Электромагнитный преобразователь с Ш-образным сердечником

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ АРЗАМАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  ИНСНИТУТ (ф)

 

Кафедра                                                        АПУ                                                                          _

 

Заведующий кафедрой

 

_____________________       __________________

    (фамилия, и,о.)                                                                                       (подпись)                

 

_______________________

                                                                                                                   (дата)   

 

Электромагнитный моментный преобразователь  с Ш-образным сердечником

(наименование темы проекта или работы)

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 

 

_________________к    курсовому проекту__________________                                         

 

 

                     Руководитель

 

       ______________         Обухов В.И.

     (подпись)     (фамилия, и,о.)

 

 

               Студент 

              

                               __________________         Ундасинов И.С.

                                                                                                (подпись)                         (фамилия, и,о.)

 

 

 

 

 

 

 

Работа защищена________________(дата)

Протокол №_ ________________________

С оценкой  __________________________

 

 

 

 

 

 

Арзамас 2012 г.

 

В пояснительной записке содержится расчет основных параметров интегрального  акселерометра линейных ускорений, предназначенного для линейных ускорений на различных типах объектов.

В курсовом проекте определены статическая характеристика датчика, рассчитаны основные характеристики подвеса связанные с его геометрией. 
Содержание

 

Введение ………………………………………………………………………………... 5  
1. Выбор и обоснование аналогов …………………………………………………….. 6  
2. Обоснование и выбор электрокинематической схемы дЛУ.  
Принцип действия …………………...……………………………………………….. 13  
2.1 Расчет параметров инерционной массы и упругого  
подвеса ………………………………………………………………………………… 15  
2.2 Структурная схема дЛУ ………………………………………………………….. 20  
2.3 Оценка крутизны характеристики емкостного ДУ …………………………….. 21  
2.4 Расчет статической характеристики …………………………………………….. 23  
Заключение ……………………………………………………………………………. 28  
Библиографический список ………………………………………………………….. 29

 

 

 

 

 

         Введение

В настоящее время  перед авиационной промышленностью  нашей страны ставится широкий ряд  задач, таких как:

• повышение безопасности полетов;
• достижение высокой надежности приборов и точности их показаний.

Развитие систем стабилизации, ориентации и навигации летательных  аппаратов выдвигает перед разработчиками акселерометров сложные научно-технические  задачи. При заданной точности акселерометров необходимо получить минимальные габаритные размеры, массу, стоимость. Это привело к поиску новых конструктивных решений при проектировании акселерометров. Широкое применение в системах управления ЛА стали находить дЛУ.

Целью настоящего курсового  проекта является разработка технологического процесса и специального оснащения, позволяющих как увеличить производительность труда при сборке, так и повысить точность и надежность собираемых изделий.

 

     1. Выбор и обоснование аналогов

Приведем анализ некоторых из зарубежных аналогов.

Наиболее совершенным из известных интегральных изделий является ЧЭ, разработанный в Пензенском ФГУП НИИФИ. Особенностью ЧЭ является заделка несущей пластины с неподвижными электродами по трем точкам. На рис. 1.6 это выступы 6 на несущей пластине 1. Причем с целью снижения влияния контактных напряжении от заделки несущей пластины к корпусу площадь контактов между соединяемыми пластинами выполняется минимальной, а расстояние от точек заделки до упругих подвесов - максимальным. Дополнительно для частичной разгрузки упругих подвесов маятника от температурных напряжении до несущей пластины выполнена несквозная v- образная канавка, разделяющая чувствительный контур от контура сопряжений с другими узлами ЧЭ.

 

Электрическая схема (рис. 1.7) рассматриваемого акселерометра выполнена по тонкопленочной технологии и хорошо согласуется с ЧЭ.

Цикл работы схемы осуществляется за два такта; в течение первого  такта открыты ключи Кл1, Кл2 и Кл5. При этом измерительные емкости С1 и С2 подключены к источникам опорных напряжений и . Одновременно происходит заряд емкости С5 усилителя заряда. На втором такте открыты ключи КлЗ, Кл4 и Кл6, а Кл 1, Кл2 и Кл5 закрыты. Схема усилителя заряда на ОУ2 переключается в схему запоминающей аналоговой ячейки. А в схеме усилителя заряда на ОУ1 осуществляется отработка по цепи  
отрицательной обратной связи по переменному току через конденсатор С3 и выравнивание суммы зарядов на измерительных емкостях с алгебраической суммой зарядов на первом такте. Уравнение преобразования схемы имеет вид:

  Недостатком интегрального акселерометра по схеме рис. 1.7 является тяжение между подвижным и неподвижными электродами, что приводит к ошибке измерений в виде «ложного» ускорения. Причем направление тяжения всегда совпадает с направлением действующего ускорения.

