CC BY
101
Авиев Алексей Андреевич, ведущий специалист, aviev.aleksey@gmail. com, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана
OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR MEASURING DITHER VIBRA TIONS PARAMETERS IN
A RING LASER GYRO
A.A. Aviev
The functional diagram, basic elements of design and the results of an experimental research for accuracy characteristics of optoelectronic system for measuring dither vibrations parameters in a ring laser gyro are considered. The operating principle of the system is based on the detection of optical radiation reflected from the areas ofpattern with measuring marks, and the subsequent processing received signals. The research was conducted by comparing the readings of the measuring system with the readings of the reference measurement means, as which the ring laser was used.
Key words: laser gyro, ring laser, dither system, optoelectronic measuring system.
Aviev Alexey Andreevich, leading specialist, aviev. aleksey@gmail. com, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University
УДК: 531.383-11:531.714.7
ВОПРОСЫ ИСПЫТАНИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
НА ЦЕНТРИФУГЕ
Д.П. Козлов
Рассматриваются особенности калибровки микромеханических приборов производства АО ««Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» на двухосной центрифуге. Целью подобных испытаний является определение совокупности метрологических характеристик при воздействии перегрузок. В докладе сформулированы предложения по совершенствованию методик калибровки, даётся обоснование режимов испытаний и алгоритмов обработки информации.
Ключевые слова: микромеханические приборы, акселерометры, гироскопы, центрифуга, испытания, метрологические характеристики
Введение. Технический прогресс в области инерциальной навигации в значительной мере достигнут благодаря существенному улучшению технических характеристик микромеханических приборов и увеличению разнообразия предлагаемых технических решений. Использование микромеханических акселерометров (ММА) и микромеханических гироскопов (ММГ) подразумевает режимы работы приборов в системах с комплексными внешними воздействиями, которые способны вызывать повышенные погрешности в выходных сигналах измерительных приборов.
25
Относительно ММА, измеряемым параметром движения для которых является линейное ускорение, одним из воздействующих факторов предположительно может быть угловая скорость. Для ММГ, рассматриваемых в качестве датчиков угловой скорости (ДУС), подобным воздействующим фактором является линейное ускорение. Соответственно для определения влияния воздействующих факторов на уровни вызываемых ими погрешностей необходимо стендовое оборудование, способное воспроизводить одновременно линейное ускорение и угловую скорость. Для подобных целей в ЦНИИ «Электроприбор» используются двухосные центрифуги, представляющие собой комбинацию двух роторных стендов с роторами разных радиусов. Рассмотрим вопросы испытаний микромеханических приборов на такой двухосной центрифуге.
Центрифуга и режимы работы. Центрифуга для калибровки микромеханических датчиков относится к разряду роторных стендов, задающих вращение вокруг вертикальных осей. Таким образом, воспроизводимая угловая скорость «в сыром виде» может служить входным воздействием для калибровки гироскопа как датчика угловой скорости. Для калибровки микро-механического акселерометра требуется воспроизведение линейного ускорения. В таком случае на центрифуге, как на роторном стенде, воспроизводится центробежное ускорение, определяемое по формуле
A = Rw2, (1)
где A - центробежное ускорение, R - расстояние от оси вращения до чувствительного элемента датчика, ю - угловая скорость [1].
При калибровке инерциальных датчиков, применяемых в инерци-альных модулях высокодинамичных объектов, необходимо задание довольно высоких значений линейного ускорения, что по формуле (1) достигается путём или увеличения плеча центрифуги, или задания высоких угловых скоростей роторов, что характерно для малогабаритных центрифуг.
В экспериментальных исследованиях использовалась центрифуга C40-ST-09 Actidyn французской фирмы ACTIDYN SYSTEMES. Ротор центрифуги имеет расстояние до второй оси вращения, «плечо», 90 см. На этом плече центрифуга способна воспроизводить центробежное ускорение до 100 g. Отличительной особенностью данной модели является наличие второго ротора и поворотного стола на указанном плече. Поворотный стол обеспечивает дополнительное, так называемое сателлитное, вращение установленного прибора помимо вращения, обусловленного вращением первого ротора вокруг неподвижной оси. При установке датчика на оси вращения второго ротора, что и предполагается в дальнейшем, достигается только эффект изменения составляющей постоянного по модулю центробежного ускорения на измерительную ось датчика (рис. 1).
Движение большой оси центрифуги
Рис. 1. Схемы расположения роторов двойной центрифуги (а) и схема установки акселерометра по центру второго ротора (б)
Предусмотрено три режима работы центрифуги при постоянных во времени угловых скоростях вращения роторов [3]:
1. Режим одновременного противоположного вращения обоих роторов с равными по модулю угловыми скоростями. Режим компенсации вращений позволяет сохранять исходное угловое положение установленного датчика, т.е. задавать поступательное движение по окружности при нулевой абсолютной угловой скорости. При этом вектор ускорения будет вращаться вместе с первым ротором и поэтому его составляющие по измерительной оси датчика и по перпендикулярной оси будут изменяться соответственно по синусоидальному и косинусоидальному законам.
