Высокоточные низкочастотные акселерометры для систем управления дв и жением изделий ракетно-космической техники
На правах рукописи
АЛЕКСЕЕВА Вера Владимировна
высокоточные низкочастотные
акселерометры для систем управления
движением ИЗДЕЛИЙ
ракетно-космической техники
Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные
и управляющие системы (приборостроение)
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Пенза 2011
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт физических измерений», г. Пенза.
Научный руководитель – доктор технических наук
Папко Антонина Алексеевна.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Юрков Николай Кондратьевич;
кандидат технических наук
Солодимова Галина Анатольевна.
Ведущая организация – РКК «Энергия», г. Королев Московской обл.
Защита диссертации состоится 19 мая 2011 г., в 14 часов,
на заседании диссертационного совета Д.212.186.02 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», с авторефератом – на сайте университета www.pnzgu.ru
Автореферат разослан «__» апреля 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор А. В. Светлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Совершенствование и развитие информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) изделий ракетно-космической техники (РКТ) является одним из эффективных путей поддержания необходимого уровня обороноспособности страны. Процессы измерения ускорений на платформенных (с конструктивной защитой от воздействия механических и температурных влияющих величин) и бесплатформенных системах управления движением базируются на низкочастотных акселерометрах уравновешивающего преобразования как их неотъемлемой части. Комплекс современных требований к акселерометрам
ИИУС объектов РКТ требует высокоточного измерения ускорения (не хуже 0,005 %) в интервале от десятых долей мс-2 и до 600 мс-2, высокой стабильности коэффициента преобразования (до ±0,001 %/°С) в условиях воздействия изменений температуры окружающей среды в интервале от минус 65 до +65 °С, вибрационных и ударных процессов значительной амплитуды. Общим недостатком известных в настоящее время акселерометров для бесплатформенных систем управления (серия QA «Honeywell», серии MA и JA-5 «Japan Aviation Electronics», серия АТ ОАО «Темп-Авиа», серия КИНД «НИИПМ им. академика В. И. Кузнецова», серия АЛЕ
ОАО «НИИФИ», серия АК «НПЦ АП им. академика Н. А. Пилюгина») является неудовлетворительная температурная стабильность коэффициента преобразования, а для их малогабаритных вариантов (QA, JA-5, АЛЕ и АТ) к ней добавляется нестабильность смещения нуля.
Исследованиям методов повышения точности цепей уравновешивающего преобразования посвящены работы В. С. Гутникова, Е. С. Левшиной, П. В. Новицкого (СПбТУ), Е. А. Мокрова (ОАО «НИИФИ»,
г. Пенза), Э. К. Шахова, В. М. Шляндина (ПГУ), У. М. Сиберта (Массачусетский технологический институт, США). Развитию методологии проектирования уравновешивающих акселерометров, устойчивых к воздействию жестких условий эксплуатации на изделиях РКТ, посвящено значительное число работ В. Ф. Коновалова (МГТУ им. Н. И. Баумана) и А. А. Папко (ОАО «НИИФИ», г. Пенза).
Однако разработанные принципы и рекомендации не учитывают того, что при значительном серийном выпуске высокоточных акселерометров представления о реальных процессах их функционирования и механизмах возникновения возможных дефектов существенно изменяются не только при ужесточении требований к точности, но и по мере накопления статистических данных о поведении конкретных приборов при производстве и эксплуатации. То, что на единичных образцах может быть исключенным из ряда измерений как промах, повторяясь в серийном производстве и эксплуатации в виде самоустраняющихся дефектов, является следствием проявления влияния сочетания маловероятных факторов, обусловленных специфическими условиями высокоточных измерений, и приводит к необходимости уточнения схемно-конструктивных решений, математических моделей, методов контроля и испытаний акселерометров.
В этой связи разработка высокоточных низкочастотных акселерометров для ИИУС изделий РКТ на основе новых технических решений, обеспечивающих соответствие каждого образца установленным требованиям в процессе серийного производства и эксплуатации, является актуальной задачей.
Актуальность решаемой задачи подтверждается включением исследований по созданию элементов систем управления движением в утвержденные перечни приоритетных направлений развития науки, техники и критических технологий РФ.
