Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образованиЯ И НАУКИ Российской Федерации НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Арзамасский политехнический институт (ф)

Кафедра Авиационные приборы и устройства

ПояСНИТЕЛЬНАЯ заПИСКА

К курсовому проекту

Датчик вибрации

Студент Кротов Д.О.

Руководитель

Яковлев А.А.

Заведующий кафедрой

Вавилов В.Д.

Арзамас 2012 г.

В данном курсовом проекте выполнен расчет датчика вибрации построенного по принципу прямого измерения. На основе анализа существующих конструкций была выбрана конструкция с чувствительным элементом маятникового типа. В процессе проектирования была составлена математическая модель датчика. Были рассчитаны чувствительный элемент, электрическая схема, конструкция датчика, построены динамические и статическая характеристики. Также рассчитаны погрешности датчика, величина которых удовлетворяет требованиям ТЗ.

Содержание

Введение

1. Обзор существующих конструкций

1.1 Пьезопленочные датчики

1.2 Объемные интегральные акселерометры

1.3 Поверхностные интегральные акселерометры

1.4 Описание принципа построения проектируемого датчика

1.5 Выбор чувствительного элемента

1.6 Расчет коэффициента демпфирования

1.7 Электрическая схема

1.8 Математическая модель выходного сигнала датчика

1.9 Построение динамических и статической характеристик

1.10 Корпусирование датчика

Введение

В области датчикостроения в настоящее время установился термин микродатчик, характеризующийся по способу применения микроэлектронной технологии для изготовления. Требования миниатюрности, повышенной точности динамических и статических характеристик, а также надёжности наложили свой отпечаток и на теоретические исследования в области микродатчиков. Так, например, в наследстве прототипных дискретных датчиков не нашлось готовых удовлетворительных методик для инженерных расчётов газового и гистерезисного демпфирования микромаятников, расчёта криволинейных упругих подвесов, расчёта интегральных опорных источников, расчёта микродатчиков перемещения на полевом эффекте и др. Эти и многие другие вопросы были успешно решены в конце 80-х годов.

Широкое применение микропроцессоров ужесточило требования к характеристикам первичных датчиков. Для улучшения точности первичных датчиков снижения при их создании себестоимости используют методы интегральной микротехнологии. Интегральные микродатчики совместили в себе чувствительные элементы со встроенными электронными схемами обработки и становятся все более похожими на интегральные схемы. Основным конструкционным материалом при создании интегральных датчиков является кремний.

Следует отметить, что кремний может многократно подвергаться воздействию циклических механических напряжений, не проявляя при этом эффекта усталости, имеет широкий рабочий диапазон температур и высокую коррозионную стойкость. Но главным достоинством является хорошая воспроизводимость физических свойств кремниевых чувствительных элементов.

Малая плотность при высоких упругих качествах кремния позволяет выполнить различные чувствительные элементы с малой массой, имеющие рабочий диапазон частот до нескольких мегагерц, способные выдерживать давления свыше 350 мПа и линейные ускорения до 10000 g. Во многих микромеханических узлах полупроводниковые свойства кремния не используются, например, в акселерометрах и датчиках давления с ёмкостными преобразователями перемещений. Перспективы развития датчиков определяются прогрессивными технологиями их производства. В США полупроводниковые интегральные датчики составляют до 60 % общего объема их выпуска. В среднем производство микроэлектронных датчиков в таких странах, как США, Япония и Германия, возрастает за год в 1,5-2 раза. За рубежом высокими темпами ведется разработка и внедрение в военную технику волоконооптических датчиков, которые, кстати, применяются в космической системе многоразового использования SpaceShuttle и др. В 1999 году компании «Брюль и Къер» и «Эндевко», как и многие другие, объявили о создании альянса, направленного на совместное продвижение на рынок датчиков и измерительного оборудования для измерения вибраций, ускорений и ударных нагрузок. В настоящее время предлагается более 300 типов датчиков для измерения вибрации, специализированные антивибрационные соединительные кабели, предварительные усилители и различные аксессуары для измерительных акселерометров. Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. На рисунке 1.1 показаны области, занимаемые акселерометрами различного типа на диаграмме «цена-качество».

Вибрация - это один из видов физико-механических воздействий, который оказывает значительное влияние на работу аппаратуры, установленной на борту летательного аппарата. Воздействие различного рода вибраций на изделия авиационной и ракетно-космической техники на этапах ее жизненного цикла приводит к возникновению в них механических дефектов и (или) ухудшению значений параметров (характеристик). В связи с этим предусматривается проведение лабораторно-стендовых испытаний на воздействие вибрации (широкополосной случайной, синусоидальной) с помощью специальных средств испытаний, имитирующих вибрационные нагрузки, возникающие при взлете, полете и посадке ЛА.

