Помощь студентам в учебе
Разработка виброчастотного микромеханического акселерометра для беспилотного летательного аппарата
|
АННОТАЦИЯ 2
Введение 4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 9
1.1 Анализ технического задания 9
1.2 Обзор аналогов. Патентный поиск 10
1.1.1 ММА 3711B1150G разработки компании PBC Piezotronics 10
1.1.2 ММА 820M1-0050 разработки компании CONNECTIVITY
SENSORS 11
1.1.3 Одноосный ММА 1000LN series 11
1.1.4 Патент РФ 2010106911/28, 24.02.2010. ВЧММА 12
1.1.5 Патент РФ 2013117313/28, 17.04.2013. ВЧММА 13
1.3 Применение МЭМС акселерометров в БИНС для БПЛА 13
1.4 Классификация ММА 15
1.5 Принцип работы ВЧММА 17
1.6 Выбор материала ЧЭ и его характеристики 18
1.7 Уравнение движения резонатора ВЧММА 19
1.8 Уравнение колебаний резонатора ВЧММА [1] 21
Выводы по первой главе 24
2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЧММА 26
2.1 Выбор принципиальной схемы разрабатываемого акселерометра 26
2.2 Расчет резонатора ВЧММА 28
2.1.1 Расчет длины резонатора 28
2.1.2 Расчет ширины резонатора 30
2.3 Расчет силы, создаваемой электростатическим двигателем, ВЧММА ... 33
2.4 Расчет амплитуды силы электростатического двигателя ВЧММА 36
2.5 Расчет ИМ ВЧММА 39
2.6 Расчет масштабного коэффициента 42
2.7 Расчет упругого подвеса ВЧММА 42
Выводы по второй главе 44
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧЭ ВЧММА В СИСТЕМЕ КОНЕЧНО¬
ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА 46
3.1 Моделирование собственной частоты ЧЭ ВЧММА 48
3.2 Моделирование ЧЭ ВЧММА при действии ускорений в разных
направлениях 55
3.2.1 Поведение ЧЭ ВЧММА при действии ускорений вдоль ОЧ 56
3.2.2 Моделирование СЧ ЧЭ ВЧММА
при действии ускорений вдоль ОЧ 59
3.2.3 Поведение ЧЭ ВЧММА при действии ускорений,
перпендикулярных подложке 61
3.2.4 Поведение ЧЭ ВЧММА при действии боковых ускорений 63
3.2.5 Моделирование СЧ ЧЭ ВЧММА
при действии боковых ускорений 65
3.3 Сравнительный анализ ЧЭ существующего акселерометра и ЧЭ разрабатываемого ВЧММА 67
Выводы по третьей главе 71
4 КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЧММА 73
Выводы по четвертой главе 77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 81
ПРИЛОЖЕНИЯ 83
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Расчет параметров ВЧММА в Mathcad 14 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Спецификация, сборочные и рабочие чертежи 88
Введение 4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 9
1.1 Анализ технического задания 9
1.2 Обзор аналогов. Патентный поиск 10
1.1.1 ММА 3711B1150G разработки компании PBC Piezotronics 10
1.1.2 ММА 820M1-0050 разработки компании CONNECTIVITY
SENSORS 11
1.1.3 Одноосный ММА 1000LN series 11
1.1.4 Патент РФ 2010106911/28, 24.02.2010. ВЧММА 12
1.1.5 Патент РФ 2013117313/28, 17.04.2013. ВЧММА 13
1.3 Применение МЭМС акселерометров в БИНС для БПЛА 13
1.4 Классификация ММА 15
1.5 Принцип работы ВЧММА 17
1.6 Выбор материала ЧЭ и его характеристики 18
1.7 Уравнение движения резонатора ВЧММА 19
1.8 Уравнение колебаний резонатора ВЧММА [1] 21
Выводы по первой главе 24
2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЧММА 26
2.1 Выбор принципиальной схемы разрабатываемого акселерометра 26
2.2 Расчет резонатора ВЧММА 28
2.1.1 Расчет длины резонатора 28
2.1.2 Расчет ширины резонатора 30
2.3 Расчет силы, создаваемой электростатическим двигателем, ВЧММА ... 33
2.4 Расчет амплитуды силы электростатического двигателя ВЧММА 36
2.5 Расчет ИМ ВЧММА 39
