WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 


«УЛЮШКИН Александр Вениаминович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УЗЛОВ МИКРОСИСТЕМНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ...»

На правах рукописи

УЛЮШКИН Александр Вениаминович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

УЗЛОВ МИКРОСИСТЕМНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.11.01 – Приборы и методы измерения

(механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

Работа выполнена на кафедре "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского политехнического института (филиала) Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева

Научный руководитель: Вавилов Владимир Дмитриевич доктор технических наук, профессор, профессор кафедры авиационных приборов и устройств АПИ НГТУ

Официальные оппоненты: Распопов Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой «Приборы управления» ТулГУ Хегай Дмитрий Климович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора департамента по работе с высокотехнологичными отраслями промышленности НИУ ИТМО

Ведущая организация: ОАО “Арзамасский приборостроительный завод им. П.И. Пландина”, 607220, Нижегородская обл., г. Арзамас, ул. 50 лет ВЛКСМ, 8а

Защита диссертации состоится «17» декабря 2013 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, ауд.206 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального университета информационных технологий, механики и оптики .

Автореферат разослан « » _________ 2013 г .

Ваши отзывы и замечания (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ученому секретарю диссертационного совета Д212.227.04 .

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.227.04, кандидат технических наук, доцент Киселев С.С .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из главных принципов разработки приборов и датчиков информации является снижение их массогабаритных характеристик с одновременным увеличением точности работы и расширением области применения. Реализация этого принципа базируется на сформировавшемся научно-техническом направлении – микросистемной технике (МСТ). Развитие данной области науки и техники началось в 1960-х гг., однако не решенными остаются вопросы как теоретического, так и практического характера, которые постоянно усложняются в связи с возрастающими требованиями со стороны систем автоматического управления и контроля. В 1999 г. был основан научнотехнический журнал «Нано- и микросистемная техника», а с 30.03.2002 г. микросистемная техника объявлена в нашей стране критической технологией. Существенный вклад в разработку МСТ в России внесли Распопов В.Я., Папко А.А., Вавилов В.Д., Тимошенков С.Ф. и др., а за ее пределами – Аш Ж., Фрейден Дж., Петерсен К., Дошер Дж., Сеок С. Следует отметить, что в научнотехнической литературе наряду с термином МСТ применяется термин «микроэлектромеханические системы» (МЭМС). Одним из направлений МСТ является разработка микросистемных акселерометров .





Развитие и усложнение процессов управления подвижными объектами требует постоянного повышения точности измерений параметров движения, в том числе ускорения, а также обработки информации. Требуют постоянного улучшения и принципы построения микромеханических систем, методы анализа и синтеза их характеристик. Вышеприведенные факторы и обусловливают актуальность темы исследования .

Цель работы – выработка новых научных и технических решений, обеспечивающих повышение качества микросистемных акселерометров .

Задачи диссертационной работы:

1) разработка упругого подвеса, повышающего чувствительность подвижного узла акселерометра;

2) разработка методик оптимизации и синтеза параметров акселерометра, повышающих статическую и динамическую точность;

3) разработка методик и алгоритмов оптимизации структуры и параметров акселерометра для снижения влияния на него широкополосной случайной вибрации .

Объект исследования – акселерометр (и его узлы), предназначенный для измерения линейного ускорения .

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы системного анализа, теоретической механики, теории автоматического управления, теории точности измерительных приборов, теории оптимизации и принципы моделирования .

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) получена математическая модель подвижного узла с частично уравновешенной массой маятника, отражающая динамику движения и функциональные связи параметров передаточных функций с физическими и конструктивными параметрами;

2) получено новое нелинейное соотношение для определения газодинамического демпфирования подвижного узла акселерометра углового движения, исследовано его влияние на качество динамики;

3) предложен эффективный алгоритм оптимизации структуры и параметров микросистемного акселерометра в условиях действия стохастических процессов по критерию минимума среднего квадрата ошибки. Обосновано математическое представление широкополосной случайной вибрации (ШСВ), являющейся внешним возмущающим воздействием на прибор, с помощью различного порядка аппроксимирующих функций Баттерворта или Чебышева .

