CC BY
78
УДК 681.51
А.П. Гринчук, канд. техн. наук, директор, (37517)2781401, irma@irma.of. by (Республика Беларусь, Минск, Минский НИИ радиоматериалов), И.А. Таратын, канд. техн. наук, начальник управления «Микромеханика», (37517)2783706, mems. irma@gmail .com
(Республика Беларусь, Минск, Минский НИИ радиоматериалов), А.Л. Потапов,начальник НИС-24управления «Микромеханика», (37517)2783917, mems. irma@gmail .com
(Республика Беларусь, Минск, Минский НИИ радиоматериалов), Н.А. Брильков, инженер-электроник 2 кат. НИС-24, (37517)2783917, Nick.Brilkov@gmail.com
(Республика Беларусь, Минск, Минский НИИ радиоматериалов)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКА УГЛА НАКЛОНА
Рассмотрены варианты исполнения датчиков угла наклона; представлены результаты исследования характеристик ДУН 02-60, принцип его работы и условия эксплуатации. Ключевые слова: датчик угла наклона, акселерометр, ускорение, ADXL.
Датчики угла наклона нашли широкое применение в различных областях промышленности, автоматизации, наклонном бурении, системах поддержания устойчивости подъемных кранов, грузоподъемников, рабочих платформ, системах стабилизации положения различного промышленного оборудования, а также в других областях. В связи с этим в настоящее время разработано множество приборов, реализованных на различных принципах работы.
Один из вариантов реализации датчика угла наклона — использование МЭМС акселерометров. Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они применяются в медицине, транспорте, промышленных системах измерения и управления, инерциаль-ных системах навигации. В промышленности изготавливается большое разнообразие акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габаритные размеры и стоимость.
Датчик угла наклона ДУН 02 производится с 2008 года по техническим условиям BY 100428401.181-2008, являлся средством измерения и был зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под номером РБ 03 01 3635 08.
В период с 2010 по сентябрь 2011 года по требованию заказчиков нами были разработаны и испытаны модификации датчика угла наклона для измерения углов в диапазоне ±10, ±20, ±45, ±60, выполненных на базе двухосного интегрального акселерометра ADXL213, производимого фирмой AnalogDevices [1].
Данный акселерометр позволяет измерять линейное ускорение по двум взаимно перпендикулярным осям, находящимся в плоскости кристалла.
Таким образом, измеряя величину проекции силы тяжести (ускорения свободного падения) на оси акселерометра, можно определить величину угла наклона объекта относительно плоскости земли.
Технические характеристики датчика угла наклона ДУН 02 и его модификаций приведены в таблице.
Технические характеристики датчика угла наклона ДУН 02
и его модификаций
Параметры ДУН 02 ТУ BY 100428401.1812008 ДУН 0210 ДУН 0220 ДУН 0245 ДУН 0260 дун 01
Диапазон измерений, угл. градус ±45 ±10 ±20 ±45 ±60 ±45
Приведенная погрешность измерения в диапазоне температур по одной оси, угл. градус ±0,5 ±0,1 ±0,2 ±0,3 ±0,3 ±0,5
Величина температурного дрейфа нуля (в рабочем диапазоне температур, с учетом программной компенсации), угл. градус 0,1
Рабочий диапазон температур, °С -40...+85 +5..+125
Напряжение питания, В 9...14
Потребляемый ток, мА, не более 30
Интерфейс RS-485, RS-232*
Габаритные размеры, мм 48х35х18 070x50 без кабеля
Масса, г, не более 80 140
* - по требованию заказчика.
Модификация датчика ДУН 02-45 в том же диапазоне измерений (± 45 угл. градус), что и ДУН 02, выполненный по техническим условиям, обладает меньшим значением приведенной погрешности (±0,3 и ±0,5 угл. градус соответственно). С уменьшением диапазона измерений уменьшается и приведенная погрешность (в диапазоне ±10 угл. градус приведенная погрешность составляет ±0,1 угл. градус).
По требованию заказчика возможны различные варианты исполнения корпуса, соединительных разъемов, интерфейса и скорости обмена данными.
В настоящее время возможна реализация датчиков с интерфейсами RS-485 и RS-232, а также ведутся работы по использованию интерфейса CAN.
В данной статье представлены результаты исследования характеристик ДУН 02-60 (рис. 1,а) и ДУН 01 (рис. 1,б). Они имеют одинаковый принцип работы, но разное конструктивное исполнение для разных условий эксплуатации.
а
б ж
Рис. 1. Датчик угла наклона: а - ДУН 02-60; б - ДУН 01
Функциональная схема датчика угла наклона, реализованного на акселерометре ADXL 213, показана на рис. 2.
