievērojami mazāka gareniskā vibrācija. Kā redzat, kļūda ātruma noteikšanā ir daudzkārt samazinājusies.

Šķērsvirziena jutība

Šķērsvirziena jutība raksturo sensora spēju pārveidot elektriskajā signālā paātrinājumu, kas vērsts 90° leņķī pret sensora jutības asi (šķērsvirziena). Ideālam akselerometram ir nulle šķērseniskā jutība. Sensora pases dati norāda sānu paātrinājuma daļu (procentos), kas pāriet uz izeju.

Akselerometra troksnis

Akselerometra izejas signālā ietvertais troksnis nosaka ierīces izšķirtspēju, kas ir svarīga nelielu paātrinājumu noteikšanā. Ierobežojošo izšķirtspēju galvenokārt nosaka mērījumu trokšņa līmenis, kas ietver ārējo fona troksni un paša sensora troksni. Trokšņa līmenis ir tieši saistīts ar sensora joslas platumu. Joslas platuma samazināšana, ieslēdzot zemas caurlaidības filtru sensora izejā, samazina trokšņa līmeni. Tas uzlabo signāla un trokšņa attiecību un palielina izšķirtspēju, bet rada amplitūdas un fāzes frekvences traucējumus. Dažos akselerometru modeļos ir iebūvēts zemas caurlaidības filtrs (XMMA saime - 4. kārtas, ADXL190 - 2.). Biaksiālajiem sensoriem ADXL202/210 ir spailes divu ārējo kondensatoru pievienošanai, kas veido divus pirmās kārtas zemfrekvences filtrus ar diviem iekšējiem 32 kΩ rezistoriem.

Piemērs. ADXL150 tipiskais trokšņa spektrālais blīvums ir 1 mg/Hz 10–1000 Hz diapazonā. Ieslēdzot zemfrekvences filtru ar izslēgšanas frekvenci 100 Hz, filtra izejas trokšņa efektīvā vērtība būs 10 mg, un amplitūdas vērtība ar varbūtību 0,997 būs 30 mg robežās. Tā kā šī sensora pilna skala ir 50 g, dinamiskais diapazons ir 20 lg (50/0,03) = 64,4 dB. Tas nav slikti, taču saskaņā ar šo rādītāju integrētie akselerometri ir daudz zemāki par pjezoelektriskajiem. Piemēram, Bruel & Kjaer tipa 4371 pjezoelektriskā akselerometra dinamiskais diapazons ir 140 dB.

Akselerometru galvenais dinamiskais raksturlielums ir -3 dB joslas platums. Tabulā. 2 parāda dažu veidu integrēto paātrinājuma sensoru galvenās īpašības.

Literatūra

• Goodenough F. Integrēts akselerometrs 50 G ar paškontroli, realizēts uz apsildāma ierosinātāja // Elektronika. 1993. Nr.7–8. 54.–57.lpp.
• Goodenough F. Kapacitīvā paātrinājuma sensors, kas balstīts uz tilpuma un virsmas mikrostruktūru kombināciju // Elektronika. 1993. Nr.11–12. 86.–87.lpp.
• Goodenough F. Integral akseleration sensor for automotive airbags // Electronics. 1991. Nr.16. S. 7.–14.
• Došers J. Akselerometra dizains un pielietojumi. analogās ierīces. 1998. gads.
• Surridge M., Licht T.R. Pjezoelektrisko akselerometru un priekšpastiprinātāju rokasgrāmata. Brüel & Kjær. 1987. gads.

Pētījuma objekts ir mikroelektromehāniskais (MEMS) trīs asu akselerometrs LSM303DLH kombinācijā ar trīs asu magnētiskā lauka sensoru.

Darba mērķis ir izpētīt šī akselerometra kļūdas, algoritmu un programmatūras izveidi sensora statistisko kļūdu noteikšanai.

Pētījuma priekšmets ir LSM303DLH MEMS akselerometra kļūdu noteikšanas metodes un algoritmi.

1. attēls — triaksiālais akselerometrs LSM303DLH

Kustības sensoru (akselerometru un žiroskopu) darbības princips ir balstīts uz inerciālās masas pārvietojuma mērīšanu attiecībā pret ķermeni un pārveidošanu proporcionālā elektriskā signālā. Kapacitatīvā metode izmērītā pārvietojuma konvertēšanai ir visprecīzākā un uzticamākā, tāpēc kapacitatīvos akselerometrus izmanto plaši. Kapacitatīvā akselerometra struktūra sastāv no dažādām plāksnēm, no kurām dažas ir stacionāras, bet citas brīvi pārvietojas korpusa iekšpusē. Rezonanses ģeneratora ķēdē ir iekļautas kapacitātes. Pielietoto vadības elektrisko signālu ietekmē suspendētā masa svārstās. Starp plāksnēm tiek izveidots kondensators, kura kapacitātes vērtība ir atkarīga no attāluma starp tām. Paātrinājuma spēka ietekmē mainās kondensatora kapacitāte. 2. attēlā parādīta MEMS sensora topoloģija.

