В области инерциальной навигации и инерциальных систем наведения акселерометры являются одним из основных чувствительных компонентов. Они в основном используются для измерения линейного ускорения, действующего на их чувствительную ось, обеспечивая прибор скоростью движения и координатами перемещения.
Таким образом, технологический уровень акселерометров напрямую определяет технологический уровень системы управления. Среди акселерометров кварцевые гибкие акселерометры обладают такими характеристиками, как небольшие размеры, высокая точность и надежность, что делает их наиболее совершенными акселерометрами, доступными в настоящее время.
Эта статья начинается со структурного механизма датчиков, основанного на теоретических математических моделях, и предлагает соответствующие усовершенствования в области улучшения материалов, технологии высокоточной обработки, среды высокоточного тестирования.
1.Механизм кварцевых акселерометров изгиба
1.1 Базовая структура акселерометров
Основная структура кварцевых гибких маятниковых акселерометров показана на рисунке 1. Акселерометр состоит из верхних компонентов крутящего момента, компонентов маятника, нижних компонентов крутящего момента, компенсирующих колец, корпуса и следящих цепей. Верхний и нижний компоненты крутящего момента состоят из магнитной стали, наконечников магнитных полюсов и компенсирующих колец, в то время как маятниковый компонент состоит из частей маятника и верхней и нижней подвижных катушек.
1.2 Принцип работы акселерометров
Язычок маятника маятниковой детали и прикрепленная к нему пара катушек крутящего момента образуют маятник массы обнаружения акселерометра. При вводе ускорения вдоль входной оси акселерометра маятник массы детектора будет отклоняться от положения равновесия из-за инерционных эффектов вокруг гибкого шарнира. Датчик дифференциальной емкости на акселерометре выдает значение дифференциальной емкости, которое датчик дифференциальной емкости преобразует в определенную величину текущего значения. Затем этот ток обрабатывается с помощью встроенной схемы усиления для формирования сбалансированного крутящего момента.
Катушка крутящего момента находится в стабильном магнитном поле, создаваемом магнитной сталью. Когда через катушку проходит сбалансированный ток крутящего момента, электромагнитная сила воздействует на маятник массы датчика, формируя сбалансированный крутящий момент. Величина уравновешенного крутящего момента равна и противоположна моменту инерции, что позволяет маятнику массы датчика достигать динамического равновесия под действием уравновешенного крутящего момента, завершая цикл обнаружения. Принципиальная схема принципа работы приведена на рисунке 2.
2.Несколько способов поддержания долговременной работоспособности кварцевых акселерометров изгиба
2.1 Математические модели
Начиная со структуры кварцевых акселерометров изгиба, основанной на теоретических математических моделях датчиков, и используя такие методы, как математическое моделирование, численный анализ, верификация модели и интеллектуальный анализ данных, предлагаются улучшения в различных аспектах, таких как улучшение материалов, технология высокоточной обработки и среда высокоточного тестирования.
Это принципиально решает проблему активной оптимизации, управления производством с помощью математических моделей и прогнозирования статических и динамических характеристик изделий на основе различных конструктивных параметров.
2.1.1 Статическая математическая модель
Кварцевые гибкие акселерометры генерируют ошибочные крутящие моменты вокруг своих выходных осей, что приводит к нелинейности и эффектам перекрестной связи в работе акселерометров. Для анализа конкретных факторов, влияющих на работу акселерометра, создана следующая модель ошибок:
Из формулы можно сделать вывод, что основными причинами, влияющими на погрешность измерения акселерометра, являются: нелинейная погрешность и погрешность стабильности масштабного коэффициента K1; ошибка перекрестной связи, вызванная углом смещения при перемещении компонента маятника; ошибка смещения, вызванная моментом взаимодействия Md, упругим восстанавливающим моментом Kh β и другими причинами.
2.1.2 Динамическая математическая модель
Принципиальная схема маятникового узла акселерометра приведена на рисунке 3. Для анализа характеристик движения акселерометров движение маятникового компонента при ускорении может быть упрощено до модели изгибающейся балки, на основе которой может быть создана линейная кинематическая модель акселерометра:
Если пренебречь моментом интерференции, погрешность измерения акселерометра может быть рассчитана следующим образом:
где коэффициент эластичности системы.
2.2 Низкий коэффициент теплового расширения, технология изготовления материалов с высокой стабильностью
2.2.1 Кварцевое стекло с низким содержанием гидроксила, сверхчистое
Пузырьки воздуха, примеси и гидроксильные группы в кварцевом стекле могут влиять на его механические свойства, такие как прочность, твердость и модуль упругости, тем самым снижая производительность маятниковых элементов и влияя на точность кварцевых акселерометров. Необходимо использовать высокоэффективные материалы с содержанием металлических примесей менее 1 ppm, содержанием гидроксильных групп менее 5 ppm и оптической неоднородностью в пределах диаметра φ100m менее 2 ppm.
