Использование квадратурной составляющей выходного сигнала для тестирования ММГ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАДРАТУРНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ММГ

Я.В. Беляев

(ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», С-Петербург)

В докладе рассматриваются методики тестирования ЧЭ ММГ с помощью задания эквивалентной угловой скорости, основанные на использовании квадратурной составляющей выходного сигнала ММГ и не требующие использования поворотных стендов, что особенно актуально при серийном изготовлении ЧЭ.

чувствительный элемент микромеханический гироскоп

Введение. Микромеханический гироскоп (ММГ) предназначен для измерения угловой скорости и представляет собой интегрированное устройство с размерами в несколько миллиметров, состоящее из механического чувствительного элемента (ЧЭ) и электронных систем управления. Достоинством такого датчика являются малые размеры, малые массы, их низкая себестоимость при массовом производстве и др.

На этапах изготовления необходимо проводить ряд измерений параметров как ЧЭ, так и ММГ в целом, определять технологические погрешности, выполнять классификацию и отбраковку ЧЭ.

Целью работы является разработка методик тестирования чувствительных элементов микромеханических гироскопов без использования поворотных стендов, применение которых позволит существенно снизить затраты на изготовление ЧЭ.

Характеристики ММГ. Совокупность характеристик ММГ определяет возможность его применения для решения поставленной задачи. К примеру, для высокодинамичных объектов необходимо использовать датчики, обладающие широким частотным диапазоном преобразования (полосой пропускания) и требуемой точностью измерения угловой скорости.

Согласно нормативным документам [1] характеристики ММГ делятся на характеристики назначения, характеристики надежности и эксплуатационные характеристики. Характеристиками назначения являются предельные значения параметров датчика в соответствии с выполняемыми функциями, определяющие его качество. Эксплуатационные характеристики определяют климатические, механические и прочие условия применения датчика.

Для измерения таких характеристик назначения, как масштабного коэффициента и смещения нуля, а так же их характеристик - нелинейностей, случайных составляющих, нестабильностей и др. используют поворотные стенды.

Очевидно, что на начальных этапах изготовления ЧЭ, расположенных на кремниевых пластинах без каких либо электронных модулей, прямое измерение характеристик назначения с использованием поворотных стендов не возможно. В этом случае, для отбраковки и классификации используют методы косвенного измерения характеристик, а также методы анализа характеристик ЧЭ как объекта управления. Такими характеристиками для ЧЭ ММГ могут быть добротности резонансного подвеса, амплитуды перемещений и т.п.

Возможность измерения на начальных этапах изготовления характеристик назначения позволит помимо отбраковки ЧЭ выполнять их классификацию, что в конечном результате приведет к увеличению выхода годных ММГ и снижению его себестоимости. Классификация необходима для построения высокоточных ММГ в связи с сильной зависимостью параметров и характеристик ЧЭ от погрешностей изготовления.

Эквивалентная угловая скорость. Упрощенная математическая модель ЧЭ представляет собой систему двух дифференциальных уравнений второго порядка для двух резонансных звеньев с постоянными времени T₁ и T₂, связанных между собой недиагональными элементами матриц жесткости К и сил Кориолиса М_К [2]. Таким образом, ЧЭ ММГ можно представить в виде последовательно соединенных двух резонансных звеньев, как показано на рис.1.

Рис. 1 - Структурная схема ЧЭ ММГ

На рис.1 показаны: М_В, М_КВ, М_К, М_x - моменты возбуждения первичных колебаний, квадратурный момент, сил Кориолиса и момент жесткости k_xz соответственно; ₁ и ₂ - коэффициенты относительного демпфирования первого и второго резонансных звеньев; k_z и k_x - коэффициенты жесткости подвеса по первичной и вторичной осям колебаний; k_zx - коэффициент жесткости; б и г - углы поворота подвижной массы (ПМ) по первичной и вторичной осям колебаний; J_z - момент инерции по первичной оси; Щ - измеряемая угловая скорость.

Коэффициенты k_xz и k_xz называют коэффициентами перекрестной жёсткости, величина которых обусловлена технологическими погрешностями при изготовлении ЧЭ. На практике, в силу малости угла коэффициентом k_xz пренебрегают, что позволяет дополнительно упростить рассматриваемую модель.

Под воздействием сил Кориолиса ПМ совершает вторичные колебания вокруг оси x с частотой щ₁ и амплитудой, пропорциональной измеряемой угловой скорости Щ:

,

где K_МЕХ - механический коэффициент передачи резонансной системы подвеса ПМ.

С учетом коэффициентов передачи преобразователя ёмкость-напряжение K_ПЕН выражение для выходного сигнала будет иметь вид:

.

Из анализа выражения (2) следует, что в выходном сигнале ММГ присутствуют две составляющие - синфазная (полезная) и квадратурная. Значение квадратурной составляющей меняется от образца к образцу [3] и может превышать измеряемый полезный сигнал более в 10⁵ раз.

Для управления квадратурной составляющей используют системы управления, задачей которой является выработка сигнала для компенсации квадратурного момента.

Выходной сигнал системы управления квадратурой составляющей с учетом выражения (2) должен иметь вид:

,

где К_ДМ - коэффициент передачи датчика момента, А_У - амплитуда управляющего сигнала.

Из анализа выражений (2) и (3) следует, что квадратурную составляющую можно использовать для задания эквивалентной угловой скорости при неподвижном основании.

Экспериментальные исследования. Экспериментальные исследований были проведены для 10 образцов с электроникой, реализованной на дискретных элементах. В состав стенда входили системы возбуждения первичных колебаний, демпфирования для задания эквивалентной добротности, подстройки разности резонансных частот и система управления квадратурной составляющей.

Методика определения параметров ЧЭ и рабочего режима при резонансной настройке и выбранной амплитуде первичных колебаний с использованием остаточной квадратурной помехи в качестве тестового сигнала:

1. С помощью системы подавления квадратурной помехи установить значение амплитуды напряжения на выходе ПЕН2, равное 50мВ;

2. С помощью системы демпфирования вторичных колебаний изменяя значение коэффициента k_КЗ задать требуемую величину эквивалентной добротности Q_Э;

3. Для изменения частоты с помощью платы ЦАП-АЦП сформировать на ДМ по оси вторичных колебаний управляющее напряжение U_СВЕД, изменяющееся по линейному закону в диапазоне от 0 В до 10 В;

4. C помощью платы ЦАП-АЦП записать изменения напряжений U₁, U₂ в системе подавления квадратурной помехи;

5. Повторить п.п.3-4 для нескольких значений коэффициента k_КЗ;

6. Получить зависимость разности частот щ от напряжения управления U_СВЕД с помощью выражения:

7. Построить зависимость от щ для выбранных значений коэффициента k_КЗ;

8. Построить зависимость фазы от щ для выбранных значений коэффициента k_КЗ;

9. Определить по построенным зависимостям следующие параметры ММГ:

9.1 Значения эквивалентной добротности Q_э в зависимости от k_КЗ системы демпфирования;

9.2 Фазовые и частотные сдвиги, вносимые системой демпфирования;

9.3 Максимальное значение эквивалентной добротности Q_эmax при которой отсутствуют скачкообразные изменения фазы , обусловленное неустойчивыми ветвями резонансных кривых [65,83,84];

9.4 Оценить шумы на выходе ПЕН при U_СВЕД=0 с помощью выражения:

где n - количество измерений напряжения U на заданном интервале; U_ср - среднее значение напряжения на заданном интервале.

9.5 Напряжение U_СВЕД при котором разность частот равна 0 для выбранного значения коэффициента k_КЗ.

Результаты экспериментальных исследований ММГ по предложенной методике для четырех значений коэффициентов усиления корректирующего звена 0,5; 1; 1,5; 2 приведены на рисунке 3.3.2.

Рис. 2 - Зависимость МКУ и фазы выходного сигнала ПЕН от разности частот

Из анализа зависимостей на рисунке 2 видно, что значения эквивалентной добротности для четырех величин коэффициента k_КЗ=0,5; 1; 1,5; 2 будут соответственно равны Q₁=70, Q₂=30, Q₃=20. Q₄=15.

При увеличении эквивалентной добротности возникают фазовые и амплитудные сдвиги, обусловленные нелинейностями в электродных структурах и влиянием параметров КЗ системы демпфирования. Для исключения ошибки подстройки разности частот с помощью системы АПРЧ получена аппроксимирующая зависимость значений сдвига частот щ=f(Q_э) и фаз =f(Q_э) в зависимости от величины эквивалентной добротности.

Определены рабочие режимы ММГ, в частности, получены значения напряжений управления U_СВЕД при которых разность частот равна 0 и МКУ имеет максимальное значение.

Заключение. В результате анализа выбранной упрощенной математической модели ЧЭ ММГ показано, что квадратурная составляющая выходного сигнала может использоваться в качестве эквивалентной угловой скорости.

Приведена методика, позволяющая рассчитать характеристики ЧЭ как объекта управления для построения ММГ работающих как в режиме разнесенных резонансных частот, так и в режиме сведенных (близко сведенных) частот подвеса ПМ.

Приведены результаты расчета характеристик по предложенной методике для образца ЧЭ, с помощью которой определены напряжения управления для различных режимов работы.

Особенностью предложенной методики является малое время, требуемой для исследований одного ЧЭ, а также возможность ее использования на всех этапах изготовления датчика угловой скорости.

Список литературы

1. ГОСТ РВ 5962-002-2009;

2. Беляев Я.В. Методы снижения порога чувствительности микромеханического гироскопа. - Дисс. на соиск. уч. ст. к. т. н., ЦНИИ “Электроприбор”, С-Пб. - 2010.

3. Беляева Т.А. Методы компенсации квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе RR-типа. - Дисс. на соиск. уч. ст. к. т. н., ЦНИИ “Электроприбор”, С-Пб. - 2009

Размещено на Allbest.ru