CC BY
5смещения, то к значению, записываемому во входной регистр смещения, прибавляется величина, определяемая внешним аппаратным кодом. Перевод суммарного линейного кода смещения в код для соответствующего регистра параллельной загрузки осуществляется с помощью таблицы перекодировки, записанной в оперативном запоминающем устройстве перекодировки, доступном для программирования через CAN-интерфейс.
Питание устройства осуществляется от бортовой сети +27 В с помощью импульсного вторичного источника питания, формирующего базовые напряжения +5 и -5,2 В. Мощность потребления от бортовой сети не превышает 15 Вт.
Значение данной разработки не ограничивается применением в составе конкретной РЛС. Созданное устройство за счет использования встроенного гибкого механизма микроконтроллерного управления и возможностей FPGA семейства Spartan 6 может применяться для формирования любых дискретных высокочастотных сигналов.
Литература
1. Xilinx, Inc. Spartan-6 Family Overview, DS160 (vl.5), Advance Product Specification, August 2, 2010.
2. Freescale Semiconductor, Inc. S08D Family DZ, DV, DN 8-bit microcontrollers, BRS08DFAMILY REV 4, 2008.
Поступило 26 января 2012 г.
Крыликов Николай Олегович - доктор технических наук, начальник сектора НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: вычислительные системы специального назначения, информационно-управляющие системы и комплексы транспортных объектов, приборная база для геофизических исследований.
Плавич Максим Леонидович - инженер-электроник НИИ вычислительных средств и систем управления МИЭТ. Область научных интересов: цифровая и аналоговая схемотехника, микроконтроллерные встраиваемые системы управления. E-mail: plavich@hotmail.com
УДК 681.2
Особенности настройки чувствительного элемента балочного пьезокерамического биморфного датчика угловых скоростей
И.И. Макан, Р.В. Шелехов Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Д.Ю. Шахворостов ОАО «НИИ «Элпа» (г. Москва)
Классификация датчиков угловых скоростей (ДУС) и области их применения зависят от основных характеристик чувствительного элемента (ЧЭ), таких как порог чувствительности (соотношение сигнал/шум), коэффициент преобразования, дрейф нулевого сигнала, нелинейность и др. Совокупность этих параметров, устанавливающих класс точности ДУС, определяется конструктивным исполнением, технологическими возможностями, а также особенностями настройки ЧЭ. Учитывая, что основные параметры ЧЭ представляют собой сложную связанную систему и должны соответствовать требуемым значениям в комплексе, задача настройки ЧЭ является нетривиальной. Кроме того, настройка как наиболее трудоемкий процесс вносит наибольший вклад в себестоимость изделия. Поэтому решение проблем настройки и работа по ее упрощению являются весьма актуальными задачами.
© И.И. Макан, Р.В. Шелехов, Д.Ю. Шахворостов, 2012
В настоящей работе рассмотрены особенности настройки ЧЭ балочного пьезокерамическо-го биморфного датчика угловых скоростей с учетом некоторых конструктивных и технологических аспектов.
Пьезокерамические биморфные датчики угловых скоростей относятся к датчикам низкого класса точности, однако имеют множество других областей применения благодаря своим малым габаритным размерам и низкой стоимости. Вследствие относительно простой технологии изготовления ЧЭ пьезодатчики составляют серьезную конкуренцию ДУС, изготовленным по МБМ8-технологии. Простота изготовления заключается в групповой технологии чувствительных элементов, которые представляют собой биморфную пьезокерамическую балку с разделенным электродом (рис.1).
Принципы работы таких чувствительных элементов рассмотрены в [1-3]. Выходной информацией об измеряемой угловой скорости является разностный сигнал с электродов 1 и 2 (рис.2). Следовательно, в отсутствие вращения сигналы с этих электродов должны быть идентичны, в противном случае дифференциальный сигнал становится не равным нулю, что приводит к смещению нулевого сигнала датчика. Важным условием также является равенство выходных сигналов с электродов 1 и 2 во времени и в диапазоне температур, что достигается благодаря равенству частот резонаторов 1 и 2, статических емкостей 1/С01=1/С '01+1/С0 и 1/С02=1/С '02+1/С0 и внутренних сопро-тивлений этих резонаторов (см. рис.2).