Целью диссертационной работы являются разработка и исследование возможностей и путей повышения стабильности и воспроизводимости метрологических характеристик малогабаритных высокоточных акселерометров с частотным выходом для ИИУС изделий РКТ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– исследовать функцию влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом;
– исследовать способы и алгоритмы повышения температурной стабильности коэффициента преобразования акселерометра;
– исследовать новые технические решения по уменьшению влияния нестабильности смещения нуля на достоверность оценки метрологических характеристик акселерометра;
– разработать рекомендации и методы испытаний, обеспечивающие воспроизводимость их результатов при определении параметров функции преобразования акселерометра в процессе изготовления и в составе ИИУС;
– подтвердить экспериментально эффективность результатов исследования схемно-конструктивных решений, рекомендаций и методов испытаний, обеспечивающих повышение стабильности, и разработать высокоточные акселерометры для ИИУС изделий РКТ.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, математического моделирования, теории измерений, теоретической и практической метрологии. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD, Maple, ANSYS.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований образцов высокоточных низкочастотных линейных акселерометров в процессе производства и эксплуатации в составе ИИУС изделий РКТ.
Научной новизной обладают:
1. Результаты исследования функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра с частотным выходом, позволившие впервые установить, что возрастание или убывание функции зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания, а параметры наклона – от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.
2. Уточненная математическая модель процесса компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования, отличающаяся учетом влияния нормированных изменений температурных характеристик термодатчика и регулирующих элементов и позволяющая обосновать предельные возможности различных конфигураций схемы термокомпенсации и условия выбора номинальных значений сопротивлений регулирующих элементов, определяющих характеристики ИИУС изделий РКТ.
3. Схемные и конструктивные решения, обеспечивающие повышение стабильности параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом за счет уменьшения числа резистивных делителей и источников опорного напряжения в преобразователе «напряжение – частота» (ПНЧ).
4. Обоснование взаимосвязи между воспроизводимостью результатов измерений при определении параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом и сочетанием маловероятных самоустраняющихся дефектов, вызванных влиянием индустриальных помех по цепям питания и несанкционированным нарушением режимов работы выходных каскадов, в процессе изготовления и эксплуатации ИИУС изделий РКТ.
Практическое значение имеют:
1. Решение задачи компенсации температурной погрешности акселерометра путем введения в схему дополнительного операционного усилителя с термодатчиком и регулирующими элементами, конфигурация включения которых в схему зависит от знака и значения компенсируемой температурной погрешности, и применения нового алгоритма процесса термокомпенсации.
2. Разработка схемы миниатюрной СБИС ПНЧ с улучшенными метрологическими характеристиками за счет внедрения результатов исследований, обосновывающих возможность исключения из нее несовместимых с технологиями изготовления СБИС одного резистивного делителя и одного источника опорного напряжения.
3. Повышение воспроизводимости и стабильности параметров
ИИУС за счет внедрения методов испытаний, исключающих недостоверную идентификацию маловероятных отказов при серийном производстве и проведении входного контроля в составе ИИУС.
4. Модернизация акселерометров АЛЕ 055 и разработка акселерометров АЛЕ 055М, АЛЕ 057 с температурными характеристиками до 0,001 %/С, что вдвое меньше, чем у лучшего отечественного аналога, на два порядка меньше, чем у других отечественных аналогов, и на порядок меньше, чем у лучшего зарубежного аналога.
На защиту выносятся:
1. Уточненная математическая модель процесса компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра на основе учета нормируемых пределов изменения температурных характеристик элементов цепи термокомпенсации, позволяющая сформулировать условия выбора ее конфигурации и снизить трудоемкость процесса термокомпенсации.
2. Конструктивные решения, обеспечивающие повышение стабильности пространственной ориентации измерительной оси акселерометра, улучшающие стабильность смещения нуля акселерометров для ИИУС изделий РКТ.
3. Новые рекомендации и методы испытаний, обеспечивающие повышение воспроизводимости результатов измерений при оценке параметров функции преобразования и уменьшающие вероятность возникновения самоустраняющихся дефектов при изготовлении и эксплуатации высокоточных акселерометров с частотным выходом в составе ИИУС.