Рисунок 1.1 - Диаграмма «цена-качество» для различных типов акселерометров

При испытаниях на воздействие вибрации наибольшее распространение получили методы фиксированных частот и качающейся частоты при воздействии синусоидальной (гармонической) вибрации.

Курсовой проект посвящен разработке измерителя параметров вибрации - вибрационного акселерометра, так как акселерометр можно использовать в качестве датчика вибрации, применяющегося для контроля амплитуды и частоты вибрации на валах электродвигателей, на установках контролирующих качество дорожного покрытия, в системах фиксирующих резонансные частоты несущих балок строений мостов, башен и т.п.

1. Обзор существующих конструкций

Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются микросистемы акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

1.1 Пьезопленочные датчики

Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы. Основная область применения -- схемы управления надувными подушками безопасности.

1.2 Объемные интегральные акселерометры

Примером объемного датчика может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor [1], предназначенный для применения в системах управления надувными подушками безопасности автомобилей. Этот датчик состоит из двух пластин кремния, которые сплавлены друг с другом (см. рисунок 1.2). Тремя тонкими кремниевыми балками, инерционная масса соединена с кремниевой рамкой на пластине. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края. Каждая из коротких внешних (изгибных) балок содержит пару имплантированных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему. Когда происходит столкновение автомобиля с препятствием, масса движется вниз, изгибая балки и вызывая деформацию пьезорезисторов. Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы, вызываемый деформацией пьезорезисторов, включенных по схеме моста Уитстона.

Рисунок 1.2 - Интегральный акселерометр объемной конструкции

Поскольку к надежности системы управления надувными подушками безопасности предъявляются чрезвычайные требования, датчик снабжен системой самоконтроля. Ключевую роль в системе самоконтроля играет резистор-возбудитель, который нагревается пропусканием через него электрического импульса с силой тока 50 мА, напряжением 9 В и длительностью 50 мс. Когда балка, расположенная в средней части пластины, нагревается, происходит ее удлинение, поскольку температурный коэффициент расширения кремния положителен. А так как концы ее закреплены, она прогибается, отклоняет инерционную массу и изгибает балку, содержащую пьезорезисторы. Эта балка смещается примерно на 3 мкм в том же направлении, что и масса при столкновении автомобиля с препятствием.

1.3 Поверхностные интегральные акселерометры

Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLххх поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идет ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г. Весь кристалл акселерометра размером 3,05? 3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером 1х1 мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремневых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне. На рисунке 4 показан основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика. Фактически датчик имеет 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок показывает только одну ячейку. Подвижная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости. С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, аналогичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам подвижной массы, удерживающие ее на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и ее возврат в исходное положение (см. рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения

В конструкциях интегральных акселерометров могут быть использованы различные принципы построения: принцип прямого измерения ускорений и принцип измерения с силовой компенсацией. Подвижный узел может быть осевого или маятникового типа, а для выявления их движений могут использоваться датчики перемещений или деформаций пример съема сигнала с датчика перемещений. Последние чаще всего применяются в приборах прямого измерения.

Интегральные акселерометры прямого измерения с ёмкостными преобразователями перемещений имеют отличные характеристики (точность порядка 1%) и для случая газового демпфирования обладают оптимальными значениями относительного коэффициента демпфирования.

Рисунок 1.4 - Упрощенная конструкция емкостного датчика ускорений

В интегральных датчиках электронные преобразователи перемещений (или деформаций) конструктивно выполняют на одном узле с чувствительными элементами (ЧЭ). При этом степень интеграции определяется числом функциональных элементов объединённых в одном узле.

На практике акселерометрии широко распространён маятниковый несимметричный ЧЭ.

Одним из основных требований предъявляемых к конструкции ЧЭ, является требование минимума жёсткости при максимальной стойкости подвеса к разрушению. В связи с этим, для подвесов решаются оптимизационные задачи, а в качестве критерия принимают постоянство изгибных напряжений в сечениях подвеса по его длине, монолитных заделок с корпусной пластиной и с подвижной массой. Ниже приведен обзор наиболее популярных на сегодняшний день приборов построенных одному из вышеперечисленных принципов.

Датчики вибрации с токовым выходом ДВСТ-1

Датчики вибрации с токовым выходом ДВСТ-1 состоят из: пьезоэлектрического вибропреобразователя; согласующего устройства, обеспечивающего согласование высокого выходного сопротивления вибропреобразователя и последующих устройств; электронного фильтра-усилителя, формирующего нормированную полосу рабочих частот и усиливающего слабый сигнал поступающий с вибропреобразователя; детектора среднего квадратического значения; преобразователя напряжение-ток, который выдает в линию связи ток в соответствии с ГОСТ 26.011-80, 4-20 мА, пропорциональный среднему квадратическому значению виброскорости в контролируемой точке.