2. attēls - MEMS akselerometra topoloģija

3. attēls – SE akselerometru veidi

Mikroelektromehānisko akselerometru galvenā strukturālā vienība ir sensora elements, kura shematiskās diagrammas parādītas 2. attēlā. Sensorelements (SE) ietver inerciālo masu (IM) - 1, elastīgos piekares elementus - 2, atbalsta rāmi - 3 .

Rīsi. četri - MEMS akselerometra shematiskā diagramma: 1 - IM, 2 - fiksēti elektrodi, 3 - enkurs, 4 - kustīgi elektrodi, 5 - rāmis, 6 - elastīgs piekares elements, 7 - pamatne (korpuss)

Inerciālā masa (IM) ir uzstādīta noteiktā attālumā no pamatnes (korpusa), izmantojot divus elastīgu elementu pārus, balstiekārtu un enkurus. MI pārvietojas atbilstoši izmērītajam paātrinājumam b. Kapacitatīvo nobīdes mērītāju veido elektrodu ķemmes konstrukcijas, no kurām kustīgie elektrodi veido vienotu struktūru ar IM, bet fiksētie, kas apvienoti ar rāmi, ir piestiprināti pie pamatnes (korpusa).

Galvenie MEMS akselerometra mērījumu kļūdu cēloņi ir temperatūra, vibrācija un šķērspaātrinājums.

Apkārtējās vides temperatūras izmaiņas izraisa izmaiņas dielektriskās konstantes e vērtībā, spraugā starp svārsta plāksni un vākiem.

Šķērspaātrinājuma iedarbībā notiek balstiekārtas elastīgo elementu papildu deformācija un atbilstošā svārsta kustība. Svārsta kustības pa y asi sakrīt ar jutības ass virzienu un tiek kompensētas ar griezes momenta sensoru, t.i. kļūdas netiek ieviestas. Svārsta kustības pa z asi attiecībā pret pārvietošanās sensora nekustīgajiem elektrodiem maina elektrodu pārklāšanās efektīvo laukumu un, neveicot konstruktīvus pasākumus, var izraisīt nejaušu kļūdu. Šīs kļūdas iespējamība tiek novērsta, palielinot elektrodu laukumu uz vāciņiem.

Svarīgākie akselerometra parametri ir izmērīto paātrinājumu diapazons, jutība, ko parasti izsaka kā signāla attiecību voltos pret paātrinājumu, nelinearitāte procentos no pilnas skalas, troksnis, nulles temperatūras novirzes (nobīde) un jutība. Pateicoties šīm īpašībām, tās ir atradušas savu pielietojumu daudzās nozarēs: militārajā un civilajā aviācijā; automobiļu rūpniecība; aviācijas un kosmosa instrumenti; robotika; militārā rūpniecība; naftas un gāzes rūpniecība; sports; zāles. Dažos gadījumos būtisks raksturlielums ir sensora svārstību dabiskā frekvence vai rezonanses frekvence, kas nosaka sensora darbības frekvenču joslu. Lielākajā daļā lietojumu svarīgs ir temperatūras diapazons un maksimāli pieļaujamās pārslodzes raksturlielumi, kas saistīti ar sensoru darbības apstākļiem. Noteicošie parametri, kas ietekmē paātrinājuma noteikšanas precizitāti, ir nulles un jutības (galvenokārt temperatūras) novirzes, kā arī sensora troksnis, kas ierobežo ierīces izšķirtspējas slieksni.

Sensora jutība ir atkarīga no mehāniskās apakšsistēmas rezonanses frekvences, kā arī no elektroniskā devēja kvalitātes. Jutības izmaiņas ar temperatūru galvenokārt ir saistītas ar elastības koeficienta izmaiņām.

Temperatūras novirze uz nulli ir saistīta ar elastības koeficienta izmaiņām, termisko izplešanos un tehnoloģiskām kļūdām sensora ražošanā. Sensora elektroniskās daļas parametru izmaiņas temperatūras ietekmē, kā likums, ir ievērojami mazākas. Tā kā akselerometrs mēra paātrinājumu vai spēku, kas izraisa inerciālās masas paātrinājumu, akselerometra fiziskais modelis ir inerciālā masa, kas piekārta no atsperes, kas piestiprināta fiksētā korpusā, vienkārša sistēma ar vienu brīvības pakāpi x virzienā mērīšanas ass. Inerciālā masa iegūst paātrinājumu, iedarbojoties uz paātrinājuma spēku (rezultējošais inerces spēks paātrinājuma ietekmē), kas ir proporcionāls masai m un paātrinājumam a.