4. Разработка высокоточных миниатюрных акселерометров АЛЕ 055М и разработка АЛЕ 057 с высокой температурной стабильностью коэффициента преобразования и временной стабильностью смещения нуля.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты проведенных научных исследований использованы для модернизации прецизионных низкочастотных акселерометров АЛЕ 055 и разработки акселерометров нового поколения АЛЕ 055М, внедренных в ИИУС реактивных систем залпового огня (РСЗО) 9Б174, акселерометров АЛЕ 057, предназначенных для эксплуатации в составе ИИУС разгонных блоков 8К82КМ и системы управления движением узлов комплекса 1Т142.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2008, 2009, 2011); международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2006, 2010), XXXV научно-технической конференции «Пути повышения эффективности применения ракетно-артиллерийских комплексов, методов их эксплуатации и ремонта» (г. Пенза, 2009), всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в ракетно-космической промышленности» (г. Москва, 2009), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010, 2011), научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (г. Пенза, 2007, 2008, 2009, 2010 и 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 3 работы опубликованы в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов; изложена на 138 страницах, содержит 43 рисунка, 19 таблиц; список использованных источников составляет 88 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснованы актуальность темы, цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы, показана научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлены результаты анализа метрологических характеристик высокоточных акселерометров для ИИУС, построенных на основе метода уравновешивающего преобразования с использованием наиболее распространенных емкостных датчиков перемещения и магнитоэлектрических обратных преобразователей. Известные отечественные и зарубежные аналоги значительно различаются по температурной погрешности и дополнительным функциям – наличию активных фильтров нижних частот (ФНЧ), встроенных датчиков температуры, цепей термокомпенсации и т.д. Установлено, что из-за ограниченных вычислительных возможностей отечественные ИИУС изделий РКТ не выполняют функций введения поправок на влияние изменений температуры окружающей среды, что приводит к необходимости выполнения компенсации температурной погрешности непосредственно в акселерометрах. На основе анализа передаточной функции акселерометра АЛЕ 055 с частотным выходом, содержащего, кроме цепи уравновешивания, встроенные ФНЧ и ПНЧ, определена математическая модель функции влияния температуры окружающей среды на коэффициент преобразования 
t в виде
, (1)
где K0, K0(T) – коэффициент преобразования и его приращение в интервале изменения температуры окружающей среды T; R, B, lпр – температурная нестабильность характеристик масштабирующего резистора и обратного преобразователя как элементов цепи уравновешивания акселерометра; КФНЧ – температурная нестабильность коэффициента усиления ФНЧ; T0, Е0 – температурная нестабильность параметров узлов, определяющих метрологические характеристики ПНЧ.
Определение границ изменения функции влияния на основе формулы (1) с использованием нормированных значений отдельных составляющих показывает, что они находятся в подтвержденном экспериментами интервале от 410–5 до 2710–5 1/°С. Автором установлено, что возрастание или убывание функции зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания (первое слагаемое формулы (1)), а параметры наклона – от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.
Анализ структурной схемы этого же акселерометра позволил определить математическую модель описания предельного значения нестабильности смещения нуля b0, приведенного ко входу цепи уравновешивания при гарантированном отсутствии риска заказчика:
(2)
где КС – нестабильность смещения нуля механической колебательной системы (КС); С, УПТ, ФНЧ, ПНЧ – нестабильность смещения нуля датчика перемещения, усилителя постоянного тока (УПТ), ФНЧ и ПНЧ соответственно; KКС, KС, K, KФНЧ – коэффициенты преобразования КС, датчика перемещения, цепи уравновешивания и ФНЧ соответственно.
Выявлено, что наиболее значимыми составляющими формулы (2) являются нестабильности КС, ПНЧ из-за того, что первая из них входит в модель полным весом, а вторая – связана с принципиальной необходимостью использования в прецизионном ПНЧ источников опорного напряжения, отличительной характеристикой которых является неудовлетворительная стабильность за время вхождения в режим.
Исследование стабильности метрологических характеристик при эксплуатации серийных высокоточных акселерометров в составе ИИУС позволило также установить зависимость их воспроизводимости от влияния сочетаний маловероятных влияющих факторов. К ним отнесены факторы, взаимосвязь возникновения каждого из которых в отдельности с появлением самоустраняющихся дефектов акселерометров можно зафиксировать только в крайне редких случаях.
На основе проведенного в главе анализа сформулированы основные задачи дальнейших исследований, направленных на поиск путей повышения стабильности параметров функции преобразования акселерометров для ИИУС.