Наличие у датчика аналогового интерфейса 4-20 мА, позволяет подключать его непосредственно к АСУ или КИП, имеющим такой же интерфейс, при эксплуатации во взрывоопасных помещениях - через барьер [1ExibII]. Технические характеристики приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Основные технические характеристики ДВСТ-1

№	Основные параметры	Численные значения
1	Диапазон рабочих частот, Гц	10...1000
2	Номинальное значение коэффициента преобразования, мАс/мм	0,8; 0,32
3	Основная относительная погрешность в диапазоне амплитуд, %	+3 ( +5 )
4	Амплитудно-частотная характеристика	Соответствует ГОСТ ИСО 2954
5	Основная относительная погрешность в диапазоне рабочих частот, %	+4 (+8)
6	Диапазон рабочих амплитуд, мм*с-1	2...20; 5...50
7	Диапазон рабочих температур, °С	-40...+80
8	Габаритные размеры, мм	44х44х42
9	Масса, кг (без учета металлорукава)	0,250

Вибродатчик с большим диапазоном ускорений АП-3

Датчик АП-3 выпускаемый ООО НТЦ «Мониторинг». построен на пьезоэффекте. Основные технические характеристики представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Основные технические характеристики АП-3.

№	Основные параметры	Численные значения
1	2	3
1	Чувствительность по напряжению, мВ/мс-2	2.5 - 2.8
2	Чувствительность по заряду, пКл/мс-2	3.0 - 3.5
3	Относительная поперечная чувствительность, %	<5
4	Рабочий диапазон частот (при неравномерности 1дБ), кГц	13
5	Рабочий диапазон температур, °С	-40 … +80
6	Диаметр корпуса, мм	16
7	Высота, мм	28
8	Основание (шестигранник под ключ), мм	17
9	Масса, г	19
10	Вывод сигнала	разъем СР50-112
11	Крепление	шпилькой М5
12	Максимальное ударное ускорение, м/с2	2.5·104

Высокоточный одноосевой измеритель ускорения с динамическим диапазоном ±1.5g ADXL103

ADXL103 - высоко точный, высоко стабильный, низко потребляющий законченный монолитный одно осевой измеритель ускорения с потенциальным выходным сигналом. ADXL103 может измерять как динамическое ускорение (например, вибрация), так и статическое (например, гравитацию). Выходные сигналы представляют собой напряжение, пропорциональное ускорению. Типовой уровень шумов прибора (150 mkg/Гц-2) позволяет отслеживать ускорения менее 1 mg (угол наклона 0.06°) при работе в узкополосном режиме (< 10 Гц). ADXL103 выпускается в габаритах 5x5x2 мм, 8 выводных контактов, в герметичных LCC корпусах (см. рисунок 1.7).

а) б) в)

Рисунок 1.7 - Акселерометр ADXL103 а) схема расположения выводных контактов, б) функциональная схема, в) фото датчика

Таблица 1.3 Основные технические характеристики АDXL 103.

№	Основные параметры	Численные значения
1	2	3
1	Диапазон измеряемых ускорений, g	±1.5
2	Разрешение, мg	2
3	Чувствительность, В/g	1
4	Рабочий диапазон частот, кГц	2
5	Рабочий диапазон температур, °С	-40 … +125
6	Напряжение питания, В	3-6
7	Потребляемый ток, мА	0.7
8	Тип корпуса	SMT
9	Вывод сигнала	аналоговый
10	Максимальное ударное ускорение, м/с2	2.5·104

Емкостные акселерометрыPCB Piezotronicsсерии 3701

Фирма PCB Piezotronics (США) производит широкий спектр датчиков вибрации и давления общего и специального назначения. Одной из первых в мире PCB стала выпускать датчики со встроенными микроусилителями. Именно ей принадлежит товарный знак

(Integrated circuit piezoelectric), ставший сегодня общеупотребительным обозначением датчиков подобного типа.Для мониторинга низкочастотных вибраций зданий, мостов, градирен и т.п. применяют специальные сейсмические датчики, обладающие высокой чувствительностью

Таблица 1.4 Основные технические характеристики PCB Piezotronics625BX*1.