Jaudas spektrālais blīvums (trokšņa blīvums, µ g/vHz rms) fizikā un signālu apstrādē - funkcija, kas apraksta signāla jaudas sadalījumu atkarībā no frekvences, tas ir, jaudu uz frekvences intervāla vienību. Bieži vien šo terminu lieto, lai aprakstītu elektromagnētiskā starojuma plūsmu spektrālo jaudu vai citas svārstības nepārtrauktā vidē, piemēram, akustiskā. Šajā gadījumā tas nozīmē jaudu uz frekvences vienību uz laukuma vienību, piemēram: W/Hz/m 2 .

LSM303DLH akselerometra galvenie raksturlielumi ir parādīti 1. tabulā.

1. tabula. LSM303DLH akselerometra galvenie raksturlielumi

5. attēls — LSM303DLH akselerometra blokshēma

6. attēls — LSM303DLH akselerometra tapu atrašanās vieta

2. tabula. LSM303DLH akselerometra tapu piešķiršana

7. attēls. Kustības apstrādes sistēmas struktūra

8. attēls - LSM303DLH moduļa blokshēma

Mikroelektromehāniskajiem (MEMS) sensoriem ir mazs svara un izmēra raksturlielumi, zems enerģijas patēriņš un izmaksas, un tie ir ļoti izturīgi pret pārslodzi un triecieniem. To galvenais trūkums ir salīdzinoši zemā precizitāte. Šis fakts galvenokārt ir saistīts ar to, ka mūsdienās nav adekvātas un iespējamas izmantošanai ilgos laika intervālos, kā arī paredzēto šādu sensoru kļūdu matemātisko modeļu izmantošanu.

Populārākie pielietojumi MEMS nozarē ir mikromehāniskie žiroskopi un akselerometri. Viņu galvenais tehniskās specifikācijas ir dinamiskais diapazons, jutība, frekvences reakcija, trokšņa komponentu raksturlielumi. Kalibrējot, mikroshēmas ar pietiekamu precizitātes pakāpi tiek fiksētas uz pagriežamā pagrieziena galda, kas ļaus pareizi orientēt akselerometru asis attiecībā pret zemes asi un līdz ar to noteikt to sistemātiskās kļūdas. Ieviesta arī iespēja aprēķināt temperatūras un barošanas sprieguma ietekmes koeficientus uz galveno sistemātisko kļūdu, kas īpaši raksturīgs šādiem sensoriem. MEMS izstrādes pamatā ir mikroelektroniskā tehnoloģija, kas tiek izmantota gandrīz visos silīcija bāzes produktos.

MEMS tehnoloģiju izmantošana mūsdienu elektroniskajās sistēmās var būtiski palielināt to funkcionalitāti. Izmantojot tehnoloģiskos procesus, kas ir gandrīz tādi paši kā silīcija mikroshēmu ražošanai, MEMS ierīču izstrādātāji izveido miniatūras mehāniskas struktūras, kas var mijiedarboties ar vidi un darboties kā sensori, kas pārraida ietekmi uz integrētu ar tām. elektroniskā shēma. Tieši sensori ir visizplatītākais MEMS tehnoloģijas izmantošanas piemērs: tos izmanto žiroskopos, akselerometros, spiediena mērītājos un citās ierīcēs. Pašlaik gandrīz visās modernajās automašīnās drošības spilvenu aktivizēšanai tiek izmantoti MEMS akselerometri, par kuriem tika runāts iepriekš. Mikroelektromehāniskie spiediena sensori tiek plaši izmantoti automobiļu un aviācijas nozarē. Žiroskopi atrod pielietojumu dažādos lietojumos, sākot no kompleksa navigācijas iekārtas kosmosa kuģi un beidzot ar kursorsvirām datorspēlēm. MEMS ierīces ar mikroskopiskiem spoguļiem tiek izmantotas displeju un optisko slēdžu ražošanā.

Līdz ar mikroelektromehānisko sistēmu (MEMS) parādīšanos inerciālie sensori ir guvuši ievērojamu attīstību. Tādas priekšrocības kā zemas izmaksas, zems enerģijas patēriņš, mazs izmērs un iespēja izgatavot, izmantojot pakešu tehnoloģiju, ir ļāvušas inerciālajiem MEMS sensoriem izmantot plašu pielietojumu klāstu automobiļu, datoru un navigācijas tirgos.

Atšķirībā no tradicionālās tehnoloģijas, mikroakselerometri tiek iegravēti, izmantojot specializētas metodes, kas apvieno polikristāliskā silīcija virsmas mehānisko mikroapstrādi un elektroniskās shēmas tehnoloģiju.