Анализ результатов лабораторных испытаний акселерометров



В статье описана методика статических и динамических испытаний акселерометра, приведена методика обработки результатов испытаний, проведен анализ конструктивного запаса.

Ключевые слова: акселерометр, крутизна преобразования, нулевой сигнал, виброустойчивость.

После реализации известных мер по минимизации погрешности акселерометра остающимися компонентами погрешности, влияющими на его точность в инерциальных навигационных системах, являются случайная составляющая погрешности нулевого сигнала и крутизны преобразования (масштабного коэффициента).

Рис. 1. Акселерометр

Данные погрешности сложно определить математически на этапе конструктивной проработки изделия, поэтому особое внимание необходимо уделять методике их экспериментального нахождения и анализа

Оценка эффективности модернизации проводилась по стандартным методикам, описанным в технической документации на датчик линейных ускорений. Для анализа стабильности нулевого сигнала и крутизны преобразования было собрано рабочее место, показанное на рисунке 2.

Рис. 2. Схема рабочего места

Перед началом проверок изделия собирают схему в соответствии с рисунком 2. Выходной сигнал канала измерения линейного ускорения акселерометра снимают с контактных клемм магазина сопротивлений МСР-63 вольтметром В7–54/2, работающим в режиме измерения постоянного напряжения с автоматическим выбором пределов измерения, во втором положении переключателя S2 пульта, в соответствии с рисунком 2.

Испытания проводятся в поле вектора ускорения свободного падения, путем поочередного замера выходного сигнала в четырех положениях кронштейна оптической делительной головки (0º, 90º, 180 º, 270º) в диапазоне рабочих температур (от минус 60° С до + 85° С). Значение коэффициента преобразования измеряемого линейного ускорения в выходной сигнал в режиме измерения  2 g вычисляют по формулам:

, (1)

, (2)

где K _{u —} масштабный коэффициент выходной статической характеристики по напряжению, мВ/g;

K _i — масштабный коэффициент выходной статической характеристики по току, мА/g;

U ₁ , U ₂ — значения напряжений, измеренные в положениях 0º, 180 º, мВ;

а — значение ускорения в единицах g, равное 1;

R _н — значение внешнего сопротивления нагрузки, равное 4 кОм.

Значение нулевого сигнала акселерометра в режиме измерения  2 g вычисляют по формулам:

, (3)

, (4)

где — нулевой сигнал акселерометра, мВ;

— нулевой сигнал акселерометра, g;

— выходные напряжения, измеренные в положениях 0º, 180º, мВ.

Отклонение реального значения масштабного коэффициента при температуре + (22  4) С — значения, вычисляют по формуле:

, (5)

где — среднее значение масштабного коэффициента выходной характеристики по току (мА/g);

, — минимальное и максимальное значение масштабного коэффициента выходной характеристики по току на испытаниях при температуре + (22  4) С, мА/g.

Отклонение реального значения нулевого сигнала при температуре + (22  4) С — значения, вычисляют по формуле:

, (6)

где — среднее значение нулевого сигнала (10– ³ g);

, — минимальное и максимальное значение нулевого сигнала на испытаниях при температуре + (22  4) С, 10– ³ g.

Результаты климатических испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытаний

Номер образца	Случайная составляющая нулевого сигнала, mg	Случайная составляющая крутизны преобразования, mg
1	±0,020	±0,0247
2	±0,018	±0,0294
3	±0,027	±0,026
4	±0,007	±0,0087
5	±0,012	±0,0144
6	±0,033	±0,025
7	±0,062	±0,0017
8	±0,022	±0.0031
9	±0,013	±0,0078

Температурные петли гистерезиса нулевого сигнала и крутизны показаны на рисунке 4 соответственно.

Рис. 3. Температурные петли гистерезиса макетных образцов

Суммарный температурный ход нулевого сигнала в диапазоне температур от -60° С до +85° С макетных образцов не превышает 1,5 mg. Суммарный температурный ход крутизны преобразования макетных образцов в диапазоне температур от -60° С до +80° С не превышает 1,5 %. Конструктивный запас по случайной и систематической составляющей погрешности нулевого сигнала и крутизны преобразования показан в таблице 2.

Таблица 2

Конструктивный запас

Номер образца	Конструктивный запас погрешности нулевого сигнала, %		Конструктивный запас погрешности крутизны преобразования, %
	Случайная составляющая	Систематическая составляющая	Случайная составляющая	Систематическая составляющая
1	76	93	47	29
2	81	85	23	3
3	66	82	45	20
4	66	82	45	20
5	85	89	61	18,5
6	58	97	40	12
7	31	94	90	33
8	77	90	93	10
9	82	94	81	2

Анализ виброустойчивости проводится на вибростенде TIRAVIB. Внешний вид рабочего места показан на рисунке 4. Спектр вибрации приведен в таблице 3.

Таблица 3

Спектральная плотность

Поддиапазон частот, Гц	Спектральная плотность вибрации в поддиапазоне, g 2 /Гц	Среднеквадратичное значение суммарного ускорения, м/с 2 ( g )
20–180 180–355 355–710 710- 1400 1400–2000	0,005 0,005 0,013 0,018 0,011	49 (5)

Изделие устанавливается на вибростенд и включается в режиме 17 g, при сопротивлении нагрузки 230 Ом. Акселерометр включают и измеряют выходное напряжение U ₁ ^* , затем акселерометр во включенном состоянии подвергают воздействию случайной широкополосной вибрации по нормам, указанным в таблице 3, и не ранее, чем через 30 с измеряют выходное напряжение.

Рис. 4. Рабочее место

Погрешность акселерометра при воздействии широкополосной вибрации вычисляют по формуле (9):

, (7)

где  — погрешность акселерометра, %;

— среднее значение выходного напряжения при действии случайной широкополосной вибрации, рассчитанное по максимальному и минимальному значениям выходного напряжения акселерометра, мВ.

Результаты испытаний на виброустойчивость приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты испытаний

Номер образца	Вибросмещение нулевого сигнала, mg
	До регулировки	После регулировки
1	5,4	0,09
2	-1,2	-0,05
3	0,8	0,19
4	-0,6	0,14
5	-6,4	-0,08
6	0,93	0,22
7	0,55	-0,05
8	1,52	0,11
9	-5,4	0,14

В рамках проведенных лабораторных испытаний были исследованы метрологические характеристики макетных образцов акселерометров, отвечающие требованиям объекта применения. Наиболее важными и труднодостижимыми параметрами в акселерометре являются минимизация случайной составляющей нулевого сигнала и вибрационной погрешности. Обработка экспериментальных данных показала эффективность данной модернизации. Для обеспечения виброустойчивости акселерометра была разработана и апробирована комплексная методика ее регулировки. По результатам лабораторных исследований можно сделать вывод, что изделие имеет достаточные конструктивные запасы по основным точностным характеристикам.

Литература:

1. Аш Ж. Датчики измерительных систем: В двух книгах. Книга 2/ Ж. Аш. М.: Мир, 2012. — 187 с.
2. Бобровников Л. З. Электроника: Учебное пособие. СПб.: Питер, 2004. 560 с.
3. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. Перевод с немецкого языка/ Г. Виглеб. М.: Мир, 2009. 456 с.