научная статья по теме ЛЕКЦИЯ 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКЦИИ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЛЕКЦИЯ 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКЦИИ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ»

азовательный цикл

МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ1

Лекция 5.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКЦИИ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

В. Я. Распопов

Конструктивно акселерометр состоит из инерционной массы — чувствительного элемента (ЧЭ) на упругом подвесе и преобразователя (перемещений, деформаций, силы, момента). По виду движений ЧЭ акселерометры делятся на осевые и маятниковые. В осевых акселерометрах конструкция упругого подвеса допускает прямолинейное перемещение ЧЭ, а в маятниковых (балочных) — угловое.

По принципу измерения акселерометры делятся на приборы прямого и компенсационного измерений. ЧЭ первых непосредственно передают информацию о действующих на них ускорениях через перемещение или деформацию упругих элементов подвеса на вторичный преобразователь. В этом случае все погрешности измерительной цепи присутствуют в выходном сигнале акселерометра. В акселерометрах компенсационного измерения воздействующая на ЧЭ сила, вызванная измеряемыми ускорениями, частично или полностью (интегратор в контуре) уравновешивается с помощью цепи отрицательной обратной связи, реализующей силовую разгрузку (компенсацию) ЧЭ путем подачи выходного сигнала на устройство компенсации (преобразователи силы, момента). В этом случае точность измерительной цепи зависит в

1 Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5, 2005 г.

основном от преобразователя силы (момента).

Перемещение ЧЭ определяется векторной суммой действующих на него внешних сил и сил инерции, включая поступательную силу инерции, центробежную и силу инерции Кори-олиса, определяемых поступательным ускорением и вращением неинерциальной системы отсчета относительно любой инерциальной. Очевидно, при закреплении корпуса акселерометра на подвижном объекте система координат акселерометра в общем случае является не-инерциальной.

Так как ЧЭ находится в поле сил тяжести, акселерометр может измерять углы наклона основания (объекта), на котором укреплен и в этом случае называется наклономером.

Точность преобразования измеряемой величины в электрический сигнал в акселерометрах так же, как и в других датчиках, определяется смещением нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а также температурными и временным дрейфом этих параметров. Важными составляющими погрешности являются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность. Смещение нуля и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность может быть уменьшена путем калибровки и запоминания ка-

либровочных констант в памяти микропроцессора. Калибровка акселерометра возможна двумя способами: на вибростенде с образцовым датчиком ускорения и с использованием силы тяжести.

Поперечная чувствительность характеризует способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика. У идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю.

Шумы, содержащиеся в выходном сигнале акселерометра, определяют разрешающую способность устройства, важную при определении малых ускорений. Предельное разрешение в основном определяется уровнем шума измерения, который включает внешний фоновый шум и шум собственно датчика. Уровень шума непосредственно связан с шириной полосы пропускания датчика. Уменьшение полосы пропускания путем включения фильтра нижних частот (ФНЧ) на выходе датчика позволяет снизить уровень шума, т. е. улучшить отношение сигнал/шум и увеличить разрешающую способность, однако вносит амплитудные и фазовые искажения.

1. ОСЕВЫЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ

Фирма Епёеусо (США) выпускает осевой акселерометр [1] с емкостным преобразователем перемещений в габаритах

22

Зепэогэ & Sysíems • № 7.2005

25 х 16 х 10 мм. Схема чувствительного элемента акселерометра с четырьмя упругими элементами подвеса (балки, растяжки) показана на рис. 1. Диапазон измерения 0,5...10 §. Демпфирование — газодинамическое. Полоса пропускания до 1000 Гц. Погрешность измерений в зависимости от стоимости не превышает 5; 1 или 0,1 % от максимального диапазона.

Подобная схема ЧЭ (рис. 2, а) положена в основу микромеханического наклономера [2].

Центральная подвижная масса прикреплена во внешней рамке четырьмя тонкими кремниевыми балками, расположенными в пределах малых промежутков подвижной массы, что обеспечивает важное преимущество — повышенную чувствительность, которая увеличивается с увеличением длины поддерживающих балок и достигает максимума для некоторого отношения длины к размеру датчика.

Как принцип преобразования выбран тензорезистивный эффект, для которого относительные изменения сигнала от наклона приблизительно на 60 % больше, чем для емкостного съема. Принцип измерения поясняет рис. 2, б. Наклон датчика вокруг одной оси вызывает /-образное искажение тех балок, которые ориентированы перпендикулярно к оси наклона. Балки, параллельные оси на-

Контактные Тешорезисторы площадки

а)

Балки

б)

Рис. 2. Микромеханический наклономер:

а— топология датчика наклономера; б — принцип измерения (наклон датчика на угол Ф приводит к наклону подвижной массы на угол а относительно рамки датчика)

клона, испытывают угловые нагрузки.

Помещая тензорезисторы сосредоточенно и перпендикулярно к продольному направлению балок, произвольные углы наклона можно определить независимо для обеих осей по падению напряжения на двух мостах Винстона. Размещение и ориентация резисторов на основе —-примесного кремния гарантируют самую высокую чувствительность и самое низкое возможное взаимное перекрытие.