Практическая ценность работы:

1) разработаны компьютерные модели процесса преобразования стохастических сигналов в микросистемном акселерометре с учетом ШСВ для расширения возможностей определения оптимальных значений параметров при инженерном проектировании;

2) разработаны методика синтеза параметров ПИД-регулятора в контуре отработки акселерометра и компьютерные модели процесса преобразования тестовых сигналов в акселерометре для расширения возможностей определения оптимальных значений параметров ПИД-регулятора при инженерном проектировании;

3) обоснован новый вариант реализации упругих подвесов, повышающий чувствительность подвижных узлов акселерометра, с переменным по длине сечением, разработаны схема, математическая модель и практические рекомендации по моделированию их при статических нагрузках по методу конечных элементов, что позволяет повысить качество инженерного проектирования подвесов подвижных узлов;

4) в практику проектирования внедрены: расчеты по структурной схеме и полной математической модели микросистемного акселерометра (используются в НИР и ОКР научно-производственного предприятия), методика оптимизации параметров акселерометра при белом шуме и широкополосной случайной вибрации, что позволило снизить сроки разработок;

5) создано и запатентовано изобретение «Микросистемный акселерометр» .

Реализация в промышленности и в учебном процессе. Выводы, рекомендации и результаты, полученные в диссертационной работе, используются на предприятии АНПП "ТЕМП-АВИА", что подтверждается соответствующими документами, а также внедрены в учебный процесс в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре “Авиационные приборы и устройства” по специальности «Информационно-измерительная техника и технологии» .

Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на Международной молодежной научнотехнической конференции ”Будущее технической науки” (НГТУ, Нижний Новгород; 2006, 2008, 2010 гг.); XI конференции молодых ученых “Навигация и управление движением” (ЦНИИ “Электроприбор”, Санкт-Петербург, 2009 г.);

Международной конференции молодых ученых и студентов "Актуальные проблемы современной науки" (СамГТУ, Самара, 2006 г.) .

Исследование проводилось в соответствии с научной программой работ Арзамасского научно-производственного предприятия “ТЕМП-АВИА”, а также планом научно-исследовательской деятельности Арзамасского политехнического института (филиала) НГТУ в рамках фундаментальной НИР “Разработка теоретических основ наномикросистемной техники” (рег. №1.10.09) с финансированием по аналитической ведомственной целевой программе “Развитие потенциала высшей школы” (“тематический план вуза”) .

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 работ (8 – в периодических изданиях, из них 1 – из списка ВАК); получен 1 патент на изобретение .

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы (77 наименований). Основной текст работы (127 страниц) включает 1 таблицу и 59 рисунков .

На защиту выносятся:

1) математическая модель подвижного узла с частично уравновешенной массой маятника;

2) математическая и компьютерная модели подвеса с переменным сечением;

3) соотношение для определения коэффициента газодинамического демпфирования подвижного узла углового типа движения, учитывающее нелинейный характер процессов;

4) алгоритм оптимизации структуры и параметров акселерометра в условиях действия стохастических процессов по критерию минимума среднего квадрата ошибки, учитывающий воздействующую на акселерометр помеху в виде идеальной модели – белого шума и широкополосной случайной вибрации, аппроксимированной функциями Баттерворта и Чебышева различных порядков;

5) методика синтеза параметров ПИД-регулятора в контуре отработки акселерометра .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, изложены основные научные и практические результаты, выносимые на защиту .

В первой главе приведен обзор методов анализа и синтеза микросистемных акселерометров .

Из обзора научно-технической литературы и анализа существующих конструкций чувствительных элементов (ЧЭ) интегральных акселерометров следует, что у всего множества разработанных подвижных узлов микросистемных датчиков измерения ускорений с электростатической обратной связью, обеспечивающей наиболее компактную конструктивную схему, имеется один существенный недостаток – невысокий уровень электростатической силы обратной связи. Это является препятствием для увеличения диапазона измерений. Наиболее перспективна с этой точки зрения конструктивная схема маятника типа “коромысло”, в которой подвижные массы расположены по разные стороны от оси подвеса, что позволяет частично взаимокомпенсировать инерционные силы и моменты. Принципиально такая схема может применяться с любым типом силового преобразователя, но особенно удачно сочетание с электростатическим .