 

В конце 80-х годов в отделении  
Endevko Division фирмы Allied Signal Aerospace Co(США) был разработан  
микроэлектромеханический акселерометр на основе кремниевой  
технологии для измерения линейных  
ускорений в диапазонах 1g, 10g и 100g  
(рис 1.1.). Подвижный узел выполнен в виде маятника 4, подвешенного на несущей рамке 1 на тонких упругих подвесах 2.

С обеих сторон несущей рамки установлены две одинаковые неподвижные крышки 6, соединенные с рамкой с помощью анодной посадки. Для этой цели на крышках выращен слой двуокиси кремния 7, толщиной не менее двух микрометров. Одна из крышек является неподвижным основанием и жестко соединяется с корпусом акселерометра. Для ограничения угловых перемещений маятника на крышках выполнены изоляционные выступы 8.

Демпфирование колебаний  маятника осуществляется газодинамическим способом. для этой цели полости  между подвижным узлом и крышками заполняются вязким газом, например, сухим азотом. При перемещениях маятника вязкий газ перекачивается из одной полости в другую по каналам, образованным зазорами. С целью обеспечения оптимального коэффициента демпфирования на маятнике выполняются сквозные отверстия посредством анизотропного травления. Число отверстий и их величину выбирают с учетом выполнения относительного коэффициента демпфирования в пределах 0,65...0,7. Начальный зазор между подвижным узлом и неподвижными крышками выполняется в пределах 3,6...5 мкм в зависимости от предела измерений.

Маятник акселерометра и крышки выполняют из проводящего кремния и изолируют друг от друга слоем двуокиси кремния. При этом получают две измерительные емкости, изменяющиеся при перемещениях маятника дифференциально, т. е. при уменьшении одной, другая ровно на столько же увеличивается и наоборот. Начальное значение той и другой емкостей составляет порядка 7пФ и изменяется под воздействием измеряемого ускорения с крутизной 0,05 пФ/g. Консоли упругих подвесов расположены относительно средней плоскости маятника, что снижает чувствительность акселерометра к влиянию боковых составляющих ускорений. В местах переходов подвесов к телу маятника и несущей рамки выполнены галтели посредством применения компенсаторов в фотошаблонах.

Линейное ускорение, действующее  вдоль измерительной оси на маятник является одновременно подвижным электродом дифференциальных измерительных емкостей (С1 и С2), включающих пару неподвижных электродов на кремниевых крышках и представляющих собой цепь сбалансированной мостовой схемы, то в результате перемещений мост разбалансируется (рис 1.2). Питание моста переменным током осуществляется от генератора меандра. Сигнал разбаланса далее обрабатывается знакочувствительным детектором, выполненном в виде активной кольцевой схемы. Выражение для оценки преобразования имеет вид:

Погрешность смещения нулевого сигнала  и крутизны статической характеристики в результате изменений температуры  в диапазоне - 54° ... +75° С составляет не более 2%. Время выхода акселерометра  на рабочий режим составляет 1 мс, в то

 

время как время выхода на режим  акселерометров с тензорезистивными  преобразователями составляет от 10 мс до 1 мин.

Недостатком рассмотренного интегрального акселерометра является  
неоправданная сложность при точности на уровне 1%, что ограничивает его применение.

В 1991 г. Арзамасское ОКБ “Темп” (в настоящее время ОАО АНПП “Темп- Авиа”) разработало и внедрило в серийное производство интегральный малогабаритный акселерометр прямого  измерения емкостного типа АТ 1105, который  имеет маятниковый ЧЭ из монокристаллического кремния, изготовленный методами изотропного и анизотропного травления с помощью фотолитографии — технологии позаимствованной из микроэлектроники.

Рисунок 1.2.

 

ЧЭ АТ 1105: - измеряемое ускорение; 1 - кристаллический элемент:  
маятник - инерционная масса и основание, 2 - интегральный упругий подвес с криволинейными обводами - галтелями, З - дроссельное отверстие для оптимальной подгонки коэффициента газодинамического демпфирования, 4  
- стеклянная обкладка с напыленным неподвижным электродом, 5 - контактные площадки емкостного датчика перемещения, С1 - С2 дифференциальная измерительная емкость, α - угол прокачки маятника.