Во второй главе исследованы возможности известных датчиков температуры для целей компенсации влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования датчиков ИИУС. Определено, что наиболее эффективно задача термокомпенсации может быть решена применением дополнительного инвертирующего операционного усилителя DA с термозависимым коэффициентом усиления K(t), содержащего термодатчик R(t) из меди или платины и регулирующие элементы R1–R4, конфигурация включения которых в схему зависит от знака и значения компенсируемой температурной погрешности (рисунок 1). Штрихами на рисунке 1 отмечены элементы, включаемые в соответствии с разработанными автором рекомендациями (таблица 1).
Рисунок 1 – Обобщенная цепь компенсации влияния изменений температуры
окружающей среды на коэффициент преобразования акселерометра
В общем виде коэффициент преобразования цепи по рисунку 1 без учета температурных характеристик ее регулирующих элементов имеет вид
. (3)
Построение алгоритмов компенсации влияния изменений температуры окружающей среды датчиков на основе уравнения (3) приводит к неудовлетворительным результатам, не позволяя использовать ее значительных потенциальных возможностей, которые могут быть определены только при учете температурных характеристик всех ее элементов.
Для этого случая ожидаемые значения компенсирующей температурной нестабильности коэффициента преобразования цепи по рисунку 1 в интервале изменений температуры окружающей среды от Тmin до Тmax с учетом температурных изменений резисторов R1–R4 и термодатчика R(t), полученные на основе формулы (3), для вариантов 1, 2 в таблице 1 описываются уравнением
, (4)
для вариантов 3, 4 – уравнением
, (5)
где 
;
; t – температурный коэффициент сопротивления датчика температуры; R1, R2, R3, R4 – температурные коэффициенты сопротивления резисторов, образующих цепь термокомпенсации; r0 – сопротивление датчика температуры при номинальном значении температуры, например 0 °С.
Таблица 1 – Варианты конфигураций цепи термокомпенсации
| № варианта | Варианты включения регулирующих элементов R1–R4 и датчика температуры R(t) | Знак и пределы изменения компенсируемой погрешности, %/°С | ||||
| R1 | R2 | R3 | R4 | R(t) | ||
| 1 | нерегулируемый | регулируемый | нерегулируемый | отсутствует | последовательно с R1, R3 | от +0,004 до +0,025 |
| 2 | регулируемый | отсутствует | нерегулируемый | отсутствует | последовательно с R1, R3 | от +0,015 до +0,05 |
| 3 | нерегулируемый | отсутствует | регулируемый | отсутствует | последовательно с R3 | от минус 0,015 до минус 0,05 |
| 4 | нерегулируемый | отсутствует | нерегулируемый | регулируемый | параллельно с R4 | от минус 0,004 до минус 0,025 |
Анализ возможностей схем термокомпенсации на основе формул (4), (5) с применением ЭВМ позволил определить предельные значения компенсируемой погрешности (столбец 7 таблицы 1), а также обосновать следующее условие выбора номинальных значений регулирующих элементов R1, R3:
,
где n – установленное отношение температурных приращений сопротивлений.
Из-за сложности аналитического определения сопротивлений термокомпенсирующих резисторов R2, R4 по заданным значениям KtK автором предложен алгоритм решения задачи термокомпенсации средствами программы Maple, содержащий, кроме операций вычисления сопротивления регулирующих элементов и ожидаемых температурных характеристик, анализ результатов промежуточных вычислений, операцию выбора конфигурации цепи термокомпенсации на основании температурных испытаний акселерометра при отключенной цепи термокомпенсации.
В третьей главе показано, что нестабильность собственного смещения нуля акселерометра из-за значительного времени воспроизведения и фиксации измеряемой величины оказывает различное влияние на результаты измерений выходного сигнала акселерометра в разных точках градуировки и приводит к снижению достоверности определения параметров функции преобразования и воспроизводимости результатов измерений в составе ИИУС. Представлены результаты исследований возможности повышения достоверности измерений за счет уменьшения двух наиболее значимых и независимых друг от друга составляющих формулы (2) – ПНЧ, КС.
На основе анализа известных вариантов построения ПНЧ установлено, что наиболее точные из них построены на принципе двухтактного интегрирования с заданной длительностью одного такта. При этом для сохранения ожидаемой точности и обеспечения заданных требований к значениям смещения нуля bF и коэффициента преобразования K0F необходимо использование двух регулируемых источников опорного напряжения для регулирования заданных значений опорных напряжений резистивными делителями Kд1 =
, Kд2 =
(рисунок 2).
Функция преобразования такого ПНЧ имеет вид
.
