CC BY
110
Дф^ст
КОМПЕНСАЦИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВЫХОДНЫЕ ПОКАЗАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА В СОСТАВЕ ИНКЛИНОМЕТРА
Н.А. БЕДРО, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»,
B. А. ЕСАКОВ, проф. каф. САУМГУЛ,
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
Существенным недостатком систем на основе микромеханических датчиков является относительно невысокая точность измерения параметров, а также существенная зависимость этой точности от изменения температуры и нестабильности напряжения питания. Существует ряд конструкторских решений, позволяющих снизить температурный коэффициент чувствительности приборов на основе микромеханических датчиков. Но в большинстве случаях для приборов, не предназначенных для специального применения, используется алгоритмическая компенсация влияния температуры на выходные показания микромеханических датчиков [1].
В данной статье рассматривается алгоритмический метод компенсации температуры инклинометра на основе микромеханического акселерометра. Структурная схема инклинометра приведена на рис. 1.
Основным элементом инклинометра является микромеханический акселерометр (МА), выходной сигнал которого прежде чем поступить на выход микроконтроллера (МК) подвержен масштабированию путем умножения на передаточный коэффициент операционного усилителя. МК несет в себе все вычислительные функции инклинометра: получает, обрабатывает и выдает на выход информацию. Полезной информацией, несущей величину действующего ускорения и угла относительно плоскости горизонта, является напряжение с МА, и лишь последующие преобразования, производимые с помощью программно-математических алгоритмов МК, преобразуют в величину ускорения или угловой скорости.
Компенсация температуры заключается в нахождении аппроксимирующей фун-
кции изменения выходного напряжения от температуры и введении ее в конечный расчет с обратным знаком.
Аппроксимирующая функция, в принципе, может быть математической функцией любого типа, линейной комбинацией различных функций или функциональным рядом из степенных, тригонометрических и любых других функций. В основу ее построения желательно закладывать априорные (теоретические) предположения о сущности изучаемого явления, хотя бы по таким свойствам, как область определения переменных и производных, асимптоты, минимумы и максимумы.
Наибольшее распространение в практике аппроксимации при отсутствии теоретических аспектов изучаемых явлений получили функциональные ряды, для которых определяющее значение имеет порядок аппроксимирующей функции (модели) [2].
Как показывают опыты, функция изменения выходного напряжения от температуры имеет линейный характер и ее можно описать уравнением
иВЫХА(Т) = иА0+ДАД
где UA0 - величина напряжения при нормальных условиях;
ВЫХ
IA
5>и
Рис. 1. Структурная схема инклинометра: МА - микромеханический акселерометр; ОУ - операционный усилитель; МК - микроконтроллер; ИП - источник питания
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
89
фйстД
Рис. 2. Зависимость влияния выходного напряжения с акселерометра от температуры
Рис. 4. Коррекция полиномом первой степени
K - коэффициент наклона;
AT - величина прироста температуры.
Под нормальными условиями в первую очередь подразумевается, что температура окружающей среды должна составлять 20 °С, в то время как в США величина температуры берется равной 25 °С.
На рис. 2 приведены зависимости выходного напряжения с МА от температуры из полученных массивов данных. Варьирование температуры происходило в диапазоне от - 40 до +60 °С. Температурный диапазон выбран неслучайно, данный температурный диапазон соответствует условиям работы прибора.
Испытанию были подвергнуты пять приборов. Как видно из рис. 2, зависимость
Рис. 3. Апроксимация выходного напряжения акселерометра полиномами первой, второй, третьей и девятой степени: верхний график - аппроксимация выходного напряжения акселерометра полиномами разной степени; нижний - величина ошибки аппроксимации
Рис. 5. Коррекция полиномом второй степени
Рис. 6. Коррекция полиномом третьей степени
90
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
ДфЭст
Таблица
Сравнение методов компенсации
Исходный сигнал Линейная апроксимация Квадратичная апроксимация Кубическая аппроксимация
0,010498 0,0085003 0,0047044
Параметр
СКО, [В]
Разброс,
[В]
Ось
X
У
X
У
Разница
19,03 %
0,008476
Разница
44,66 %
0,0035849
57,70 %
0,033027
Разница
5,35 %
0,0030073
16,11 %
0,024833
24,81 %
0,028763
Разница
30,93 %
0,016436
33,81 %
0,011728
59,23 %
0,0092691
20,97 %
13,34 %
19,61 %
Рис. 7. Коррекция полиномом девятой степени: а) все поле допуска акселерометра; б) увеличенное изображение
выходного напряжения от температуры не имеет явно выраженный линейный характер. Разброс параметров выходного напряжения с микромеханического акселерометра соответствует заявленным характеристикам производителя [3], а отрицательный наклон характеристик можно объяснить инвертирующим включением ОУ в цепь съема информации.