№	Основные параметры	Численные значения
1	Диапазон измеряемых ускорений, g	±50
2	Чувствительность, В/g	0.1
3	Рабочий диапазон частот, Гц	0,5-7000
4	Рабочий диапазон температур, °С	-54 … +121
5	Нелинейность по амплитуде, %	±1
6	Частота резонанса, кГц	25
7	Напряжение питания, В	18-28
8	Потребляемый ток, мА	2-20
9	Поперечная чувствительность, %	<5
10	Вывод сигнала	аналоговый
11	Максимальное ударное ускорение, g	5000
12	Масса, кг	0,145

Собственно чувствительные элементы вышеописанных датчиков, выполненные по любому из рассмотренных вариантов, вносят ошибку в диапазоне температур от -60⁰ С до +85⁰ С не более 0,05 % от диапазона измерений. Ошибка в основном обуславливается наличием дислокаций в кремниевых заготовках и несоответствием значений температурных коэффициентов линейного расширения кремния и материала заделки. Дальнейшее снижение ошибки возможно совершенствованием исходного материала и совершенствованием технологического процесса.

Выводы

На основании выполненного анализа существующих конструкций можно сделать вывод, что наиболее популярными принципами построения чувствительных элементов являются емкостной и пьезоэффект. Объясняется тем, что на основе этих принципов можно создать прибор с необходимой полосой пропускания для решения конкретных задач, однако из рассмотренных датчиков ни один не удовлетворяет требованиям технического задания на курсовое проектирование, так как имеет место значительное отличие моделей по цене.

Целью данного курсового проекта является конструирование прибора с характеристиками соответствующим заданию на курсовое проектирование.

1.4 Описание принципа построения проектируемого датчика

В качестве прототипа проектируемого прибора возьмем датчик линейных ускорений АТ1105 выпускаемый на ОАО «ТЕМП-АВИА» с 1991г.

Полная конструкция датчика представляет собой герметичный блок (см. рисунок 1.11), в котором расположены чувствительный элемент, усилитель-преобразователь (УП) и элементы выводного монтажа. В качестве исходных предпосылок при проектировании преобразователя примем следующие требования:

- Линейность статической характеристики во всём диапазоне измерений.

- Преобразователь перемещения должен быть совместим с другими узлами датчиков.

- Минимум схемных элементов, причём предпочтительными элементами являются ЧИП - резисторы, ЧИП - конденсаторы. В передаточных соотношениях величины резисторов должны входить в виде соотношений.

- Минимум температурной ошибки за счёт равенства температурных коэффициентов величин, входящих в отношения, подбор материалов с близкими ТКЛР.

- В динамическом отношении преобразователь перемещения должен представлять собой, без учёта масштабного усилителя и фильтра нижних частот, безинерционное звено.

Исходя из анализа требований, предъявляемых к датчикам по точности и массогабаритным параметрам потребителями, а также в задании на курсовое проектирование, в данном проекте рассматривается и рассчитывается далее емкостной датчик вибрации на основе акселерометра прямого измерения.

Структурную схему проектируемого датчика вибрации можно представить как показано на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Структурная схема акселерометра

На рисунке 1.10 введены следующие обозначения:

а - измеряемое ускорение;

F- сила инерции;

д- величина отклонения маятника;

U_ин- напряжение, снимаемое с фазочувствительного выпрямителя;

±U_пит - выходное напряжение датчика;

W_1,W_2,W_3,W₄ - передаточные функции звеньев прибора.

На этапе проектирования датчика из различных вариантов компоновочной схемы был выбран вариант двухъярусной компоновки прибора как наиболее удачныйизображенный на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Планарная схема компоновки прибора

Достоинствами данной схемы являются наименьший объем, большая жесткость конструкции (ребро жесткости проходит через оси крепежных отверстий), т.е. при креплении датчика по месту не будет лишних механических напряжений вызванных затягиванием винтов. Дополнительным преимуществом компоновочной схемы рисунка 1.10, является возможность независимой герметизации чувствительного элемента и электроники, что в свою очередь является наилучшим технологическим решением, которое влияет на сокращение межоперационных проверок на этапе изготовления.

1.5 Выбор чувствительного элемента

Обоснование выбора чувствительного элемента

Ёмкостный преобразователь перемещения является одним из популярнейших по применению в составе интегральных датчиков с подвижными узлами, хотя как мы видим из п.1 преобразователи основанные на пьезоэффекте также довольно широко распространены. Существует множество различных схем ёмкостных преобразователей, решающих ту или иную частную задачу. Однако, несмотря на широкое распространение, проблема совершенствования его характеристик далека от завершающей стадии.

Принцип действия чувствительного элемента (ЧЭ) основан на свойстве перемещения инерционной массы под действием измеряемого воздействия, вследствие чего изменяется емкость датчика угла. В нашем случае это ЧЭ маятникового типа [12].

Подвижная часть ЧЭ проектируемого прибора сформирована из пластины кремния методом микропрофилирования на ее поверхности и представляет собой подвижную массу, подвешенную на двух упругих подвесах, выполненных за одно целое с основанием (рамкой).