2.6 Расчет масштабного коэффициента 42
2.7 Расчет упругого подвеса ВЧММА 42
Выводы по второй главе 44
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧЭ ВЧММА В СИСТЕМЕ КОНЕЧНО¬
ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА 46
3.1 Моделирование собственной частоты ЧЭ ВЧММА 48
3.2 Моделирование ЧЭ ВЧММА при действии ускорений в разных
направлениях 55
3.2.1 Поведение ЧЭ ВЧММА при действии ускорений вдоль ОЧ 56
3.2.2 Моделирование СЧ ЧЭ ВЧММА
при действии ускорений вдоль ОЧ 59
3.2.3 Поведение ЧЭ ВЧММА при действии ускорений,
перпендикулярных подложке 61
3.2.4 Поведение ЧЭ ВЧММА при действии боковых ускорений 63
3.2.5 Моделирование СЧ ЧЭ ВЧММА
при действии боковых ускорений 65
3.3 Сравнительный анализ ЧЭ существующего акселерометра и ЧЭ разрабатываемого ВЧММА 67
Выводы по третьей главе 71
4 КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЧММА 73
Выводы по четвертой главе 77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 81
ПРИЛОЖЕНИЯ 83
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Расчет параметров ВЧММА в Mathcad 14 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Спецификация, сборочные и рабочие чертежи 88
Целью выпускной квалификационной работы является разработка ЧЭ ВЧММА для БИНС беспилотного летательного аппарата.
Решаемые задачи выпускной квалификационной работы:
- анализ технического задания;
- обзор аналогов и патентный поиск;
- рассмотрение классификации ММА;
- выбор материала ЧЭ ВЧММА;
- вывод уравнений движения и колебаний резонатора ВЧММА;
- выбор принципиальной схемы ВЧММА;
- расчет основных параметров элементов ВЧММА;
- моделирование собственных частот ЧЭ ВЧММА;
- моделирование ЧЭ акселерометра при действии ускорений в разных направлениях;
- разработка конструкции и конструкторской документации ВЧММА.
Объектом исследования в выпускной квалификационной работе является ЧЭ разрабатываемого акселерометра, а предметом исследования - повышение точности измерения действующего линейного ускорения, с применением данного ЧЭ.
Разрабатываемый акселерометр позволит увеличить точность измерения действующего линейного ускорения вдоль оси чувствительности при действии боковых ускорений, за счет введения в конструкцию двух инерционных масс и резонатора. Введение в конструкцию акселерометра двух инерционных масс даст возможность обеспечить равномерное перемещение обоих концов резонатора при действии ускорения в направлении перпендикулярном подложке, что позволит уменьшить деформацию резонатора при действии таких ускорений и уменьшить погрешность измерения действующего линейного ускорения вдоль оси чувствительности при действии боковых ускорений.
В первой главе рассматриваются проблема и способы решения поставленной проблемы, а так же осуществляется обзор существующих аналогов ВЧММА и патентный поиск, что позволяет собрать необходимую информацию для решения поставленной проблемы.
Во второй главе, на основании собранной информации, выполняются необходимые расчеты параметров элементов конструкции ВЧММА, при помощи которых, в дальнейшем, осуществляется моделирование ЧЭ ВЧММА в системе конечно-элементного анализа, а так же конструирование разрабатываемого акселерометра.
Третья глава посвящена моделированию ЧЭ ВЧММА в системе конечно-элементного анализа, а именно моделированию собственных частот ЧЭ при использовании разных форм колебаний. Так же рассматривается поведение ЧЭ ВЧММА при действии ускорений в разных направлениях.
