Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах для сверх больших ускорений
Моделирование чувствительного элемента на поверхностных акустических волнах для сверхбольших ускорений в программном обеспечении OOFELIE::Multiphysics. Анализ графиков зависимостей изменения частоты выходного сигнала от ускорения по ортогональным осям.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.10.2018 |
| Размер файла | 1,6 M |
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/
Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет
Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах для сверх больших ускорений
А.С. Кукаев, М.А. Хиврич, С.Ю. Шевченко
Аннотация
В работе приводятся результаты моделирования чувствительного элемента на поверхностных акустических волнах для сверхбольших ускорений в программном обеспечении OOFELIE::Multiphysics. Оценена выходная характеристика и рассчитаны масштабные коэффициенты.
Перспективы развития современных измерительных приборов связаны с созданием устройств нового поколения - легких, компактных, дешевых, и в тоже время, сохраняющих свою целевую функцию с заданной точностью. В настоящее время технология микроэлектромеханических систем является одним из самых перспективных в 21 веке. На основе МЭМС создают датчики ориентации и навигации. Микромеханические акселерометры широко используются во многих областях жизни и деятельности человека.
На сегодняшний день область высокодинамичных объектов, испытывающих перегрузки до 45 000 g, остро нуждается в инерциальных чувствительных элементах, удовлетворяющих высоким требованиям по вибро- и ударопрочности [1]. Решением подобной задачи является применение методов молекулярной кинетики, реализуемых в датчиках на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Сверхбольшие ускорения задают жесткие условия для эксплуатации микроакселерометров. Чувствительный элемент (ЧЭ) выполняет весьма ответственную роль, являясь одновременно и звукопроводом, и частью преобразователей ПАВ. Выбор материала и размера чувствительного элемента осуществляется на одном из первых этапов проектирования устройств на ПАВ, т.к. от их значений зависят технические характеристики устройств. Стремясь найти оптимальную форму ЧЭ для выполнения заданных условий, было проведено моделирование консоли.
Модель чувствительного элемента. В программном пакете OOFELIE::Multiphysics было проведено исследование, найдены оптимальная форма и размеры консоли. Для того, чтобы ЧЭ выдерживал высокие нагрузки, было решено отказаться от инерционной массы, жестко закрепить консоль с двух сторон и сделать ее на одну десятую миллиметра толще [2]. Как известно, предел прочности кварца на растяжение составляет 100 МПа, учитывая это, конструкция и размеры моделируемой консоли выбиралась с учетом 30% запаса предельной прочности кварца. Таким образом, в расчетную программу были заложены требуемые параметры материала (таблица 1) и построена конечно-элементная сетка с применением прямоугольных конечных элементов с шагом 0,01 мм (рис.1).
Рис.1. Размеры консоли микроакселерометра.
В итоге, была построена модель ЧЭ которая представлена на рис.2. Конструкция симметрична.
Рис.2. а) Модель чувствительного элемента и б) ее конструктивное решение в корпусе.
Таблица 1.
|
Консоль |
Инерционная масса |
||
|
Материал |
Кварц |
Сплав ВНМ |
|
|
Плотность, кг/м3 |
2 649 |
18 000 |
|
|
Модуль Юнга, ГПа |
58 |
350 |
|
|
Коэффициент Пуассона |
0.23 |
0.29 |
После того как все параметры были заданы, прикладывались воздействия ускорений значением в несколько тысяч g пока не было доказано, что данная консоль выдерживает нагрузку в 45 000 (рис. 3 и рис. 5). На рис. 4 и рис. 6 приведены графики, по которым видно, что при воздействии 45 000 g деформация консоли составляет 7,9 мкм и максимальное напряжение, возникающее в местах крепления ЧЭ, составляет чуть менее 7Ч107 Па. Такая нагрузка, не является предельной, не разрушает ЧЭ и не выводит акселерометр из строя.
Рис. 3. Поле перемещений чувствительного элемента микроакселерометра при действии ускорения 45 000 g.