Рисунок 2 – Функциональная схема исследуемого ПНЧ
Здесь U0, E0 – максимальные выходные напряжения источников опорных напряжений, изменением значений которых осуществляется регулирование параметров функции преобразования. Очевидно, что стабильность приведенной функции определяется стабильностью значений параметров U0, E0, Т0, Kд1, Kд2. Для уменьшения уровня шумов, определяющих стабильность bF, автором предложено исключить из схемы ПНЧ источник опорного напряжения U0 и резистивный делитель Kд2; регулирование смещения нуля предложено проводить от источника E0 посредством делителя Kд1, а коэффициента преобразования – изменением длительности опорного интервала времени T0 с применением программируемого счетчика импульсов (исключенные элементы показаны на рисунке 2 пунктирными линиями). Расчетом показано, что внедрение предложенного решения увеличивает стабильность параметров функции преобразования ПНЧ не менее чем вдвое.
Установлено, что по мере повышения точности акселерометров расширяется номенклатура факторов, влияющих на стабильность их смещения нуля. При этом использование известных рекомендаций по увеличению стабильности смещения нуля путем уменьшения влияния остаточных напряжений в деталях, контактных напряжений в местах сопряжения деталей и сборок чувствительного элемента исчерпало свои возможности, приводя к необходимости выявления новых механизмов такого влияния. Исследования показали, что к их числу можно отнести влияние сочетания нестабильности пространственного положения измерительной оси с постоянно действующим на акселерометр гравитационным ускорением. В результате моделирования определено, что пространственная ориентация измерительной оси акселерометра зависит от несовершенства форм и взаимной несимметрии упругих подвесов. Проведена сравнительная оценка влияния для двух форм упругих подвесов – полукруглой и трапецеидальной (рисунок 3). В результате сравнения установлено, что более высокой стабильностью пространственной ориентации измерительной оси обладают колебательные системы, подвесы которых формируются в течение одного технологического приема (рисунок 3,б). Разработаны рекомендации по выбору конструкции подвесов и обоснованы требования к взаимной несимметрии упругих подвесов, обеспечивающие заданную пространственную ориентацию измерительной оси.
18:1 2:1 50:1 3:1
а) б)
Рисунок 3 – Колебательные системы акселерометров:
а – полукруглый подвес; б – трапецеидальный подвес
Моделирование приведенной конструкции подвеса средствами программы ANSYS подтверждает, что в ней технологически обеспечивается заданное значение разориентации измерительной оси не более 3 угловых минут.
В четвертой главе представлены результаты внедрения и экспериментального подтверждения основных научных положений диссертационной работы в разработках (рисунок 4) высокоточных акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием типа АЛЕ 055М, АЛЕ 057.
а) б)
Рисунок 4 – Фотографии акселерометров АЛЕ 055М (а) и АЛЕ 057 (б)
Экспериментально и методами логико-вероятностного анализа безотказности впервые установлены механизмы возникновения в ИИУС изделий РКТ самоустраняющихся дефектов акселерометров в виде сочетания индустриальных помех по цепям питания эталонных средств измерений и выходным цепям акселерометров, несанкционированных нарушений режимов работы выходных каскадов, несоответствия условий проведения измерений при изготовлении и входном контроле. Разработаны методы испытаний акселерометров, учитывающие специальные рекомендации по исключению возможности возникновения самоустраняющихся дефектов.
Разработана процедура компенсации влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования с одновременным снижением трудоемкости. При этом принято, что процесс термокомпенсации считается эффективным, если число итераций по достижению заданного значения коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования Kt, не превышает 2. Предельное значение Kt установлено равным не хуже 0,001 %/°С по абсолютному значению, что является самым лучшим показателем среди известных высокоточных акселерометров.
Экспериментально подтверждено, что требуемая эффективность процесса компенсации обеспечивается последовательностью операций, включающей в себя:
1) проведение испытаний по определению температурных характеристик акселерометра при отключенном датчике температуры (итерация 1);
2) определение конфигурации цепи термокомпенсации с учетом необходимости подключения термодатчика и регулирующих элементов, значения сопротивлений которых вычисляются в соответствии с рекомендациями главы 2;
3) экспериментальное подтверждение соответствия коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования (итерация 2).
