CC BY
86
Челпанов Игорь Борисович
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Доктор технических наук, профессор Chelpanov Igor Borisovich St.-Petersburg state polytechnical university
Professor
E-Mail: igorchelp@yandex.ru
Евстифеев Михаил Илларионович
ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
Начальник отдела Доктор технических наук, доцент Evstifeev Mikhail Illarionovich JSC Kontsern Central Research Institute Elektropribor
Head of department E-Mail: mevstifeev@eprib.ru
Кочетков Андрей Викторович
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Доктор технических наук, профессор Kochetkov Andrey Viktorovich Perm national research polytechnical university
Professor E-Mail: soni.81@mail.ru
05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы
Акустические испытания микромеханических гироскопов
Acoustic tests of micromechanical gyroscopes
Аннотация: В настоящее время все больше внимания уделяется стойкости
микромеханических приборов к акустическим воздействиям. Подобные испытания являются новыми. Для испытаний на акустические воздействия требуется специальные стенды. Для пробных исследовательских испытаний можно использовать устройства звуковоспроизведения мощных акустических систем. Но серьезная проблема заключается в построении замкнутой камеры с незначительными эффектами звукоотражения и с очень хорошей звукоизоляцией для обеспечения безопасности персонала и отсутствия помех другому работающему оборудованию.
Abstract: Now more and more attention it is given to resistance of micromechanical devices to acoustic influences. Similar tests are new. For tests for acoustic influences it is required special stands. For trial research tests it is possible to use devices of sound reproduction of powerful speaker systems. But the serious problem consists in creation of the closed camera with insignificant effects of sound reflection and with very good sound insulation for safety of the personnel and lack of hindrances to other working equipment.
Ключевые слова: Датчики; преобразователь; классификация; микромеханический датчик; гироскоп; эксперимент; акустические испытания; техническая акустика; микромеханические приборы; стенды.
Keywords: Sensors; converter; classification; micromechanical sensor; gyroscope;
experiment; acoustic tests; technical acoustics; micromechanical devices; stands.
***
Введение
В технике основным, базовым или первичным термином является не «эксперимент», не «экспериментальное исследование», а «испытание» (англ. test). В ГОСТ 16504-81 «Испытания и контроль качества продукции. Термины и определения» испытание определяется, как «экспериментальное определение количественных и/или качественных характеристик свойств объекта испытаний, как результата воздействия на него при его функционировании, при моделировании объекта и/или воздействий». В руководстве ИСО/МЭК имеется другое определение: «Испытание - техническая операция, заключающаяся в установлении одной или нескольких характеристик данной продукции, процесса или услуги в соответствии с установленной процедурой». Из него следует, что предполагается широкое многообразие объектов испытаний.
Объектами испытаний являются технические средства. Неразрушающие испытания могут быть сплошными, стопроцентными (англ total test) или выборочными (англ. sampling test). Виды неразрушающих испытаний, пассивные и активные (при специальных испытательных воздействиях) многочисленны, они классифицируются в первую очередь по используемым физическим принципам. Для конструкций и их элементов основными являются акустические (в частности, ультразвуковые) и т.д.
Типовые номенклатуру и характеристики внешних влияющих факторов устанавливает ГОСТ 21964-76 Внешние воздействующие факторы. Номенклатура и характеристики. Классификация в этом стандарте является иерархической. Факторы воздействия делятся на механические, термические (тепла или холода), климатические, биологические, радиационные, электромагнитные, химические (специальных сред), прочие. Эти классы отчасти соответствуют разделам естественных наук. Каждый класс делится на группы, а группы - на виды. По видам приводятся наименования основных параметров и единицы, в которых они измеряются, но какие-либо численные значения параметров не задаются. Типовые значения параметров приводятся в специальных нормативных документах по отраслям промышленности и/или категориям изделий. Ниже особое внимание обращается на класс механических внешних воздействующих факторов.
Случайная прямолинейная вибрация в стандарте характеризуется как стационарная, с постоянными во времени спектральными характеристиками, в первую очередь спектральной плотностью ускорения. Основными показателями являются: частотный диапазон (fmin, fmax), продолжительность T, среднеквадратичные значения виброускорений Ow и виброперемещений Os, их спектральные плотности, задаваемые обычно ступенчатыми аппроксимациями по полосам частот (например, октавным).
Применительно к воздействиям вида акустического шума, представляющего практический интерес только для ограниченных классов изделий (например, изделий точной механики), используются такие же подходы к заданию параметров, как и для случайной вибрации.