Рис.4. Максимальная деформация консоли при воздействии ускорения 45 000 g
Рис. 5. Поле напряжений чувствительного элемента микроакселерометра при действии ускорения 45 000 g.
Рис. 6. Распределение напряжений вдоль длины консоли.
Выходная характеристика ММА. Была найдена нижняя граница чувствительности. Для этого был написан скрипт, который рассчитывал воздействие на модель от 0 до 45 000 g с шагом 50 g. С учётом нелинейных эффектов был получен график зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения (рис 7). Известно, что нижняя граница чувствительности определяется как воздействие, вызывающее сигнал, в три раза превосходящее уровень шумов По рекомендации IUPAC.
Рис. 7. График зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения.
Среднеквадратическое отклонение шумов составило 0,07 кГц, то есть, минимальный сигнал должен превышать 0,21 кГц [2]. С использованием AccSq.sfield, который вычисляет среднее значение относительно деформаций, по середине консоли составило 3 мм. Этому значению изменения частоты выходного сигнала соответствует приложенное ускорение 50 g. Т.е. наша консоль выдерживает нагрузки и сохраняет свою чувствительность на диапазоне от 50 до 45 000 g.
Для того чтобы оценить чувствительность консоли по ортогональным осям X и Y были рассчитаны масштабные коэффициенты и построены графики зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения (рис.8 и рис.9).
Масштабный коэффициент по оси X:
Масштабный коэффициент по оси Y:
Рис. 8. График зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения по оси X.
Рис. 9. График зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения по оси Y.
Анализ графиков зависимостей изменения частоты выходного сигнала от ускорения по ортогональным осям и масштабные коэффициенты говорят о низкой перекрестной чувствительности.
акустический волна частота сигнал
Заключение
Установлено, что микроакселерометр с конструкцией ЧЭ без инерционной массы может выдерживать без разрушения воздействия ускорения в 45 000 g. Приведенный микроакселерометр выдерживает нагрузки и сохраняет свою чувствительность в диапазоне от 50 до 45 000 g. При этом, следует отметить, что чувствительность по ортогональным осям является незначительной.
Литература
1. Precise Robust Inertial Guidance for Munitions (PRIGM):Advanced Inertial Micro Sensors (AIMS), Microsystems Technology Office, DARPA-BAA-15-38, May 29, 2015
2. Разработка и оптимизация схемы построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах (Часть 1) // Д.П. Лукьянов и др. - Санкт-Петербург, Гироскопия и навигация, 2005. - № 2 (49), С.79-95.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Принцип действия фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Фильтры на поверхностных акустических волнах имеют принципиальные преимущества перед другими фильтрами, основанными на эффекте преобразования электрических колебаний в акустические.
реферат [225,4 K], добавлен 06.01.2009Изучение классификации фильтров на поверхностно-акустических волнах, их преимущества и сфера применения. Конструкция микросхем интеллектуального мониторинга на основе ПАВ-технологий. Расчет звукопровода узкополосного фильтра на акустических волнах.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 17.06.2014При проектировании и конструировании фильтров необходимо решить ряд вопросов: согласование входной и выходной цепей с акустической частью, учет влияния погрешностей изготовления на фильтры, вторичных эффектов, выбор материалов звукопровода и др.
реферат [70,5 K], добавлен 06.01.2009Расчет конструктивных параметров и выполнение общего чертежа топологии фильтра на поверхностных акустических волнах. Конструирование проволочного резистора переменного сопротивления. Чертеж катушки индуктивности и принцип действия газоразрядных панелей.
контрольная работа [493,0 K], добавлен 20.01.2013Идентификационные метки: штриховое кодирование, радиочастотные идентификационные и пассивные радиочастотные метки. Выбор материала для подложки и металлизации поверхности. Оценка эффективности инновационного процесса. Возможные радиационные потери.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 12.11.2010К линейным пассивным акустоэлектронным устройствам относят устройства частотной фильтрации (фильтры), акустические линии задержки, согласованные (оптимальные) фильтры, или дисперсионные линии задержки, кодирующие и декодирующие устройства. Линии задержки.
