Диссертация (Перенос заряда в электрохимическом акселерометре при изменении концентрации активного компонента на электродах), страница 10

В роли такого опорногодатчика выступал линейный акселерометр XL103 (Analog Devices, США) счувствительностью 1 В/g. Линейные акселерометры (исследуемые иопорный) устанавливались соосно на вращающейся платформе (Рис. 3.4).Оси чувствительности приборов направлены перпендикулярно оси вращенияплатформы.Рис. 3.4. Установка для измерения АЧХ исследуемого микроакселерометра на низкихчастотах: 1- исследуемый образец микроакселерометра, 2- опорный акселерометрADXL103, 4- электродвигатель, вращающий платформу 3 вдоль оси ОВ, 5- блокуправления двигателем, ОЧ- направление осей чувствительности акселерометров.При повороте платформы на фиксированный угол изменялась проекцияускорения свободного падения на ось чувствительности испытуемых иопорного акселерометров. Фактически подобный поворот эквивалентенвоздействию на сенсоры внешнего сигнала в виде ступеньки.

Спектрпреобразования Фурье идеальной ступеньки [81, 82], как известно, функция74обратно пропорциональная частоте 1 ω , время поворота Тпов определяетчастоту, после которой спектр Фурье преобразования функции поворота (видеалеступенька)перестаётспадатькак1ω.Знаякоэффициентпреобразования опорного акселерометра, и, поделив найденный спектрповорота тестируемого прибора на спектр поворота опорного датчика,получим передаточную функцию испытываемого прибора до частоты 1/Тпов.Верхняя измеряемая описанным образом частота зависит от частоты опроса,с которой ведется запись сигнала, времени поворота, уровня шума какисследуемого микроакселерометра, так и опорного.На Рис. 3.5 приведены отклики на один и тот же внешнийвозмущающий сигнал (изменение проекции ускорения свободного паденияна ось чувствительности акселерометра) опорного линейного акселерометраADXL103иобразца(№1)линейногоэлектрохимическогомикроакселерометра.

Время действия ступеньки выбиралась таким образом,чтобы после поворота микроакселерометр вышел на стационарный режим.Время составило ~ 3600 c. Запись велась с частотой опроса 20 Гц.Полученная в результате данного эксперимента АЧХ электрохимическогоакселерометра представлена на Рис. 3.6 в виде синей кривой.75Рис. 3.5 Отклик на изменение проекции ускорения свободного падения вдоль осичувствительности опорного акселерометра XL103 (красный сигнал) и исследуемоголинейного микроакселерометра.Как видно из представленного графика (Рис. 3.6) АЧХ чувствительногоэлемента имеет максимум ~0.15 В/м/с2 на частоте около 0.001 Гц, которыйхарактеризует максимум на записи сигнала, связанный с процессомперераспределения массы и заряда в элекрохимическом микроакселерометрепосле поворота платформы.

Ниже 0.0001 Гц АЧХ спадает до значения~0.13 В/м/с2, что соответствует разности сигналов в начальном состоянии и встационарном состоянии после поворота. Из полученных данных, следует,что АЧХ является плоской ниже частоты 0.0003 Гц. Красная кривая наРис. 3.6 является АЧХ исследуемого микроакселерометра в диапазоне частотот 0.04 Гц до 32 Гц Рис. 3.3, представленная в единицах В/м/с2. Видно, что взоне пересечения частотных диапазонов характеристики хорошо совпадают.76Рис. 3.6. АЧХ электрохимического микроакселерометра полученная на калибровочномстенде (красная кривая) и методом поворота (синяя кривая).Таким образом, удалось успешно изучить поведение амплитудночастотной характеристики исследуемого электрохимического акселерометрав достаточно широкой полосе частот.3.3. Шумовые характеристики акселерометра.С точки зрения сопоставления приборов исследуемого типа саналогичными устройствами, работающими на других принципах (на основеэлектромеханических систем – геофоны, и микромеханических систем MEMS) важнейшими параметрами, определяющими точность получаемойинформации,искажений,являютсядрейфсобственныйнулевогошум,смещения,величинатемпературнаягармоническихивременнаястабильности, и т.д.

Эти ошибки не могут быть устранены методамикалибровки параметров математических моделей систем обработок данных.77Существует несколько методов стохастического описания различныхшумовых процессов, определяющих неточность получаемой навигационнойинформации. Среди них - анализ шумовых характеристик в терминахспектральной плотности мощности в частотной области и метод анализавременной последовательности для определения внутреннего шума системыкак функции времени усреднения.Поскольку собственные шумы и стабильность нулевого смещенияопределяетсявтермостабильныхэлектрохимическихотсутствииусловиях,внешнеготодляизмерителейвозмущающегоизучениясигналавэтиххарактеристикиспользоваласьследующаяэкспериментальная установка (Рис.

3.7).Рис.3.7.Экспериментальнаяустановкадляизученияшумовыххарактеристикэлектрохимических измерителей параметров движения.Изучаемые приборы (5) помещались под купол изоляционной камеры(2), поддерживающей постоянную температуру в течение эксперимента. Осьчувствительности датчика лежала в горизонтальной плоскости. Так же подкуполом изоляционной камеры располагалась корректирующая электроника78(4) и элемент питания (3). Камера помещалась в изолированное от внешнихсейсмических воздействий помещение. Внешняя система сбора данных Lcard (6) преобразовывала аналоговый сигнал сенсора в цифровой с частотойдискретизации 80Гц. Для анализа шумовых характеристиксигналисследуемого датчика записывался в течение длительного времени (~10 ч) вотсутствии внешних воздействий и при постоянной температуре. Далеевычислялись шумовые характеристики и Аллановская вариация как функциявремени усреднения T (Главы 1.2.2-3).Для обработки записанных сигналов использовалось специальнаяпрограммаDADiSP.последовательностиГрафическийокон,винтерфейскоторыхDADiSPданныесостоитизотображаютсяиобрабатываются в различных стилях – графическом или табличном.

Данноепрограммное обеспечение также позволяет составлять программы дляобработки данных подобных методу Аллановской вариации.Участок обрабатываемой записи изображен на Рис. 3.8. Результатыобработкизаписейсигналовэлектрохимическогомикроакселерометрапредставлены на Рис.3.9 и Рис.3.11.Рис. 3.8. Участок записи для проверки спектральной плотности шумов и величинынестабильности нулевого смещения датчика линейных ускорений (по оси ординатотложены отсчеты АЦП, 1 count = 2.38x10-6В ).79Экспериментальнополученнаяспектральнаяплотностьмощностисобственных шумов представлена в дБ относительно 1 м/с2/√Гц.

Дляисследуемого микроакселерометра спектральная плотность мощности вдиапазоне от 2 Гц до 40 Гц составила ~35 µg/√Гц.Рис. 3.9. Спектральная плотность мощности электрохимическогоакселерометра(образец №1).По определению под величиной нестабильности нулевого смещенияпринимается значение, соответствующееминимуму функции Аллана отвремени усреднения и выражается в единицах ускорения (µg).

ФункцияАллана строилась согласно формуле (1.2.18):σ 2 (T ) =12(Ω(T )k +1 − Ω(T )ki )∑2 ⋅ (n − 1)Для этого, в первом окне W1 программы DADiSP (Рис.3.10) считывалсяи отображался записанный сигнал в мВ. Во втором окне W2 помещаласьинтересующая нас часть записи, с вычетом среднего значения сигнала наэтом участке. В окне W3 создаются точки, разбросанные экспоненциально, в80которых будет считаться вариация.

Такой закон распределения точексущественно уменьшает время подсчета Аллановской функции. В окне W4ставится значение первой точки. В окне W5 вычисляется и строитсязависимость значения функции Аллана в соответствующих точках. Впоследнем окне W6 пересчитывается и строится функция Аллана в мкВ взависимости от времени усреднения. Зная коэффициент преобразованияможно пересчитать данные в единицы ускорения.Рис. 3.10.

Пример алгоритма вычисления функции Аллана в программной среде DADiSp.Приведённая на Рис.3.11 функция Аллана для электрохимическогоакселерометра показывает, что лучшей величины стабильности нулевогосмещения удаётся достичь при времени усреднения порядка 500 секунд.Величина нестабильности нулевого смещения составляет ~ 2,5 µg (2,5‚10-5м/сек2).81Рис.3.11.ВариацияАланадляэлектрохимическоголинейногоакселерометра(образец №1).3.4. Нелинейные искажения акселерометра.Для исследования нелинейности отклика датчика линейных движений,последний помещался на калибратор, с помощью которого создавалсявнешний синусоидальный сигнал на частоте 10 Гц.

Амплитуда колебанийуменьшалась от ~4 м/с2 – максимально возможной амплитуды длястабильной работы стенда, до момента снижения сигнала на частоте второйвысших гармоник до уровня регистрируемых шумов ~0,6 м/с2.Предварительно были проведены измерения нелинейных искаженийсамого калибровочного стенда. Нелинейные искажения электрическогосигнала подаваемого на динамики составили не более 0,06 % во всемдиапазоне исследуемых амплитуд.