Подтверждены также:
– повышение температурной стабильности коэффициента преобразования акселерометров АЛЕ 055М, АЛЕ 057 до установленного уровня 0,001 %. Сравнение полученных результатов с аналогами приведен на рисунке 5;
– повышение стабильности смещения нуля от влияния всех факторов за время определения метрологических характеристик до уровня лучшего зарубежного образца – 510–5 м/с2;
– воспроизводимость коэффициента преобразования при изготовлении, входном контроле и эксплуатации не хуже 0,002 %.
При проведении экспериментов по подтверждению воспроизводимости и стабильности параметров функции преобразования акселерометров АЛЕ 055М, АЛЕ 057 при производстве и входном контроле в составе
ИИУС изделий РКТ использовались эталонные поворотные устройства Р1 в комплекте с виброзащитными столами, эталонные центрифуги типа
Actidyn, климатические камеры МС 71, частотомеры Ч3-54, источники питания в комплекте с корректором напряжения КНТ-6,3-Б, а объем выборок составлял не менее 100 образцов.
Рисунок 5 – Результаты сравнения достигнутых значений температурной
стабильности коэффициента преобразования вновь разработанных образцов акселерометров и лучших отечественных и зарубежных аналогов
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Определено, что для обеспечения температурной стабильности
коэффициента преобразования высокоточных акселерометров на уровне 0,001 %/°С при ограниченных вычислительных возможностях ИИУС необходимо применение встроенной термокомпенсации.
2. Впервые установлено, что возрастание или убывание функции влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования зависит от температурных характеристик цепи уравновешивания, а параметры наклона – от температурных характеристик узлов, не охваченных обратной связью.
3. Уточнение математической модели способа термокомпенсации коэффициента преобразования путем учета нормируемых изменений температурных характеристик термодатчика и регулирующих элементов позволило обосновать предельные возможности различных вариантов схем термокомпенсации, уточнить условия выбора номинальных значений сопротивлений регулирующих элементов и разработать методику, обеспечивающую достижение установленного уровня коэффициента влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования.
4. Выявлены новые механизмы влияния, ограничивающие пределы воспроизводимости результатов измерений при оценке параметров функции преобразования акселерометра с частотным выходом; разработаны новые технические решения по повышению стабильности смещения нуля за счет сокращения числа источников опорного напряжения и резистивных делителей в ПНЧ и реализации механической колебательной системы на основе подвесов трапецеидальной формы.
5. Разработаны методы испытаний для определения метрологических характеристик акселерометров при изготовлении и эксплуатации в составе ИИУС, учитывающие специальные рекомендации по обеспечению устойчивости применяемых эталонных средств измерений к воздействию индустриальных помех, что значительно улучшило показатели ИИУС.
6. Разработаны высокоточные акселерометры с магнитоэлектрическим уравновешиванием типа АЛЕ 055М, АЛЕ 057 с температурной стабильностью коэффициента преобразования Kt 0,001 %/°С, превышающей более чем на два порядка аналогичную характеристику отечественных аналогов и более, чем на порядок – зарубежных аналогов. По стабильности смещения нуля вновь разработанные акселерометры находятся на уровне лучших зарубежных аналогов и значительно превосходят отечественные аналоги.
7. Акселерометры АЛЕ 055, АЛЕ 055М внедрены в ИИУС
РСЗО 9Б174, акселерометры АЛЕ 057 внедрены в ИИУС разгонных блоков 8К82КМ и системы управления движением узлов комплекса 1Т142.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Алексеева, В. В. Метод компенсации температурной погрешности коэффициента преобразования прецизионных акселерометров / Д. А. Скаморин, В. В. Алексеева // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2009. № 1. – С. 118124.
2. Алексеева, В. В. Повышение разрешающей способности и стабильности метрологических характеристик микромеханических акселерометров /
В. В. Алексеева, А. А. Папко, М. А. Калинин, И. В. Кирянина, С. В. Шепталина // Измерительная техника. – 2011. – № 3. – С. 16–19.
3. Алексеева, В. В. Оптимизация структур микромеханических акселерометров / А. А. Папко, М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Измерительная техника. – 2011. – № 3. – С. 19–21.
Публикации в других изданиях
4. Алексеева, В. В. Об особенностях термокомпенсации коэффициента преобразования прецизионных акселерометров / Е. А. Мокров,
А. А. Папко, В. В. Алексеева // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : материалы Междунар. науч.-техн. конф. – Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ, 2006. – С. 31–32.