Выбор монокристаллического кремния в качестве конструкционного материала обусловлен, прежде всего, его физико-механическими свойствами. Предел упругости монокристаллического кремния значительно превосходит ряд широко используемых традиционных материалов, при этом отношение плотности материала к модулю упругости значительно ниже, чем у сталей. По упругим характеристикам кремний уступает лишь кварцевому стеклу. Коэффициент термического гистерезиса кремния меньше, чем любого другого известного материала. Кремний может подвергаться длительным циклическим нагрузкам, не проявляя при этом эффекта усталости и накопления внутренних напряжений. Кремний обладает высокой коррозийной стойкостью и лишь при температуре выше 900 °С начинает взаимодействовать с кислородом. Температурный коэффициент линейного расширения кремния a_Si=2,5·10^-61/°C.

Обкладки емкостного датчика перемещения могут быть образованы напылением слоя алюминия на стеклянной пластине толщиной 1 мм, что обеспечивает необходимую прочность пакету ЧЭ. ТКЛР стекла ЛК-105 a_ЛК-105=1/°C соизмерим с ТКЛР кремния, что позволяет соединять конструкцию ЧЭ в пакет методом электростатической сварки.

Применение алюминия для формирования обкладок ЧЭ обусловлено следующими его достоинствами: хорошей электропроводностью, хорошей адгезией к стеклу, достаточно высокой пластичностью и, вследствие этого, устойчивостью к циклическим изменениям температуры, радиационной стойкостью, легкостью испарения в вакууме.

Наиболее ответственным узлом конструкции датчика является ЧЭ (см. рисунок 1.11).

1 - подвижная масса (кристаллический элемент), 2 - слой металлизации, 3 - стеклянная пластина (обкладка).

Рисунок 1.11 - Чувствительный элемент маятникового типа

ЧЭ маятникового типа имеет существенный недостаток по сравнению с ЧЭ осевого типа - нелинейность статической характеристики. Но изменяя конфигурацию обкладок можно эту нелинейность уменьшить до допустимого значения. ЧЭ осевого типа также не лишен недостатков - вторая мода колебаний расположена рядом с первой, что говорит о наличие перекрестных связей.

Расчет чувствительного элемента

Расчет ЧЭ заключается в нахождении параметров маятника: массы, момента инерции, выбора зазора между обкладками, перфорирующих отверстий, жесткости подвесов. Поскольку по

заданию на курсовое проектирование полоса пропускания прибора - 2500 Гц для 20-50 g, а датчик перемещения чувствителен только (в первом приближении) к осевому движению, то ЧЭ

можно достаточно точно описать колебательным звеном 2-ого порядка [6]:

(1.1)

где оператор Лапласа;

жесткость упругого подвеса;

масса подвижного узла;

коэффициент передачи подвижного узла;

- постоянная времени подвижного узла,

- относительный коэффициент демпфирования.

Согласно заданию на курсовое проектирование постоянная времени должна быть не более:

Оптимальное значение коэффициента демпфирования:

При наличии линейного ускорения по измерительной оси прибора маятник отклоняется относительно неподвижных обкладок под действием инерционной силы. Условие статического равновесия подвижного узла:

(1.2)

где перемещение подвижной массы (обкладки дифференциального измерительного конденсатора)

Максимальное перемещение инерционной массы примем исходя из условия:

м,

где начальный зазор между обкладками емкостного датчика перемещения.

Расчет жесткости упругого подвеса

Наиболее ответственной частью чувствительного элемента механоэлектрических преобразователей интегрального исполнения является упругий подвес. Для упругих подвесов как интегральных, так и не интегральных характерным является одно общее свойство - это острая противоречивость требований к их характеристикам. Например, получение подвесов со сколько угодно малой жёсткостью при одновременной их идентичности и надёжности, представляет собой одну из труднейших технических задач. Требование минимальной жёсткости необходимо в основном для одной цели - обеспечения точности измерительного прибора. Живучесть интегрального подвеса в основном определяется сведением к минимуму концентрации напряжений в местах его переходов к несущей корпусной пластине или к телу подвижной массы. В свою очередь, концентрация напряжений обуславливается несколькими причинами: несовершенством геометрической формы подвеса, несовершенством химико-технологических приёмов при размерной обработке, а также наличием различных дефектов в кристаллах.

Для упругого подвеса с прямолинейными обводами (допускается упругий подвес рассматривать в виде балки прямоугольного сечения) расчетная формула угловой жесткости имеет вид [12]:

(1.3)

откуда

(1.4)

где - толщина подвеса,

- модуль упругости кремния в направлении [100], Н/м²,

b_n- ширина упругого подвеса;

l_n - длина упругого подвеса;

С другой стороны, на выражение (1.2):

(1.5)

Согласно данным задания на курсовое проектирование: и для нахождения жесткости упругих подвесов вычислим массу подвижного узла.

Расчёт массы подвижного узла

Масса любой фигуры равна произведению объема данной фигуры на плотность материала.