Класс механических воздействующих факторов включает следующие группы: колебания, удар, постоянное ускорение, механическое поверхностное давление, силовое воздействие, воздействие потока жидкости. Группа колебаний включает следующие виды: синусоидальную и случайную вибрации, акустический шум, угловую качку, наклон. Для прямолинейной (обычно вертикальной или горизонтальной) синусоидальной вибрации
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
вводятся тройка всегда используемых основных параметров (длительность Т воздействия вибраций, амплитуда виброускорений Жо и частота /) и два дополнительных (амплитуды виброперемещений & и виброскоростей ¥о). Предусматриваются режимы изменений во времени вибрационного режима, два параметра соответствуют модели переменной частоты вибраций, при этом предлагается нормировать скорость и ускорение изменения частоты $/) вибраций. Сам вид закона изменения частоты не оговаривается; возможные варианты этого закона представляется целесообразным предусматривать в виде программ автоматически управляемых вибростендов.
В технике, например, для подшипников качения важными характеристиками являются свойства шума, передаваемого как по металлу конструкций, так и по воздуху. Измерение вибрационных процессов может осуществляться в разных точках конструкции, но желательно, чтобы по возможности ближе к подшипнику и по разным направлениям. Естественным и наиболее простым показателем является общий уровень виброускорений, но существенно большую информацию несут результаты спектрального анализа сигналов акселерометров по полосам частот с помощью спектроанализатора. Также измеряются акустические шумы и их спектральные характеристики, для этого существуют специализированные средства измерений - шумомеры. Известно, что техническая диагностика состояния подшипников качения может осуществляться по уровню и распределению мощности шумов по полосам частот.
Сведения об объекте акустических испытаний
Микромеханический гироскоп (ММГ) - это вибрационный гироскоп, как самостоятельное средство измерений или датчик угловой скорости (измерительный преобразователь) с электрическим выходом, изготавливаемый в виде трехмерных структур из кремниевых пластин по технологии толстых пленок методом травления, для которого измеряемой физической величиной является составляющая угловой скорости его корпуса, направленная по его измерительной оси.
В составе инерциальной навигационной системы ММГ рассматривается не как самостоятельное средство измерений, а как первичный измерительный преобразователь.
Конструкция ММГ должна представлять собой моноблок, содержащий вакуумированный в герметичном корпусе механический чувствительный элемент с инерционным телом на упругом подвесе, систему встроенных датчиков углов и датчиков сил или моментов, электронную схему преобразования, детектирования, усиления и фильтрации (сглаживания) сигналов вторичных колебаний инерционного тела, дополнительных датчиков. Должны быть предусмотрены стандартизованные разъемные устройства ввода электропитания, порты ввода управляющих команд, вывода цифровых выходных сигналов в установленных интерфейсах. Внутренняя полость моноблока должна быть залита компаундом, обеспечивающим отсутствие перемещений элементов при внешних воздействиях и хороший теплоотвод. Должны быть предусмотрены установочные базы и средства надежного базирования, обеспечивающие точное фиксирование корпуса ММГ на основании [1-4].
В стандарте ТЕЕЕ (Международной ассоциации инженеров-электриков [4]) общий перечень показателей, помимо метрологических характеристик ММГ включает такие параметры, как массу и габаритные размеры, потребляемая мощность, углы отклонения измерительной оси от соответствующей оси установочной базы, время активации (дифференцированно: время раскачки по первичным колебаниям, время установления стационарного теплового режима), параметры питания и допустимые пределы их изменений, сопротивление изоляции и ее электрическая прочность, стойкость по отношению к перерыву
электропитания, к внешним магнитным иэлектромагнитным полям, ядерному излучению и к электростатическим разрядам, плесени, песку и пыли, солнечному излучению. Упоминаются такие показатели, как чувствительность по отношению к изменениям давления окружающей среды, акустическому шуму, влажности, воздушным потокам, собственное электромагнитное излучение, герметичность, акустическая активность, параметры выходных сигналов. В отношении температурных воздействий предусматриваются такие виды: постоянная
температура и тепловой удар. Параметры надежности традиционны, это в первую очередь средняя наработка на отказ. Из этого перечисления следует, что стандарт ТЕЕЕ не может рассматриваться как практическое руководство к планированию, а тем более к проведению испытаний ДУС, но может служить напоминанием о том, какие виды испытаний могли бы быть проведены при особо углубленных исследованиях.