Упругие подвесы в тематической литературе, как правило, рассматриваются в виде балки переменного сечения с профилем, описываемым полиномом второго порядка. Известные схемы подвесов и их оптимальные решения не исчерпывают всех возможностей повышения чувствительности .

Следовательно, возможно создание более эффективного подвеса .

Из анализа литературы следует, что в большинстве источников используется линейная модель газодинамического демпфирования, а реальный нелинейный характер процесса демпфирования изучен не в полной мере, причем практическое применение представленных соотношений затруднительно. Целесообразно получение новой математической модели газодинамического демпфирования для инженерных расчетов .

В известных публикациях по теме оптимизации конструкции при воздействии помехи в качестве таковой использовался белый шум, т.е .

идеализированная помеха, характеризующаяся постоянным уровнем спектральной плотности на бесконечном интервале частот. На практике встречается шум с ограниченным спектром частот, поэтому актуально решение задачи оптимизации при воздействии ШСВ .

Хотя классический ПИД-регулятор описан во многих источниках, вопросы, связанные с особенностями внедрения в микросистемный акселерометр корректирующих устройств в виде ПИД-регулятора, требуют детального изучения .

Во второй главе разработана математическая модель подвижного узла с частично уравновешенными массами и исследовано влияние параметров упругих подвесов чувствительного элемента на характеристики микросистемного акселерометра .

Подвижный узел типа “коромысло” (рис. 1) является разновидностью интегральных маятников, его достоинством является возможность расширения диапазона при сохранении преимуществ компенсационного метода измерений .

С учетом конструктивных особенностей упругого подвеса подвижный узел можно рассматривать как систему с двумя степенями свободы, соответствующими углу поворота вокруг оси OZ и линейному перемещению вдоль оси OX .

Рис. 1. Чувствительный элемент с частично уравновешенной массой

–  –  –

Наиболее важным звеном, к которому предъявляются повышенные, но противоречивые, требования по механическим характеристикам, является упругий подвес. Специфика его состоит в том, что для достижения высокого уровня живучести требуется обеспечивать большие жесткости подвесов, что приводит к снижению чувствительности. А увеличение упругости за счет соответствующего изменения размеров приводит к тому, что кристаллический подвес становится ненадежным. Это связано с появлением неравномерных напряжений в подвесе. Соответственно целью данных исследований является разрешение противоречивых требований путем выбора оптимальной геометрии подвеса. Пути оптимизации подвеса – либо эксперименты с макетными образцами, либо точное компьютерное моделирование. Результаты моделирования тем точнее, чем больше физических факторов учтено. Наглядным и широко распространенным является метод конечных элементов .

–  –  –

В результате оптимизации передаточной функции акселерометра, описываемой колебательным звеном, были получены аналитические соотношения для коэффициента передачи прямой цепи, постоянной времени фильтра и постоянной времени колебательного звена, включенного в прямую цепь (см. таблицу) .

ШСВ аппроксимировалась полиномом Баттерворта первого, второго и третьего порядков (дальнейшее увеличение порядка полиномов приводит к громоздким математическим выражениям, что определяет сложность вывода аналитических соотношений). Оптимизация проводилась по критерию минимума средней квадратической ошибки (СКО) .

–  –  –

N1 T2, .

Также рассмотрена оптимизация параметров корректирующего устройства в виде ПИД-регулятора, которая проводится по критерию минимума среднего квадрата динамической ошибки датчика путем анализа реакции на детерминированное ступенчатое воздействие. Оптимизация осуществляется методом стохастического поиска при статистическом моделировании (метод Монте-Карло) .

При помощи этого метода в исследуемой системе воспроизводятся процессы, характеризующие ее работу с искусственной имитацией случайных величин, от которых зависят эти процессы, с использованием датчиков случайных чисел .