Элемент кристаллический (ЭК) имеет сложную конфигурацию. Для упрощения расчетов воспользуемся рисунком 1.12, при этом рассчитываемый ЧЭ в нашем случае имеет демпфирующие отверстие в центре маятника.

Рисунок 1.12 - Упрощенный эскиз маятника

Параметры подвижной массы ЭК рассчитываются по следующим формулам:

площадь ЭК равна:

, (1.6)

объем ЭК:

,(1.7)

масса ЭК:

.(1.8)

Обозначения и их величины, принятые в этих формулах следующие:

a_м = b_м = 4·10 - ³м - длина и ширина маятника соответственно;

с_м=0,34·10 ^{- 3}м - толщина маятника;

a₁= b₁ =3,7·10 - ³м - размеры крайних выступов по длине;

a₀ = b₀ = 1·10 - ³м - длина и ширина демпфирующего отверстия соответственно;

- плотность монокристаллического кремния.

Подставив численные значения, получим:

площадь ЭК равна: S_ЭК = 14,91·10 ^-6м²;

объем ЭК: V_ЭК = 5,06·10 ^-9м³;

масса ЭК: m_ЭК = 11,6·10 ^-6кг.

Подставляя полученные данные в (1.5) получим требуемую жесткость:

Н/м.

В конструкции этого акселерометра сделано два упругих подвеса, имеющие одинаковые размеры.

Рисунок 1.13- Эскиз упругих подвесов: а) вид в плане б) вид с боку

Данные необходимые для расчета:

Н/м2	-модуль упругости кремния для направления [100];
bn=1,5·10-3м	-ширина упругого подвеса;
ln=1,5·10-3м	-длина упругого подвеса;

Далее высчитываем толщину подвеса по выведенной зависимости (1.4).

1.6 Расчет коэффициента демпфирования

В интегральных измерительных преобразователях с инерционной массой одним из важных вопросов является демпфирование подвижных узлов. В компенсационных приборах оптимизация динамических характеристик возможна за счёт введения в электрический контур скоростной обратной связи. В приборах прямого измерения такой возможности нет, поэтому вопрос демпфирования подвижных узлов ставится ещё острее. В интегральных микродатчиках с малыми зазорами между подвижными и неподвижными узлами, как в приборах прямого измерения, так и в компенсационных приборах, представляется возможность эффективно решать вопросы демпфирования посредством вязкого трения газа, перемещаемого через малые зазоры. Поскольку в интегральных датчиках подвижные узлы выполняют несколько функций, например, являются механическими преобразователями ускорений или давлений в пропорциональные перемещения и одновременно преобразователями разности потенциалов, приложенной между подвижными и неподвижными электродами в пропорциональную электростатическую силу, препятствующую механическим перемещениям, то к демпфирующему газу, кроме стабильности вязкости, предъявляются ещё требования и к стабильности диэлектрической проницаемости.

Наиболее полно этим требованиям отвечает газ - сухой азот, который к тому же является химически нейтральным, т.е. представляет собой не агрессивную среду к микромеханическим и электронным компонентам.

Коэффициент демпфирования для инерционного элемента прямоугольной формы находится по формуле [12]:

, (1.9)

где:

, (1.10)

. (1.11)

Обозначения и их величины, принятые в этих формулах следующие:

µN=1,79·10-5кг/(м·с)	-вязкость газа;
d0= 20·10-6м	- расстояние между обкладками (зазор);
aм= bм=4·10 - 3м	-длина, ширина маятника;
aм= bм=4·10 - 3м	-длина, ширина маятника;
a0= b0=1·10 - 3 м	-геометрические размеры отверстия.

Подставив численные значения получим:

Н с/м,

Для проверки правильности выбора размера демпфирующего отверстия вычислим постоянную времени подвижного узла по формуле:

, (1.12)

Собственная частота подвижного узла:

1.7 Электрическая схема

Расчет датчика перемещения

В данном приборе применена емкостная схема съема сигнала, которая предполагает наличие в составе прибора емкостей, значения которых изменяются в зависимости от отклонения элемента кристаллического.

Электронный преобразователь (ЭП) - встроенная в корпус датчика гибридная схема. Исходя из выше перечисленного, в данном проекте рассматривается и рассчитывается датчик маятникового типа с емкостным преобразователем перемещения. Электрическая схема ЭП представлена на рисунке 1.14.

Сервисная электроника, преобразующая изменение дифференциальной измерительной емкости в постоянное напряжение состоит из нескольких функциональных блоков: вторичного источника стабилизированного ФЧВ: DA1, DA2, DA3, активного низкочастотного фильтра - масштабирующего усилителя (DA4, R_ф, С_ф), генератора прямоугольных импульсов.

Цикл работы преобразователя условно можно разделить на два такта: Первый такт подготовительный, при этом происходит заряд измерительных конденсаторов от источников опорных напряжений. Ключ синхронного детектора заперт, а интегратор выполняет функции аналоговой запоминающей ячейки. Второй такт - измерительный, при этом происходит перезаряд измерительных ёмкостей, ключ синхронного детектора отперт, что приводит к отработке интегратора и цепи отрицательной обратной связи.

Два плеча резисторно-ёмкостного моста представляют дифференциальные измерительные ёмкости С₁ и С₂, а два других плеча - постоянные резисторы или постоянные ёмкости. В схемах с двухполярным источником питания постоянные резисторы (или ёмкости) могут отсутствовать, их роль выполняет средняя точка (земля).

Измерительные ёмкости С₁ и С₂ включены последовательно и посредством ключевой схемы Кл1 ... Кл4 эта цепь за первый полупериод меандра заряжается от опорного постоянного напряжения, а за второй полупериод, переключившись, разряжается этим же опорным источником.

В дифференциальных емкостных преобразователях функция преобразования должна представляться в виде отношения разности плеч измерительных емкостей к их сумме. Это дает следующие преимущества:

- исключается ошибка от изменения диэлектрической проницаемости;

- уменьшается тяжение между подвижными и неподвижными электродами;

- функция преобразования получается идеально линейной;

- изменение тактирующей частоты не вносит ошибки в выходной сигнал.

Минимальная С₁и максимальная С₂ вычисляется по (1.13):

Ф,

Ф. (1.13)

где е₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, е₀ =8,85·10^-12 Ф/м [10];

е - относительная диэлектрическая проницаемость среды, е =1;

S - рабочая площадь обкладок конденсатора (с учетом демпфирующего отверстия);

x - начальный зазор, x = d₀;

Дx - изменение зазора, Дx =

В рассматриваемой схеме функция преобразования представляется отношением разности измерительных емкостей к их сумме:

(1.14)

где U_оп= 6,4 В - опорное напряжение питания (выход стабилитрона);

К_{м max} - коэффициент усиления (усилителя).

Принцип преобразования измеряемого ускорения в выходное напряжение для прибора с учетом нулевого смещения подвижной массы:

,(1.15)

,(1.16)

Подставляя численные значения получим

При максимальном масштабном коэффициенте

Расчет нулевого сигнала

Нулевой сигнал вибрационного датчика это отклонение реальных значений выходного сигнала в положении отсутствия gот фактических.

Нулевой сигнал складывается из нескольких компонентов (см. рисунок 8):

, (1.17)

где - нулевой сигнал от начального смещения подвижного узла ЧЭ;

- нулевое смещение инвертора DА4 ИОН;

- нулевое смещение интегратора DА2;

- нулевое смещение масштабного усилителя DА3;

- коэффициенты влияния.

Условие статического баланса зарядов на измерительных емкостях с учетом нулевого смещения интегратора DА2 (принцип преобразования измеряемого ускорения):

Откуда:

. (1.18)

Рисунок 1.14 - Упрощенная схема усилителя-преобразователя.

После регулировки нулевого сигнала всего прибора, путем подгонки соответствующих резисторов ИОН, обеспечивается В.

Оценим коэффициент термочувствительности (КТЧ) нулевых смещений отдельных компонентов: для операционных усилителей, используемых в электронном блоке максимальное значение КТЧ по техническим условиям на компоненты (ТУ) [8].

Изменение нулевого сигнала под действием температуры:

(1.19)

где в основном зависит от технологических факторов; в самом худшем случае при , соответствующих знаках и масштабном коэффициенте усилителя DА3 :

Конструктивно ЭП выполнен по гибридной интегральной тонкопленочной технологии на двух ситалловых подложках с бескорпусными электрорадиоэлементами (ЭРЭ). Электропитание прибора осуществляется от двухполярного источника постоянного тока: U_пит= ±12В.

Напряжение в измерительной диагонали моста при равенстве между собой абсолютных значений напряжений положительного и отрицательного опорных источников, равно:

,

Таким образом ДU = U_опДx/2x. Из получённого результата видно, что напряжение в измерительной диагонали моста линейно зависит от изменения зазора, т. е. от перемещения. Значение диэлектрической проницаемости среды между обкладками не входит в формулу, поэтому изменение проницаемости в зависимости от физических условий, ошибки в преобразование не вносит.

1.8 Математическая модель выходного сигнала датчика

Определение передаточной функции ЧЭ

Структурную схему проектируемого датчика вибрации можно представить, как показано на рисунке 1.10 общая передаточная функция датчика будет иметь вид [11]:

(1.20)

где W_1,W_2,W_3,W₄ - передаточные функции звеньев прибора.

Подставив численные значения полученные в п.3 в формулу 1.1 получим передаточную функцию подвижного узла (ЧЭ)

,

где - оператор Лапласа;

Для расчета всех составляющих структурной схемы воспользуемся уже полученными данными.

, (1.21)

. (1.22)

где- инерционный момент;

- расстояние от заделки до центра масс ЭК, м,

Подставляя численные значения получим:

Н,

Н/м.

Момент инерции для выбранного ЧЭ находится по формуле:

кг м², (1.23)

Далее решаем характеристическое уравнение:

;

; корни характеристического уравнения: с^-1;

- постоянная времени, откуда - первая частота сопряжения (полоса пропускания ЧЭ по уровню -3 дБ), с^-1,

- постоянная времени, откуда - вторая частота сопряжения.

Определение передаточной функции усилителя-преобразователя УП

Передаточную функцию фазочувствительного выпрямителя (интегрирующего контура усилителя-преобразователя) DA1-DA2 (рисунок 1.14) получим из условия динамического баланса зарядов на измерительных емкостях и [8]:

, (1.24)

выражения, описывающие работу замкнутого контура в динамике [11]:

,(1.25)

где - напряжение на выходе усилителя рассогласования DА1;

- напряжение на выходе интегратора DА2 (аналитическое

выражение, где - коэффициент передачи интегратора);

;

- постоянная времени синхронного детектора на КМОП-ключах К5 и К6, управляемого генератором прямоугольных импульсов ГПИ.

Из выражения для баланса зарядов в (1.21) получим напряжение :

,

,

,

;

(1.26)

При изменении дифференциальной емкости передаточный коэффициент измерительной схемы получим из следующего выражения (дифференциально-логометрический алгоритм преобразования):

, ,

где - перемещение подвижного узла под действием ускорения по измерительной оси.

Передаточная функция контура ФЧВ - из (1.15):

Поскольку условный л. д. з. в контуре , коэффициент передачи контура с учетом датчика перемещения ; получим характеристическое уравнение ФЧВ:

;

;

корни характеристического уравнения: с^-1,

-

постоянная времени, откуда - первая частота сопряжения (полоса пропускания ФЧВ по уровню -3 дБ), с^-1,

-

постоянная времени, откуда - вторая частота сопряжения.

Передаточная функция активного усилителя DA4:

, (1.27)

где - коэффициент передачи масштабного усилителя, регулируется отношением резисторов.

1.9 Построение динамических и статической характеристик

Построение графиков динамических характеристик акселерометра

Построение графиков нормированной логарифмической амплитудно-частотной и логарифмической фазо-частотной характеристик (ЛАЧХ и ЛФЧХ), а также нормированного переходного процесса произведено по полученным функциям датчика для соответствующих диапазонов измерения с помощью программы MATНCAD 11.

Передаточная функция датчика будет иметь вид:

Из графика ЛАЧХ и ЛФЧХ (смотри рисунок 1.16) видно, что динамические характеристики удовлетворяют требованиям задания. Полоса пропускания прибора

Гц, - полностью определяется динамическими характеристиками ЧЭ из чего следует, что для расширения полосы пропускания необходимо увеличивать жесткость подвеса маятника и уменьшать коэффициент демпфирования.

Из графика переходного процесса (рисунок 1.17): время переходного процесса с при трубке точности , где - нормированный коэффициент передачи измерительного тракта.

Построение статической характеристики

Статический коэффициент передачи определяется по формуле:

(1.28)

Исходя из (1.18) получаем выражение для выходного напряжения:

. (1.29)

график зависимости представлен на рисунке 1.15.

Рисунок 1.15 График статической характеристики датчика.

Рисунок 1.16- Графики ЛАЧХ, ЛФЧХ для передаточной функции датчика вибрации соответственно.

Рисунок 1.17 - Переходный процесс.

1.10 Корпусирование датчика

Интегральный датчик как правило состоит из трех узлов: чувствительного элемента, электронного блока и корпуса. Можно корпусировать один ЧЭ для защиты от внешних воздействий. Однако при этом снижается коэффициент интеграции и появляется дополнительная погрешность от влияния линий связи ЧЭ с электронным блоком. Существуют конструкции датчиков, когда ЧЭ устанавливается в стандартный корпус микросхемы или транзистора (SMT- корпус). В электронной промышленности для корпусирования ГИС существует целый ряд стандартных корпусов. В датчикостроении требования к корпусам более жёсткие, поскольку кроме общих требований, например, массогабаритных и защиты от внешних воздействий, накладываются ещё требования точности базирования на объектах. Конструкции корпусов интегральных датчиков определяются в основном их назначением, т.е. типы корпусов для акселерометров не могут быть унифицированы с корпусами для датчиков давления.

Размещено на Allbest.ru