Разработка и исследование стенда для динамической калибровки микромеханических инерциальных датчиков

• Автор: Чекмарев, Антон Борисович
• Шифр специальности: 05.11.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 161 с. : ил.

Глава 1. Обзор современного состояния метрологического обеспечения микромеханических инерциальных датчиков. Постановка задачи исследования

1.1 Анализ режимов работы микромеханических инерциальных датчиков

1.2 Обзор существующих методов и средств оценки динамических характеристик микромеханических инерциальных датчиков

1.3 Выбор схемы построения стенда

1.4 Выводы к главе 1 и постановка задачи исследования

Глава 2 Анализ механической и электромагнитной систем стенда

2.1 Постановка задачи исследования

2.2 Анализ механической системы стенда

2.2.1 Анализ влияния длины кулисы на АЧХ стенда

2.2.2 Анализ влияния способа расположения катушек управления на АЧХ стенда

2.2.3 Анализ погрешностей механической системы стенда

2.3 Исследование электромагнитной системы стенда
2.3.1 Метод исследования
2.3.2 Анализ влияния диаметра сердечника на значение индукции
в воздушном зазоре
2.3.3 Анализ влияния ширины и длины зазора на АЧХ стенда
2.3.4 Анализ тяговой характеристики электромагнитного привода стенда
2.4 Выводы к главе
Глава 3 Анализ и синтез системы управления стенда
3.1 Постановка задачи исследования
3.2 Выбор схемы управления
3.3 Разработка структуры системы управления стенда
3.4 Аналитическое исследование электромеханической системы стенда
3.5 Моделирование работы электромеханической системы стенда в ЗшшИпк
3.6 Разработка модели системы автоматического управления стенда
3.7 Аналитическое исследование модели системы управления совместно
с моделью электромеханической системы стенда
3.8 Выводы к главе
Глава 4. Разработка конструкции и аттестация опытного образца стенда
4.1 Постановка задачи
4.2 Проектирование и расчет электромагнитного привода стенда
4.3 Анализ температурных режимов работы стенда
4.4 Программно-аппаратная реализация системы управления стенда
4.5 Расчет погрешности стенда
4.6 Аттестация стенда
4.7 Динамическая калибровка микромеханического гироскопа на стенде
4.8 Метод расчета стенда
4.9 Выводы к главе
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А. Рабочий диапазон стенда
Приложение Б. Картины тепловых полей стенда
Приложение В. Реализации угловой скорости при аттестации стенда
Приложение Г. Реализации угловой скорости при динамической калибровке ММГ ..159 Приложение Д. Акт внедрения результатов работы

В последние десять лет в различных областях науки и техники активное развитие получили микроэлектромеханические (МЭМС) датчики и устройства. Особенностями этих изделий являются малые масса и габариты, а также низкая стоимость. Среди указанного типа устройств выделяется класс микромеханиче-ских инерциальных датчиков, к числу которых относятся микромеханические гироскопы (ММГ) и акселерометры (ММА), широко применяемые как в гражданской, так и в военной области. Активное развитие получили фото- и видеокамеры, оснащённые системами стабилизации изображения на микромеханических акселерометрах, игрушки, планшетные компьютеры, многочисленные автомобильные системы управления движением также оснащены ММГ и ММА. Появление этих датчиков в военной технике позволило создавать системы управления беспилотными летательными аппаратами, стабилизировать движение наземных и морских роботов, управлять полётом на траектории различными видами боепри-пасов.-Для управления вращающимися по крену высокодинамичными объектами необходимо создание ММГ и ММА, работающих в широком частотном диапазоне. Такие датчики выпускаются как зарубежными, так и отечественными производителями. В России наибольшие успехи в этой области достигнуты в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» [20, 37].
Оценку динамических характеристик ММГ и ММА можно производить на основании либо косвенных данных, либо путем прямого измерения этих характеристик [9, 11, 15]. Очевидно, что непосредственная оценка является наиболее предпочтительной. Созданием методов и средств измерений динамических характеристик ММА, в том числе и вибрационных, занимались многие исследователи. Вопросы создания стендов для оценки динамических характеристик ММГ в полосе частот более 100 Гц разработаны существенно хуже. Отчасти это объясняется тем, что вопрос о наличии подобной информации наиболее остро стоит только при создании малогабаритных систем на микромеханических датчиках, применяемых в высокодинамичных объектах.

Таким образом, исследования электромагнитного привода проводятся методом конечно-элементного анализа на геометрической модели, выполненной в программном комплексе Elcut (рисунок 26). При этом для каждого блока модели задаются начальные условия расчета. Так, для магнитопровода задается кривая намагничивания ферромагнитного материала, определяющая его магнитную проницаемость в зависимости от напряженности магнитного поля. Для материала магнитопровода задаются параметры сортовой электротехнической стали 21850 по ГОСТ 11036-75. Для КУ и КН задается относительная магнитная проницаемость проводника ц и плотность тока j. При моделировании в качестве проводника КУ и КН принимается медный провод (ц~1). Плотность тока в КУ jKу принимается 6 А/мм2, плотность тока в КН jm принимается 4 А/мм2. Для немагнитных сред задается значение относительной магнитной проницаемости. Для воздуха — М-возд~1 [4]. Указанные значения при исследованиях электромагнитного привода не изменяются.
На рисунке 27 приведены обозначения размеров геометрической модели электромагнитного привода (рисунок 26), которые варьируются при анализе взаимных зависимостей его параметров.
Рисунок 27 - Размеры геометрической модели электромагнитного привода. Согласно приведенной схеме, магнитопровод электромагнита условно делится на 4 участка: 1 - сердечник, 2 - основание, 3 - стенка, 4 - полюс [12]. Раз-