В четвертой главе осуществляется конструирование разрабатываемого акселерометра с использованием полученных параметров в процессе расчетов, а так же полученной информации после моделирования ЧЭ в системе конечно-элементного анализа.
Решаемые задачи выпускной квалификационной работы:
- анализ технического задания;
- обзор аналогов и патентный поиск;
- рассмотрение классификации ММА;
- выбор материала ЧЭ ВЧММА;
- вывод уравнений движения и колебаний резонатора ВЧММА;
- выбор принципиальной схемы ВЧММА;
- расчет основных параметров элементов ВЧММА;
- моделирование собственных частот ЧЭ ВЧММА;
- моделирование ЧЭ акселерометра при действии ускорений в разных направлениях;
- разработка конструкции и конструкторской документации ВЧММА.
Объектом исследования в выпускной квалификационной работе является ЧЭ разрабатываемого акселерометра, а предметом исследования - повышение точности измерения действующего линейного ускорения, с применением данного ЧЭ.
Разрабатываемый акселерометр позволит увеличить точность измерения действующего линейного ускорения вдоль оси чувствительности при действии боковых ускорений, за счет введения в конструкцию двух инерционных масс и резонатора. Введение в конструкцию акселерометра двух инерционных масс даст возможность обеспечить равномерное перемещение обоих концов резонатора при действии ускорения в направлении перпендикулярном подложке, что позволит уменьшить деформацию резонатора при действии таких ускорений и уменьшить погрешность измерения действующего линейного ускорения вдоль оси чувствительности при действии боковых ускорений.
В первой главе рассматриваются проблема и способы решения поставленной проблемы, а так же осуществляется обзор существующих аналогов ВЧММА и патентный поиск, что позволяет собрать необходимую информацию для решения поставленной проблемы.
Во второй главе, на основании собранной информации, выполняются необходимые расчеты параметров элементов конструкции ВЧММА, при помощи которых, в дальнейшем, осуществляется моделирование ЧЭ ВЧММА в системе конечно-элементного анализа, а так же конструирование разрабатываемого акселерометра.
Третья глава посвящена моделированию ЧЭ ВЧММА в системе конечно-элементного анализа, а именно моделированию собственных частот ЧЭ при использовании разных форм колебаний. Так же рассматривается поведение ЧЭ ВЧММА при действии ускорений в разных направлениях.
В четвертой главе осуществляется конструирование разрабатываемого акселерометра с использованием полученных параметров в процессе расчетов, а так же полученной информации после моделирования ЧЭ в системе конечно-элементного анализа.
В выпускной квалификационной работе выполнена разработка ЧЭ ВЧММА для БПЛА. При разработке ЧЭ акселерометра соблюдены все требования ТЗ. Выполнен обзор существующих аналогов и их обзор на предмет принципиальных схем, которые удовлетворяли бы требованиям ТЗ, но такой схемы найти не удалось. Исходя из этого, принято решение разработать собственную принципиальную схему, которая удовлетворяет всем требованиям ТЗ. Так же выполнен патентный поиск разрабатываемого акселерометра.
Рассмотрено применение МЭМС акселерометров в БИНС для БПЛА. Рассмотрена классификация ММА и описан принцип действия ВЧММА. Выбран материал ЧЭ акселерометра и описаны его свойства. Выведено уравнение движения резонатора ВЧММА, а так же уравнение его колебаний.