Серой областью показан диапазон варьирования выходного напряжения с акселерометра от температуры в соответствии с характеристиками, заявленными производителем.
Рассмотрим уравнение, описывающее выходное напряжение с акселерометра ивьхЛ(Т) = ило + и/АТ) + ил^и, АТ) + 50 иА(Т) = КАТ /АТ = Кт (Т- T)
Ua(AU АТ = KAU AU = KAV(U- U0 - KUT (Т - Т))
UАЦП КОУ UBHX А
где UA0 - величина выходного напряжения с микромеханического акселерометра при температуре 20 °С;
КАТ - коэффициент изменения выходного напряжения акселерометра от температуры;
50 - систематическая ошибка (отклонение величина выходного напряжения с микромеханического акселерометра при температуре 20 °С от паспортного значения);
Т - варьируемая температура;
Т0 - «нулевая» температура;
KAU - коэффициент изменения выходного напряжения акселерометра от напряжения питания;
U - варьируемое напряжение;
U0 - «нулевая» величина напряжения;
Кит - коэффициент изменения величины напряжения питания от температуры;
КОу - передаточный коэффициент ОУ!
Как видно из уравнения, даже если брать во внимание изменение выходной величины напряжения с микромеханического аксе-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
91
лерометра от температуры, то нельзя исключать влияния температуры на напряжения питания т.к. в дальнейшем при вводе коррекции будет присутствовать ошибка, равная величине
KUT (T- To).
И не будет произведена полная компенсация влияния температуры на показания инклинометра.
Вернемся к полученным результатам. Как ранее было замечено, при линейной аппроксимации данных получается большая ошибка. Линейная аппроксимация является частным случаем полиномиальной интерполяции с помощью аппроксимирующего полинома
П
f(x) = а + ах + ах2 + ... + axn = е ax1.
Таким образом, увеличивая степень полином аппроксимирующей функции, можно добиться уменьшения величины ошибки.
Произведем аппроксимацию выходного напряжения с акселерометра с помощью полиномов первой, второй, третьей и девятой степени рис. 3.
Как и следовало ожидать, с увеличением степени полинома происходит уменьшение ошибки.
Помимо выполнения коррекции, МК выполняет функции преобразования напряжения в величину действующего ускорения или угловые градусы в зависимости от режима работы. Так же производится компенсация нелинейности выходной характеристики для уменьшения погрешности при измерении углов. Все это приводит к ограничению вычислительных мощностей МК. В связи с этим самым опти-
мальным является аппроксимация полиномами, не превышающими третью степень.
Уравнение корректирующей функции для полинома первой степени будет выглядеть
uKopBblx = U(t) - KT(T - To) -
- KAU(U- U - K(T- To)) - So Произведя коррекцию выходного сигнала полиномами разной степени, получили рис.4-7. В таблице приведены результаты коррекции выходного напряжения с микромеханического акселерометра полиномами различной степени.
Как видно из графиков и таблицы, введение коррекции приводит к увеличению стабильности работы прибора, а именно уменьшению среднеквадратической ошибки прибора и величины разброса напряжения. Также разница между использованием корректирующей функции с задействованием полиномов второй и третьей степени не сильно выражена, а значит, большого выигрыша при использовании полинома третьей степени нет. И наиболее выигрышным, с точки зрения сохранения вычислительной мощности МК и быстродействия прибора, является использование полинома второй степени.
Библиографический список
1. Ачильдиев, В.М. Бесплатформенные инерциальные блоки на основе микромеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения: монография / В.М. Ачильдиев. - М.: МГУЛ, 2007. - 223 с.
2. Макс, Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: в 2-х т. / Ж. Макс - М.: Мир, 1983.
3. ADXL 203. http://www.analog.com
МЕТОД КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВТОРИЧНЫХ
источников питания в динамическом режиме
Е.В. ЖЕРДЕВА, ст. неуч. сотр. филиала ФБУ «46ЦНИИМинобороны России», канд. техн. наук, О.В. ЦАРЕВ, нач. управления филиала ФБУ «46ЦНИИМинобороны России», канд. техн. наук
Современная радиоэлектронная аппаратура в военной технике (РЭА ВТ) характеризуются многофункциональностью и сложностью, которая обусловлена объемом и характером решаемых ими задач с помощью широкого использования разных технических
устройств, которые в своем составе имеют один из важнейших элементов - вторичные источники питания (ВИП).
Анализ развития вооружения РЭА ВТ, как в России, так и за рубежом, показывает, что улучшение тактико-технических и экс-
92
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