2. Режим одновременного вращения обоих роторов с отличающимися друг от друга угловыми скоростями. В этих случаях производится определение влияния переменного линейного ускорения, имеющего одновременно две составляющие как дополнительного воздействующего фактора на выходной сигнал ММГ и совместного влияния составляющих угловой скорости на выходной сигнал ММА.
3. Режим вращения только первого ротора при нулевой относительной угловой скорости второго ротора. Этот режим воспроизводит работу обычной одноосной центрифуги. Задавая различные постоянные во времени значения угла поворота второго ротора, можно изменять соотношение составляющих линейного ускорения по двум осям датчиков.
Определенного внимания заслуживает процедура установки датчика на поворотный стол второго ротора. Для того чтобы исключить влияние линейных ускорений при смещении центра чувствительного элемента относительно оси второго ротора, вызванного его вращением, на датчик, чувствительный элемент прибора должен располагаться на оси вращения (см. рис.1) с заданной точностью. При этом исключается появление дополнительного центробежного ускорения на поворотном столе второго ротора.
Экспериментальные исследования. Поскольку на сегодняшний день известно достаточно много исследований, посвящённых испытаниям микромеханических датчиков на одноосных роторных стендах (например, [1, 5, 6]), в данной статье рассмотрим первый и второй режимы работы центрифуги, в которых осуществляется влияние линейного ускорения и угловой скорости одновременно. В этом случае выходной сигнал акселерометра примет синусоидальную форму из-за равномерного вращения направления измерительной оси. Преимуществом использования таких режимов является сокращение по крайней мере в два раза времени проведения испытаний в полном диапазоне ускорений вследствие того, что не требуются переустановка датчика на 180° и повторение проведённых калибровок для получения совокупности метрологических характеристик. В отрицательном поддиапазоне ускорений при получении результатов используются кардинальные точки регистрируемого синусоидального выходного сигнала, в которых максимумы соответствуют моментам, когда направление чувствительной оси ММА совпадает с направлением центробежного ускорения, а минимумы - когда ось чувствительности направлена в противоположную сторону (рис. 2).
1.5
1
0.5
3
О) S
Щ 0
а.
о —
о
>>
-0.5
-1
■1.5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Время (такты)
Рис. 2. Схема кардинальных точек синусоидального выходного
сигнала ММА
Таким образом, используя кардинальные точки ориентации ММА [4], можно получить значения масштабного коэффициента и смещения нуля акселерометра на всём рабочем диапазоне измерений. Для этого предлагается использовать несколько масштабно измененные широко используемые формулы для классического случая определения масштабного коэффициента и смещения нуля в диапазоне ±g переворачиванием на 180°:
ъг _ ^liiax ~ ^liiin /оч
Yb • (2)
ту- _ ^inax ^min
Ко- — . (3)
где К\ - масштабный коэффициент; Етах - выходной сигнал акселерометра при положительном направлении измерительной оси; Ет\п - выходной сигнал акселерометра при отрицательном направлении измерительной оси; Ъ - центробежное ускорение, определяемое выражением (1); К0 - смещение нуля.
Таким образом, можно построить характеристики зависимости изменения масштабного коэффициента и смещения нуля от действующего центробежного ускорения. На рис. 3 и 4 изображены построенные по точкам зависимости масштабного коэффициента и смещения нуля от ускорения.
Рис. 3. График зависимости масштабного коэффициента при воздействии линейного ускорения
Видим, что масштабный коэффициент изменяется примерно на 0,14 %, а смещение нуля - на 0,037 g. При испытаниях на двойной роторной установке с использованием разработанной методики также можно
29
сократить время на исследование нелинейности характеристики, используя раздельно данные на положительном и отрицательном поддиапазонах действующего ускорения в «один проход», не переустанавливая датчик. При этом необходимо провести серию одинаковых экспериментов, чтобы каждому значению ускорения соответствовал набор полученных значений. Такой подход позволяет учесть и скомпенсировать возможно существенную систематическую погрешность измерений. Единичные испытания используются для однократного расчёта значения нелинейности, но не гарантируют сохранение значения для последующих исследований. Необходимо повторение серий и последующее осреднение для уменьшения влияния случайных погрешностей. Определение нелинейности характеристики датчика по совокупности данных испытаний позволяет получить осред-ненное значение параметра нелинейности, которое с определённой вероятностью не будет превышено в процессе последующего использования датчика в измерениях.
Ускорение (д)
Рис. 4. График зависимости смещения нуля при воздействии линейного ускорения
Для расчёта нелинейности через наборы точек для каждого ускорения проводится аппроксимирующая прямая, затем для значения наибольшего отклонения от прямой вычисляется значение нелинейности по формуле
N1 = ^тах Х1°°% = 0.21%, (4)
ГБ
где N1 - параметр нелинейности; Ятах - максимальное отклонение от аппроксимирующей прямой; ГБ - диапазон измерений.
