Введение

Г.В.Попов

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ

(модели погрешностей, измерение параметров, калибровка)

Москва

Попов Г.В.

Микромеханические инерциальные датчики (модели погрешностей, измерение параметров, калибровка) – М.: Изд-во …, 2015 – 230 с.: ил.

В учебном пособии с единых позиций излагаются вопросы, связанные с моделями погрешностей, измерением параметров и калибровкой микромеханических инерциальных датчиков – акселерометров, датчиков угловой скорости, инерциальных измерительных блоков.

В первой главе даны краткие теоретические сведения об акселерометрах, моделях погрешностей, возможных способах калибровки, дано описание объекта испытаний – трехосного микромеханического акселерометра, приведена схема экспериментальной установки, даны методические указания об измерении параметров и калибровке трехосного акселерометра в виде 4 лабораторных работ.

Во второй главе даны краткие теоретические сведения о датчиках угловой скорости, моделях погрешностей, возможных способах калибровки, дано описание объекта испытаний – двухосного датчика угловой скорости, приведена схема лабораторной установки, даны методические указания об измерении параметров и калибровке двухосного датчика угловой скорости в виде 5 лабораторных работ.

В третьей главе, на основании изложенного в предыдущих главах, приведены формулы для калибровки инерциального измерительного блока с цифровым выходом, дано описание объекта испытаний – инерциального измерительного блока с тремя акселерометрами и тремя датчиками угловой скорости, даны методические указания об измерении параметров и калибровке инерциального измерительного блока в виде 3 лабораторных работ.

В четвертой главе приведены сведения об используемом контрольно-испытательном оборудовании: развязанном основании, горизонтируемом основании, жидкостном уровне, ориентационном приспособлении, скоростном поворотном столе с вертикальной осью вращения, цифровом мультиметре, персональном компьютере и специально разработанных пультах «АК-Микро» и «ДУС-Микро».

Ил. 37. Табл. 52. Библиография 20 назв.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время широкое распространение получили микромеханические инерциальные датчики (MEMS) и построенные на их основе навигационные системы [1]…[6].

В соответствии с требованиями времени, на кафедре ИУ-2 МГТУ им. Н.Э.Баумана (заведующий кафедрой д.т.н., проф. С.Ф.Коновалов) и на факультете Приборостроения МГТУ им. Н.Э.Баумана (декан к.т.н., доц. В.Н.Герди) в учебный процесс введены курсы лекций по микромеханическим гироскопам и акселерометрам. В курсах лекций рассматриваются принцип действия, устройство, выходные характеристики и технология изготовления микромеханических инерциальных датчиков. Для закрепления теоретических знаний студентов было решено создать в инициативном порядке учебное пособие, где с единых позиций даны сведения о моделях погрешностей, методиках измерения параметров и калибровке микромеханических инерциальных датчиков: акселерометров, датчиков угловой скорости и инерциальных измерительных блоков [7], [8].

При создании учебного пособия преследовались следующая цель:

- подготовка специалистов к самостоятельной работе по созданию моделей погрешностей, измерению параметров и калибровке реальных современных микромеханических устройств – акселерометров, датчиков угловой скорости, инерциальных измерительных блоков.

Задачами учебного пособия являются:

- дать сведения о реальных современных микромеханических устройствах – акселерометрах, датчиках угловой скорости, инерциальных измерительных блоках;

- показать методику составления моделей погрешностей микромеханических акселерометров, датчиков угловой скорости, инерциальных измерительных блоков;

- привить практические навыки работы с микромеханическими акселерометрами, датчиками угловой скорости, инерциальными измерительными блоками;

- научить методикам испытаний и методам калибровки микромеханических акселерометров, датчиков угловой скорости, инерциальных измерительных блоков;

- дать сведения о составе контрольно-испытательного оборудования, о целевом назначении каждого прибора и устройства, их характеристиках;

- научить приемам работы с информационно-измерительными системами, построенными на базе современной измерительной и вычислительной техники;

- научить методам обработки экспериментальных данных;

- привить навыки составления технических отчетов.

В результате анализа рынка микромеханических датчиков с целью экономии времени и средств, в качестве материальной основы было решено взять три серийных устройства (рис. В.1), разработанных и изготовленных фирмой Sparkfun Electronics, Inc (США) для технического творчества молодежи в области робототехники и управления движением:

- печатную плату трехосного акселерометра;

- печатную плату двухосного датчика угловой скорости (ДУС);

- печатную плату инерциального измерительного блока (ИИБ) с устройствами беспроводной связи с персональным компьютером.

Рис. В.1. Объекты испытаний в состоянии поставки (слева направо): печатная плата трехосного акселерометра, печатная плата двухосного ДУС, печатная плата ИИБ

Зарубежные производители обычно не предоставляют пользователям содержательную информацию об устройстве и конструкции своей продукции. В информационных материалах (datasheet) содержатся сведения в основном об эксплуатационных характеристиках инерциальных датчиков и указания по их применению. Для того чтобы донести до студентов крупицы полезной информации об устройстве и конструкции датчиков, фрагменты переводов информационных материалов приведены в соответствующих главах учебного пособия. Обнаруженные очевидные ошибки и неточности зарубежных информационных материалов исправлены в контрольном экземпляре документов, хранящихся на кафедре ИУ-2.

