Мікромеханічний акселерометр на рухомому об’єкті

14,15

Напруга живлення Vs

Блок сенсорів прискорення мікросхеми, що містить ADXL330, представляє собою електромеханічний вузол, включаючий в себе рухому і статичну частину. Рухома частина - це мініатюрна спеціально оброблена деталь, на поверхні якої сформовані рухомі обкладки трьох диференційних конденсаторів. Рухома частина за допомогою виготовлених з полікремневих пружинок підвішена над поверхнею підложки мікросхеми, на якій сформовані статичні елементи блоку сенсорів. Застосування єдиного вузла для створення трьох датчиків прискорення дозволяє досягнути високої ортогональності взаємного розташування датчиків і, як наслідок - малого рівня міжосьових перешкод.

Пружинки системи підвісу рухомого вузла забезпечують гальванічний контакт з рухомими обкладками диференційних конденсаторів. Під дією сил інерції або земного тяжіння рухома частинам електромеханічного вузла може відхилятись у будь-якому напрямку в заданих межах. На поверхні підложки напроти обкладки кожного з диференційних конденсаторів, розташованих на рухомому вузлі, знаходяться нерухомі обкладки. Сигнал на виході кожного диференційного конденсатора залежить від величини зміщення рухомої частини конденсатора, зумовленого відхиленням рухомої частини електромеханічного вузла від нейтрального положення відносно відповідних частин на підложці. Принцип формування сигналу на виході диференційного конденсатора проілюстровано на рис. 23. Для вимірювання прискорення за допомогою ємнісного сенсора, побудованого із застосуванням диференційного конденсатора, в акселерометрах серії ADXL компанії Analog Devices використовується два частотних протифазних вимірювача сигналу U1 і U2. Сигнали представляють собою коливання типу «меандр», які формуються внутрішнім генератором вимірювальних сигналів.

Диференційний конденсатор складається з пластини П1, яка знаходиться на рухомому вузлі, і пластин П2 і П3, розташованих на підложці. Як видно з рис.23, нерухома обкладка цього конденсатора виготовлена у вигляді двох пластин, що мають однакову форму і розміри поверхні.

Всі елементи диференційного конденсатора виготовлені з полікремнія і є хорошими провідниками в діапазоні робочих температур. На кожній з пластин диференційного конденсатора є контакт для підводу вимірювального сигналу. При відсутності зовнішнього механічного збудження (рис. 23,а) рухома частина диференційного конденсатора П1 знаходиться в середньому положенні, парціальні ємності С1 і С2, утворені кожною пластиною нерухомої обкладки (П2,П3) і рухомою обкладкою конденсатора (П1), будуть рівні між собою [1].

Еквівалентна схема сенсора з використанням диференційного конденсатора представлена на рис. 23,г. Як видно з представленої схеми, ємності С1 та С2 утворюють ємнісний дільник напруги, до середньої точки якого підключений вхід допоміжного підсилювача з вхідним опором. Коефіцієнт передачі ємнісного дільника kn в цьому випадку дорівнює 0.5. Сигнал Umax, що знімається з рухомої частини П1, представляє собою постійну напругу Um/2 (синя лінія на рис. 23,а) оскільки в першому напівперіоді вимірювального сигналу до дільника прикладені напруги U1=0 та U2=Um, а в другому напівперіоді - навпаки U1=Um та U2=0. При зміщенні сигнальної пластини П1 вліво за рахунок дії сили інерції (рис. 23,б) С1>С2, коефіцієнт ділення kn для сигналу U1 більше за 0.5, а для сигналу U2 менше, ніж 0.5, що призводить до формування на пластині П1 напруги Uвих, яка містить постійну складову, рівну Um/2, і змінну складову, по формі співпадаючу з вимірювальним сигналом U1. Амплітуда змінної складової залежить від відношення ємностей С1 і С2.

Демодуляція сигналу з виходу допоміжного підсилювача здійснюється шляхом синхронного детектування, для чого в блок демодулятора в якості опорного подається один з вимірювальних сигналів, (рис. 21). Сигнал на виході блоку демодуляторів при використанні напруги U1 в якості опорного сигналу показаний на рис. 23 червоною лінією.

В таблиці 2 для порівняння приведені параметри декількох акселерометрів.

Для обмеження смуги частот вихідного аналового сигналу до кожного виходу датчика необхідно підключити конденсатор, який разом з внутрішнім резистором є фільтром низьких частот (ФНЧ). Ємність конденсатора Cfit можна визначити з відношення для частоти зрізу ФНЧ:

(6)

де - частота зрізу ФНЧ на рівні -3ДБ, Гц

4.3.Характеристики акселерометру ADXL330

При розробці систем керування з об'єктами, які використовують акселерометри серії ADXL, слід врахувати, що звуження смуги частот вихідного сигналу дозволяє збільшити точність вимірювання завдяки зменшенню впливу внутрішніх шумів вимірювальної системи. В системах вимірювання прискорення прийнято використовувати одиниці, які є похідними від прискорення вільного падіння .

Середнє квадратичне значення рівня шуму на виході мікросхеми ADXL330 визначається відношенням:

де n - спектральна щільність шуму, виражена в міліонних долях прискорення вільного падіння ; BW- ширина смуги частот вихідного сигналу на рівні 3дБ; k- технологічний параметр, який для ADXL330 є рівним 1.6.

