Акселерометры с нагреваемым газом

Другой интересный акселерометр использует в качестве инерционной массы — газ. Такой акселерометр разработан MEMSIC Corporation (www.memsic.com). Он изготовлен на КМОП кристалле и является двухосевым измерителем ус­корений. Принцип действия такого устройства основан на передаче тепла ме­тодом принудительной конвекции. Как указывалось в главе 3, тепло может передаваться тремя способами: за счет теплопроводности, конвекцией и из­лучением. Конвекция может быть естественной (обусловленной силой гра­витации) и принудительной (для которой требуется применение внешних устройств, например, вентилятора). В акселерометрах с нагреваемым газом (АНГ) источником такой внешней силы является ускорение. Такие датчики определяют внутренние изменения в процессах теплопередачи в замкнутом объеме газа. АНГ функционально эквивалентны традиционным акселеромет­рам с инерционной массой. В данном случае в роли инерционной массы

выступает неравномерно нагретый газ. Такая инерционная масса обладает ря­дом преимуществ по сравнению с традиционной твердотельной массой. Глав­ным достоинством является высокий уровень допустимых перегрузок (до 50 000g), что значительно повышает их надежность.

Датчик состоит из пластины, примыкающей к герметичной полости, за­полненной газом. В пластине вытравлено углубление. В центре кремниевой пластины над углублением подвешен нагреватель (рис. 8.8). На пластине ус­тановлены четыре датчика температуры: термоэлементы из алюминия и по­ликремния (ТЭ). ТЭ расположены на одинаковом расстоянии с четырех сто­рон от нагревателя (две оси). Отметим, что ТЭ определяют только градиент температур, поэтому левый и правый ТЭ можно считать одним ТЭ, где левая часть соответствует холодному спаю, а правая — горячему (см. раздел 16.2 главы 16, где описан принцип действия термопар). В данном случае ТЭ ис­пользуются вместо термопар с единственной целью: увеличить электричес­кий выходной сигнал. Другая пара ТЭ применяется для определения гради­ента температур вдоль оси у.

(А)

(Б)

Рис. 8.8.А — поперечное сечение АНГ вдоль оси х. Нагретый газ располага­ется симметрично вокруг нагревателя, Б — ускорение заставляет на­гретый газ смещаться вправо, что приводит к перепаду температур

При нулевом ускорении распределение температуры внутри полости с газом симметрично относительно источника тепла, поэтому все четыре ТЭ детектируют одинаковую температуру, что приводит к нулевому выходному напряжению в каждой паре чувствительных элементов. Нагреватель разог­ревается до температуры выше температуры окружающей среды (обычно око­ло 200°С). На рис. 8.8А показаны два ТЭ, измеряющих градиент температуры вдоль оси х. Из рисунка видно, что наибольшая температура газа наблюдает­ся рядом с нагревателем, и она довольно резко падает ближе к краям, где

расположены ТЭ. Когда на газ не действуют никакие силы, температура имеет конусообразное распределение вокруг нагревателя, при этом температура левого ТЭ Т₁ равна температуре Т₂ правого ТЭ. Ускорение акселерометра в любом из направлений из-за конвекционной теплопередачи изменит темпе­ратурный профиль, который станет несимметричным. На рис. 8.8Б показа­но, как изменится температурный профиль при ускорении а, направление которого указано стрелкой. Под действием ускорения теплые молекулы газа смещаются к правому ТЭ, передавая ему часть своей энергии. В результате этого температуры, а, следовательно, и выходные напряжения правого и ле­вого ТЭ перестанут быть равными (Т₁ < Т₂). Разница температур AT, а значит, и напряжение между выходами ТЭ прямо пропорциональна ускорению. В дан­ной конструкции существует два идентичных измерительных канала, позво­ляющих определять ускорение вдоль оси х и оси у.

АНГ способны измерять ускорения в диапазоне +l...+100g. Такие аксе­лерометры могут определять и динамическое ускорение (например, вибра­ции), и статическое ускорение (например, ускорение свободного падения). Аналоговые выходные напряжения снимаются с чипа как в абсолютном, так и в относительном виде. Абсолютное выходное напряжение не зависит от при­ложенного напряжения, а относительное — пропорционально ему. Типичный шумовой порог для АНГ ниже 10^-3g/Гц, что позволяет на очень низких часто­тах измерять субмиллиметровые сигналы ускорения. Быстродействие датчи­ка, т.е. его способность детектировать быстрые изменения ускорения, зави­сит от его конструкции. 3-дБ спад частотной характеристики для типового АНГ происходит на частоте около 30 Гц. Этот диапазон может быть расши­рен до 160 Гц с применением компенсационных схем.

