Алгоритмы и методики расчёта тепловых полей низкочастотных микромеханических акселерометров

• Автор: Скаморин, Денис Анатольевич
• Шифр специальности: 05.13.18, 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Пенза
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Содержание
Введение .
Глава 1. Анализ современного состояния исследований в области теплового проектирования акселерометров .

1.1 Состояние развития линейных акселерометров.

1.1.1 Акселерометры прямого дейс твия

1.1.2 Акселерометры уравновешивающего преобразования

1.1.3 Акселерометры с магнитоэлектрическим уравновешиванием .

1.1.4 Акселерометры с электростатическим уравновешиванием

1.2 Анализ современного состояния исследований и методов расчета температурных полей РЭА.

1.2.1 Метод схематизации процессов теплообмена внутри нагретой зоны

1.2.2 Приближенный численный метод расчета температурных

полей инерциальиых датчиков .
1.3 Обзор методов численного решения нестационарных уравнений в частных производных .
1.3.1 Метод конечных разностей
1.3.2 Метод конечных элементов
1.4 Обзор и классификация математических моделей, используемых при проектировании средств измерений
1.5 Функциональная модель проектирования наджных радиоэлектронных устройств
1.6 Обзор методов оптимизации математических моделей
1.7 Выводы
Глава 2. Разработка методики расчта тепловых полей микромеханичсскнх акселерометров
2.1 Определение класса исследуемого устройства ,,
2.2 Алгоритм численного определения теплового поля датчика
2.3 Методика теплового расчета электронной части акселерометра.
2.3 Определение температуры среды в области измерения .
2.4 Расчт температурной чувствительности тензорезисторного преобразователя .
2.5 Определение температурных перепадов в микромеханическом чувствительном элементе акселерометра .
2.6 Определение температурного дрейфа в структуре измерительного канала акселерометра
2.7 Расчет сопротивления регулирующего резистора датчика температуры акселерометра .
2.8 Выводы
Глава 3. Разработка комплекса программ, реализующего предложенные алгоритмы
3.1 Разработка алгоритмов
3.2 Выбор языка программирования.
3.3 Программная реализация разработанных алгоритмов
3.4 Состав и применение программного комплекса
3.5 Выводы.
Глава 4. Экспериментальные исследовании разработанного комплекса программ.
4.1 Методика проведения эксперимента
4.2 Контроль эффективного значения пульсаций выходного
напряжения и тока потребления измерительного канала
4.3 Проведение испытаний на воздействие изменений температуры окружающей среды на тензорезисторный измерительный мост
4.4 Проведение испытаний на воздействие изменений температуры окружающей среды на чувствительный элемент прибора .
4.5 Испытания на воздействие изменений т емпературы окружающей среды.
4.6 Расчет сопротивления регулирующего резистора
4.7 Выводы .
Заключение.
Список сокращений .
Список литературы


Алгоритм определения температурных полей низкочастотных микроме-ханических акселерометров, позволяющий учитывать характер реакции каждого функционального элемента акселерометра на тепловое воздействие. Программный комплекс, реализующий разработанные методики и алгоритмы, позволяющий разработчику в кратчайшие сроки подобрать оптимальные параметры конструкции каждого элемента прибора, не проводя дополнительных натурных испытаний, прогнозировать поведение прибора в различных температурных условиях. Реализация работы. Результаты исследований и комплекс программ внедрены в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) и используются при производстве акселерометров АЛЕ 5, а также при разработке нового поколения прецизионных низкочастотных акселерометров; внедрены в учебный процесс на кафедре КиПРА ПТУ, что подтверждается актами внедрения. Средства измерений линейного ускорения, или акселерометры, являются неотъемлемой частью навигационных систем, систем наведения, контроля и управления движением летательных аппаратов различного назначения. Линейными акселерометрами называются устройства, предназначенные для измерения поступательного движения объекта путём соответствующего измерения приложенной к нему суммы внешних сил. Принцип их действия основан на использовании закона о взаимном равенстве действия и противодействия, поэтому вся необходимая информация о поступательном движении в акселерометрах вырабатывается непосредственно в процессе их энергетического (силового) взаимодействия только с самим объектом, без какого-либо взаимодействия с внешним миром. Примером простейшего акселерометра может служить устройство, названное в монографии [] механической колебательной системой, работающей в режиме акселерометра. Она содержит жесткую опору в виде корпуса, к которому крепится упругий элемент с жесткостью с, в свою очередь соединенный с массой т. При движении корпуса прибора с ускорением а масса акселерометра стремится сохранить свое первоначальное положение, создавая тем самым силу инерции Г, которая равную произведению т-а . Указанная сила, действуя на упругий подвес, приводит к его прогибу на величину х. При этом согласно закону Гука возникает восстанавливающая упругая сила, равная произведению с-х. В установившемся режиме инерционная и упругая сила равны, т-а = с-х, а а = х-с/т. Из этого следует, что перемещение х может служить мерой ускорения, а акселерометр можно считать функционально законченным устройством, если колебательная система совмещена с преобразователем перемещения. Как правило, преобразователь перемещения акселерометра состоит из элемента преобразования в первичный электрический параметр — сопротивление, индуктивность, емкость, напряженность и т. Первичный преобразователь совмещается с колебательной системой, а измерительная цепь может размещаться как в упомянутом корпусе, так и на значительном удалении от него. Современные акселерометры - приборы, широко использующие технологии микроэлектроники, микромеханики, нетрадиционные материалы, измерительные цепи со сложными алгоритмами работы, предполагающими наличие сложных связей с первичным преобразователем. Структурная схема акселерометров прямого действия может быть представлена в виде последовательного соединения чувствительного элемента (ЧЭ) и измерительной цепи (ИЦ) []. ЧЭ выполняет преобразование “ ускорение - сила - перемещение” и содержит колебательную систему, совмещенную с подвижным элементом преобразователя перемещения. ИЦ выполняет функции измерения, усиления, фильтрации, нормирования. По степени влияния на метрологические характеристики акселерометра ЧЭ и ИЦ равноценны, так как погрешности прибора определяются суммированием погрешностей отдельных звеньев. Пьезорезистивные и емкостные акселерометры прямого действия получили свое название по типу используемого в них преобразователя перемещения. Пьезорезистивные акселерометры предназначены для измерения ускорений величиной более м/с2 в частотных диапазонах измерений до Гц. ЧЭ этих приборов представляют собой кремниевый кристалл, защищенный с двух сторон стеклянными пластинами.