Середнє квадратичне і квазіпікове значення рівня шуму на виході вимірювання прискорень із застосуванням акселерометра ADXL330, розраховані для різних значень ширини смуги частот вихідного сигналу відповідно за виразами (6) і (7), приведені в таблиці 3.

Таблиця 3

Спектральна щільність шуму для вимірювальних каналів x і y мікросхеми ADXL330 однакова і складає (при напрузі живлення 3В) а для каналу z - [1].

Квазіпікове значення шуму з вірогідністю 95% не перевищує 4N. При збільшенні напруги живлення рівень вихідного сигналу збільшується пропорційно цій зміні, а відносно рівня шуму зменшується, таким чином він залежить від температури нагріву електронних компонентів і залишається практично незмінним.

Значення вихідних сигналів ADXL330 в статичному режимі в залежності від орієнтації мікросхеми показано на рис. 24.

При монтажі мікросхеми акселерометра ADXL330 необхідно дотримуватись обережності в зв'язку з мініатюрними розмірами корпусу. Для монтажу цього акселерометра розроблена спеціальна технологія пайки із застосуванням припою з великим вмістом свинцю, або пайки чистим свинцем. Весь цикл пайки здійснюється за 8 хвилин із заданою швидкістю підігріву і закінчуючи охолодженням, а також з фіксованою довжиною періоду максимального нагріву з обмеженням температури в 260 градусів. Технологія пайки наведена в технічному описі мікросхеми [1].

Всі виводи мікросхеми повинні бути припаяні до плати для забезпечення великої жорсткості конструкції і точності вимірювання.

Всі виводи напруги живлення і виводи загальної шини повинні бути з'єднані між собою зовнішніми проводами. Для розв'язки по колу живлення поблизу виводу мікросхеми між загальною шиною та шиною живлення необхідно поставити конденсатор ємністю 0.1 мкФ. При наявності на платі інших схем, які можуть утворювати шуми, рекомендується в коло живлення акселерометра додатково включати резистор з опором 100 Ом або дросель з ємністю фільтру по колу живлення до 1 мкФ.

Калібровку і повірку акселерометра ADXL330 здійснюють за допомогою входу ST (рис 21, табл. 1). В режимі тестування на вхід ST необхідно подати напругу живлення . Подача цієї напруги приводить до появи між підложкою і рухомим вузлом електростатичної сили, яка зміщує рухому частину електромеханічного вузла блоку сенсорів по трьом просторовим осям. В результаті сигнал на виході кожного каналу буде змінений наступним чином. При напрузі живлення 3В сигнал на виході каналу Х змінюється на (-150 мВ), що еквівалентно прискоренню

В двадцять першому столітті мікромеханіка знайшла застосування в дуже багатьох галузях промисловості і народного господарства. Але найчастіше своє застосування вона знаходить у приладах навігації.

Прилади навігації - це прилади до яких відносять належну увагу, адже найголовнішим в приладах навігації є точність вимірювання, чутливість, діапазон вимірювання.

На сьогодні на ринку споживаннямікромеханічних приладів приладів існує досить жорстока конкуренція і від того, як твій прилад буде виміряти вимірювальний параметр , який показник рівня технічної якості, кількість часу, який буде витрачено на розробку, суми, яку даний прилад буде коштувати, буде залежати попит на виготовлення даного приладу.

В даному економіко-технологічному розділі представлена оцінка рівня якості, спланований графік НДДКР та розраховано кошторис НДДКР. [6]

5.1. Оцінка рівня якості виробу

5.1.1. Вихідні положення

Оцінка рівня якості приладу проводиться з метою порівняльного аналізу і визначення найефективнішого в технічному відношенні варіанта інженерного рішення. Така оцінка проводиться на стадіях створення нової і модернізації діючої техніки, при впровадженні її в виробництво, у процесі проведення функціонально-вартісного аналізу тощо.

На різних етапах оцінка рівня якості виробу має свої особливості.

На стадії створення нових або модернізації діючих виробів (при проведенні функціонально-вартісного аналізу) коли за варіантами, що підлягають розгляду, недостатньо інформації щодо кількісної характеристики властивостей виробу, узагальнюючий показник рівня якості - коефіцієнт технічного рівня () розраховується для кожного варіанту інженерного рішення за формулою:

; (8)

де -коефіцієнт вагомості і-го параметра якості в сукупності прийнятих для розгляду параметрів якості;

- оцінка і-го параметра якості j-го варіанта виробу в балах;

- кількість параметрів виробу, які прийняті для оцінки.

г) обчислюють квадрат відхилень за кожним параметром () та загальну суму квадратів відхилень (Табл. 1.3, стовпець 9) за формулою (20)

(20)

д) визначають коефіцієнт узгодженості (конкордації) за формулою (21):

(21)

де v - номер відповідної ітерації (ступінь не брати), а визначається як

(25)

чи

. (26)

Відносна оцінка, яка отримана на останній ітерації розрахунків, приймається за коефіцієнт вагомості () і-го параметру. За абсолютним значенням () судять про вагомість (пріоритетність) певного параметра виробу

Таблиця 9