В состав контрольно-испытательного оборудования в основном входят устройства и приспособления, которые имеются на любом гироскопическом предприятии или учебной кафедре соответствующего профиля: горизонтируемое основание, жидкостной уровень, ориентационное приспособление, скоростной поворотный стенд с вертикальной осью вращения, персональный компьютер. Однако для работ с платой микромеханического трехосного акселерометра и с платой микромеханического двухосного ДУСпришлось пойти на созданиеспециальных пультов. Пульты связаны с платами акселерометра и ДУС соответствующими кабелями. Электрические схемы и конструкция обоих пультов унифицированы.

Сбор, регистрация и накопление экспериментальных данных осуществляются посредством современной измерительной и вычислительной техники. Используется готовое программное обеспечение, поставляемое вместе с цифровым мультиметром и инерциальным измерительным блоком. Камеральная обработка накопленных экспериментальных данных может производиться посредством любых существующих пакетов программного обеспечения с элементарной статистикой.

Терминология по гироскопии приведена в соответствие со сборником [9].

В рамках настоящего учебного пособия необходимые практические навыки работы с микромеханическими инерциальными датчиками закрепляются в виде 12 лабораторных работ, в том числе:

- с микромеханическим трехосным акселерометром – 4;

- с микромеханическим двухосным ДУС – 5;

- с микромеханическим ИИБ – 3.

После изучения учебного пособия и выполнения лабораторных работ студент должен:

- знать устройство, принцип действия, режимы работы, основные характеристики микромеханического трехосного акселерометра, микромеханического двухосного ДУС, микромеханического ИИБ;

- рассчитывать выходные характеристики микромеханического трехосного акселерометра и микромеханического двухосного ДУС;

- знать устройство, принцип действия, режимы работы, основные характеристики входящих в ИИБ компонентов: микромеханического трехосного акселерометра, микромеханического одноосного ДУС, микроконтроллера;

- уметь назначать через экранное меню выходные характеристики ИИБ;

- знать состав контрольно-измерительной аппаратуры, применяемой в работе, целевое назначение каждого прибора и устройства, их характеристики, уметь ими пользоваться;

- знать методику проведения эксперимента;

- уметь обрабатывать экспериментальные данные;

- ответить на контрольные вопросы;

- иметь отчеты по лабораторным работам.

Отчеты по лабораторным работам должны содержать:

- название лабораторной работы;

- сведения о студенте (номер группы, фамилия, инициалы);

- сведения о преподавателе (номер кафедры, должность, ученая степень, фамилия, инициалы);

- название лабораторной работы;

- цель лабораторной работы;

- схему экспериментальной установки;

- перечень используемого контрольно-испытательного оборудования с указанием основных характеристик;

- план (последовательность) проведения эксперимента;

- результаты измерений в виде таблиц по приведенной форме;

- основные расчетные формулы;

- результаты обработки экспериментальных данных в виде таблиц по приведенной форме и, там где это указано дополнительно, графиков;

- анализ полученных результатов;

- выводы по сделанной работе, раскрывающие поставленные в данной работе цели;

- ответ на контрольный вопрос по указанию преподавателя.

Предложенные методики испытаний микромеханических инерциальных датчиков не претендуют на новизну. Не ставилась также задача минимизации объема испытаний и оптимизации испытаний по времени, что бывает актуально при построении алгоритмов предстартовой подготовки. Единственными, пожалуй, критериями для выбора методик испытаний были стремление к единообразию, простоте и желание получить максимальный отклик объекта испытаний от приложения тех или иных тестовых воздействий.

Данная работа была бы невозможной без поддержки и стимулирования со стороны заведующего кафедрой ИУ-2 МГТУ им. Н.Э.Баумана д.т.н., проф. С.Ф.Коновалова и декана факультета Приборостроения МГТУ им. Н.Э.Баумана к.т.н., доц. В.Н.Герди.

Автор выражает признательность студентам кафедры ИУ-2, членам «Гироскопического кружка кафедры ИУ-2» Д.Токареву, С.Югаю, В.Чулкову, а также студентам кафедры ИУ-2 и факультета Приборостроения Д.Колыхаеву, Т.Репиной, А.Саповскому, И.Тарасову, О.Перлиной, которые в рамках курсового и дипломного проектирования задокументировали конструкторские решения и опробовали методики испытаний микромеханических датчиков.

Особая благодарность заведующему кафедрой ИУ-2 МГТУ им. Н.Э.Баумана д.т.н., проф. С.Ф.Коновалову, к.т.н., доц. кафедры ИУ-2 МГТУ им. Н.Э.Баумана Л.М.Селивановой и главному научному сотруднику отдела подготовки кадров ФГУП «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры» «НИИ прикладной механики им. акад. В.И.Кузнецова» В.Н.Никандрову, которые ознакомились с рукописью настоящей работы, за полезные замечания и советы.