Исследование стабильности электронного преобразователя



В статье проведено исследование электронного преобразователя на стабильность передаточной характеристики датчика линейных ускорений, проведено исследование передаточной характеристики канала акселерометра с магнитоэлектрической обратной связью.

The article provides a theoretical substantiation of the influence of the stability of sputtered resistors on the stability of the transfer characteristic of a linear acceleration sensor, and a study of the transfer characteristic of an accelerometer channel with magnetoelectric feedback.

Акселерометр, как и любой современный датчик первичной информации, является сложной электромеханической системой с замкнутым контуром преобразования. Точность таких систем определяется суммарной погрешностью всех ее узлов. Долгое время решая вопросы повышения точности, модернизации подвергались исследуемые сенсоры (чувствительные элементы (ЧЭ)) непосредственно воспринимающие физическую величину.

Развитие концепции построения современных датчиков в сочетании с новыми технологическими возможностями позволяет произвести повышение точности акселерометра за счет модернизации электронного преобразователя.

Электронный преобразователь акселерометра с датчиком момента магнитоэлектрической обратной связи (ДМОС) можно представить в виде функциональной схемы (рисунок 1) [1].

Рис.1. Функциональная схема преобразователя

Схема состоит из двух встроенных датчиков (угла и момента) в сенсоре и общего блока электроники.

Электрическая схема приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Электрическая схема прототипа

На данном рисунке показана схемотехническая реализация основных функциональных звеньев.

В прототипе описанный функционал реализован на базоматричном кристалле, который установлен на подложку из поликора. Такая компоновка позволяет повысить технологичность и себестоимость электронного модуля, но при исследованиях акселерометра с данным преобразователем выявлен малый конструктивный запас по точности измерения линейного ускорения. От образца к образцу погрешность составляет порядка 0,2 mg при допуске 0,3 mg . Такую стабильную погрешность может вызывать только электронный преобразователь. Погрешность нулевого сигнала обусловлена

— возбуждением во внутренних каскадах микросхемы (блок инструментальных усилителей и усилитель мощности) в пределах температурных циклов вследствие невозможности динамической коррекции внутренних каскадов из-за их монокристального исполнения;

— малой амплитудой выходного напряжения опроса емкостей датчика перемещения [3].

Описанные недостатки не позволяют использовать данный конструктив при разработке перспективных датчиков. Схемотехника позволяет обеспечить более высокую стабильность нулевого сигнала, но схемотехническая реализация на базоматричном кристалле накладывает существенные ограничения.

Новый электронный преобразователь (рисунок 3) выполнен полностью по ГИС-технологии. На диэлектрической подложке из поликора сформированы пленочные пассивные элементы (резисторы) и проводящий слой, на поверхности устанавливаются навесные активные и пассивные компоненты: конденсаторы, операционные усилители, транзисторы, стабилитрон и элементы логики.

Рис. 3. Электронный преобразователь по ГИС-технологии

Широтно-импульсивный модулятор измерительной схемы ШИМ выполнен на RS -триггере Т и двух КМОП-ключах К1, К2, управляемых триггером и поочередно разряжающих измерительные емкости С1, С2 на общую шину “0”. ШИМ, представляет собой генератор прямоугольных импульсов ГПИ с парафазным выходом, который “опрашивает” измерительные емкости сенсора (датчик угла) и выдает по двум каналам прямоугольные импульсы одинаковой частоты f _шим 500 кГц. Импульсы имеют разную длительность, прямо пропорциональную этим емкостям, что приводит к изменению скважности импульсов.

Пассивные низкочастотные RC -фильтры ФНЧ ( R _ф , С _ф ), преобразуют прямоугольные импульсы на выходах ШИМ в постоянное напряжение прямо пропорциональное длительности импульса.

Двухтактный усилитель мощности УМ VT 1 ( n - p - n ) и VT 2 ( p - n - p ), охваченный локальной отрицательной обратной связью оконечного ОУ D А3 для повышения устойчивости, необходим для выдачи в цепь ДМОС большого тока для компенсации ГООС инерционного момента маятника ЧЭ при действии измеряемого ускорения, поскольку максимальный выходной ток D А3 недостаточен для запитывания им катушек ГООС.

Полная математическая модель акселерометра имеет стандартный вид [3], показанный на рисунке 4.

Рис. 4. Передаточная функция акселерометра

На рисунке 4 введены следующие обозначения:

— действующее ускорение, м/с ² ; — момент инерции и компенсационный момент, Н·м;  — рассогласование;

— угол отклонения маятника, рад; — напряжение, снимаемое с датчика перемещения, В; — выходное напряжение усилителя, В; I _вых — ток, подаваемый в катушки датчика момента, А; — выходное напряжение для акселерометра, А; — плечо маятника, М; J — момент инерции, Н·м; — коэффициент демпфирования; — жесткость подвеса, Н/м; — передаточная функция усилителя; — сопротивление нагрузки, Ом; — комплексное сопротивление катушек датчика момента, ОМ.

Полную передаточную функцию акселерометра (рис. 4) имеет вид [3]

,

где m = 5,3 · 10– ⁴ кг (фактическая масса подвижного узла);

l _цм = 4,73 · 10– ³ м (плечо приложения инерциальной силы на маятник),

k ₁ = 6,5 — зависит от сопротивления напыленных резисторов;

k ₂ = 1, — зависит от сопротивления напыленных резисторов;

 ₁ = 9,9 · 10– ⁵ с — зависит от сопротивления напыленных резисторов;

 ₂ = 3,3 · 10– ⁵ с, — зависит от сопротивления напыленных резисторов;

T ₂ = 1,8 · 10– ⁶ с– зависит от сопротивления напыленных резисторов;

T _Ф = 7,5 · 10– ⁶ с– зависит от сопротивления напыленных резисторов;

U _ОП = 6,4 В; d ₀ = 8 · 10– ⁶ м; J = 1,53 · 10– ⁸ кг·м ² ; K _ДУ = 5,07 ·10 ^–3 м/с; G _у =3,76 ·10– ⁴ Н м/рад; R _дм = 162 Ом; R _Н = 2688 Ом;

С учетом анализа передаточной функции можно сделать вывод, о непосредственном влиянии стабильности напиленных резисторов на характеристики акселерометра. Это обусловлено зависимостью постоянных времени передаточной функции от сопротивления резисторов.

Изменение сопротивления напыленных резисторов может носить и случайный и систематический характер. Систематическая составляющая погрешности при алгоритмической обработке сигнала может быть минимизирована. С точки зрения цели магистерской диссертации интерес представляет минимизация случайной составляющей изменения сопротивления тонкопленочных резисторов. В метрологической терминологии данный параметр называется стабильностью и оценивается анализом гистерезисной петли при циклическом воздействие.

Проведенный анализ передаточной функции акселерометра показал влияние на ее коэффициенты ( k ₁ , k ₂ ,  ₁ ,  ₂ ,  ₂ , T ₂ , T _Ф ) изменения сопротивления напыленных резисторов. Для повышения точности акселерометра необходимо повышать стабильность (временную и температурную) напыленных резисторов.

Литература:

1. Вавилов В. Д. Интегральные датчики / В. Д. Вавилов. — НГТУ. 2003.-503 с.
2. Броудай И. Физические основы МЭМС / И. Броудай, Дж. Мерей. — М.: Мир, 2005. — 496 c.
3. Обухов В. И. Технология интегральных измерительных преобразователей / В. И. Обухов. — Н. Новгород: Аф НГТУ, 1994. — 150 с.