В приборе приняты следующие размеры: длина упругой балки 500, ширина 70 и толщина 5 мкм для размеров пластины подвижной массы 5 х 5 мм.

Фирма Analog Devices (США) выпускает серию одноосных и двухосных акселеро-

метров АБХЬ для диапазона измерений ускорений от ±2 § до ±100 §. Частотный диапазон акселерометров (0...100) кГц. Общая характеристика акселерометров приведена в табл. 1.

Топология кремниевого ЧЭ показана на рис. 3, а функциональная схема, поясняющая принцип измерения с аналоговым выходом — на рис. 4.

На неподвижные пластины конденсаторов ЧЭ подаются противофазные прямоугольные импульсы 1 МГц с одинаковой амплитудой. В спокойном состоянии емкости двух конденсаторов одинаковы, поэтому выходное напряжение в их средней точке (т. е. на центральной пластине, присоединенной к подвижной балке) равно 0.

Таблица 1

Рис. 1. Схема чувствительного элемента осевого акселерометра (в — направление ускорения)

Характеристики акселерометров ADXL

Марка Параметр

Диапазон измерения, g Плотность шума, мg/VГц Одноосный/ двухосный Выход

ADXL202 ±2 0,5 Двухосный ШИМ

ADXL05 ±5 Одноосный Напряжение

ADXL105 0,175

ADXL210 ±10 0,5 Двухосный ШИМ

ADXL150 ±50 1 Одноосный Напряжение

ADXL250 Двухосный

ADXL190 ±100 4 Одноосный

пластины а)

б)

Рис. 3. Конфигурация чувствительного элемента акселерометра:

а— в покое; б — при действии ускорения

Рис. 4. Схема акселерометра с аналоговым выходом

От +3 до 5,25 В

Рис. 5. Схема двухосного акселерометра с ШИМ-выходом

24 _ Зепвогв & Systems • № 7.2005

Когда балка двигается, разность емкостей приводит к появлению выходного сигнала на центральной пластине. Амплитуда сигнала будет увеличиваться с увеличением ускорения, приложенного к ЧЭ. Центральная пластина через усилитель У1 подключена к детектору. Направление движения балки влияет на фазу сигнала, поэтому для выделения информации об амплитуде используется синхронное детектирование. Выход синхронного детектора через усилитель У2 обеспечивает выходное напряжение ускорения и.

На рис. 5 показана упрощенная функциональная схема двухосного акселерометра А0ХЬ202, формирующего на выходе ШИМ-сигналы с длительностью 7\ и периодом повторения 72, которые позволяют значительно уменьшить влияние шума (помех). Стандартные дешевые микропроцессоры имеют таймеры, которые могут быть применены для измерения интервалов и Т2. Ускорение в единицах с рассчитывается по формуле:

^ = 8 (0 - °'5).

Очевидно, скважность ШИМ в 50 % (71 = Т2) соответствует 0 Нет необходимости измерять 72 для каждого цикла измерения. Его необходимо обновлять для учета изменений, вызванных температурой. Так как период 72 одинаков для каналов X и 5, необходимо измерять его только в одном канале. Период 72 может быть установлен от 0,5 до 10 мс внешним резистором.

Аналоговое напряжение, соответствующее ускорению, можно затем получить с помощью усиления сигнала с выходов X и 5 или пропуская сигнал ШИМ через ЯС-фильтр для восстановления постоянной составляющей.

Акселерометры с малым диапазоном измерения могут использоваться в качестве наклономеров.

Растяжка Неподвижная

обкладка —|

Подвижная | |

обкладка XI _

Неподвижная^Ячейка обкладка 5

Анкер

Инерционная

Анкер

а)

Рис. 6. Чувствительный элемент акселерометров АОХЫ50/250:

а— топология; б — фрагмент микроструктуры

Акселерометры А0ХЫ50 и АБХЬ250 полностью интегральные измерительные приборы третьего поколения с абсолютной погрешностью 0,01 g — большое достижение для акселерометров этого класса. В сравнении с другими акселерометрами у них сниженный дрейф нуля, не более 0,4 g в диапазоне температуры —50...+100 °С и сокращенное энергопотребление. Акселерометры выдерживают ускорение 2000 g длительностью 0,5 мс без питания и ускорение 500 g длительностью 0,5 мс с питанием.

ЧЭ акселерометров выполнены нанесением поликристаллического кремния на оксидный слой в виде подвижного коромысла с двухточечным креплением. В результате травления коромысло остается в подвешенном состоянии на расстоянии 1,6 мкм над подложкой [3]. Топология и микрофотография ЧЭ показаны на рис. 6. В сочетании с неподвижными электродами, подвижные элект-

роды (пластины) (см. рис. 4) образуют 42 емкости. Предусмотрены также 12 ячеек для создания электростатических сил, перемещающихся ЧЭ при тестировании акселерометра, когда создается электростатическая сила, эквивалентная примерно 20 % диапазона измеряемых ускорений.

Структурные схемы акселерометров (рис. 7, а, б) содержат

формирователь сигнала, генератор, демодулятор, таймер и схему автономного тестирования.

Параметры акселе

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком