Разработка и исследование микро-опто-электромеханического адаптируемого преобразователя линейного ускорения на основе методов двухканальной обработки сигналов

Во введении выделена проблемная область и обоснована актуальность темы диссертационной работы. Сформулирована цель исследования, определены объект и предмет исследования, выбраны методы исследования. Показаны научная новизна и практическая значимость результатов исследования, подтверждена их достоверность, приведены основные положения, выносимые на защиту. Представлены сведения о внедрении, публикациях и апробации результатов работы, раскрыта структура
диссертационной работы.
В первой главе даны общие сведения о МЭМС и показана
перспективность развития направления, связанного с исследованием миниатюрных преобразователей линейных ускорений и угловых скоростей.
Выполнен аналитический обзор основных методов считывания микроперемещений чувствительного элемента (ЧЭ), по результатам которого оценены положительные и отрицательные аспекты их использования, а также показана эффективность высокочувствительных оптоэлектронных систем, подтверждающая актуальность диссертационной работы. Рассмотрены используемые виды конструкций преобразователей линейных ускорений и их ЧЭ, а также средства повышения точностных характеристик. Предлагаемое совмещение МЭМС-преобразователей ускорения и оптических средств считывания, таких как модули на оптическом туннельном эффекте (ОТЭ) или интерферометры, позволит: повысить чувствительность к субмикрометровым перемещениям ЧЭ, избавиться от силовых воздействий на него со стороны элементов считывания, повысить устойчивость к электромагнитным шумам.
Выполнена постановка частных задач, которые подлежат решению в ходе разработки и исследования МОЭМ адаптируемого преобразователя линейного ускорения на основе методов двухканальной обработки сигналов.
Во второй главе предложен МОЭМ адаптируемый преобразователь линейного ускорения, использующий совместную обработку сигналов интерферометрического канала и канала оптического туннелирования, что обеспечивает уменьшение минимально детектируемого линейного ускорения.
Модуляция сигнала об ускорениях обеспечивается субмикрометровыми изгибными деформациями ЧЭ, в качестве которого используется кварцевая плоскопараллельная пластина с жёсткой заделкой. Детектирование перемещений ЧЭ осуществляется средствами комбинированного использования двух оптических информационных каналов, расположенных с двух сторон от ЧЭ на равном расстоянии от заделки.
Разработана функциональная схема преобразователя линейного ускорения с двухканальным адаптируемым оптическим модулем (Рисунок 1), включающая в себя: ЧЭ, интерферометр Фабри-Перо (ИФП), ОТЭ-датчик, источники излучения интерферометра (ИИИФП) и ОТЭ-датчика (ИИОТЭ), фотоприёмники двухканального интерферометра (ФПИФП 1, ФПИФП 2) и ОТЭ-датчика (ФПОТЭ), преобразователи «ток-напряжение» (I/U1, I/U2, I/U3), счётчик, электронный блок управления и обработки (ЭБУиО), пьезоактюатор (ПА) и интерфейс.
Рисунок 1 – Функциональная схема преобразователя ускорения с адаптируемым оптическим модулем
Изменение положения ЧЭ приводит к изменению зазора в резонаторе ИФП (dИФП), что модулирует входную оптическую мощность (P0 ИФП), формируя значения выходных мощностей PИФП 1 и PИФП 2, периоды интерференционных картин которых смещены на π/2.
Выходные напряжения двух каналов интерферометра обрабатываются счётчиком, осуществляющим подсчёт целого числа полос и формирующим цифровой сигнал, пропорциональный перемещениям ЧЭ. Выходные данные счётчика образуют «грубую» составляющую измерений, которая поступает на ЭБУиО. ЭБУиО на основании значения «грубой» составляющей формирует сигналы управления для ПА, адаптирующего положение ОТЭ-датчика. ПА, в который входят пьезоэлемент (ПЭ) и механический умножитель (МУ) перемещений, позиционирует ОТЭ-датчик на расстоянии, обеспечивающем его эффективную работу. Адаптация положения выполняется за счёт изменения размеров ПЭ (dПЭ) и МУ (dус).
ОТЭ-датчик представляет собой оптический модулятор «среда – воздушный зазор – среда», который образуют призма полного внутреннего отражения и ЧЭ. Туннелирование оптической мощности происходит через зазор между призмой и ЧЭ, размер которого сопоставим с длиной волны источника излучения. Совокупность ИФП, ОТЭ-датчика и ПА образует адаптируемый оптический модуль, позволяющий использовать метод «грубо-точного» считывания микроперемещений.
В ЭБУиО происходит уточнение результатов измерений «точной» составляющей, полученной с ОТЭ-датчика. Уточнённые результаты измерений передаются на однонаправленный интерфейс.
С учётом формулы Эйри математическая модель ИФП преобразователя ускорения с адаптируемым оптическим модулем, представляющая собой зависимость пропускания интерферометра или отражательной способности RIFP([dIFP(a)]) от линейного ускорения a, может быть записана в виде:
где d
 IFP
 IFP
(  OTE )
 OTE   OTE 
2 e2bd (a) +e−2bd (a) +2cos( + )
1 OTE  OTE  12 23 +2e2bd (a) +e−2bd (a) +2cos( + );
Rbd(a)=
12⊥ 23⊥+ 12⊥ 23⊥
 (1−R)2 
, R d (a)=1 1+
(  IFP )
(a) = 4dIFP (a) – фазовый набег, Rmir – отражательная
IFP
(IFP() )
 4R sin2 d a2
 mir
способность зеркал, d IFP (a ) = d IFP 0 + vB (a ) – зазор между зеркалами
интерферометра (база интерферометра), являющийся расстоянием до ЧЭ, dIFP0 – начальный зазор ИФП, vB(a) – перемещения ЧЭ,
mir

вызванные ускорением, a – измеряемое волны излучения в среде между зеркалами.
ускорение, λIFP – длина
При реализации оптического туннелирования в преобразователе ускорения использованы три среды: среда, в которую вводится излучение (призма ПВО), с показателем преломления (ПП) n1; среда, через которую будет происходить туннелирование (зазор), с ПП n2; среда, в которую излучение будет переходить (ЧЭ), с ПП n1. В общем виде зависимость отражательной способности ROTE(b[dOTE(a)]) от величины зазора dOTE, изменяющегося под действием линейного ускорения a, может быть записана как:
1 e2bd (a) +e−2bd (a) +2cos( − )
OTE
 OTE   OTE 
e2bd (a) +e−2bd (a) +2cos( − )
 OTE   OTE 
12 23
(a)=−2d (a) n2 sin2 ()−n2 ,
λ – длина волны излучения в вакууме,
bd
OTEOTE1 2
где
dOTE (a ) = dOTE 0 − vB (a ) – величина зазора, dOTE0 – начальный зазор
ОТЭ-модулятора, θ – угол падения коллимированного оптического излучения на границу сред, n1 – ПП первой и третьей сред (призмы
ПВО и ЧЭ), n2–ПП второй среды (зазора),  ,  ,  , 12⊥ 23⊥ 12
23
– фазы волны при отражении от границ сред (индексы и ⊥ 10

указывают на параллельную и перпендикулярную поляризации соответственно).
Проведено исследование изменения средней линии ЧЭ, показано, что микроперемещения линейно зависят от ускорения a и могут быть детектированы интерферометрическим методом.
Построены временные диаграммы МОЭМ-преобразователя ускорения с адаптируемым оптическим модулем (Рисунок 2): с нуля до 4секунд измеряемое ускорение a (пунктирная линия «real») линейно изменяется от 0 до 100 м/с2.
Рисунок 2 – Временные диаграммы МОЭМ-преобразователя ускорения
Являющиеся эквивалентом ускорения результаты измерений «грубо-точным» методом представлены непрерывной линией «r-accurate», а их «грубая» составляющая, изменяющаяся ступенчато, – штриховой «roughly». В выбранном диапазоне измерений погрешность преобразования составляет десятые доли м/с2 для линейного ускорения при учёте нелинейности умножителя и сотые доли м/с2 – без учёта, что не превышает 0,25% и 0,05% соответственно. Например, при подаче на вход ускорения a = 100 м/с2, производящего перемещение x = 4,4 мкм, результат измерений без учёта нелинейности умножителя составляет aRoAc = 99,99 м/с2.
В третьей главе предложен компенсационный МОЭМ-преобразователь линейного ускорения c комбинированной электромагнитной (ЭМ) и электростатической (ЭС) обратной связью (ОС), позволяющей стабилизировать положение ЧЭ и демпфировать колебания вблизи свободного края.
Для уменьшения влияния погрешностей, вызванных нелинейностью функции преобразования узла считывания, выполненного на основе ОТЭ-датчика, предложено использовать
модуль линеаризации, входящий в состав электронного блока обработки (ЭБО). Математическая модель модуля линеаризации, содержащая коэффициенты Kb, KφTE, KφTM, является функциональной зависимостью зазора dOTE от отражательной способности ROTE:
d
OTE
= ln( RIF + K
RIF +1), где R IF
=−(2ROTE −1)(KTE +KTM )− 4(R −1)
b
OTE
)) −16ROTE (ROTE −1)KTE KTM
− ((2ROTE −1)(KTE +KTM
4(ROTE −1)
.
При использовании модуля линеаризации выходная функция имеет линейный характер, а значение нелинейности находится на уровне погрешности вычислений среды моделирования.
Разработана структурная схема компенсационного преобразователя ускорения с оптическим считыванием (Рисунок 3), позволяющая реализовать метод комбинированной стабилизации ЧЭ при помощи ЭС и ЭМ ОС.
Рисунок 3 – Структурная схема компенсационного преобразователя ускорения с оптическим считыванием
Структурная схема компенсационного преобразователя ускорения включает в себя: два ОТЭ-модулятора (ОТЭ-мод1, ОТЭ-мод 2), образованных ЧЭ и призмами полного внутреннего отражения (ПВО) (ППВО 1, ППВО 2); два источника оптического излучения (ИИ) (ИИ 1, ИИ 2); два фотоприёмника (ФП 1, ФП 2); два преобразователя «ток-напряжение» (I/U 1, I/U 2); два усилителя (Ус 1, Ус 2); электронный блок обработки (ЭБО); схемы селекции для ЭС (ССЭС) и ЭМ (ССЭМ) обратных связей; обкладки (Об 1, Об 2) и два электромагнита (ЭМ 1, ЭМ 2). ЧЭ и прямоугольная призма ПВО, через катетную грань которой вводится
коллимированное инфракрасное излучение от ИИ, образуют ОТЭ-модулятор «среда – воздушный зазор – среда». Изменения субмикрометровых зазоров модулируют значения выходных оптических мощностей (Pопт1, Pопт2), детектируемых ФП1 и ФП2, преобразующими оптические мощности в фототоки (IФП1, IФП2). I/U 1 и I/U 2 преобразуют фототоки в аналоговые напряжения (U01, U02), усиливаемые и подаваемые на ЭБО.
ЭБО обрабатывает результаты измерений и формирует сигналы управления для ЭМ(UЭМ) и ЭС(UЭС) контуров обратной связи, стабилизирующих положение ЧЭ. Сигналы управления поступают на ССЭС и ССЭМ, линеаризующие характеристики, связывающие значения стабилизирующих напряжений и сил, и подающие напряжения на требуемые пары электродов (UЭС1, UЭС2) ЭС и электромагнит (UЭМ1, UЭМ2) ЭМ стабилизаций. ЭС силы между обкладками (FЭС1, FЭС2) и ЭМ сила между сердечником и подвижным магнитопроводом (FЭМ1, FЭМ2), являющимся якорем в магнитной цепи, демпфируют колебания и смещают ЧЭ к положению покоя соответственно. ЭБО формирует выходное значение на основе измерений ОТЭ-модуляторов и стабилизирующих напряжений ОС, а затем передаёт его на однонаправленный интерфейс.
Компенсационный преобразователь ускорения с оптическим считыванием содержит: ОТЭ-модуляторы, включающие ЧЭ и призмы ПВО; электромагниты, состоящие из катушки, сердечника и якоря; обкладки (Рисунок 4).
Рисунок 4 – Компенсационный преобразователь ускорения с оптическим считыванием
Математическая модель оптического компенсационного преобразователя линейного ускорения с двухконтурной обратной связью является совокупностью моделей ЧЭ, ОТЭ-модулятора,
обкладок ЭС ОС и электромагнита ЭМ ОС. Измеряемое ускорение a действует на ЧЭ и индуцирует распределённую силу qSE. На ЧЭ действуют и две сосредоточенные силы, стабилизирующие его положение: ЭС FES и ЭМ FEM, приложенные к краю и середине ЧЭ соответственно.
Перемещения свободного края ЧЭ vB при статических значениях сил и ускорения или после завершения всех переходных процессов могут быть описаны уравнением:
где
ADV
– коэффициент
v = 1 −L4 q +5L3 F +L3 F , B EJ8SE 48EM 3ES
SE  
где E – модуль Юнга материала ЧЭ, JSE – момент инерции сечения
ЧЭ, L – длина ЧЭ.
Для более точного отражения динамики ЧЭ составлены
передаточные функции (ПФ), связывающие перемещение с ускорением WFSE, электромагнитной WFEM и электростатической силами WFES, а также ПФ ЧЭ WSE в целом:
W(s)= m ; W(s)= 1 ;
FSE ms2 +K s+G
D FSE
FEM ms2 +K s+G
D FEM
W (s)= 1
W (s)=−W (s)+W (s)+W (s),
FES
ms2 +K s+G D
m – масса
;
ЧЭ, K
FES
SE
FSE FEM FES
=
демпфирования, μADV – коэффициент динамической вязкости среды в зазоре между ЧЭ и корпусом, b – ширина ЧЭ, dbody – значение
зазора,
G = (3  E  J FES
G = 8EJ L , G =(48EJ )(5L3), ()3 FEM SE
SE
FSE SE
) L3 – коэффициенты жесткости ЧЭ при действии
сил, соответствующих индексам, определяемые по значениям коэффициентов перед слагаемыми в уравнении перемещения свободного края ЧЭ.
Для ЭС стабилизации ЧЭ преобразователя ускорения, демпфирующей колебания, используются обкладки, сила взаимодействия между которыми определяется через силу Лоренца как:
F =(S U2 )(2d2 ), ES 0 pl ES ES
где ε – диэлектрическая проницаемость, ε0 – электрическая постоянная, Spl – площадь поверхности каждой из обкладок,
D
body
2 d3
L b (L2 +b2)

dES – расстояние между обкладками, UES – напряжение между обкладками.
Для ЭМ стабилизации ЧЭ, минимизирующей его перемещения, использованы электромагниты. С учётом формулы Максвелла силу тяги FEM электромагнита цепи ОС преобразователя ускорения с оптическим считыванием определим как:
F =(n 2S I2)(16d2 ), EM turn 0 core EM
где nturn – число витков в катушке, μ0 – магнитная постоянная, Score – площадь поперечного сечения сердечника, dEM – расстояние между сердечником и якорем, I–сила тока, проходящего через катушку.
Получена ПФ компенсационного преобразователя линейного ускорения с двухконтурной обратной связью и показано, что система нейтрально устойчива.
Выполнено исследование характеристик компенсационного преобразователя ускорения с оптическим считыванием и методом комбинированной стабилизации ЧЭ. Статическая ошибка преобразователя в выбранном диапазоне измерений составляет сотые доли м/с2, что не превышает 0,05%. Например, при подаче на вход ускорения a_out = 98,1 м/с2 результат измерений составляет a_meas = 98,13 м/с2.
Проведено исследование реакции модели компенсационного преобразователя ускорения на ступенчатое воздействие (Рисунок 5). Значение амплитуды входного измеряемого ускорения amax = 98,1 м/с2 ≈ 10g.
Рисунок 5 – Реакция модели компенсационного преобразователя ускорения на ступенчатое воздействие: а) координата перемещения свободного края ЧЭ; б) значение измеренного ускорения
Результаты измерений, эквивалентные ускорению, без использования стабилизации ЧЭ представлены штриховой линией «nofeedback», с использованием только ЭС стабилизации и
дифференциального закона
управления – непрерывной
«ES feedback», а с использованием метода комбинированной стабилизации, т.е. совместным использованием ЭС и ЭМ стабилизаций, и пропорционально-интегрально-дифференциального закона управления – пунктирной «ES+EM feedback».
Показано, что диапазоны микроперемещений свободного края ЧЭ, т.е. той области, в которой происходит считывание информации, (Рисунок 5-а) составляют ±0,42 мкм, ±0,22 мкм и ±0,19 мкм, в случаях отсутствия стабилизации, при наличии только ЭС стабилизации и при совместном использовании ЭС и ЭМ стабилизаций соответственно. При совместном использовании ЭС и ЭМ стабилизаций ЧЭ стремится вернуться к своему исходному положению. Использование метода комбинированной стабилизации делает преобразователь более устойчивым к ударным нагрузкам и позволяет расширить диапазон амплитуды измеряемых ускорений. Система в рассмотренных случаях остаётся устойчивой, а переходные процессы – сходящимися. Результаты измерений (Рисунок 5-б) стремятся к реальному измеряемому значению. Система без стабилизации ЧЭ обладает большими перерегулированием (около 95%) и колебательностью. Введение только ЭС стабилизации позволяет почти в 2 раза увеличить диапазон значений измеряемых ускорений и быстрее демпфировать колебательность, а совместно с ЭМ – исключить её. Законы регулирования таковы, что перерегулирование, при наличии ОС, мало. Также сокращается время переходного процесса.
В четвертой главе проведён анализ влияния параметров узлов на характеристики МОЭМ-преобразователя линейного ускорения с оптическим считыванием. Толщина h влияет на чувствительность преобразователя, изменяя диапазон деформаций ЧЭ. Перемещение крайней точки ЧЭ связано гиперболической зависимостью с толщиной h. Для корректировки параметров чувствительности преобразователя могут изменяться такие параметры ЧЭ, как его топология или профиль. Проведено исследование максимального перемещения свободного края ЧЭ при изменении его топологии и профиля.
Исследования зависимостей отражательной способности и чувствительности от величины зазора между призмой и ЧЭ при варьировании длины электромагнитной волны λ и угла падения к призме θ показали, что при увеличении θ или уменьшении λ: уменьшается диапазон допустимого участка работы, но возрастает
максимальное значение чувствительности; происходит смещение пика чувствительности в сторону меньших перемещений.
Проведены исследования влияния газового демпфирования на характер переходного процесса разомкнутой системы. Проведены исследования влияния значения коэффициента ОС KFB на характер переходного процесса замкнутой системы.
Определены минимально детектируемое линейное ускорение
amin=0,002 м/с2 и динамический диапазон компенсационного МОЭМ-преобразователя.
Предложен алгоритм повышения интерферометрического считывающего МОЭМ-преобразователя линейного ускорения на основе анализа дробной части полосы интерференционной картины (Рисунок 6), позволяющий увеличить чувствительность к субмикрометровым перемещениям.
Рисунок 6 – Алгоритм повышения точности интерферометрического считывающего узла
Сигналы фотоприёмников преобразуются в напряжения, которые усиливаются и поступают в блок для подсчёта целых отсчётов с помощью компараторов. С выхода счётчика двоичный код поступает в блок формирования выходного результата (БФВР), и является его грубой составляющей. Дополнительно анализируется каждый интервал между максимумами и подсчитывается промежуточный результат внутри него.
Dsens=94,4 дБ
точности узла
Формирование добавки происходит путём подачи сигналов на АЦП, с которых двоичный код, являющийся адресом, поступает на ПЗУ. Данные ячеек ПЗУ по выбранным адресам в виде двоичного кода поступают на мультиплексоры, на выходе которых, в зависимости от участка работы, формируется добавка. Двоичный код с блока мультиплексоров поступает в БФВР, дополняя грубую составляющую точной.
Разработан макет преобразователя линейного ускорения с оптическим считыванием (Рисунок 7), и проведены исследования, подтверждающие его работоспособность.
Рисунок 7 – Макет преобразователя линейного ускорения с оптическим считыванием
Предложена методика проектирования МОЭМ-преобразователя линейного ускорения, обеспечивающая автоматизированное определение структуры и расчет основных параметров преобразователя по заданным техническим требованиям. Данная методика предполагает использование ЧЭ балочного типа. На основании методики разработана программа синтеза, вид основного окна которой представлен на иллюстрации (Рисунок 8).