5. Алексеева, В. В. О результатах внедрения технологий микромеханики в разработки акселерометров ФГУП «НИИ физических измерений» / М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : труды Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза : Информационно-издательский центр ПензГУ, 2008. – С. 91–97.
6. Алексеева, В. В. О результатах внедрения технологий микросистемной техники в разработки акселерометров ФГУП «НИИ физических измерений» / М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Прогрессивные технологии в ракетно-космической промышленности. По итогам научно-технической конференции и научно-практического семинара молодых ученых и специалистов предприятий космической промышленности : сб. материалов. – Королев : Изд-во НОУ «ИПК МАШприбор», 2009. – Ч. 2. – С. 44–48.
7. Алексеева, В. В. О выборе оптимальной структуры построения измерительной цепи микромеханического акселерометра / А. А. Папко,
М. А. Калинин, В. В. Алексеева // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий : тез. докл. II всерос. науч.-техн. конф. – М. : Радиотехника, 2009.
8. Алексеева, В. В. О повышении достоверности определения метрологических характеристик прецизионных акселерометров за счет оценки влияния взаимодействия с эталонными средствами воспроизведения ускорения и введения поправок в результат измерений / А. А. Папко, М. А. Калинин, И. В. Кирянина, В. В. Алексеева // Измерения и испытания в ракетно-космической промышленности : тез. докл. всерос. науч.-техн. конф. – М. : Метрологическая ассоциация промышленников и предпринимателей, 2009. – С. 115.
9. Алексеева, В. В. О моделировании параметров механической колебательной системы акселерометра и методах ее контроля в производстве / С. В. Шепталина, В. В. Алексеева, Д. А. Скаморин, А. В. Соловьев // Датчики и системы : сб. докл. XXVIII науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : ОАО «НИИФИ», 2009. – С. 59–65.
10. Алексеева, В. В. О результатах научных исследований при организации серийного производства прецизионных акселерометров для систем управления движением летательных аппаратов / В. В. Алексеева // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : труды междунар. науч.-техн. конф. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. – С. 154–157.
11. Алексеева, В. В. О взаимосвязи фактического уровня вероятности безотказной работы высокоточных акселерометров с особенностями их серийного освоения / В. В. Алексеева, И. В. Кирянина // Датчики и системы : сб. докл. XXIX науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : ОАО «НИИФИ», 2010. – С. 68–71.
12. Алексеева, В. В. Об определении фактического уровня вероятности безотказной работы высокоточных низкочастотных акселерометров
в процессе их серийного освоения / В. В. Алексеева, И. В. Кирянина // Надежность и качество – 2010 : материалы междунар. симп. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. – С. 405–409.
13. Алексеева, В. В. Об оптимизации структур микромеханических акселерометров на основе моделирования влияния паразитных
МДП-структур в измерительных цепях / А. А. Папко, М. А. Калинин,
В. В. Алексеева // Микротехнологии в космосе: материалы науч.-техн. конф. – М. : Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем, 2010. – С. 38–39.
14. Алексеева, В. В. Взаимосвязь фактического уровня вероятности безотказной работы высокоточных низкочастотных акселерометров с особенностями их серийного освоения / В. В. Алексеева, И. В. Кирянина // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации : труды междунар. науч-техн. конф. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. – С. 247–253.
15. Алексеева, В. В. О возможностях улучшения температурной стабильности коэффициента преобразования высокоточных акселерометров с магнитоэлектрическим уравновешиванием / В. В. Алексеева // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : труды междунар. науч.-техн. конф. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.
16. Алексеева, В. В. Отработка алгоритмов компенсации температурной нестабильности коэффициента преобразования высокоточных акселерометров / В. В. Алексеева // Датчики и системы : сб. докл.
XXX науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011.
17. Алексеева, В. В. О совершенствовании способов и методик компенсации влияния изменений температуры окружающей среды на коэффициент преобразования высокоточных акселерометров / В. В. Алексеева // Надежность и качество – 2010 : материалы междунар. симп. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.
Научное издание
АЛЕКСЕЕВА Вера Владимировна
высокоточные низкочастотные
акселерометры для систем управления
движением ИЗДЕЛИЙ
ракетно-космической техники
Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные
и управляющие системы (приборостроение)
Подписано в печать 18.04.2011. Формат 60841/16.
Усл. печ. л. 0,93.
Заказ № 227. Тираж 100.
Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ
Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: [email protected]