30
а О
Рис. 5. График аппроксимации значений выходного сигнала на всём диапазоне датчика, (а), гистограмма отклонений выходного сигнала ММА от аппроксимирующей прямой (б)
Таким образом, максимальная нелинейность характеристики имеет место при значениях задаваемого ускорения, близких к краям измерительного диапазона.
Для ММА угловая скорость является дополнительным воздействующим фактором, возможно, вносящим определённую погрешность в выходной сигнал. С целью определения значений этой погрешности целесообразно провести серию испытаний при воздействии постоянного ускорения (определяемого вращением первого ротора) и изменить угловую скорость второго ротора. Результаты регистрации выходного сигнала ММА представлены на рис. 6.
Рис. 6. Отношение амплитуд выходного сигнала ММА при постоянном ускорении и различных угловых скоростях
31
Амплитуды гармоник, полученных при воздействии разной угловой скорости, близки и различаются не более, чем на 0,01g. Исходя из этого, очевидно, что угловая скорость как воздействующий фактор не вносит значимой погрешности в выходной сигнал акселерометра. Этот вывод имеет существенное значение для применения ММА на высокодинамичных объектах, когда имеют место другие воздействия помимо продольного ускорения вращения.
Заключение. Таким образом, проведенные испытания ММА на двухосной лабораторной центрифуге показали, что очевидным преимуществом использования двухроторного стенда является сокращение времени при подробных исследовательских испытаниях единичных образцов за счёт экономии времени на переустановку датчиков. Разработанная методика позволяет оценивать смещения нуля и изменения масштабного коэффициента в разных диапазонах изменения линейных ускорений и угловых скоростей.
Список литературы
1. Козлов Д.П., Челпанов И.Б. Использование поворотных столов и вибростендов для калибровки микромеханических акселерометров // Материалы XVII конференции молодых учёных «Навигация и управление движением». СПб.: ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», 2015. С. 61 - 67.
2. Челпанов И.Б. Показатели точности датчиков инерциальных модулей: определение по результатам испытаний и нормирование // Материалы XXIX конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», 7 - 9 октября 2014 г. Санкт-Петербург, C. 350 - 359.
3. Опыт испытаний центрифуги C40-ST-09 ACTIDYN SYSTEMES / Д.Г. Грязин, М.Д. Кудрявцев, Н.Л. Яворовская, К.Н. Усачев, Д. Реймес, Ф. Беллон, Ж. Педриа // Гироскопия и навигация. 2013. Вып. 2. С. 119 - 124.
4. IEEE Std 1293™-1998 (R2008), IEEE Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Linear Single-Axis, Nongyroscopic Accelerome-ters, 2008.
5. Результаты испытаний установочной партии микромеханических гироскопов RR-типа / В.Г. Пешехонов, Я. А. Некрасов, П. Пфлюгер, Ц. Кергерис, Х. Хаддара, A. Эльсайед // Гироскопия и навигация. 2011. № 1 (72). С. 37 - 48.
6. Отечественный микромеханический гироскоп RR-типа. Современное состояние и перспективы. / В.Г. Пешехонов, М.И. Евстифеев, Я.А. Некрасов, Н.В. Моисеев, С.В. Павлова // Перспективные системы и задачи управления: материалы Седьмой Всероссийской научно-практической конференции. Таганрог, 2012. С. 243 - 253.
Козлов Дмитрий Петрович, асп., мл. науч. сотрудник, _phoenix7777777@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
METHODS OF TESTING MEMS SENSORS USING CENTRIFUGE
D.P. Kozlov
This article is dedicated to the features of calibration MEMS sensors produced in CSRI Elektropribor using dual centrifuge. Determination of metrology characteristics during overload is the aim of such tests. Ways of improving calibration methods, verification of action modes and algorithms of data processing are described in this paper.
Key words: MEMS devices, accelerometers, gyroscopes, centrifuge, calibration, metrology characteristics.
Dmitriy Petrovich Kozlov, postgraduate, junior researcher, phoenix 7777777@,mail. ru, Russia, Saint Petersburg, CSRI Elektropribor
УДК 629.052.7
КОРРЕКТИРУЕМАЯ БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ПЕРВИЧНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
П.Д. Зиновьев, Г.А. Кветкин
Проводится анализ схем коррекции быстронарастающих ошибок выходных параметров БИНС на базе микромеханических инерциальных датчиков посредством сигнала от приёмника СНС и измерений магнитометра. Для анализа используются данные, полученные в результате натурных испытаний.
Ключевые слова: БИНС, МЭМС, СНС, магнитометр, коррекция, фильтр Кал-
мана.
В последнее время бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) все чаще применяются на высокодинамичных летательных аппаратах (ЛА), включая их беспилотные варианты [1]. Также это касается и тихоходных малогабаритных беспилотных ЛА, в которых борьба за уменьшение габаритов и массы оборудования ведется весьма серьезно.
В данной статье рассмотрена реализация БИНС на базе микромеханических датчиков первичной информации и исследованы варианты ее коррекции с помощью микромеханического магнитометрического датчика и приёмника СНС.
