Мікромеханічний акселерометр на рухомому об’єкт

де - електричні заряди на електродах.

Також вплив має і параметр , вплив котрого запобігається в електронній схемі. Вимірювальна схема з ємнісними перетворювачами переміщень повинна задовольняти таким умовам [1]:

1. Лінійність статистичної характеристики у всьому діапазоні вимірювання.

2. Відсутність впливу діелектричної проникливості середовища, яким заповнено простір між вимірювальними електродами перетворювача.

3. Достатня фільтрація вихідного сигналу від несучої частоти генератора, до якого включений ємнісний міст.

4. Виключення впливу тяжіння між рухомими і нерухомими електродами ємнісного моста.

5. Мінімальна кількість схемних елементів.

Найбільш підходящою схемою по вимогам, є схема на рис.11.

Рис.11. Принципова схема ємнісного перетворювача

Час роботи перетворювача можна розділити на два такти: перший такт підготовки, під час якого заряджається заряд вимірювальних конденсаторів від джерела опірних напруг. Ключ синхронного детектора Кл1 замкнений, а інтегратор виконує функцію аналогового запам'ятовуючого осередку [5]. Другий такт - вимірювальний, під час якого виконується перезаряд вимірювальних ємностей, ключ синхронного детектора розімкнений, що призводить до подачі сигналу на вхід інтегратора та кола зворотнього зв'язку. Два плеча ємнісного моста представляють диференційні вимірювачі ємності С1, С2, а два інших плеча- джерела опірної напруги та .

Вихідний опір вимірювальної діагоналі ємнісно-резисторного моста є високоомним, а рівень корисного сигналу після моста недостатній для подальшої обробки [5]. В зв'язку з цим міст доповнений повторювачем заряду на операційному підсилювачі (Оп1), який одночасно виконує функцію трансформування високого опору у низький та порівняння сигналів моста та кола зворотного зв'язку. Резистори суматора зроблені однаково і мають однаковий опір (R1=R2).

Рис.12. Структурна схема ємнісного перетворювача

Відповідно до структурної схеми (рис.12) повна передатна функція перетворювача має вигляд:

(3)

де - статистичний коефіцієнт передачі перетворювача; - стала часу інтегратора; s -оператор Лапласа.

Інтегратор виконує дві функції. По-перше - він придає порядок астатизму перетворювачу, в результаті чого температурний дрейф електронних вузлів прямого кола охоплений зворотнім зв'язком, не впливає на точність перетворення. По-друге в підготовчому такті разом із ключем синхронного детектора він виконує функцію аналогового запам'ятовуючого осередку результату перетворення на попередньому такті. При s=0 з виразу (3) одержуємо, що напруга на виході вимірювальної схеми дорівнює:

. (4)

З формули (4) випливає, що основними причинами температурної похибки вимірювального кола є нестабільність джерела опорної напруги та нестабільність зазору між електродами.

Температурну похибку можна визначити за формулою:

(5)

де - температурний коефіцієнт напруги стабілізатора; - температурний коефіцієнт матеріалу який впливає на змінення зазору.

Температурний коефіцієнт напруги стабілізатора приблизно на порядок перевищує величину інших похибок. В якості одного з способів підвищення точності ємнісного перетворювача є вибір стабілізатора, знак температурного коефіцієнта напруги якого не співпадає зі знаком температурного коефіцієнта змінення початкового зазору.

Для діапазону температур (-60 …+80) сумарна відносна похибка складає % від діапазону вимірювання.

4.Структура та принцип функціонування мікро механічних акселерометрів

4.1. Загальні принципи побудови

Один з перших кремнієвих акселерометрів був виконаний по схемі, наведеній на рис. (13) [5].

Рис. 13 Принципова схема балочного акселерометра

Діапазон вимірювання прискорень від 0,1 до 500 м/с2, а частотний діапазоні від 0 до 100 Гц. Блок-схема чутливого елемента з частотним виходом представлена на рис. 14, чутливий елемент складається з двох маятників кожний з яких підвішений на трьох пружних перемичках [5].

