Методы и технические средства для метрологического обеспечения производства и испытаний микромеханических инерциальных датчиков

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 389.1

ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург)

Методы и технические средства для метрологического обеспечения производства и испытаний микромеханических инерциальных датчиков

О.О. Величко Научный руководитель д.т.н. Д. Г. Грязин

Аннотация

погрешность микромеханический датчик колебание

Предлагается метод оценки погрешности микромеханических датчиков при воспроизведении колебаний с заданным спектром частот, который позволяет сократить время оценки характеристик датчика, а также повысить достоверность результатов применительно к конкретным условиям эксплуатации. Рассматривается метод оценки характеристик микромеханических датчиков при воздействии вибрации с использованием установки на основе линейного вибростенда, дополненного датчиками измерения угловых скоростей вибрации для коррекции показаний испытываемых датчиков.

Микромеханические датчики (ММД) и модули на их основе широко используются для управления высокодинамичными подвижными объектами различного применения. Коммерческая стоимость подобных изделий во многом определяется затратами на их калибровку, которая позволяет многократно повысить точность вырабатываемых с их помощью параметров.

Однако на настоящий момент в России отсутствуют нормативные документы, регламентирующие процедуры испытаний ММД. Кроме того, испытания инерциальных датчиков проводятся в основном в статическом режиме, в то время как динамические погрешности вносят весомый вклад при функционировании в высокодинамичных условиях.

Целью работы является разработка совокупности методов и технических средств для метрологического обеспечения испытаний и исследования характеристик микромеханических инерциальных датчиков.

Метод оценки погрешности ММД при задании колебаний с заданным спектром частот

Предлагается метод оценки погрешностей ММД при задании колебаний в заданном спектре частот. Метод основан на формуле [1]

, (1)

где - спектральная плотность сигнала на входе системы;

- спектральная плотность сигнала на выходе системы,

и заключается в сравнении спектров входного и выходного сигналов с последующим анализом.

Разработанный метод был опробован на двухосном стенде качки [2], рис. 1, обеспечивающем задание колебаний по двум перпендикулярным осям в диапазоне частот от 0,1 до 4 Гц с фиксированными амплитудами 15° и 25° по каждой оси соответственно.

Рис. 1. Общий вид двухосного стенда качки

Система управления стендом построена на базе сервоусилителя для управления приводными двигателями постоянного тока и включает в свой состав блок электроники, плату обработки информации и персональный компьютер с установленным программным обеспечением. Программа управления позволяет задавать значения частот колебаний в ручном режиме в соответствующих полях пользовательского интерфейса.

Для обеспечения возможности задания колебаний с заданным спектром частот была произведена доработка системы управления стендом для изменения частот колебаний в автоматическом режиме. При этом необходимо создать управляющий файл текстового формата, в который заносятся следующие данные: первый столбец - время изменения частоты, второй столбец - значение частоты для первой оси, третий - для второй. Отметим, что в связи с особенностями существующей системы управления изменение частот колебаний возможно лишь с шагом 0,1 Гц. Подобная автоматизация изменения частот колебаний позволяет получать колебания с заданным спектром.

Экспериментальные исследования стенда

Для экспериментального исследования двухосного стенда были сформированы управляющие файлы изменения частот колебаний для работы в автоматическом режиме. По значениям углов качки, полученных с преобразователей углового перемещения платформы, была произведена процедура построения спектров на основе быстрого преобразования Фурье. Для примера на рис. 2 приведена возможная реализация. Отметим, что существует возможность получать как гладкие спектры сложной формы, в том числе с несколькими максимумами, так и линейчатые спектры.

Рис. 2. Реализация колебаний с заданным спектром частот с пиком спектральной плотности на частоте 2 Гц

На графике спектральной плотности наблюдается значительное число вторичных максимумов. Эта особенность объясняется фиксированным шагом дискретизации задания частоты (0,1 Гц) и постоянным временем разгона, не зависящим от частоты колебаний. Последующее сглаживание полученных графиков методом скользящего среднего позволяет избавиться от вторичных максимумов и получить гладкую форму спектра.

Дисперсия, определяющая мощность процесса и равная площади под кривой спектральной плотности, находится путем разбиения кривой на участки шириной, равной частоте дискретизации сглаженного спектра и дальнейшего суммирования площадей этих участков.

Программа обработки данных реализована в среде MatLab и представляет собой управляющий файл, для использования которого достаточно ввести имя файла данных конкретной реализации.

Экспериментальные исследования микромеханической бесплатформенной инерциальной навигационной системы

На двухосном стенде качки была проведена экспериментальная оценка погрешности выработки углов качки микромеханической бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), разработки ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» [3], рис. 3.

Рис. 3. Экспериментальное исследование микромеханической БИНС

В соответствии с формулой (1) путем сравнения спектров входного воздействия стенда и спектра выходного сигнала БИНС возможно оценить частотную передаточную функцию модуля, определяющую дисперсию погрешности во всем частотном диапазоне. Это позволит сократить время оценки характеристик БИНС, поскольку нет необходимости производить оценку погрешности на каждой частоте в отдельности.