Вследствие технологических погрешностей и неоднородности электрофизических параметров по объему балки, описанные выше условия не могут быть выполнены без последующей настройки.
Равенство частот резонаторов 1 и 2 определяется симметрией чувствительного элемента, которая достигается шлифованием большего резонатора до тех пор, пока размеры не выровняются. Емкости С01 и С02 также должны быть равными. В состав каждой из них входит емкость С0, поэтому равенство зависит исключительно от С '01 и С '02, а именно от площадей электродов 1 и 2. Уменьшение площади того или иного электрода приведет к уменьшению емкости соответствующего резонатора. В связи с этим любые операции с электродом 3 не повлекут за собой изменения разницы емкостей резонаторов. Поэтому дальнейшая настройка (уравнивание амплитуд и фаз выходных сигналов с электродов 1 и 2) ведется только со стороны третьего электрода путем уменьшения массы того или иного резонатора.
Равенство частот и емкостей резонаторов, амплитуд и фаз выходных сигналов означает почти полное исключение временных и температурных дрейфов, что значительно повышает точность измерения угловой скорости и уменьшает время выхода в рабочий режим.
Не менее важна правильная расстановка частот по осям возбуждения /г и съема /у выходного сигнала, которая определяется исключительно геометрией: глубиной и шириной разделяющего пропила и отношением высоты ЧЭ к его ширине. Правильный выбор геометрии дает равенство частот и, как следствие, высокую чувствительность. Ошибка даже в несколько единиц микронов
Рис.2. Чувствительный элемент - система двух резонаторов: ■ - резонатор 1; ■ - резонатор 2; 1, 2, 3 - рабочие электроды
повлечет за собой неравенство частот порядка 10-20 Гц, что снизит чувствительность в 2-3 раза (рис.3).
Подгонка частот заключается в снижении массы стороны ЧЭ, перпендикулярной оси, по которой необходимо снизить частоту. Такой способ вносит изменения в геометрию, но не влияет на нормальную работу ЧЭ. Высокая чувствительность самого чувствительного элемента позволяет не прибегать к использованию больших схемотехнических усилений, в связи с чем погрешности настройки, а следовательно и дрейфы, не будут сильно увеличиваться на фоне полезного сигнала.
Таким образом, в результате выполнения конкретных условий для всех параметров (равенства частот резонаторов 1 и 2, равенства частот возбуждения и съема выходного сигнала, равенства емкостей и внутренних сопротивлений резонаторов 1 и 2, равенства амплитуд и фаз выходных сигналов с электродов 1 и 2) будет получен ЧЭ с высокой чувствительностью и пренебрежительно малым временным и температурным дрейфом выходного сигнала, что при правильном схемотехническом решении даст высокую точность и стабильность датчика угловых скоростей.
Литература
1. Малогабаритные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы широкого применения / А.Я. Сафронов, В.Г. Никифоров, Д.Ю. Шахворостов и др. // Электроника НТБ. - 2006. - № 8. -С. 62-64.
2. Образцов Р.М. Малогабаритный вибрационный гироскоп с балочным биморфным чувствительным элементом из пьезоэлектрической керамики // Нано- и микросистемная техника. - 2008. - № 10. -С. 52-54.
3. Образцов Р.М., Шахворостов Д.Ю. Некоторые особенности проектирования пьезокерамического балочного вибрационного гироскопа // Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий: сб. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. (Анапа, 22-26 сент. 2008 г.). -Ростов н/Д: Изд-во Ростовского государственного педагогического университета, 2008. - С. 131-140.
Поступило 14 декабря 2011 г.
Макан Иван Иванович - аспирант кафедры пьезоэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: разработка изделий пьезотехники, математическое моделирование.
Шелехов Роман Владимирович - аспирант кафедры радиоэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: разработка изделий пьезотехники, математическое моделирование.
Шахворостов Дмитрий Юрьевич - начальник отдела частотно-селективных устройств ОАО «НИИ «Элпа» (г. Москва). Область научных интересов: разработка изделий пьезо-техники. E-mail: shakhvorostov@inbox.ru
Л -./,•1 'I
Рис.3. Зависимость чувствительности датчика угловых скоростей от разности частот по осям возбуждения и съема выходного сигнала