Начальный зазор между  обкладками (маятником и электродами) составляет 20 мкм, а рабочее перемещение  центра масс — 20 % от начального

 

зазора. Подвижный узел имеет газодинамическое демпфирование: в зазоре сухой азот ЛТ2. Элемент кристаллический 1 соединен со стеклянной обкладкой методом электростатической сварки (анодной посадки). Такой ЧЭ способен выдержать ударные перегрузки до ауд = 2ОО с длительностью импульса мс.

АТ 1105 имеет полную функцию преобразования измеряемого линейного ускорения в выходной сигнал в виде напряжения постоянного тока с номинальным значением В относительно средней точки питания при . Сервисная электроника, преобразующая изменение дифференциальной измерительной емкости в постоянное напряжение состоит из нескольких функциональных блоков (рисунок 1.3): вторичного источника стабилизированного ФЧВ: DА1, DА2, DА3, активного низкочастотного фильтра — масштабирующего усилителя (DА4, , ), генератора прямоугольных импульсов (ГПИ), с парафазным выходом на триггере (D1). Конструктивно ЭП выполнен по гибридной интегральной тонкопленочной технологии на 2-х ситалловых подложках с бескорпусными электрорадиоэлементами (ЭРЭ).

 

Электропитание прибора осуществляется от 1-го двухполярного источника  постоянного тока: В. Минимальная полоса пропускания АТ 1105 составляет ƒ Гц (диапазон измерения ).

Недостатки: значительная нелинейность статической характеристики из-за углового перемещеня инерционной  массы-подвижной обкладки измерительной  емкости и разности построечных  емкостей, параллельных измерительным, при регулировке нулевого сигнала. [3]

 

Обоснование и выбор  электрокинематической схемы дЛУ. Принцип  
действия.

Использование дЛУ на современных летательных аппаратах и в народном хозяйстве налагает ряд особых требований наряду с высокой точностью. дЛУ должен обладать малым временем готовности, большим диапазоном измерения при минимально-возможных весогабаритных характеристиках.

Классическая схема  дЛУ включает:  
- чувствительный элемент — инерционную массу;  
- датчик угла;  
- противодействующий элемент — механическую или электрическую пружину. Наиболее широкое применение имеют маятниковьие дЛУ. Принцип  
действия маятникового дЛУ основан на свойстве физического маятника по направлению результирующих сил, действующих на него. В зависимости от метода создания противодействующего момента различают датчики прямого измерения и компенсационного типа.

В датчиках прямого измерения  противодействующий момент создается  упругим элементом — механической или магнитной пружиной. В датчиках прямого измерения параметры преобразующих элементов прибора непосредственно влияют на точность измерения. Поэтому создание дЛУ прямого измерения с большим диапазоном измерения и высоким порогом чувствительности представляет весьма сложную задачу.

Датчики компенсационного типа представляют собой измеритель, охваченный отрицательной обратной связью.

 

Здесь, как правило, имеется датчик, имеющий малый нулевой сигнал и высокий порог чувствительности. Обратная связь включает в себя: датчик момента и усилительно-преобразующее устройство.

Для данного проекта  применяем прямой метод измерения  линейного ускорения, с небольшим  диапазоном измерения, малым весом  и небольшими габаритами на примере  акселерометра АТ 1112.

В качестве датчика угла в данном акселерометре выбран емкостной датчик угла. ДУ является электростатическим. Выбор данного ДУ и датчика момента обоснован весогабаритными характеристиками, отсутствием гистерезисного момента, технологией изготовления.

Чувствительный элемент акселерометра  АТ 1112 сформирован из пластины монокристаллического кремния. Маятниковый подвес и сам чувствительный элемент выполнен с помощью способа сквозного анизотропного травления. При наличии измеряемого ускорения рамка отклоняется на некоторый угол. При этом будет меняться величина воздушного зазора, а это приведет к изменению величины емкостей и разбалансу моста и на его выходе появится выходной сигнал пропорциональный углу отклонения маятника. Сигнал с моста выпрямляется диодным мостом и поступает на выход усилителя. Сигнал с выхода усилителя снимается в виде напряжения. [1]