`

Рис.14 Блок-схема розімкнутого акселерометра з частотним виходом

Номінальний зазор складає 0,039 мм. Маятники складають дві ємності С1 і С2 з електродами, встановленими на корпусі приладу. Обкладки ємностей включені таким чином, що при дії прискорення зазор в одному конденсаторі збільшується а в другому зменшується.

Кожна ємність включена до складу контура генераторів Г1 та Г2. Частота одного генератора зменшується а другого збільшується. Сигнали від кожного генератора складаються за допомогою змішувача ЗМ, а різницева частота цих сигналів і є вихідним сигналом акселерометра. Така схема акселерометра дозволяє виключити додаткові деталі на маятниках і значно спростити конструкцію чутливого елементу.

За вимірюванням різницевих частот двох генераторів можна визначити прискорення. На рис.15 приведена залежність вихідного сигналу акселерометра від величини діючого прискорення.

Рис.15. Залежність вихідного сигналу від діючого прискорення

При розробці даного типу акселерометра довелось зіткнутися з цілим рядом проблем: явищем самосинхронізації частот двох генераторів, досить значною залежністю вихідного сигналу акселерометра від величини напруги живлення та температури навколишнього середовища. Для компенсації всіх цих похибок розробниками вводилось алгоритмічна компенсація всіх похибок.

По схемі балочного акселерометра випускаються прилади типу АТ1101 та АТ1105.

Широко застосовується підвіс маятника по схемі рис. 16. З таким підвісом маятника можуть працювати, як кутові акселерометри так і лінійні акселерометри при зміщенні центру мас маятника відносно осі пружних перемичок.

Рис.16. Гібридний акселерометр компенсаційного типу (схема підвісу)

Маятником може слугувати як внутрішня, так і зовнішня пластина. Акселерометр має гібридну конструкцію - датчик моменту контуру зворотнього зв'язку виконаний по традиційній технології і має нерухомий постійний магніт та обмотку на маятнику. На маятнику напилені електроди, які є загальною обкладкою ємнісного датчика переміщень маятника, а два інших електрода напилені на корпусі приладу. Зазор між маятником та електродами на корпусі складає 0,021 мм. Для збільшення маятниковості встановлений груз.

Акселерометр має встрояну електроніку зворотнього зв'язку, виконану на основі гібридно-плівчатої технології. Акселерометри були виготовлені для застосування в керуючих боєприпасах з діапазоном вимірювання від 100g до 100000g а також для комерційних цілей з діапазоном вимірювання прискорень (0,1-1,5)g.

Блок-схема акселерометра наведена на рис.17. Блок-схема складається з задаючого генератора ЗГ, двох підсилювачів У1 та У2, двох випрямлювачів В1 та В2, диференційного підсилювача ДУ, датчика моменту ДМ, та еталонного опору Rе з якого знімається вихідний сигнал.

Рис.17. Блок-схема акселерометра

Даний тип акселерометра випускається в декількох модифікаціях (А-12, А-15, А-16), в залежності від конкретного застосування. Ці акселерометри встановлюються в карданні та безкарданні системи.

Основним недоліком описаного приладу є складність конструкції чутливого елементу.

Акселерометр з встрояною електронікою витримує удари до 50g та має наступні характеристики:

- діапазон вимірювальних прискорень ;

- масштабний коефіцієнт ;

- нестабільність масштабного коефіцієнта ;

- дрейф нульового сигналу на протязі однієї години ;

- дрейф нульового сигналу за час більше однієї години ;

- поріг чутливості ;

- маса акселерометра ;

Є також варіант конструкції акселерометра прямого вимірювання з підвісом маятника по схемі рис.16, показаний на рис.18 [5].

Рис.18. Маятник акселерометра: а) схема підвісу; б) підключення електродів датчика переміщення для лінійного акселерометра; в) підключення електродів для кутового акселерометра; 1- нерухома пластина; 2- пружний підвіс; 3- рухомий елемент підвісу (маятник).

Рухома пластина 3 являється маятником, який за допомогою чотирьох пружних перемичок підвісу 2 з'єднаний з базовою пластиною 1. Вся маятникова система може бути виконана з монокристалічного кремнію анізотропним травленням. Торцеві поверхні бази 1 можуть бути з'єднані зі скляними боросілікатними кришками, наприклад, електростатичною зваркою. Рухома пластина є одночасно центральним електродом ємнісного датчика переміщень.

4.2. Структура та принцип дії акселерометра фірми Analog Devices типу ADXL

Фірма Analog Devices випускає серію одноосних двоосних акселерометрів ADXL для діапазону вимірювання прискорень від до . Частотний діапазон акселерометра (0-100) кГц.

Схема кремнієвого чутливого елементу показана на рис.19,а, а його конфігурація при дії прискорення на рис.19,б [5]

Рис.19. Конфігурація чутливого елемента акселерометра: а) спокій; б) при дії прискорення.

На нерухомі частини конденсатора чутливого елементу подаються протифазні прямокутні імпульси 1 МГц: амплітуди обох прямокутних імпульсів дорівнюють один одному, але зсунуті по фазі на 180. В спокої ємність двох конденсаторів рівна, тому вихідна напруга на їх електричному центрі (н центральній пластині прикріпленій до середньої балки) дорівнює 0.

Коли балка починає рухатись, то різниця ємностей приводить до появи вихідного сигналу на центральній пластині. Амплітуда сигналу буде збільшуватись із збільшенням прискорення, прикладеного до чутливого елементу.

Принцип вимірювання прискорення ілюстрований блок-схемою на рис.20.

Рис.20. Блок-схема акселерометра

Центральна пластина через підсилювач У1 підключена до синхронного детектора. Напрям руху балки впливає на фазу сигналу тому синхронне детектування використовується для виділення інформації про амплітуду. Вихід синхронного детектора через підсилювач У2 забезпечує вихідну напругу прискорення V.

Акселерометри цієї серії можуть найти застосування: при вимірюванні кутів нахилу в автомобільних сигнальних пристроях; при реакції на інерційні сили для захисту дисків в ноутбуках, в чутливих елементах подушок безпеки, в системах навігації автомобіля, в системах контролю ліфту, при наявності вібрації та ударів в системах керування станками та контролю вібростендів.

Розглянемо акселерометр останнього покоління - це трьоосний акселерометр фірми Analog Devices типу ADXL.

Акселерометр ADXL330 виготовляється в мініатюрному пластмасовому корпусі типу LFCSP_LQ розміром : 4*4*1.5 мм.

Розглянемо наведену на рис.21 функціональну блок-схему акселерометра ADXL330.

Блок сенсорів мікросхеми включає в себе три чутливих елементи, кожний з яких орієнтований в напрямку однієї з ортогональних осей: x, y, z . Розташування осей відносно корпусу мікросхеми показано на рис. 22. Технологічна похибка орієнтації осей сенсорів відносно просторових осей при виготовлені та установці не перевищує 0.1 градус. Наявність технологічної похибки приводить до виникнення систематичної між осевої похибки вимірювання, яка може бути повністю скомпенсована на системному рівні

Рис. 22 Орієнтація осей відносно корпуса акселерометра

Канал формування вихідного сигналу відповідного прискорення вздовж відповідної осі складається з ємнісного сенсора, допоміжного підсилювача, демодулятора сигналу сенсора, кінцевого підсилювача і зустрічного ортогонального резистора Rfiltr з опором 32 кОм, який одночасно є елементом вихідного фільтру нижніх частот. В таблиці 1 наведені дані щодо призначення виводів мікросхеми.