Разработана собственная принципиальная схема ВЧММА, в котструкцию которой добавлены две ИМ и резонатор. При помощи разработанной принципиальной схемы выполнялись дальнейшие расчеты параметров элементов ВЧММА. Рассчитаны основные параметры акселерометра. Получено соотношение длины L и ширины b резонатора ВЧММА, исходя из определения ширины резонатора b, которые равны соостветственно 1800 мкм и 12 мкм. Получено значение емкостей C системы выозбуждения-регистрации, равное 0,16 пФ и соответствующее требованиям ТЗ (C > 0,14 пФ). Получено значение собственной частоты колебаний резонатора f0, которое равно 29,76 кГц и соответствует требованиям ТЗ (25 кГц < f0 < 35 кГц). Получено значение амплитуды колебаний резонатора Ax, равное 0,76 мкм. Выполнен расчет и получено значение амплитуды силы А0 электростатического двигател, которое равно 5-10-8 Н.
Выполнены расчеты и определены опорное напряжение иоп и напряжение обратной связи иос, которые равные соответственно 2 В и 0,77 В. Определено критическое усилие Акр, которое может выдержать резонатор, равное 0,019 Н.
Выполнен расчет и определно значение одной массы ИМ акселерометра, которое должно быть не более 1,97-10-6 кг. Исходя из рассчитанной массы ИМ, подобраны габаритные размеры ИМ, а именно длина LHM и ширина Ьим, которые равны соответственно 2,49 мкм и 1,17 мкм. Рассчитано значение масштабного коэффициента M, равное 3,1 Гц-с2/м.
Выполнен расчет параметров упругого подвеса. Определены значения длины Lyn и ширины Ьуп упругого элемента упругого подвеса, равные соответственно 1296,4 мкм и 30 мкм. Так же определена суммарная жесткость упругого подвеса Су, которая равна 128,883 Н/м.
В выпускной квалификационной работе выполнено моделирование ЧЭ ВЧММА в системе конечно-элементного анализа. Выполнено моделирование СЧ колебаний ЧЭ акселерометра, в ходе моделирования которых получены 15 форм колебаний ЧЭ. Формам колебаний 1 - 5 соответствуют собственные частоты, которые равны соответственно 23119 Гц, 63744 Гц, 98016 Гц, 125160 Гц и 199500 Гц. Формам колебаний 6 - 15 соответствуют собственные частоты, которые равны соответственно 207290 Гц, 253430 Гц, 253440 Гц, 288580 Гц, 288740 Гц, 307780 Гц, 310120 Гц, 425830 Гц, 433630 Гц и 556190 Гц.
Проведено исследование поведения ЧЭ ВЧММА при действии ускорений в разных направлениях. Анализ проводился при действии ускорений, равных 0g, 1g, 25g и 50g. При действии ускорения, которое равно 0g, в любом из направлений СЧ колебаний остается неизменной, потому что ЧЭ находится в покое. Выполнены расчеты усилий, которые соответствуют данным ускорениям и равные соответственно 0 Н, 1,327 • 10-4 Н, 33,18 • 10-4 Н и 66,35 • 10-4 Н.
Выяснено, что при действии ускорений, направленных вдоль ОЧ акселерометра, происходит растяжение резонатора, что приводит к уменьшению амплитуды его колебаний и, следовательно, к уменьшению СЧ колебаний. При действии ускорения 0g СЧ колебаний ЧЭ не изменяется и равна 23119 Гц. При действии ускорения 1g СЧ уменьшается на 639 Гц и становится равной 22480 Гц. При действии ускорения 25g СЧ уменьшается на 9735 Гц и становится равной 13384 Гц. При действии ускорения 50g СЧ уменьшается на 14405,4 и становится равной 8713,6 Гц.
Доказано, что при действии ускорений, которые направлены перпендикулярно подложке акселерометра, не происходит деформаций резонатора акселерометра, что позволяет измерять действующее линейное ускорение при действии боковых ускорений с уменьшением погрешности.
Выяснено, что при действии боковых ускорений происходит сжатие резонатора, что приводит к увеличению амплитуды его колебаний и, следовательно, к увеличению СЧ колебаний. При действии ускорения 0g СЧ колебаний ЧЭ не изменяется и равна 23119 Гц. При действии ускорения 1g СЧ увеличивается на 357 Гц и становится равной 23476 Гц. При действии ускорения 25g СЧ увеличивается на 10779 Гц и становится равной 33898 Гц. При действии ускорения 50g СЧ увеличивается на 37386 Гц и становится равной 60505 Гц.
