Приспособления для калибровки БИНС на микромеханических чувствительных элементах

Описание

В проекте выполнена разработка приспособлений для проведения калибровки БИНС на микромеханических чувствительных элементах.

Составлена исследовательская часть.

1. Рассмотрены модели погрешностей: акселерометра и датчиков угловой скорости, и способы калибровки чувствительных элементов: калибровка триады акселерометров и ДУС.
2. Акселерометр является прибором, посредством которого измеряется проекция кажущегося ускорения на ось чувствительности. В качестве входного воздействия используется рассчитанное или измеренное ускорение силы тяжести в месте проведения испытаний.
3. Калибровка триады акселерометров осуществляется путём измерения показаний каждого из трёх акселерометров при их различных угловых положениях относительно отвесной линии.
4. Датчик угловой скорости – прибор, измеряющий проекцию вектора абсолютной угловой скорости на свою ось чувствительности. В качестве входного воздействия используется заданная угловая скорость вращения поворотного стола.
5. Калибровка ДУС осуществляется путём измерения показаний каждого из трёх ДУС при различных тестовых воздействиях.

Разработана конструкторская часть.

Приведено описание БИНС и его элементов.

MPU-6050 является малопотребляющим малогабаритным микромеханическим трёхосным акселерометром и трёхосным датчиком угловой скорости. Расположение осей чувствительности триады акселерометров является номинально перпендикулярным друг другу. Оси датчиков угловой скорости также номинально перпендикулярны друг другу и совпадают с осями чувствительности акселерометров. В приборе имеется встроенная интегральная микросхема. Также MPU-6050 оснащён термодатчиком. Все каналы в количестве семи имеют отдельные 16-битные АЦП и собственные адреса для обращения по I²C протоколу.

Принцип работы акселерометра.

Конструкция акселерометра включает в состав корпус, который выполнен в виде платы из диэлектрического материала, инерционную массу в форме пластины из кремния, которая расположена с зазором по отношению к корпусу и связана с ним посредством упругих идентичных петлеобразных перемычек, образующих упругий подвес. Инерционная масс может совершать перемещение вдоль первой оси ОХ, которая лежит в ее плоскости. Структура датчика выходного сигнала - гребенчатая. Закрепление неподвижных электродов датчика выполнено на корпусе, а подвижных - на инерционной массе. В центре инерционной массы предусмотрено прямоугольная сквозная прорезь, внутри которой расположен прямоугольный центральный анкер. В четырех идентичных петлеобразных прорезях расположены упругие перемычки. Одним концом каждая перемычка скреплена с инерционной массой, а другим закреплена на центральном анкере.

В момент действия линейного ускорения в направлении оси чувствительности ОХ происходит отклонение инерционной массы от своего исходного положения. Емкости между подвижными и неподвижными электродами датчика выходного сигнала изменяются. Преобразование сигнала, снимаемого сдатчика, обеспечивается электронной схемой обработки сигналов, затем он поступает на вход электрического датчика силы. Возникающая сила стремится возвратить инерционную массу в исходное положение. В установившемся состоянии сила инерции, которая воздействует на инерционную массу, уравновешивается электростатической силой датчика силы. Напряжение на выходе электронной схемы обработки сигналов является выходным сигналом микромеханического осевого акселерометра. 

Принцип работы датчика угловой скорости. 

Посредством гироскопа выполняется измерение угловой скорости по отношению к оси, которая перпендикулярна его плоскости. Он выполнен по схеме двойного подвеса по планарной технологии. Все его элементы расположены над подложкой в одной плоскости. В составе конструкции имеется инерционная масса с двумя степенями свободы относительно корпуса. Привод массы в колебательное высокочастотное движение с постоянной амплитудой и частотой выполняется посредством электростатического привода гребенчатой структуры.

В момент вращения основания с переносной угловой скоростью образовываются силы инерции Кориолиса, которые воздействуют на инерционную массу. Они приводят к ее колебаниям в направлении, которое является перпендикулярным к векторам относительной скорости и переносной угловой скорости. Измерение этих колебаний обеспечивается датчиком перемещения электростатического типа. 

Приведена технологическая часть.

В проекте с целью снижения стоимости калибровок предлагается применение адаптера, в который установлен БИНС и который является его неотъемлемой частью. Конструкция адаптера вклчает кронштейн, раму и боковые рамки.

Разработано приспособление, обеспечивающее калибровку акселерометров в поле сил гравитации Земли. Силы, создаваемые Землёй, приняты в качестве постоянных тарированных известных воздействий. Приспособление является независимым, отдельным устройством, которое устанавливается на стол рабочего места оператора. Установка адаптера с БИНС выполняется в основание приспособления. Посредством толкателей адаптер прижимается к посадочной поверхности. Перемещение толкателей происходит вместе с рычагом посредством колес. Усилие прижатия развивается пружинами. Методика проведения измерений заключается в снятии показаний с акселерометров за шесть установов в шести положениях. На гранях адаптера имеются цифры, которые обозначают последовательность его установки в приспособление.

Калибровка БИНС на центрифуге обеспечивает измерение реальных сигналов от известного воздействия, которое создается центробежными силами, на массы подвижных частей акселерометров. При этом оценивается нелинейность масштабных коэффициентов акселерометров. Приспособление включает два основных узла – внешнюю часть, в которую выполняется установка адаптеров, и ось, на которой закреплен токосъёмник. Установка адаптеров с БИНС выполняется в кронштейны по двум направляющим. Предусмотрены втулки для не выпадения адаптеров. Втулка прижимается к адаптеру прибора. Палец неподвижно закреплён гайкой с кронштейном. Установка адаптеров выполняется в порядке возрастания номеров на торцах. Во время работы центрифуги массивы данных с ЧЭ заносятся в компьютер для дальнейшей обработки.

Рассмотрено приспособление для вибростенда. Основание устанавливается на стол вибростенда. Основание – литая деталь. К ней шестью болтами прикручена цанга, в которую вкручивается гайка, которая через упор давит на адаптер в направлении посадочной поверхности. Цанга имеет внешнюю цилиндрическую и коническую поверхности. На конической поверхности имеются прорези и внутренняя резьба для вкручивания гайки, на внешней цилиндрической поверхности имеется резьба для накручивания гайки. Установка адаптера в приспособление выполняется в положении 1. Затем ставится упор и фиксируется гайкой. Цанга стягивается гайкой. Запускается вибростенд и регистрируются данные с ЧЭ.

Описано приспособление для калибровки датчиков угловой скорости, которое является необходимым для работы БИНС. С его помощью определяются нулевые сигналы, масштабные коэффициенты и базовые погрешности установки датчиков угловой скорости. Метод фиксации адаптера является аналогичным как для вибростенда. Само приспособление закрепляется на стенде, который разворачивает установленный в приспособлении БИНС с постоянной угловой скоростью.

Составлена организационно-экономическая часть.

Рассчитаны значения:

          Разработан раздел по охране труда и экологии.