Алгоритм моделирования системы составляется путем комбинирования детерминированных и стохастических зависимостей. С его помощью получают независимые реализации процесса в заданных условиях использования системы .

Характеристики, которые нужно определить, оцениваются методами математической статистики .

Корректирующее устройство типа ПИД-регулятора, включенное в прямой цепи, в этом случае имеет следующую передаточную функцию:

–  –  –

Компьютерная модель в Simulink представлена на рис. 4, а результат проверки предложенной методики выбора коэффициентов ПИД-регулятора с помощью моделирования – на рис 5 .

–  –  –

Рис. 5. Переходный процесс микросистемного акселерометра с ПИД-регулятором Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод о состоятельности предложенного метода. Такой выбор параметров является простым и эффективным способом достижения требуемого качества системы (переходной характеристики) .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен новый вариант реализации упругого подвеса переменного сечения, обеспечивающий получение более высокой чувствительности подвижного узла (от 3 до 10 % – в зависимости от конкретных параметров микросистемного акселерометра) .

Предложен алгоритм оптимизации структуры и параметров 2 .

акселерометра, работающего в условиях действия стохастических процессов, по критерию минимума СКО. Синтезированы прикладные зависимости, позволяющие рассчитать оптимальные значения параметров структуры акселерометра при ШСВ и идеальной модели помехи в виде белого шума. Предложенные решения позволяют до трех раз уменьшить СКО измерения в зависимости от соотношения границ частотного диапазона ШСВ и измеряемого сигнала Разработаны компьютерные модели процесса преобразования сигналов в 3 .

акселерометре с учетом ШСВ для экспериментальной проверки теоретических результатов и расширения возможностей определения оптимальных значений параметров при инженерном проектировании. Проведено моделирование упругих подвесов подвижных узлов МЭМС при статических нагрузках с помощью метода конечных элементов .

Предложена методика синтеза параметров корректирующего устройства 4 .

в виде ПИД-регулятора, повышающего статическую и динамическую точность, для контура компенсации акселерометра, базирующаяся на идее взаимокомпенсации нулей и полюсов передаточной функции .

Внедрены в практику проектирования: расчеты по структурной схеме и 5 .

полной математической модели микросистемного акселерометра (используются в НИР и ОКР научно-производственного предприятия), методика оптимизации параметров акселерометра при белом шуме и широкополосной случайной вибрации, в результате чего снизились сроки разработок .

–  –  –

из перечня ВАК:

1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И., Улюшкин А.В. Оптимизация параметров микросистемного акселерометра при случайной вибрации // Датчики и системы .

2009. № 2. С. 2–5 .

в рецензируемых изданиях:

2. Патент РФ № 2450278. Микросистемный акселерометр / В.Д.Вавилов, И.В.Вавилов, А.В. Улюшкин. Опубл. 27.05.2011 .

3. Яковлев А.А., Улюшкин А.В. Математическая модель интегрального подвижного узла типа “коромысло” // Труды НГТУ. 2010. № 1. С. 306–311 .

4. Вавилов В.Д., Улюшкин А.В. Настройка корректирующего устройства в контуре микродатчика // Труды НГТУ. 2010. № 2. С. 345–350 .

5. Вавилов В.Д., Волков В.Л., Улюшкин А.В. Оптимизация параметров микромеханического акселерометра // Труды НГТУ. 2010. № 3. С. 308–314 .

Публикации в других изданиях:

6. Улюшкин А.В. Анализ демпфирования маятникового подвижного узла микросистемного акселерометра // Матер. Всеросс. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». Н. Новгород–Арзамас,

2004. С. 282–289 .

7. Улюшкин А.В. Анализ газодинамического демпфирования чувствительного элемента микросистемных акселерометров // Тез. докл. Междунар. конф .

молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» .

Самара: СамГТУ, 2006. С. 90–93 .

8. Улюшкин А.В. Демпфирование перфорированных чувствительных элементов микросистемных акселерометров // Матер. Всеросс. науч.-техн. конф .

«Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». Н. Новгород– Арзамас, 2005. С. 274–278 .

9. Улюшкин А.В. Вывод коэффициента демпфирования осевого и маятникового подвижных узлов // Вестник научного студенческого общества. Арзамас:

АГПИ им. Гайдара, 2005. Вып. 5. С. 114–117 .

10. Улюшкин А.В. Анализ демпфирования подвижных узлов микросистемных акселерометров в тонких газовых слоях // Тез. докл. IV Междунар. молодежной науч.-техн. конф. «Будущее технической науки». НГТУ, 2006. С .

23–24 .

11. Улюшкин А.В. Анализ газодинамического демпфирования чувствительного элемента микросистемных акселерометров // Тез. докл. V Междунар. молодежной науч.-техн. конф. «Будущее технической науки». НГТУ, 2007. C .

274–275 .

12. Вавилов В.Д., Поздяев В.И.,Улюшкин А.В. Оптимизация параметров микросистемного акселерометра при широкополосной случайной вибрации // Тез .

докл. VI Междунар. молодежной науч.-техн. конф. «Будущее технической науки». НГТУ, 2008. С.263

13. Улюшкин А.В., Яковлев А.А. Упругий подвес маятникового чувствительного элемента // Тез. докл. VII Междунар. молодежной науч.-техн. конф. «Будущее технической науки». НГТУ, 2009. С. 24–28 .

Корректор Позднякова Л.Г .

Подписано в печать 14.11.2013. Формат 6090 1/16 Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 210 .

Учреждение «Университетские Телекоммуникации», 199034, СПб, В.О., Биржевая линия, д. 14-16, тел. +7 (812) 915-14-54, e-mail: zakaz@TiBir.ru,




Похожие работы:

«Спецификация на воздушные крепежные мешки (пневмооболочки) ИнтерТрансПак™ Часть 1. Общие сведения Воздушные крепежные мешки предназначаются для крепления груза в транспортных средствах: ж/д ваг...»

«Госгр аж дан строй Инструкция по определению QH 54782 эксплУатаЦионных затрат при оценке проектных решений жилых и общественных зданий Москва 1983 за сертификат производства И здание оф ициальное ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ГРАЖДАНСКОМУ СТРОИТЕ...»

«OFFICEJET 6500A Руководство пользователя E710 HP Officejet 6500A (E710) eAll-in-One series Руководство пользователя 5. Устанавливайте устройство на Информация об авторских устойчивой поверхности. правах 6. Не устанавливайте устройство в © 2010 Copyright Hewlett-Packard таком месте, где каб...»

«А. А. Трофимов Введение к книге "Произведения чувашской народной вышивки в музеях России (ХVII ХХ вв.)" Народное искусство, являющееся одной из форм культурных достижений человечества, способствует дальнейшей их эволюции. В нем сосредоточены древние космогонические представлен...»

«shema_razbora_oruzhiya.zip Снимаем газовую трубку. Далее чистка производится по ситуации: влага стирается ветошью, попавший песок и мусор щеткой.Отвинчиваем дульный тормоз-компенсатор, зажав пальцем его штырь-фиксатор. Если в этот момент в нем находился патрон, он вылетит. Рассмотрим этот процесс подр...»

«1403609 verdol REYES CROUPE.-"Sf UT60&UTC Машины для Крутки Каблирования Прямого каблирования Технические нити UT 60 и UTC 60: ОПТИМАЛЬНЫЕ МАШИНЫ КРУТИЛЬНАЯ, КАБЛИРУЮЩАЯ И ПРЯМОЙ КРУТКИ Охват всех нужд Легкая модернизация Вердоль достигла эталонного уровня в отношении гибкости и Ваша UT 60 может быть легко мо...»

«Руководство пользователя Wi-Fi роутер "Билайн" Smart Box PRO Содержание Введение 4 Настройка роутера ШАГ 1. Подключение ро 5 ШАГ 2. Соединение с роут 5 ШАГ 3. Настройка Инте 6 ШАГ 4. Сохранение настро...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.