Выполнен сравнительный анализ ЧЭ существующего акселерометра, наиболее подходящего по принципу действия разрабатываемому ВЧМММ, и ЧЭ разрабатываемого ВЧММА. При моделировании ЧЭ существующего акселерометра при действии ускорений, направленных перпендикулярно подложке, доказано, что происходит перемещение ИМ данного акселерометра, что приводит к деформациям упругих элементов, что, в свою очередь, вносит погрешность при измерении боковых линейных ускорений. Конструкция ЧЭ разрабатываемого ВЧММА позволяет устранить этот недостаток, потому что при действии ускорений, направленных перпендикулярно подложке, не происходит деформаций резонатора, за счет которого и измеряется действующее линейное ускорение.
После выполненных расчетов параметров акселерометра и выполненного моделирования ЧЭ в системе конечно-элементного анализа выполнено конструирование основных элементов разрабатываемого ВЧММА.
Построены 3D модели основных элементов ВЧММА, исходя из
существующих технологических возможностей, требований ТЗ и полученных значений габаритных размеров в процессе расчетов. Разработаны следующие рабочие единицы ВЧММА: корпус, подложка, опора, упругий элемент (торсион), ИМ, резонатор, неподвижный электрод и крышка корпуса. Разработаны сборочные и рабочие чертежи ВЧММА, а так же конструкторская документация разрабатываемого устройства.
Рассмотрено применение МЭМС акселерометров в БИНС для БПЛА. Рассмотрена классификация ММА и описан принцип действия ВЧММА. Выбран материал ЧЭ акселерометра и описаны его свойства. Выведено уравнение движения резонатора ВЧММА, а так же уравнение его колебаний.
Разработана собственная принципиальная схема ВЧММА, в котструкцию которой добавлены две ИМ и резонатор. При помощи разработанной принципиальной схемы выполнялись дальнейшие расчеты параметров элементов ВЧММА. Рассчитаны основные параметры акселерометра. Получено соотношение длины L и ширины b резонатора ВЧММА, исходя из определения ширины резонатора b, которые равны соостветственно 1800 мкм и 12 мкм. Получено значение емкостей C системы выозбуждения-регистрации, равное 0,16 пФ и соответствующее требованиям ТЗ (C > 0,14 пФ). Получено значение собственной частоты колебаний резонатора f0, которое равно 29,76 кГц и соответствует требованиям ТЗ (25 кГц < f0 < 35 кГц). Получено значение амплитуды колебаний резонатора Ax, равное 0,76 мкм. Выполнен расчет и получено значение амплитуды силы А0 электростатического двигател, которое равно 5-10-8 Н.
Выполнены расчеты и определены опорное напряжение иоп и напряжение обратной связи иос, которые равные соответственно 2 В и 0,77 В. Определено критическое усилие Акр, которое может выдержать резонатор, равное 0,019 Н.
Выполнен расчет и определно значение одной массы ИМ акселерометра, которое должно быть не более 1,97-10-6 кг. Исходя из рассчитанной массы ИМ, подобраны габаритные размеры ИМ, а именно длина LHM и ширина Ьим, которые равны соответственно 2,49 мкм и 1,17 мкм. Рассчитано значение масштабного коэффициента M, равное 3,1 Гц-с2/м.
Выполнен расчет параметров упругого подвеса. Определены значения длины Lyn и ширины Ьуп упругого элемента упругого подвеса, равные соответственно 1296,4 мкм и 30 мкм. Так же определена суммарная жесткость упругого подвеса Су, которая равна 128,883 Н/м.