курсовая работа [232,1 K], добавлен 03.01.2009Физика поверхностных акустических волн (ПАВ). Виды линейных пассивных акустоэлектронных устройств. Технические параметры, принцип устройства линий задержки на ПАВ. Схемы ультразвуковых линий задержки. Метод возбуждения и приема ПАВ с помощью ВШП.
курсовая работа [177,6 K], добавлен 04.03.2009Телеграфные, однополосные и частотно-модулированные сигналы радиосвязи на коротких и ультракоротких волнах. Виды модуляции, их преимущества и недостатки. Способы формирования однополосного сигнала. Назначение и принцип работы SSB/CW формирователей.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 02.05.2015Параметры и характеристики головок громкоговорителей, используемых в портативных акустических излучателях. Применение контрапертурного преобразования. Исследование в области конструирования, дизайна и качественного воспроизведения звуковых волн.
дипломная работа [474,6 K], добавлен 20.06.2017Анализ геометрических размеров помещения. Построение лучеграммы, выявление акустических дефектов зала. Расчет реверберационных характеристик помещения. Выбор и расчёт требуемых параметров звукового поля. Значение индекса усиления для различных установок.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 14.12.2013Принцип действия датчиков сейсмического типа, предназначенных для проведения исследований влияния ускорений и вибрационных нагрузок на элементы радиоэлектронной аппаратуры. Разработка схем приборов, расчет статических и динамических характеристик.
курсовая работа [737,5 K], добавлен 10.01.2014Анализ прохождения сигнала через линейное устройство. Анализ выходного сигнала на основании спектрального метода. Передаточная функция линейного устройства и его схема. Анализ спектра выходного сигнала. Расчёт коэффициента усиления по постоянному току.
курсовая работа [168,3 K], добавлен 25.05.2012Особенности 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 25.04.2012Построение графиков амплитудного и фазового спектров периодического сигнала. Расчет рекурсивного цифрового фильтра, цифрового спектра сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье. Оценка спектральной плотности мощности входного и выходного сигнала.
контрольная работа [434,7 K], добавлен 10.05.2013Расчет спектрально-корреляционных характеристик сигнала и шума на входе усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Анализ прохождения аддитивной смеси сигнала и шума через УПЧ, частотный детектор и усилитель низкой частоты. Закон распределения частоты.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 22.03.2015Определение передаточной функции цепи. Анализ частотных, временных, спектральных характеристик радиотехнических цепей. Исследование влияния параметров цепи на характеристики выходного сигнала. Нахождение выходного сигнала методом интеграла наложения.
курсовая работа [607,6 K], добавлен 09.08.2012Анализ частотных и временных характеристик цепи. Влияние изменяемого параметра цепи на частотные характеристики. Нахождение выходного сигнала методом интеграла наложения. Построение графика входного и выходного сигнала при увеличении входного импульса.
курсовая работа [193,5 K], добавлен 01.10.2014Предварительный усилитель промежуточной частоты, расчет его коэффициентов. Измерение зависимости коэффициента усиления ПУПЧ от включения генератора сигнала во входной контур. Графики зависимостей нормированных показателей передачи входного устройства.
лабораторная работа [744,7 K], добавлен 05.05.2015Общие сведения о шумах и адаптивной фильтрации речевого сигнала. Компенсаторы помех: устройство и компоненты, функции. Подавление аддитивного квазистационарного шума методом вычитания амплитудных спектров, основанном на искусственных нейронных сетях.
курсовая работа [359,7 K], добавлен 02.05.2016Особенности распространения речевого сигнала. Анализ спектральных характеристик. Разработка лабораторного стенда по исследованию прямых акустических, вибрационных и акустоэлектрических каналов утечки речевой информации и методики проведения экспериментов.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 27.10.2010