Ах-
Ау-
Xoul ФНЧ
ADXL 213
Yout ФНЧ
ШИМ-снгвал X
ШИМ-скгвал У
PIC18F
ССР1 TxD
ССР2 RxD
TxD
RxD
Интерфейс RS-485
PC
Рис. 2. Функциональная схема датчика угла наклона ДУН
Выходным сигналом акселерометра ADXL213 являются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению (ШИМ-сигнал). Такой тип выхода обеспечивает повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала по одной линии и прием его любым микроконтроллером, имеющим таймер.
С выходов акселерометра Xout и Yout широтно-импульсный сигнал, пройдя через фильтр низких частот, поступает на дискретные входы микроконтроллера PIC18FCCP1 и CCP2. Микроконтроллер измеряет длительность импульса ШИМ-сигнала, а также его период и с помощью соответствующих алгебраических и тригонометрических преобразований определяет текущий угол наклона акселерометра относительно плоскости земли. В дальнейшем этот сигнал в формате интерфейса RS-485 поступает в компьютер.
Для определения величины температурного дрейфа нуля датчика его помещают в термокамеру. Температура термокамеры изменяется в пределах от -40 до +85 °С линейно за 6 - 8 ч. Данные записываются в файл и обрабатываются с помощью прикладной программы для работы с электронными таблицами MicrosoftExcel. Результаты измерений представлены на рис. 3.
10150
л н
о О
^10000 -
ш И
9S50-I-т-т-т-
-3.00 -1,50 0,00 1,50 3.00
О тноci цельная температура
Рис. 3. Зависимость скважности от относительной температуры (по двум осям чувствительности)
Как видно из полученных данных, температурный дрейф нуля датчика достаточно велик, при этом характеристика носит практически линейный характер. Так как зависимость дрейфа нуля от температуры носит линейный характер, то ее можно компенсировать программным путем, введя дополнительную температурную коррекцию нуля датчика.Достигается высокая точность измерений, погрешность нуля в этом случае составляет максимум 0,1 угл. градус при ДТ=85 °С.
При компенсации температурного дрейфа нуля программным путем в качестве датчика температуры используем термодатчик DS1721, установленный в непосредственной близости на печатной плате к акселерометру.
Калибровка датчика производится программным путем при помощи оптической делительной головки ОДГЭ-5 (погрешность установки положения головки ±5") и камеры тепла и холода (погрешность установки температуры ±0,5 °С).
Нами ведутся дальнейшие работы по совершенствованию датчиков угла наклона. В настоящее время расширен диапазон измерений датчика ДУН 02 от ±45 до ±60 угл. градус, а также уменьшена приведенная погрешность измерения в диапазоне температур по одной оси от ±0,5 до ±0,3 угл. градус. В соответствии с техническим заданием на ОКР Мини-
304
у = 0,0281х5- 0,0324х4 - 0.0681х3+ 1,0308х2- 19,992х+ 10045
у = -0,0876х5- 0,0615х4 + 1,1521х3- 1,5786х2- 16,484x4- 9921,3
стерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь получены опытные образцы датчиков угла наклона (ДУН 01) работающих в температурном диапазоне от +5 до +125 °С.
Список литературы
1. ADXL213:LowCost ±1.2gDualAxisAccelerometer [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.analog.com/ru/mems-sensors/low-g-accelerometers/adxl213/products/product.html.
A.P. Grinchuk, I.A. Taratyn, A.L. Potapov, N.A. Brilkov
IMPROVING THE TECHNICAL CHARACTERISTICS OF THE SENSOR ANGLE
The versions of slope angel sensor were reviewed. The results of study characteristics DUN 02-60, principle of its work and operating conditions were presented.
Key words: the slope angle sensor, the accelerometer, acceleration, ADXL.
Получено 08.09.2012
УДК 531.768
С.Ф. Былинкин, (83147) 7-83-05, losev@temp-avia.ru (Россия, Арзамас, ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА»), Н.А. Комаров, (83147) 7-83-05, losev@temp-avia.ru (Россия, Арзамас, ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА»), В.В. Лосев, к.т.н., зам. ген. диретора по научной работе, (83147) 7-83-05, losev@temp-avia.ru (Россия, Арзамас, ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА»)
АКСЕЛЕРОМЕТРЫ СЕРИИ АТ,РАЗРАБАТЫВАЕМЫЕ И ВЫПУСКАЕМЫЕ ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА»
Показаны основные этапы развития акселерометров серии АТ, разрабатываемых ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА». Рассматриваются вопросы технологии производства чувствительных элементов акселерометров серии АТ. Приведены их основные технические характеристики.
Ключевые слова: акселерометр, чувствительный элемент, усилитель преобразователь, фотолитография..
Введение
Основными задачами при разработке датчиков первичной информации являются: микроминиатюризация конструкции, повышение точности, надежности и временной стабильности параметров, снижение энергопотребления, увеличение ресурса, а также снижение трудоемкости изготовления.