В выпускной квалификационной работе выполнено моделирование ЧЭ ВЧММА в системе конечно-элементного анализа. Выполнено моделирование СЧ колебаний ЧЭ акселерометра, в ходе моделирования которых получены 15 форм колебаний ЧЭ. Формам колебаний 1 - 5 соответствуют собственные частоты, которые равны соответственно 23119 Гц, 63744 Гц, 98016 Гц, 125160 Гц и 199500 Гц. Формам колебаний 6 - 15 соответствуют собственные частоты, которые равны соответственно 207290 Гц, 253430 Гц, 253440 Гц, 288580 Гц, 288740 Гц, 307780 Гц, 310120 Гц, 425830 Гц, 433630 Гц и 556190 Гц.
Проведено исследование поведения ЧЭ ВЧММА при действии ускорений в разных направлениях. Анализ проводился при действии ускорений, равных 0g, 1g, 25g и 50g. При действии ускорения, которое равно 0g, в любом из направлений СЧ колебаний остается неизменной, потому что ЧЭ находится в покое. Выполнены расчеты усилий, которые соответствуют данным ускорениям и равные соответственно 0 Н, 1,327 • 10-4 Н, 33,18 • 10-4 Н и 66,35 • 10-4 Н.
Выяснено, что при действии ускорений, направленных вдоль ОЧ акселерометра, происходит растяжение резонатора, что приводит к уменьшению амплитуды его колебаний и, следовательно, к уменьшению СЧ колебаний. При действии ускорения 0g СЧ колебаний ЧЭ не изменяется и равна 23119 Гц. При действии ускорения 1g СЧ уменьшается на 639 Гц и становится равной 22480 Гц. При действии ускорения 25g СЧ уменьшается на 9735 Гц и становится равной 13384 Гц. При действии ускорения 50g СЧ уменьшается на 14405,4 и становится равной 8713,6 Гц.
Доказано, что при действии ускорений, которые направлены перпендикулярно подложке акселерометра, не происходит деформаций резонатора акселерометра, что позволяет измерять действующее линейное ускорение при действии боковых ускорений с уменьшением погрешности.
Выяснено, что при действии боковых ускорений происходит сжатие резонатора, что приводит к увеличению амплитуды его колебаний и, следовательно, к увеличению СЧ колебаний. При действии ускорения 0g СЧ колебаний ЧЭ не изменяется и равна 23119 Гц. При действии ускорения 1g СЧ увеличивается на 357 Гц и становится равной 23476 Гц. При действии ускорения 25g СЧ увеличивается на 10779 Гц и становится равной 33898 Гц. При действии ускорения 50g СЧ увеличивается на 37386 Гц и становится равной 60505 Гц.
Выполнен сравнительный анализ ЧЭ существующего акселерометра, наиболее подходящего по принципу действия разрабатываемому ВЧМММ, и ЧЭ разрабатываемого ВЧММА. При моделировании ЧЭ существующего акселерометра при действии ускорений, направленных перпендикулярно подложке, доказано, что происходит перемещение ИМ данного акселерометра, что приводит к деформациям упругих элементов, что, в свою очередь, вносит погрешность при измерении боковых линейных ускорений. Конструкция ЧЭ разрабатываемого ВЧММА позволяет устранить этот недостаток, потому что при действии ускорений, направленных перпендикулярно подложке, не происходит деформаций резонатора, за счет которого и измеряется действующее линейное ускорение.
После выполненных расчетов параметров акселерометра и выполненного моделирования ЧЭ в системе конечно-элементного анализа выполнено конструирование основных элементов разрабатываемого ВЧММА.
Построены 3D модели основных элементов ВЧММА, исходя из
существующих технологических возможностей, требований ТЗ и полученных значений габаритных размеров в процессе расчетов. Разработаны следующие рабочие единицы ВЧММА: корпус, подложка, опора, упругий элемент (торсион), ИМ, резонатор, неподвижный электрод и крышка корпуса. Разработаны сборочные и рабочие чертежи ВЧММА, а так же конструкторская документация разрабатываемого устройства.