В стандартах на общие технические условия часто предусматриваются еще испытания на другие внешние воздействующие факторы:
• акустический шум с уровнями звукового давления от 135 до 175 дБ;
(напомним, что для человека болевой порог составляет 130 дБ);
• повышенная и пониженная температуры (часто в пределах ±700С);
• повышенная влажность (до 100 %);
• пониженное и повышенное атмосферное давление.
При испытаниях на различные воздействия стандарты рекомендуют устанавливать численные значения воспроизводимых внешних воздействующих факторов из установленных параметрических рядов.
Для специфических условий эксплуатации могут предусматриваться испытания микромеханических приборов на воздействия, отражающие гипотетические условия эксплуатации в открытом незащищенном пространстве (пыль, дождь, туман, агрессивная среда, солнечная радиация, биологические факторы и т.п.), упоминаемые в раде стандартов (в том числе и в стандарте 1ЕЕЕ). Промышленность выпускает испытательное оборудование для создания перечисленных воздействий по отдельности, так и в комбинациях, причем с выдерживанием определенных параметров.
В соответствии с характером подобных воздействий или по иным причинам многие из подобных установок должны иметь для размещения испытуемых объектов герметизированные камеры. Иногда при их создании требуется преодолевать серьезные трудности, например, при необходимости имитации условий глубокого космического вакуума. Известные зарубежные фирмы выпускают подобные установки малых и очень больших объемов. Многие установки имеют программируемые устройства микропроцессорного управления, предусматриваются возможности воспроизведения различных программ изменения воздействий.
При получении количественных показателей в результате серьезных испытаний предполагается, что в не очень широких диапазонах изменения большинства воздействий они вызывают дополнительные ошибки, линейно зависящие от масштабных параметров этих воздействий. Результаты испытаний на температурные или иные воздействия принято представлять через коэффициенты влияния. Однако известны исследования, в которых выявляется нелинейный характер этих зависимостей; предположительно также наблюдаются явления теплового гистерезиса.
Методика и результаты акустических испытаний
В настоящее время все больше внимания уделяется стойкости микромеханических приборов к акустическим воздействиям. Подобные испытания являются новыми. Для испытаний на акустические воздействия требуется специальные стенды. Для пробных исследовательских испытаний можно использовать устройства звуковоспроизведения мощных акустических систем. Но серьезная проблема заключается в построении замкнутой камеры с незначительными эффектами звукоотражения и с очень хорошей звукоизоляцией для обеспечения безопасности работающего персонала и отсутствия помех другому работающему оборудованию.
Звуковое давление в логарифмическом масштабе измеряется в размерных единицах, в децибелах (дБ). Технические средства измерения звукового давления широко используются, например, в охране труда. Существуют шкалы сопоставления уровней шумов, воспринимаемых человеком, и оцениваемых по приборам. Однако для испытаний приборов предусматриваются такие высокие уровни звуковых давлений, которые на порядки превосходят допустимые для человека. Новые стандарты диктуют требования к стойкости приборов вплоть до 170 дБ в полосе частот от 20 Гц до 10-12 кГц. Такие требования обусловлены различными, в том числе и тяжелыми, условиями эксплуатации микромеханических приборов на различных технических объектах. Например, при работе сваебойной машины или копра звуковая нагрузка составляет 110 дБ, шум от реактивной струи при взлете самолета, вблизи - 140 дБ, при взлете большой ракеты - 170 дБ.
Установка, в которой реализован один из способов проведения подобных испытаний показана на рис. 1. Испытуемый гироскоп, в данном случае ADXRS300 фирмы Analog Devices, помещается на вращающемся столе.
Рис. 1. Стенд для испытания микромеханических гироскопов
Стол располагается напротив сопла акустической установки. Акустический датчик-преобразователь определяет уровень звукового давления в нескольких сантиметрах от испытуемого датчика. Испытания проводятся в следующей последовательности:
• проводится контроль собственных шумовых характеристик гироскопа без вращения стола и с выключенной акустической установкой;
• проводится контроль уровня шума гироскопа при заданной угловой скорости вращения стола;
• включатся акустическая установка и определяется изменение показаний гироскопа при заданном звуковом давлении;
• без изменения уровня звука изменяется направление вращение стола при сохранении заданного значения угловой скорости;
• варьируется как величина скорости вращения, так и уровень звукового давления.