Следует отметить, что чувствительность выходного сигнала АНГ меня­ется при изменении окружающей температуры (рис. 8.9). Для компенсации этого изменения в чип акселерометра встраивается температурный датчик (резистивный детектор температуры или кремниевый переход).

температура (°С)

Рис. 8.9. Чувствительность теплового акселерометра к окружающей темпе­ратуре

Гироскопы

Гироскоп является самым популярным навигационным датчиком (пожалуй, он уступает первенство только компасу). Во многих ситуациях, когда геомагнитное поле либо отсутствует (как в космосе), либо по каким-либо причинам сильно на­рушено, гироскоп является необходимым устройством для определения положе­ния транспортных средств. Гироскоп в переводе означает «хранитель направле­ния», также как маятник в часах является «хранителем времени». Принцип дей­ствия гироскопов основан на фундаментальном законе сохранения угловых мо­ментов: «В произвольной замкнутой системе (в которой отсутствуют внешние силы) сумма угловых моментов всех ее частей относительно любой неподвижной точки пространства всегда остается постоянной»

Роторный гироскоп

Механический гироскоп состоит из массивного диска, свободно поворачиваю­щегося вокруг основной оси вращения (рис. 8.10), которая удерживается рамкой, способной вращаться относительно одной или двух осей. Таким образом, в зави­симости от количества осей вращения гироскопы имеют одну или две степени свободы. Следует отметить, что:

1. Основная ось вращения свободного гироскопа не будет менять свое простран­
ственное положение, при отсутствии внешних сил, действующих не нее

2. При соответствующем изготовлении крутящий момент гироскопа (его вы­
ходной сигнал) пропорционален его угловой скорости движения вокруг оси,
перпендикулярной основной оси вращения.

При свободном вращении диска (ротора) он всегда стремится сохранить свое осевое положение. Если платформа гироскопа вращается вокруг входной оси, у ги­роскопа появляется крутящий момент относительно перпендикулярной (выходной) оси, заставляющий основную ось вращения поворачиваться вокруг выходной оси. Это явление называется прецессией гироскопа. Его можно объяснить при помощи закона Ньютона для вращательного движения: Производная во времени от углового момента количества движения относительно любой заданной оси равна сумме момен­тов всех сил механической системы, приложенных к данной оси. Это означает, что когда к входной оси приложен момент T и скорость w диска поддерживается постоянной, угловой момент ротора может быть изменен только путем поворота проекции оси вращения относительно входной оси. В этом случае скорость движения оси враще­ния относительно выходной оси будет пропорциональна приложенному моменту:

(8.14)

где W— угловая скорость вращения вокруг выходной оси, а I — момент инерции ротора гироскопа относительно оси вращения. Для определения направления прецессии можно воспользоваться следующим правилом: Прецессия всегда име­ет направление, при котором направления вращения ротора и приложенного ме­ханического момента совпадают.

Точность механических гироскопов сильно зависит от воздействия внешних не­желательных сил, вызывающих дополнительные моменты вращения, что приводит

к дрейфу характеристик. Источника­ми возникновения этих сил являют­ся: трение, несбалансированность ротора, магнитные поля и т.д. Для уменьшения сил трения стремятся избавиться от подвесной системы крепления, для чего ротор и управ­ляющий двигатель иногда помещают в вязкую жидкость, обладающую вы­сокой плотностью, например, во фторуглеводород. В этом методе тре­буется строго контролировать темпе­ратуру жидкости. К тому же такое ус­тройство становится повышенно подверженным старению. Другой способ уменьшения трения — ис­пользование, так называемой, газовой опоры, это когда ось ротора удерживается газом под высоким давлением. В качестве газа может использоваться гелий, водо­род или просто воздух. Еще более интересным решением является поддержка рото­ра в вакууме при помощи электрического поля (речь идет об электростатических гироскопах). Существуют также магнитные гироскопы, в которых ротор удержива­ется магнитным полем. При изготовлении такие устройства охлаждаются криоген­ным способом до температур, при которых ротор становится сверхпроводящим. После чего при помощи внешнего магнитного поля внутри ротора формируется достаточно сильное противодействующее поле, позволяющее ротору свободно вра­щаться в вакууме. Такие магнитные гироскопы часто называются криогенными.

Поиск по сайту: