16-10
2015

Краткий анализ методов испытаний инерциальных МЭМС-датчиков

Виды испытаний и определения параметров инерциальных датчиков, в частности МЭМС-акселерометров и гироскопов, по времени их проведения и применимости могут быть классифицированы по следующим категориям:

• На этапе проектирования изделия. Исследовательские испытания и оценочные испытания выполняются применительно к разрабатываемому устройству. Также на этапе разработки применяются испытания для улучшения методологии испытаний и испытательного оборудования.

• На этапе производства изделия. Приемо-сдаточные испытания, выполняются при производстве, на выходном контроле или после ремонта датчиков. Эти испытания подтверждают заявленные характеристики датчиков и возможность их эксплуатации в требуемых условиях.

• Диагностические тесты и/или исследование пропадающих дефектов. Применяются к изделиям, прошедшим приёмочные испытания, но впоследствии в эксплуатации, демонстрирующим нестабильную работу. В данных видах испытаний может потребоваться комбинация нескольких видов воздействий для получения представления о природе возникновении дефекта.

• Калибровка или определение параметров – вид испытаний датчиков, при которых определяются параметры, необходимые для описания модели датчика (такие как коэффициент передачи и нелинейности, смещение нуля выходного сигнала и т.д.). Данный вид испытаний может быть совмещён с приёмо-сдаточными испытаниями датчика, а также выполняться в ходе его эксплуатации в составе инерциальной навигационной системы. Некоторые параметры, такие как температурная чувствительность и нелинейность, требуют калибровки в заводских условиях и будут действительны для датчика в течение всего срока эксплуатации. Проверка параметров, которые впоследствии будут использоваться инерциальной системой для вычисления показаний, выполняется путём задачи для датчика известных входных физических воздействий, таких как, например, вращение чувствительной оси датчика в поле действия гравитации Земли (как правило, для акселерометров с диапазоном ≤20g) или задача входных ускорений при помощи вибросистемы или центрифуги. Калибровка параметров может быть также выполнена во время эксплуатации при помощи внешних инструментов навигационной системы, таких как радионавигационный приемник или астроориентатор. Для выполнения такой калибровки необходимо иметь возможность непосредственного обмена информацией с тестируемым датчиком. Обычно это выполняется при помощи встроенного в МЭМС-акселерометр цифрового интерфейса.

• Квалификационные испытания применяются к партии образцов, прошедших все испытания и признанных годными. Условия квалификационных испытаний могут быть более серьезными, чем при обычных приёмочных испытаниях, поскольку цель квалификационных испытаний состоит в том, чтобы определить предельные режимы работы изделия. Датчики, которые подвергались квалификационным испытаниям, обычно не поступают в дальнейшую эксплуатацию.

• Испытания на живучесть и надёжность проводят для определения коэффициента надежности и среднего времени наработки на отказ, а также для исследования способности обеспечивать в течение длительного времени с определенным доверительным уровнем необходимые параметры. Испытания на надёжность и живучесть могут выполняться при условиях более серьёзных, чем эксплуатационные условия датчика.

Дополнительно к основным измеряемым параметрам существуют характеристики, которые определяют качественные показатели того или иного параметра. Например, изменение смещения нуля угловой скорости гироскопа или нулевое смещение ускорения акселерометра может произойти из-за систематически накапливаемых ошибок, либо в силу воздействия окружающей среды, либо под влиянием случайных эффектов. Белый шум в значении смещения не вызывает изменения среднего значения смещения, но в действительности может привести к случайному уходу значения угла или ускорения со стандартным отклонением, пропорциональным квадратному корню временного интервала. Для учёта подобных погрешностей вводятся следующие характеристики:

• Стабильность – проверка значений смещения, коэффициента передачи, рассогласования измерительной оси и других параметров модели датчика в течение долгого времени. Выделяют краткосрочную стабильность (позволяет контролировать изменение параметра за время продолжительности некоего периода использования или за указанный сегмент этого времени продолжительности) и долгосрочную стабильность (позволяет контролировать изменение параметра за период, прошедший со времени прошлой калибровки до какого-то отрезка во времени использования или свыше некоторого определенного периода времени).
• Повторяемость – проверка параметров до и после воздействий, таких как вибрация и удар, термоциклирование, радиационное воздействие, или циклов включения-выключения. Включает в себя: - Повторяемость параметра до и после воздействия, в том числе величины любых изменений, величину и время переходного процесса. - Время включения и время готовности (значение и постоянная времени) определяют при измерении повторяемости путём выключения датчика при окружающей температуре и включении его при рабочей температуре. - Хранение – вид испытаний, при которых периодически датчик изымается из условий хранения и его параметры измеряются в постоянных эксплуатационных режимах (особенно важно для тех параметров, которые калибруются только у производителя).
• Чувствительность – проверка параметров при различных температурных режимах, магнитных полях или других воздействиях. В ходе измерений определяют чувствительность значения параметра к изменению другого параметра. Например, температурная чувствительность коэффициента передачи гироскопа или акселерометра – изменение значения коэффициента передачи в результате изменений температуры.

Для проведения измерений и испытаний необходимо наличие современной лаборатории, для которой существуют особые требования к размещению и вибрации, поскольку параметры инерциальных датчиков напрямую зависят от внешних возмущающих воздействий.

Некоторые требования к испытательной лаборатории

В силу физических особенностей инерциальных датчиков испытательная лаборатория должна быть расположена таким образом, чтобы по возможности максимально уменьшить сейсмические воздействия. Отдаленное местоположение лаборатории предпочтительно для городских условий, хотя это не всегда возможно. У верхних этажей зданий имеется более существенная вибрация, чем у нижних этажей. Поэтому инерциальные испытательные лаборатории должны находиться на первом этаже или в подвале. Кроме того испытательные столы в лаборатории должны быть расположены на отдельных колоннах или бетонных подушках, изолированных от пола, чтобы минимизировать эффекты от каких-либо воздействий при проверке инерциальных датчиков с высокой точностью. В зависимости от местных геологических условий массивная колонна для испытательных систем может находиться непосредственно в почве или на фундаменте.

 На испытательные станции для проверки инерциальных систем может воздействовать вибрация, вызванная человеческой деятельностью, либо вибрация общего сейсмического происхождения. Человеческая деятельность (например, автомобили и другой транспорт, вращающиеся элементы в здании, в котором размещена лаборатория, вентиляторы в испытательном оборудовании и даже люди, проходящие рядом) вызывает горизонтальную и вертикальную вибрацию и эффекты низкочастотных колебаний. Эффекты могут быть усилены или заглушены местными геологическими условиями.

Общий сейсмический фон земли включает такое явление как колебания от океанских волн, ударяющих морской берег. Поверхностные и объемные сейсмические волны от землетрясений, произошедших далеко за тысячи километров, могут вызвать ошибки в измеренных данных. Для уменьшения влияния таких эффектов обычно используются измерения с вычислением усреднённого значения. Тем не менее, такой метод не сможет устранить все влияния внешней вибрации, особенно проявляющейся случайным образом. Поэтому некоторые виды измерений, такие как измерение шума, может потребовать места проведения в других, более приемлемых условиях.

Некоторые практические аспекты калибровки акселерометра

Акселерометр калибруется, используя промышленный стандартный метод 4-точечного переворота. По существу этот метод заключается в выравнивании каждой измерительной оси датчика либо сонаправлено, либо перпендикулярно вектору силы тяжести. Это достигается благодаря использованию устройства, известного как делительная головка. Данное устройство позволяет точно устанавливать угол наклона плоскости относительно поверхности земли, а также обеспечивать достаточно малые приращения этого угла.

Делительная головка устанавливается на поверхность плиты, изолированной от пола здания, чтобы минимизировать влияния местной вибрации. Ось вращения делительной головки устанавливается точно перпендикулярно всегда известному вектору силы тяжести. Это позволяет устанавливать тестируемый МЭМС в четыре различные позиции с углом приращения 90^о. Измерения выполняются таким образом, чтобы каждая из измерительных осей совершила полный оборот вокруг оси вращения делительной головки. Для каждой оси выполняется четыре измерения: одно измерение, когда ось направлена в сторону действия силы тяжести, одно измерение, когда ось направлена в сторону, противоположную действию силы тяжести, и два других измерения, когда ось перпендикулярна силе тяжести. Для того чтобы минимизировать ошибки, используются несколько измерений в одном положении и вычисление среднего значения. 

 

Данный метод был использован для определения точностных характеристик первого образца инклинометра на базе ±1g МЭМС-акселерометра, разработанного и изготовленного ООО «Совтест АТЕ» в рамках корпоративной программы инновационного развития, действующей на предприятии.

В качестве делительной головки использовался поворотный стол 1291BR фирмы IDEAL AEROSMITH.

Первые результаты измерений показали низкую нелинейность спроектированного датчика, что соответственно позволяет использовать его в качестве чувствительного элемента прецизионного инклинометра (датчика угла).