Введение к работе
Актуальность работы
Акселерометры' широко используются для контроля и регистрации ударных и вибрационных перегрузок, возникающих в местах жизнедеятельности человека, а также при испытаниях, эксплуатации и транспортировке точных приборов; для измерения виброускорений машин и строительных конструкций: решения навигационных задач, и т.д. В настоящее время наиболее перспективно применение емкостных дифференциальных акселерометров (ЕДА) в интегральном (микромеханичвс-. ком) исполнении, которые характеризуются малым потреблением энергии, малыми габаритами и массой, высокой точностью и низкой стоимостью при серийном производстве.
В Щ,выполненных на базе интегральной технологии, толщина воздушных зазоров между подвижным и неподвижным электродами составляет единицы микрометров. Частотные характеристики и рабочий диапазон частот подобных Ш в значительной мере обусловлены мало исследованными эффектами механо-акустического взаимодействия, в частности, .воздушного демпфирования подвижной системы в тонких воздушных зазорах. При разработке и оптимизации конструкций ЕДА в зависимости от их назначения, пределов измерения и режимов работы, приходится решать задачи снижения, коррекции или даже увеличения степени газового успокоения подвижной системы. При эксплуатации акселерометров на ответственных объектах возникает необходимость оперативного тестирования частотных характеристик акселерометра без его демонтажа. В связи с этим важное значение приобретает разработка новых методов и средств определения частотных характеристик интегральных акселерометров.
Цель работы и задачи исследования. Основной целью работы является: разработка метода определения частотных характеристик интегральных Щ с помощью электростатического воздуждения и регистрации вынужденных колебаний подвижной системы; разработка методики моделирования частотных характеристик и степени успокоения подвижной системы интегральных ЕДА консольного типа.
Для достижения первой из упомянутых целей пришлось решить следующие задачи: провести анализ недостатков известных методик электростатического возбуждения и регистрации вынужденных колебаний; разработать методику оценки критического напряжения поляризации и его завиш.ъсти от конструктивных параметров испытуемых
акселерометров (толщины воздушных зазоров и их неидентичности); разработать методику расчета функций прогиба подвижной системы и изменения проходной емкости испытуемых акселерометров при воздействии напряжения поляризации и напряжения возбуждения; разработать методику оценки коэффициента нелинейных искажений и исследовать его зависимость от параметров схемы возбувдения и испытуемого акселерометра; получить аналитические оценки уровня шума и рекомендации его снижения; провести наладку стенда и экспериментальные исследования его эксплуатационных и метрологических характеристик. При моделировании амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) ЕДА использовался известный метод замещения реальной динамической системы системой с сосредоточенными параметрами на основе метода мехлно-акустических аналогий. Основные задачи, которые пришлось решить в процессе разработки модели, состояли: в уточнении коэффициента мехвно-акустической связи и формул для расчета акустического импеданса; калибровке модели по результатам экспериментальных исследований АЧХ консольных акселерометров; исследовании на модем зависимости степени успокоения от толщины воздушного зазора и ширины подвижной системы.
Методы исследования. При решении упомянутых задач использовались аналитические и экспериментальные методы исследования, а также моделирование динамических характеристик систем с распределенными параметрами. В работе использовался аппарат теории автоматического управления, методов математической физики, численных методов решения систем нелинейных уравнений. Численные расчеты и моделирование проводилось в системе MATHCAD.
Научная новизна. К числу научных результатов диссертационной р.мОоты следует отнести: результаты теоретических и экспериментальных исследований, показывающих возможность определения частотных карэктеристик и степени успокоения подвижной системы ЕДА в области низких частот с помощью электростатического возбуждения и регистрации вынужденных колебаний; методику анализа и расчета критических значений напряжения поляризации и функций прогиба подвижной системы ЕДА консольного типа при электростатическим возбуждении; формулу оценки коэффициента нелинейных искажений стенда с электростатическим возбуждением; зависимости степени успокоения подвиж-аэй ситемы ЕДА консольного типа от толщины воздушного зазора и ширины подвижной системы. L^L7''1*0'-'^ 'V ннооть. Разработанный стенд с электростатическим
возбуждением и регистрацией колебаний обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с вибростендами: отсутствие поперечной составляющей возбуждаемых колебаний, более низкий уровень коэффициента нелинейшг'искажений,шума и инструментальннх погрешностей. Стенд содержит дешевое оборудование. Кроме того предлагаемая методика может быть использована для диагностики АЧХ подвижной системы акселерометров без демонтажа с объекта. Разработанная методика численного моделирования АЧХ сокращает затраты средств и времени при проектировании ЕДА и при доработке опытных конструкций с целью получения желательных АЧХ.
Апробация работы. Все основные научные положения и выводы, обоснованы теоретически и проверены экспериментально. Обоснованность научных выводов и положений подверждается опубликованием их в печати и обсуждением на Международной научно-технической конференции "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность-96" (Санкт-Петербург 1996), Второй международной конференции, го, проблемам физической метрологии (Санкт-Петербург 1996), а также на научных семинарах лаборатории "Датчики автоматических систем" кафедры ИМГ.
Публикации. По теме диссертации опупликовано 3 печатные работы.
Структура и объема работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть содержит 174 страницы, '54 рисунка и 39 таблиц. Список испольованной литературы включает 72 наименования.
