CC BY
50
ной промышленностью технология кристалла светофотодиода [2]. Разница состоит лишь в том, что под областью излучателя должны находиться сразу одиннадцать фотодиодов. Структура кристалла разрабатываемой схемы ОЭКП, очевидно, должна состоять их трех основных элементов: излучателя, области изоляции и фотодиодов, расположенных изолированно друг относительно друга под излучателем и имеющим каждый электрически изолированные выводы (рис. 1).
Исходя из такого расположения областей можно сформулировать основные требования к ним [3].
Слои, образующие область излучателя, должны обеспечивать требования к мощности излучения, быстродействию, быть практически прозрачными для излучения в рабочем диапазоне длин волн (X =0,85,...0,95 мкм). Область изоляции должна также быть практически прозрачна для излучения в рабочем диапазоне длин волн и обладать необходимым сопротивлением изоляции. Слои, образующие область фотоприемников, должны обеспечивать требования по чувствительности и быстродействию. Причем, макетам спектра излучения верхней излучающей области должен соответствовать максимум спектральной зависимости чувствительной области фотоприемника. В рассматриваемой структуре кристалла в качестве излучателя ИК-диапазона целесообразно использовать гетероструктуру на ос-
нове GaAs-AlGa1 As , которая характеризуется высоким квантовым выходом излучения, высоким быстродействием и кроме того, при соответствующем подборе состава и толщины эпитаксиальннх слоев, может быть практически прозрачна для излучения в рабочем диапазоне длин волн. Область изоляции должна быть также выполнена на основе GaAs-AlGa1xAs структуры. Причем, выбор состава и толщины области будет определять прозрачность, а толщина и удельное сопротивление (концентрация носителей) будет определять сопротивление изоляции области в целом.
В качестве фотоприемников могут быть также использованы гетеропереходы GaAs-Al Ga As.
x 1-x
Таким образом, конструкция кристалла ОЭКП может быть реализована на многослойной эпитаксиальной структуре в системе GaAs-AlxGa1 As на подложке GaAs.
Библиографический список
1. Горохов, В.А. Физические основы конструирования и схемотехники интегральных оптоэлектронных коммутаторов / В.А. Горохов // Электронная промышленность.- 1980. - № 1. - С. 23-31.
2. Горохов, В.А. Функциональная классификация и схемотехника интегральных оптоэлектронных коммутаторов / В.А. Горохов // Полупроводниковая электроника и техника связи. - М.: Связь, 1977. - Вып. 18. - С. 185-203.
3. Амброзяк, А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов / А. Амброзяк. - М.: Сов. Радио, 1970.
АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ПОГРЕШНОСТИ
микромеханических акселерометров и наклонометров из-за нестабильности напряжения питания
Н.А. БЕДРО, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»,
B. А. ЕСАКОВ, проф. каф. САУМГУЛ, канд. техн. наук,
М.В. ИВЛЕВА, инженер-технолог ОАО «НПО Геофизика-НВ»,
М.Н. КОМАРОВА, инженер-технолог ОАО «НПО Геофизика-НВ»,
C. А. ГАМКРЕЛИДЗЕ, проф. каф. электроники и микропроцессорной техники МГУЛ, д-р техн. наук
Наклономер (инклинометр) - это прибор, определяющий угол между эталонной прямой (осью), лежащей в плоскости горизонта, и той прямой (осью), которая определя-
caf-sau@mgul.ac.ru
ет текущее положение прибора. В настоящее время существуют наклономеры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, которые имеют
28
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
высокую точность, небольшие размеры, отсутствие подвижных механических узлов.
Простота монтажа и разнообразие интерфейсов дает возможность использовать их не только на стационарных, но и на подвижных объектах в таких областях применения, как определение положения высотных сооружений, плотин, стволов шахт, платформ, определение величины прогибов и деформаций опор и балок мостовых и туннельных конструкций, контроль углов наклона автомобильных и железных дорог. Кроме того, решаются такие технически сложные вопросы, как определение крена транспортных средств на суше и на воде, также строительных и сельскохозяйственных машин. Инклинометры нашли свое применение в судостроении, в нефтедобывающей, перерабатывающей промышленности, в машиностроении, также в системах безопасности и сигнализации.
Коэффициенты чувствительности масштабных коэффициентов и смещение нуля к измерению напряжения питания можно определить путем измерения калибруемых параметров и построении аппроксимирующих функций в виде полиномов [1]
ф»у(0 = Е«(,--Ф,-(0, (1)
2=0
где а.. - оцениваемые параметры модели погрешностей, являющиеся коэффициентами обобщенного многочлена Ф„;-(0; i = 0...n;
j = 1...m - калибруемый параметр; m - количество калибруемых параметров.
В результате испытаний кремниевых чувствительных элементов с обратной связью установлено, что измерения их параметров от напряжения питания носят характер, близкий к линейному. Поэтому можно выбрать аппроксимирующую функцию в виде полинома первого порядка
фlj(t) = Taij^q>i(t), (2)
2=0
где j = 1...m
Необходимо вычисление коэффициентов а , а для определения коэффициентов чувствительности.
