Исследование стабильности электронного преобразователя | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 16 ноября, печатный экземпляр отправим 20 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №23 (522) июнь 2024 г.

Дата публикации: 04.06.2024

Статья просмотрена: 5 раз

Библиографическое описание:

Степанцев, В. П. Исследование стабильности электронного преобразователя / В. П. Степанцев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2024. — № 23 (522). — С. 53-57. — URL: https://moluch.ru/archive/522/115172/ (дата обращения: 04.11.2024).



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].

Функциональная схема преобразователя

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.

Электрическая схема прототипа

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.

Электронный преобразователь по ГИС-технологии

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.
Основные термины (генерируются автоматически): электронный преобразователь, резистор, изменение сопротивления, акселерометр, магнитоэлектрическая обратная связь, момент инерции, нулевой сигнал, передаточная функция, передаточная функция акселерометра, повышение точности акселерометра.


Похожие статьи

Методы исследования рабочих органов шнекового распределителя при транспортировании сыпучих материалов

В статье приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований машинного агрегата с вращающими механизмами, с учетом инерционных свойств и производительности машин. Приведена новая методика определения частоты вращения вращающих органо...

Исследование нелинейной динамической цепи с тиристорными элементами в системе электроснабжения

В статье рассмотрены исследование переходные процессы в нелинейных динамических цепях, приведено решение дифференциальных уравнений состояния численным методом в системе электроснабжения.

Моделирование работы системы управления подачей продукта

В статье приведены результаты математического моделирования датчиков ультразвукового расходомера системы управления подачей продукта. Выявлены закономерности работы ультразвуковых датчиков. Приведена методика моделирования работы чувствительных элеме...

Разработка и исследовательские испытания механических свойств экспериментальных образцов двухкомпонентного композиционного материала

Данная статья посвящена исследованию влияния наноразмерных наполнителей на физико-механические свойства АБС-пластика. В статье описан метод изготовления образцов для проведения испытаний, в основе которого лежит 3D-прототипирование. Результаты испыта...

О передаче напряжений через трещины железобетонных элементах

В статье рассмотрены новые механизмы нелинейного деформирования железобетона с учетом передачи напряжений через трещины. Изложены результаты испытаний и реализации модели контактного взаимодействия в трещинах.

Оптимизация конструкции измерительного устройства, реализующего неразрушающий контроль полимерных материалов

В работе представлены результаты математического моделирования теплопереноса в полуограниченном теле с целью определения конструктивных и режимных характеристик измерительного устройства (измерительного зонда — ИЗ), предназначенного для реализации ме...

Математические модели формирования длительности цикла для станочного оборудования

Изложена математическая модель формирования длительности цикля для лесопильных станков. Приведены регрессионные уравнения зависимостей величин формирующих длительность цикла от доминирующих факторов.

Исследование сепараторного устройства для утилизации попутного нефтяного газа на месторождении Кенлык

Приведены данные по использованию сепараторного устройства в установках подготовки попутного нефтяного газа непосредственно на месте добычи. Приведен сравнительный анализ рабочих параметров сепаратора.

Теоретическое исследование процессов тепло- и массообмена в солнечных опреснительных установках

В данной работе исследовано характеристики солнечных опреснительных установок. На основе тепловой схемы опреснителя записано дифференциальные уравнения теплового баланса и решено с методом преобразования Лапласа. Для решения полученных алгебраических...

Исследование нелинейной динамической цепи с диодными элементами в системе электроснабжения

В статье приведено решение дифференциальных уравнений состояния нелинейной динамической цепи численным методом и рассмотрен переходной процесс с помощью виртуальной компьютерной модели.

Похожие статьи

Методы исследования рабочих органов шнекового распределителя при транспортировании сыпучих материалов

В статье приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований машинного агрегата с вращающими механизмами, с учетом инерционных свойств и производительности машин. Приведена новая методика определения частоты вращения вращающих органо...

Исследование нелинейной динамической цепи с тиристорными элементами в системе электроснабжения

В статье рассмотрены исследование переходные процессы в нелинейных динамических цепях, приведено решение дифференциальных уравнений состояния численным методом в системе электроснабжения.

Моделирование работы системы управления подачей продукта

В статье приведены результаты математического моделирования датчиков ультразвукового расходомера системы управления подачей продукта. Выявлены закономерности работы ультразвуковых датчиков. Приведена методика моделирования работы чувствительных элеме...

Разработка и исследовательские испытания механических свойств экспериментальных образцов двухкомпонентного композиционного материала

Данная статья посвящена исследованию влияния наноразмерных наполнителей на физико-механические свойства АБС-пластика. В статье описан метод изготовления образцов для проведения испытаний, в основе которого лежит 3D-прототипирование. Результаты испыта...

О передаче напряжений через трещины железобетонных элементах

В статье рассмотрены новые механизмы нелинейного деформирования железобетона с учетом передачи напряжений через трещины. Изложены результаты испытаний и реализации модели контактного взаимодействия в трещинах.

Оптимизация конструкции измерительного устройства, реализующего неразрушающий контроль полимерных материалов

В работе представлены результаты математического моделирования теплопереноса в полуограниченном теле с целью определения конструктивных и режимных характеристик измерительного устройства (измерительного зонда — ИЗ), предназначенного для реализации ме...

Математические модели формирования длительности цикла для станочного оборудования

Изложена математическая модель формирования длительности цикля для лесопильных станков. Приведены регрессионные уравнения зависимостей величин формирующих длительность цикла от доминирующих факторов.

Исследование сепараторного устройства для утилизации попутного нефтяного газа на месторождении Кенлык

Приведены данные по использованию сепараторного устройства в установках подготовки попутного нефтяного газа непосредственно на месте добычи. Приведен сравнительный анализ рабочих параметров сепаратора.

Теоретическое исследование процессов тепло- и массообмена в солнечных опреснительных установках

В данной работе исследовано характеристики солнечных опреснительных установок. На основе тепловой схемы опреснителя записано дифференциальные уравнения теплового баланса и решено с методом преобразования Лапласа. Для решения полученных алгебраических...

Исследование нелинейной динамической цепи с диодными элементами в системе электроснабжения

В статье приведено решение дифференциальных уравнений состояния нелинейной динамической цепи численным методом и рассмотрен переходной процесс с помощью виртуальной компьютерной модели.

Задать вопрос