Анализ температурных характеристик кварцевого гибкого акселерометра
Кварцевый гибкий акселерометр относится к акселерометру с маятниковой структурой баланса сил, и его показатели производительности могут соответствовать требованиям большинства рабочих сред. Поэтому он имеет широкий спектр применения в таких областях, как аэрокосмическая, оборонная и военная промышленность.
Однако, поскольку он является одним из основных компонентов инерциальной навигационной системы (гироскоп и акселерометр), его характеристики (особенно точность работы) часто напрямую влияют на то, сможет ли вся система работать нормально. Следовательно, изучение методов повышения точности измерений акселерометров стало важнейшим аспектом исследований в области инерциальных технологий.
Рис.1 Механическая структурная схема кварцевого гибкого акселерометра
Рис.1 Механическая структурная схема кварцевого гибкого акселерометра
Точность измерений акселерометров связана не только с их собственными конструктивными схемами, техническими процессами и материалами изготовления, но и с рабочей средой, в которой они находятся, особенно с рабочей температурой.
Изменение температуры рабочей среды может вызвать тепловое расширение и сжатие компонентов, а также изменение физических параметров материалов, что в первую очередь отражается на их масштабном коэффициенте и нулевом смещении. Это стало важным аспектом, ограничивающим производительность акселерометров в текущем процессе разработки.
Поэтому необходимо качественно проанализировать влияние температуры рабочей среды на работу акселерометров, а затем изучить методы повышения точности выходных данных акселерометров на основе этого анализа.
- Анализ температурных характеристик кварцевого гибкого акселерометра.
Результаты соответствующих исследований показывают, что температура оказывает два основных влияния на рабочую точность кварцевых гибких акселерометров:
1.1 Изменение магнитного поля
Некоторые внутренние магнитные поля акселерометров претерпевают незначительные изменения в зависимости от температуры внешней рабочей среды, что приводит к неточным масштабным коэффициентам акселерометров. В то же время может также произойти дрейф нуля, и даже собственные параметры системы, такие как коэффициент демпфирования и модуль упругости, также могут слегка дрейфовать с температурой.
1.2 Текущее изменение
Катушка крутящего момента во время работы генерирует ток обратной связи, вызывая повышение температуры катушки из-за теплового эффекта тока. Это изменение температуры катушки, в свою очередь, сделает распределение температуры внутри корпуса счетчика неравномерным, что приведет к изменениям параметров магнитного материала, что в конечном итоге отразится на масштабном коэффициенте.
Кроме того, с ростом температуры увеличивается и площадь катушки, что приводит к увеличению магнитного потока, окружающего катушку, т. е. к увеличению нелинейной погрешности. Наконец, опорный рычаг также может подвергнуться деформации, что приведет к повторному дрейфу датчика сигнала, а между тем изменение длины рычага или момента инерции также вызовет отклонение первоначального значения эффекта маятника, что приведет к серьезному дрейфу. в масштабном коэффициенте.
Таким образом, изменения температуры будут влиять на параметры внутреннего магнитного поля и структуру сердечника кварцевых гибких акселерометров, что в конечном итоге проявляется в дрейфе масштабных коэффициентов и нулевых смещениях акселерометров, тем самым вызывая ошибки вывода.
Рис.2 Распределение выходной ошибки акселерометра из-за изменения температуры
2. Решение проблемы влияния температуры на кварцевый гибкий акселерометр.
В настоящее время в практическом проектировании для снижения влияния температуры рабочей среды на кварцевый гибкий акселерометр обычно применяют следующие методы совершенствования:
2.1 Существенный аспект
Рассмотрите возможность использования материалов, нечувствительных к температуре с точки зрения материала, и улучшите тепловую конструкцию инерционных устройств, чтобы снизить чувствительность всей системы к температуре. Например, использование компонентов с отрицательными температурными коэффициентами для компенсации или компенсации изменений материалов с положительным температурным коэффициентом в акселерометрах.
2.2 Математическая модель компенсации
Качественно и количественно проанализировать температурные характеристики инерционных устройств для создания математической компенсационной модели, отвечающей определенным требованиям точности. На основе результатов математических расчетов с помощью программных алгоритмов может быть выполнена компенсация отклонений, вызванных изменением температуры, в реальном времени.
2.3 Улучшение рабочей среды акселерометра
Улучшение рабочей среды акселерометров для минимизации колебаний температуры во время работы, например, использование аппаратных структур с постоянной температурой для работы в среде с постоянной температурой.
Рис.3 Структурная схема системы контроля температуры кварцевого акселерометра
Первый метод улучшения в основном направлен на улучшение с точки зрения материалов и конструкции конструкции. Целью исследования является фундаментальное выявление причин температурного дрейфа акселерометра и соответствующие решения. В настоящее время многие исследователи и технические специалисты провели соответствующие исследования по этому вопросу.
Второй метод улучшения рассматривает и совершенствует с точки зрения алгоритмов программного обеспечения. Он создает относительно сложную модель математической компенсации температуры посредством качественного и количественного анализа экспериментальных данных для выполнения компенсации в реальном времени ошибок, вызванных изменениями температуры. На современном этапе многие эксперты и ученые также обсуждают и исследуют эти вопросы.
В акселерометре ER-QA-03C используется датчик температуры, и на его основе операторы могут компенсировать отклонения и масштабные коэффициенты для снижения влияния температурных факторов.
Рис.4 Малогабаритный кварцевый акселерометр для аэрокосмической отрасли
Рис.4 Кварцевый акселерометр ER-QA-03C для аэрокосмической отрасли
Последний метод улучшения контролирует изменения температуры через внешние аппаратные структуры, главным образом, чтобы заставить акселерометры работать в замкнутой среде с постоянной температурой, чтобы изолировать влияние внешних неопределенных условий.
По сравнению с первыми двумя методами, которые имеют такие недостатки, как сложная конструкция, длительный цикл и высокая стоимость, третий метод аппаратного контроля температуры не только имеет низкую стоимость и простоту реализации, но также обладает высокой универсальностью при сохранении высокой точности, поэтому он был широко используется в инженерной практике в стране и за рубежом.
- Резюме
В данной статье анализируется влияние температуры на кварцевые гибкие акселерометры и соответствующие решения. Изменения температуры в основном влияют на параметры внутреннего магнитного поля и ток акселерометров, приводя к дрейфу масштабных коэффициентов и нулевым смещениям, тем самым вызывая ошибки вывода. Для решения этой проблемы предлагаются такие решения, как улучшение материалов, математические модели компенсации и улучшение рабочей среды.
В частности, упомянутый ранее ER-QA-03C имеет размеры Ф18,2х23 мм с масштабным коэффициентом 1,0±0,2 мА/г. Повторяемость смещения нулевой точки серии ER-QA-03C1 составляет ≤15 мкг, а повторяемость масштабного коэффициента составляет ≤15 ppm. Помимо аэрокосмических приложений, его также можно использовать для измерения статического и динамического ускорения.
Буду признателен, если вы обнаружите, что эта статья вам очень помогла. Прочтите следующие статьи и продукты, чтобы получить дополнительную информацию о кварцевом гибком акселерометре.