На рис. 4 представлены результаты испытаний при задании колебаний в диапазоне до 4 Гц с пиком спектральной плотности на частоте 2 Гц. На рис. 5 представлена разность спектров входного воздействия (спектр стенда) и выходного (спектр БИНС). Площадь под графиком определяет дисперсию погрешности БИНС. В результате полученное значение дисперсии равно 0,03, а среднеквадратическое отклонение (СКО) погрешности выработки угла качки - 0,16°.

Рис. 4. Спектральные плотности входного воздействия (1) и сигнала БИНС (2) (диапазон 4 Гц, пик спектральной плотности 2Гц)

Рис. 5. Разница спектральных плотностей входного воздействия и сигнала БИНС (диапазон 4 Гц, пик спектральной плотности 2Гц)

Апробированный метод возможно использовать для более широкого класса стендов задания гармонических колебаний. Применение указанного метода позволит:

- сократить время оценки характеристик одного датчика, поскольку оценка погрешности будет производиться сразу во всем частотном диапазоне работы, что важно при массовом производстве ММД;

- проводить испытания датчиков и модулей с учетом спектра входного (рабочего) воздействия, что позволит определить погрешность датчика в условиях, наиболее приближенных к реальным условиям эксплуатации. Это, в свою очередь, позволит минимизировать нормируемую погрешность и повысить достоверность результатов испытаний.

Метод оценки характеристик микромеханических датчиков при воздействии вибрации

При исследовании влияния вибрации на показания микромеханических гироскопов (ММГ) непосредственное измерение их характеристик не обеспечивает получение достоверных результатов, поскольку вибростенд наряду с возвратно-поступательными колебаниями совершает ещё и угловые, обусловленные несовершенством конструкции стендов. В связи с этой особенностью, для решения задачи оценки характеристик ММГ при воздействии вибрации необходима разработка метода и специализированного комплекта оборудования для оценки параметров угловых колебаний стенда. Указанный комплект оборудования должен состоять из вибростенда и шести виброакселерометров, установленных попарно на ортогональном трёхграннике, закрепленном на вибраторе стенда. Сигналы каждой пары таких датчиков позволят рассчитать угловые скорости, воспроизводимые вибростендом по трём ортогональным осям. Результаты измерений датчиков должны быть согласованы с показаниями ММГ для корректной обработки результатов. Применение указанного метода позволит:

- производить оценку характеристик шума и дрейфа ММГ при воздействии вибрации;

- оценить характеристик ММГ с учетом влияния угловых вибраций стенда, что обеспечит более достоверные результаты.

Однако, как правило, линейные вибростенды создают значительное электромагнитное поле, которое частично может компенсироваться дополнительной катушкой, но остаточное поле оказывается весьма значительным. Поэтому использование электродинамических вибростендов, имеющих в составе своей конструкции катушки намагничивания и управления, для проведения испытаний ММД может вызвать искажение показаний датчиков из-за влияния магнитных полей вблизи поверхности планшайбы.

Таким образом, при проведении виброиспытаний ММД разделение влияния магнитных полей и вибрации на показания ММД представляет собой достаточно сложную задачу. Для обеспечения возможности оценивания влияния вибрации на показании ММД необходимо либо экранировать ММД от внешнего поля, либо применять электродинамические вибростенды с низким полем рассеяния. Возможно также использование механических вибростендов.

Заключение

Разработан метод оценки характеристик ММД и модулей на основе воспроизведения колебаний с заданным спектром частот, позволяющий оценить дисперсию погрешности во всем частотном диапазоне. Для реализации метода произведена доработка системы управления двухосного стенда качки, работающего в диапазоне частот от 0,1 до 4 Гц, для обеспечения автоматизации изменения частот колебаний. Метод опробован на указанном стенде качки и показал свою работоспособность. Проведены экспериментальные исследования микромеханической БИНС, оценено максимальное СКО погрешности выработки углов качки, которое не превышает 0,33°, что соответствует нормируемым значениям погрешности БИНС. Отметим, что наибольшие погрешности выработки углов качки БИНС проявляются в диапазоне частот от 3 Гц, что обусловлено переходными процессами в контуре дифференцирования БИНС. Разработанный метод применим к более широкому классу стендов задания угловых колебаний, в том числе работающих на высоких частотах. Метод позволяет сократить время оценки характеристик одного датчика, а также произвести оценку характеристик в условиях, наиболее приближенных к реальным условиям эксплуатации.

Метод оценки характеристик ММД при воздействии вибрации позволит получить более достоверные результаты за счет учета угловых скоростей вибрации стенда в показаниях исследуемых датчиков. Однако, для реализации метода необходима разработка алгоритма обработки информации от шести вибродатчиков и алгоритма коррекции показаний исследуемых ММД.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 11-08-00108-а.

Литература

1. Бендат Дж., Пирсол А. Измерений и анализ случайных процессов. -- М.: Мир, 1971. -- 408 с.

2. Пат. 2 367 921 С2 Российская Федерация, МПК G 01 M 7/00. Двухстепенной стенд для задания угловых колебаний / Грязин Д. Г., Лычев Д. И., Бердюгин А. В; заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - № 2007132944/28; заявл. 23.08.07; опубл. 20.09.09.

3. Пешехонов, В.Г. Инерциальные модули на микромеханических датчиках. Разработка и результаты испытаний / В.Г. Пешехонов [и др.] // Гироскопия и навигация. - 2008. - №3 (62). - С. 3-12.

Размещено на Allbest.ru