Благодаря чрезвычайно низкому содержанию примесей металлов и гидроксильных групп в таких высокоэффективных материалах и наиболее полной структуре кремний-кислородной сетки в структуре стекла, они обладают такими характеристиками, как высокая стабильность, высокая твердость и высокий модуль упругости. Поэтому они являются предпочтительными основными компонентами для высокоточных стратегических кварцевых гибких акселерометров.
2.2.2 Сверхнизкий коэффициент теплового расширения сплава
Основной причиной нестабильности размеров конструкции является изменение размеров компонентов из-за колебаний температуры окружающей среды. Чем меньше коэффициент теплового расширения материала детали, тем меньше изменения размеров, вызванные изменениями температуры окружающей среды, что приводит к лучшей общей стабильности размеров конструкции.
В верхних и нижних хомутах и петлях обычно используется сплав с низким коэффициентом расширения 4J36 (FeNi36). Путем дальнейшего регулирования и модификации химического состава материала и применения сверхчистой плавки получают сплав класса, аналогичного 4J36, с чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения. Это снижает средний коэффициент теплового расширения сплава во всем диапазоне температур (от -40°C до 70°C) до 0,55 ppm, значительно повышая его совместимость с материалами из кварцевого стекла.
2.2.3 Сплав с двойным низкотемпературным коэффициентом и высокой стабильностью постоянных магнитов
Постоянные магниты обеспечивают энергией магнитное поле рабочего воздушного зазора, и рациональный выбор материалов для постоянных магнитов является ключевой частью конструкции магнитопровода. Стабильность масштабного коэффициента акселерометра и температурного коэффициента в значительной степени зависит от стабильности и температурного коэффициента магнитных свойств материала постоянного магнита. Основным принципом выбора материалов с постоянными магнитами является выбор материалов с высокой магнитной энергией, высоким остаточным магнетизмом, высокой коэрцитивной силой и низким температурным коэффициентом.
Новые типы материалов с постоянными магнитами с низкими температурными коэффициентами остаточного магнетизма и низкими температурными коэффициентами коэрцитивной силы, обеспечивая температурный коэффициент остаточного магнетизма, также имеют температурные коэффициенты коэрцитивной силы на порядок ниже, чем традиционные магнитные материалы. Это эффективно уменьшает дрейф магнитного поля, вызванный колебаниями коэрцитивной силы, что приводит к лучшей температурной стабильности и временной стабильности магнитного поля, потенциально обеспечивая долгосрочное стабильное использование кварцевых акселерометров в условиях переменной температуры.
2.3 Технология контроля низкого напряжения и высокоточная технология механической обработки и сборки
Поскольку кварцевые акселерометры изгиба являются приборами сверхвысокой точности, уровень механической обработки компонентов оказывает огромное влияние на качество продукции, а уровень технологии геометрических допусков определяет эксплуатационные характеристики изделия. Для поддержания долгосрочной стабильности и сохранения эксплуатационных характеристик акселерометров важно сосредоточиться на механической обработке компонентов с низким напряжением и сборке с низким напряжением для достижения точного контроля и устранения напряжений.
3.Система оценки высокостабильных акселерометров уровня Nanog и технология их применения
Согласно требованиям к тестированию высокоточных приборов, стабильность ускорения, обеспечиваемая средой тестирования, должна намного превышать точность самого акселерометра. Разработка среды тестирования с высокой стабильностью, отвечающей требованиям тестирования высокоточных приборов, имеет решающее значение. Настройка и калибровка высокоточных акселерометров должны основываться на более высокоточной среде тестирования, испытательном оборудовании и более комплексных методах тестирования.
4.Вывод
В этой статье предлагаются меры по поддержанию долгосрочной стабильности акселерометров, основанные на структурном механизме датчиков, теоретических математических моделях и усовершенствованиях материалов, технологии высокоточной обработки и средах высокоточного тестирования.
Стоит отметить, что кварцевый акселерометр ER-QA-03C демонстрирует выдающуюся производительность с масштабным коэффициентом 1,0 ± 0,2 мА/г. Повторяемость смещения нуля серии 03C1 составляет ≤15 мкг, а повторяемость масштабного коэффициента - ≤15 частей на миллион.Он имеет чрезвычайно широкое применение в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, авиация, навигация на море и на суше.