Моделирование элементов конструкции микромеханического акселерометра
Особенности разработки акселерометра маятникового типа, возможности вариации геометрии чувствительного элемента и упругих подвесов. Сечение упругого подвеса серийно выпускаемого акселерометра. Расчет собственных частот колебаний чувствительного элемента.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.03.2018 |
| Размер файла | 232,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Моделирование элементов конструкции микромеханического акселерометра
доктор технических наук
Первадчук Владимир Павлович
аспирант Шадт Артём Константинович
Микромеханические акселерометры широко применяются в космических аппаратах, авиации, автомобилестроении, высокоточном оружии - управляемых ракетных и артиллерийских снарядах [2, 4]. Акселерометры с малым диапазоном измерения используются для измерений углов наклона приборов, выходной сигнал акселерометра пропорционален синусу угла наклона по отношению к горизонту [3]. Один из важнейших элементов конструкции микромеханических акселерометров - подвесы (торсионы), их форма и размеры определяют важный параметр микроприборов - чувствительность.
При разработке акселерометра маятникового типа имеется возможность вариации геометрии чувствительного элемента и упругих подвесов. Для изготовления чувствительного элемента (ЧЭ) и торсионов используется монокристаллический кремний, например марки КЭФ-4,5 (100), обладающий необходимыми механическими свойствами [1]. Проведен расчет влияния технологических отклонений при изготовлении маятника на максимальное напряжение в упругих подвесах.
Анализ упругих подвесов различной конфигурации проводился методом компьютерного моделирования в среде ANSYS , которая представляет собой набор программных пакетов, предназначенных для решения обширного класса задач методом конечных элементов [4]. Проведен расчет статического напряженно-деформированного состояния подвесов различной конфигурации при приложении момента сил, соответствующего моменту инерционной массы чувствительного элемента акселерометра, а также моделирование и анализ форм колебаний и собственных частот колебаний чувствительного элемента с подвесами, имеющими различную форму сечения. акселерометр маятниковый упругость подвес
В расчетах были использованы конструкции чувствительного элемента компенсационного акселерометра выпускаемого серийно, с формой упругого подвеса изображенной на рис. 1, а также конструкция опытного образца на базе серийного акселерометра с крестообразной формой упругого подвеса (рис. 2).
Рис. 1. Сечение упругого подвеса серийно выпускаемого акселерометра.
Рис. 2. Сечение упругого подвеса крестообразного сечения.
Конструкция чувствительного элемента (ЧЭ) для компенсационного акселерометра представлена на рис. 3. ЧЭ представляет собой симметричный маятник, с ассиметрично расположенной инерционной массой, подвешенный на двух упругих балках (торсионах) к неподвижной центральной части. Принцип действия ЧЭ основан на несимметричном подвесе инерционной массы, благодаря чему осуществляется регистрация ускорения, направленного перпендикулярно плоскости ЧЭ. Для создания необходимой величины зазора между чувствительным элементом и расположенной под ним платой центральная часть ЧЭ имеет выступающие платики с каждой стороны (рис. 3б). Поверхности основания и подвижной части ЧЭ находятся в одной плоскости.
Проведен расчет влияния технологических отклонений толщины упругого подвеса в пределах поля допуска для ЧЭ серийного акселерометра и опытного образца с крестообразным упругим подвесом. К подвижной части ЧЭ прикладывался момент сил 10-4 Н•мм. Приложенный момент сил вызывает поворот подвижной части ЧЭ на определенный угол.
Рис. 3. а) маятник серийного акселерометра; б)маятник опытного образца.
Варьируя размеры упругого подвеса для обоих образцов ЧЭ были получены значения максимальных напряжений в торсионах. Для подвеса серийного акселерометра изменялась толщина и длина тонкой части подвеса (размеры В и С соответственно на рис. 1). На крестообразном подвесе изменялась ширина ребер с сохранением постоянного угла наклона граней ребер (размер А на рис. 2). Результаты приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1. Результаты расчета влияния технологических отклонений в геометрических размерах крестообразного подвеса.
|
Ширина ребер подвеса, мкм |
Максимальное напряжение в подвесе, МПа |
|
|
11 |
6,2735 |
|
|
12 |
5,4167 |
|
|
13 |
4,2611 |
|
|
14 |
4,0071 |
|
|
15 |
3,9238 |
|
|
16 |
3,7514 |
|
|
17 |
3,7439 |
Таблица 2. Результаты расчета влияния технологических отклонений в геометрических размерах подвеса серийного акселерометра.
|
Толщина подвеса, мкм |
Длина подвеса, мкм |
Максимальное напряжение в подвесе, МПа |
|
|
8,5 |
12 |
7,7885 |
|
|
8 |
12 |
8,747 |
|
|
7,5 |
12 |
9,6827 |
|
|
8 |
10 |
8,6638 |
|
|
8 |
14 |
8,8002 |
Из таблиц видно, что при большем разбросе геометрических размеров крестообразного подвеса в пределах технологических допусков, изменение максимального напряжения при повороте на заданный угол незначительно отличается от изменений в подвесе изображенном на рис.1.
Также были рассчитаны значения собственных частот колебаний ЧЭ с упругими подвесами различных форм.
Таблица 3. Результаты расчета собственных частот колебаний ЧЭ.
|
№ моды |
Частота колебаний для маятника с крестообразным подвесом, Гц |
Частота колебаний для маятника Акселерометра А-15, Гц |
|
|
1 |
58,242 |
452,07 |
|
|
2 |
1897,7 |
2121,2 |
|
|
3 |
2216,4 |
3839,1 |
|
|
4 |
3797,3 |
4586,0 |
|
|
5 |
4210,3 |
7009,1 |
|
|
6 |
4376,1 |
10487,0 |
Для обеих разновидностей подвеса первая мода является рабочей, остальные паразитные. По результатам расчетов видно что в маятнике с крестообразным подвесом рабочая частота намного меньше паразитных по сравнению с подвесом изображенным на рис. 1. Это означает что крестообразный подвес имеет большую жесткость по паразитным степеням свободы в отличие от обычного подвеса.
Из вышеописанных результатов можно сделать вывод, что ЧЭ с крестообразным подвесом является более предпочтительным в виду меньшей чувствительности к отклонениям от заданных размеров подвесах, а также хорошей помехоустойчивости из-за большей жесткости по паразитным степеням свободы маятника. Результаты расчетов применяются при изготовлении опытных приборов с ЧЭ имеющим крестообразные упругие подвесы.
Литература
1. Бритков О.М. Разработка конструкции микромеханического акселерометра / 12 Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005». - М.: МИЭТ, 2005, с. 123.
2. Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производства. Направления развития, объемы рынка. - Датчики и системы, 2000, № 1, с. 28-30.
3. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации. - Гироскопия и навигация, 1996, № 1, с. 48-55.
4. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. - Тула: Тульский госуниверситет, 2002, с. 795.
5. www.ansys.com.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Конструкция и проектные параметры микромеханического акселерометра. Технологический процесс его производства. Расчет чувствительного элемента, пружин, коэффициента демпфирования, компенсирующего градиента, емкостного интерфейса, параметров датчика.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 27.07.2013Этапы разработки конструкции и технологии изготовления ячейки датчика ускорения емкостного типа. Назначение акселерометра, выбор печатной платы, способы пайки, особенности сборки и монтажа. Функционально-стоимостной анализ ячейки датчика ускорения.
дипломная работа [4,1 M], добавлен 07.12.2011Классификация физических явлений и эффектов, применяемых при конструировании устройств получения первичной измерительной информации. Виды упругих элементов. Расчет чувствительного элемента датчика давления и первичного измерительного преобразователя.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 16.04.2012Определение размеров сечения упругого элемента в форме спирали. Изучение крепления рамки электроизмерительного прибора в виде подвеса. Расчет параметров растяжек подвеса магнитной рамки стрелочного прибора. Сравнение способов крепления рамки прибора.
лабораторная работа [270,9 K], добавлен 26.06.2015Приборы, служащие для измерения ускорений - акселерометры. Выбор пьезоэлектрического материала. Форма инерционной массы, ее влияние на характеристики датчика. Описание конструкции акселерометра. Выбор электрической схемы. Выходное напряжение усилителя.