Рисунок 8 – Внешний вид основного окна программы 18

Вначале из массогабаритных ограничений определяются длина и ширина ЧЭ. Далее происходит выбор: требуются ли компенсационные обратные связи, стабилизирующие положение ЧЭ. Использование обратных связей рекомендуется при наличии возмущений, дестабилизирующих ЧЭ, влияние которых требуется минимизировать, например, сил, направленных вдоль основной оси чувствительности, или моментов кручения вокруг продольной оси ЧЭ. При этом определяется и вид оптического модулятора, влияющий на точность измерений. Предлагается выбирать модуляторы на основе оптического туннельного эффекта при наличии ОС – для перемещений ЧЭ в пределах длины волны оптического излучения; интерферометрические модуляторы – при отсутствииОС, для перемещений порядка единиц-десятков длин волн оптического излучения.
Затем по требуемым статическим параметрам преобразователя определяются конструктивные параметры ЧЭ, влияющие на чувствительность преобразователя: толщина ЧЭ, его топология и профиль. Далее происходит выбор: требуется ли уменьшение влияния моментов кручения вокруг продольной оси ЧЭ у преобразователя с ОС или требуется ли измерение виброускорений преобразователем без ОС. Если измерение виброускорений не требуется, то рекомендуется использование адаптируемого оптического модуля, в противном случае приоритетным является выбор алгоритмов повышения точности ИФП. При наличии ОС, стабилизирующих ЧЭ, могут быть дополнительно сформированы рекомендации по: количеству оптических модуляторов; типам ОС; местам их расположения в корпусе.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные результаты:
1. Разработан микро-опто-электромеханический адаптируемый преобразователь линейного ускорения на основе методов двухканальной обработки сигналов.
2. Разработаны новые структурные и функциональные схемы микро-опто-электромеханического адаптируемого преобразователя линейного ускорения, использующие совместную обработку сигналов интерферометрического канала и канала оптического туннелирования.
3. Разработан алгоритм функционирования преобразователя линейного ускорения с двухканальным адаптируемым оптическим модулем, позволяющий наиболее эффективно использовать совокупность двух разнотипных оптических преобразователей перемещения.
4. Разработана математическая модель преобразователя линейного ускорения с двухканальным адаптируемым оптическим модулем, отличающаяся совместной обработкой дискретных сигналов интерферометрического канала считывания и непрерывных сигналов канала считывания с датчиком на эффекте оптического туннелирования.
5. Разработаны новые структурные и функциональные схемы микро-опто-электромеханического компенсационного преобразователя линейного ускорения; предложен метод комбинированной стабилизации ЧЭ, использующий совместно электромагнитную и электростатическую обратные связи.
6. Разработана математическая модель компенсационного микро-опто-электромеханического преобразователя линейного ускорения c комбинированной электромагнитной и электростатической обратной связью, дополненная модулем линеаризации функции преобразования узлов считывания на эффекте оптического туннелирования.
7. Разработан алгоритм функционирования компенсационного преобразователя ускорения с оптическим считыванием, отличающийся наличием дополнительной калибровки и позволяющий уменьшить влияние технологических погрешностей узлов на выходные характеристики преобразователя.
8. Разработана структурная схема микро-опто-электромеханического компенсационного преобразователя линейных ускорений, позволяющая снизить чувствительность к побочным угловым ускорениям.
9. Проведён численный эксперимент, показавший правильность разработанных математических моделей; исследовано влияние параметров узлов и внешних дестабилизирующих факторов на характеристики микро-опто-электромеханического преобразователя линейного ускорения с оптическим считыванием.
10. Разработан алгоритм интерферометрического микро-опто-электромеханического
повышения считывающего
преобразователя
точности узла линейного
ускорения на основе анализа дробной части полосы интерференционной картины; выбрано значение отражательной способности зеркал.
11. Определены минимально детектируемое линейное ускорение и динамический диапазон микро-опто-электромеханического преобразователя линейного ускорения; проведены полунатурные исследования оптического канала считывания.
12. Предложена методика проектирования микро-опто-электромеханического преобразователя линейного ускорения, представленная в виде алгоритма, на основе которого разработана программа синтеза, позволяющая автоматизировать определение структуры и расчёт параметров преобразователя по требуемым характеристикам.