В результате таких испытание происходит накопление экспериментальных данных, по которым можно построить требуемые характеристики. На рис. 2 показаны приведенные в отчете по испытаниям, проведенным в одной из организаций, типовые изменения предположительно вариации Аллана, полученные при испытаниях гироскопа АОХЯБЗОО с акустическим воздействием и (для сравнения) без него для разных значений угловой скорости его вращения [5].
-360 °/sec, Sound ---180 7sec, Sound - - 0 °/sec, Sound --+180°/sec, Sound - +360 °/sec, Sound
-360 °/sec, No Sound -180 "/sec, No Sound 0 °/sec, No Sound +180 °/sec, No Sound +360 °/sec, No Sound
10
и
0.014-------------------------------- -----------------------------------------------------—---------
0.001 0.01 0.1 1
Cluster Time (sec)
Рис. 2. Испытания гироскопа ADXRS300 с акустическим воздействием и (для сравнения) без него для разных значений угловой скорости его вращения
Как видно на рис. 2, при акустическом воздействии происходит значительное (на порядок) ухудшение показателей точности гироскопа (пунктирные линии) по сравнению с показателями акустического давления (сплошные линии).
Отмечено, что на частоте акустического воздействия, близкой к собственной частоте подвеса инерционного тела чувствительного элемента, происходит резонансное усиление выходного сигнала.
Никаких содержательных выводов относительно состава ошибок гироскопа сделать невозможно, поскольку вид диаграмм на рис. 2 сильно отличается от «стандартного» вида, представленного на рис. 3. Возможно, это вызвано неправильным выбором множителя Щ(ї) при обработке экспериментальных данных.
На диаграмме Аллана зависимость П(ї) в логарифмической сетке представляется в виде ломаной, как и ЛАХ в теории автоматического управления, но по аргументу времени, а не частоты.
При этом наклоны прямолинейных участков чаще всего кратны 10 децибелам на декаду, их можно обозначать - 20 дБ/дек, -10 дБ/дек, 0, +10 дБ/дек, +20 дБ/дек и т.д.
Для описанного состава сигнала часто диаграмма Аллана имеет такой вид, как показано на рис. 3.
Рис. 3. «Стандартный» вид диаграммы Аллана
Каждый участок соответствует определенной составляющей (1-5). Идентификация каждой из составляющих осуществляется по показателю наклона асимптотически прямолинейного (практически - лишь близкого к прямолинейному в логарифмической сетке) участку, а масштабный коэффициент (множитель или вес) составляющей определяется по уровню участка.
В результате проведенного эксперимента определено, что при уровне давления 100 дБ гироскоп АОХЯБЗОО еще способен определять угловую скорость основания (вращающегося стола), а при звуковом давлении 130 дБ уровень шума настолько высок, что гироскоп практически не работоспособен.
Из анализа результатов экспериментальных исследований следует, что для обеспечения нормальной работы гироскопа в условиях мощных акустических воздействий требуется значительное снижение звукового давления непосредственно на гироскоп, для чего в конструкции необходимо предусматривать специальные звукозащитные экраны для эффективной защиты от акустических воздействий.
Выводы
В статье рассматривается круг вопросов планирования, организации и проведения акустических испытаний микромеханических гироскопов. В подборе исходных материалов сделан упор на нормативно-технические документы, излагающие общие подходы и положения, получившие широкое признание, а также содержащие наиболее лаконичные конкретные рекомендации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Евстифеев М.И. Теория и методы расчета упругих подвесов инерциальных
чувствительных элементов приборов навигации. Докторская диссертация. -СПб: ЦНИИЭлектроприбор, 2007.
2. Челпанов И.Б. Автоматические технологические машины и оборудование. Испытания машин. СПб, изд. СПбГПУ, 2008. - 296 с.
3. Евстифеев М.И., Розенцвейн Д.В., Челпанов И.Б. Анализ прочности упругих
подвесов микромеханических гироскопов // Гироскопия и навигация. - 2009. -№.3 - С.22-34.
4. Евстифеев М.И., Степанов О.А., Челпанов И.Б. Испытания микромеханических
приборов. Учебное пособие. - Санкт-Петербург : Издательство ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 2013. - 210 с.
5. Geen J. Progress in Integrated Gyroscopes // IEEE A&E Systems magazine -
November, 2004. pp. 12-17.
Рецензент: Овчинников Игорь Георгиевич, профессор, доктор технических наук, заместитель руководителя Поволжского отделения Российской академии транспорта.