ДфЭст
При обработке зависимостей методом наименьших квадратов параметры модели определяются так, чтобы минимизировать среднеквадратическое отклонение
->шш, (3)
р 4=1
где Ъ - среднеквадратическое отклонение j-го параметра;
Фп/иш) - значение оцениваемого параметра при фиксированном напряжении питания;
Ф^ - аппроксимирующая функция при фиксированном напряжении питания;
Unk - фиксированное значение напряжения питания (к = 1...р, гдеp - количество измерений).
Минимум среднеквадратического отклонения достигается при тех же значениях а , а , что и минимум функции
(4)
k=1 2=1
причем
S]=--Sj,j = l + m.
Р
Условие минимума функции S. имеет
вид
daij
i = 0,1; j = 1..т.
(5)
Дифференцируя выражения (5) и проводя соответствующие преобразования, получим
aoJ =
Р ы\
4=1
±Р*У-
4=1
Р 4=1 4=1_________
--<±ил?
Р 4=1
(6)
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
29
фйстД
ач =
£г/лк-Ф,4(ял)£(ялк)! -
±ршу-
Р_
1
Р
£^т!>„(СЛж)
к=1_к=1______
■&иш?
к=1
где к = 1.../»;
(7)
^ - число измерении.
Полученные выражения (6) и (7) позволяют определить коэффициенты чувствительности идентифицируемых параметров от напряжения питания, то есть коэффициенты чувствительности наклономера.
Коэффициентами, зависящими от изменения напряжения питания данного инклинометра, являются КА - масштабный коэффициент и U0A - смещение нуля акселерометра.
Пусть погрешность в определении масштабного коэффициента чувствительного элемента и смещения нуля зависят только от изменения напряжения питания рассматриваемого прибора (т = const).
Тогда на основании выражения (2) выберем аппроксимирующие функции в виде полиномов первого порядка
j ~aoj + а\j (Un Uno),
Зависимость масштабного коэффициента акселерометра при изменении напряжения питания запишется в виде
KAi(Un) = KAi + 8KuJ(Un-Uno\ (8)
где KAi - значение масштабного коэффициента акселерометра при нормальном напряжении питания Un0;
ЬКА? - коэффициент чувствительности акселерометра к изменению напряжения питания.
Зависимость напряжения смещения нуля акселерометра при изменении напряжения питания имеет вид
U0Ai(Un, Ф) = иш +ьи^(ип-ипох
при ф = const;
UnAi - значение напряжения смещения нуля акселерометра при нормальном напряжении питания Un0;
Ь1/^(ип -Un0) - коэффициент чувствительности к напряжению питания смещения нуля акселерометра.
Таким образом, зависимость масштабного коэффициента и смещение нуля при изменении напряжения питания для акселерометра запишутся в виде
кмр„)=км +SK"(U„-U„y,
и,Ли„)= и„м +ьи"л,(уп
где j - номер идентифицируемого параметра; В соответствии с выражениями (6) и (7)
Un0 - нормальное напряжение питания. выражения коэффициентов будут иметь вид
! iKAkt(Unk-ипо)2 ~Ъипк -Um)±KAk -(Unk-ипо)
_ 1 . к=1 к=1________Л=1________Ы1_____________.
К*Р
Е^Лк ^Яо)2 Ё(^Я1г
Л-1 Я ^Л=1 у
Е^л(^як-^яо)--Е(^ял-ипо)^КАк 8Ки =k=l ^k=l k=1
-Un0)
LAi
Е^лк-^яо)2-1! Ё^лк^ло)
Л=1
Y
PU=1
! Е^лЕ^лк -^ло)2 -Е^лл-Uno)TUOAk '(^Лк-^яо)
_ 1 . л=1 л=1________________ы_______________ы_____________________•
U°Ai~ р
5U!
Е^Лк ^ло) „ ЕС^Лк С/яо)
Л=1 Р Ц=1
iu0Ak(Unk-Uno)--i(unk-Uno)±U(
к=\ "
к=\
OAi
Е^лк-^ло)
2 1
Л=1
Гр V
Е^лк-^ло) U=1 У
30
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
ДфЭст
Таблица
Инклинометр 048.10
M, м/с2 о, м/с2
До компенсации После компенсации До компенсации После компенсации
X Y X Y X Y X Y
0,036358 0,04585 0,0396 0,049 0,005864 0,006158 0,00049 0,000894
Рис. 1. Инклинометр № 048.10 на оснастке
Рис. 3. Зависимость смещения нуля акселерометра от напряжения питания с компенсацией, ось Х
Проводилось исследование влияния напряжения питания на выходные характеристики инклинометра № 048.10.
Прибор, закрепленный на оснастке, поместили в термокамеру.
Исследования проводились с помощью программы «Считывание данных с таймером», в термокамере поддерживалась температура +20 °С. Изменяя напряжение питания от 6 В до 15 В с интервалом в 1 В, снимались выходные характеристики инклинометра поочередно по осям X и Y, которые
Рис. 2. Зависимость смещения нуля акселерометра от напряжения питания
Рис. 4. Зависимость смещения нуля акселерометра от напряжения питания с компенсацией, ось У
были установлены в горизонт. Результаты испытаний представлены в виде графиков. Как видно из графиков, зависимость ускорения от напряжения питания носит нелинейный характер.
Рассчитанные математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение приводятся в таблице.
Из исследований можно сделать вывод, что выходные характеристики инклинометра зависят от напряжения питания. После компенсации значения СКО по осям Х и
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
31