курсовая работа [43,8 K], добавлен 15.05.2014Назначение, конструкция и принцип работы тепловых расходомеров. Расчёт чувствительного элемента датчика, преобразователей. Структурная схема измерительного устройства. Выбор аналогово-цифрового преобразователя и вторичных приборов, расчет погрешности.
курсовая работа [906,9 K], добавлен 24.05.2015Математическая модель тетрады чувствительных элементов прибора БИУС-ВО. Принцип действия чувствительного элемента прибора БИУС-ВО – волоконно–оптического гироскопа. Разработка методики оценки шумовых составляющих канала измерения угловой скорости.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 24.09.2012Обзор датчика силы: принцип работы, цепочка преобразования. Характеристика существующих аналогов. Моделирование упругого элемента. Расчет мостовой схемы. Метрологическая характеристика: чувствительность, погрешность установки. Чертёж и технология сборки.
контрольная работа [533,1 K], добавлен 20.06.2019Описание технических характеристик и принципа действия датчика линейных ускорений. Обоснование технического эскиза. Расчёт статических и динамических параметров прибора, датчиков перемещения. Анализ источников погрешностей и возможные способы их снижения.
контрольная работа [107,5 K], добавлен 21.05.2013Регулятор частоты вращения дизеля КамАЗ-740. Топливный насос как исполнительный элемент регулятора. Исследование устойчивости системы по критерию Рауса-Гурвица. Шарнирный механизм центробежного чувствительного элемента. Оценка качества регулирования.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 27.04.2014Изобретение в области приборостроения, его предназначение для питания электролитического гигрометра "Байкал-5". Структурная схема устройства. Подключение стабилитрона к выходу источника. Принцип действия гигрометра, строение его чувствительного элемента.
реферат [50,4 K], добавлен 11.03.2012Проектирование системы определения перемещения движущегося предмета на основании магнитной системы и магнитодиода. Выбор применяемых материалов и конструкций. Расчет параметров магнитной системы. Технология изготовления чувствительного элемента.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 21.10.2012Основные элементы спутниковой системы навигации. Оценка влияния инструментальных погрешностей первичных датчиков информации (акселерометра и гироскопа) и начальной выставки координаты на точность однокомпонентной инерциальной навигационной системы.
контрольная работа [119,7 K], добавлен 15.01.2015Проект системы определения перемещения движущегося предмета на основании магнитной системы и магнитодиода. Выбор и обоснование применяемых материалов и конструкций. Разработка технологии изготовления чувствительного элемента. Сборка измерительного блока.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 23.12.2012Особенности конструирования чувствительных усилителей для прослушивания речи. Схема чувствительного микрофона с усилителем мощности на малошумящих транзисторах, его моделирование в программном продукте NI Multisim 11.0. Анализ смоделированной схемы.
курсовая работа [378,4 K], добавлен 25.04.2012Способы решения задач синтеза. Этапы расчета элементов фильтра нижних частот. Определение схемы заданного типа фильтра с минимальным числом индуктивных элементов. Особенности расчета фильтр нижних частот Чебышева 5-го порядка с частотой среза 118 кГц.
контрольная работа [525,0 K], добавлен 29.06.2014Изучение принципа работы, основных переключательных характеристик и методов определения функциональных параметров элемента памяти. Устройство элемента памяти, построенного на биполярных двухэмиттерных транзисторах, используемого в интегральных схемах.
лабораторная работа [65,6 K], добавлен 08.11.2011Разработка переменного проволочного резистора с каркасом прямоугольного сечения для измерительной аппаратуры. Обзор аналогичных конструкций. Расчет резистивного элемента, температуры его перегрева элемента, частотных характеристик, контактной пружины.
курсовая работа [50,7 K], добавлен 29.08.2010Исследование спектра собственных частот ионосферно-магнитосферного альвеновского резонатора. Расчет сдвига резонансных частот методами теории возмущений. Этапы решения данной задачи при сферически слоистой модели околоземного космического пространства.
статья [70,8 K], добавлен 26.11.2013Расчет элементов выходного выпрямителя и сглаживающего фильтра. Выбор элемента индикации. Разбиение схемы на функциональные узлы. Защита от температурных, механических воздействий и воздействий влаги. Материалы печатной платы и несущей конструкции.
курсовая работа [297,2 K], добавлен 05.11.2012
