Диссертация (Перенос заряда в электрохимическом акселерометре при изменении концентрации активного компонента на электродах), страница 7

На практике же шум дрейфанулевого смещения, и в особенности его высокочастотная часть, могут«забиваться» другими видами шума.Еще один из существующих механизмов шумов фигурирует во многихтехнических описаниях инерциально измерительных систем под названиемпроизвольного ухода скорости (ускорения) или Rate Random Walk. Всоответствии с принятыми стандартами спектральная плотность мощностиэтого типа шума выражается зависимостью [69]:2⎛ K ⎞ 1SΩ ( f ) = ⎜⎟ 2,⎝ 2π ⎠ f(1.2.28)где K – коэффициент произвольного ухода скорости. Для функции Алланаимеем выражение:σ (T ) = KT,3(1.2.29)Значит, этот вид шума должен присутствовать на графике вариацииАллана в виде прямой с положительным наклоном ½, а значение К можноопределить как значение этой прямой при Т=3.Такимобразом,присутствоватьвразличныесигналевидыизмерительногошума,однако,приборамогутмногочисленныеэкспериментальные результаты свидетельствуют о том, что различные типышума доминируют в различных областях времен усреднения. Это позволяет слегкостью идентифицировать тип шума преобладающий в показанияхсенсора.

Стоит также отметить, что на графике Аллановской характеристикине будет резко обозначенной границы перехода от одного типа шума кдругому [75].49В действительности, оценка Аллановской вариации основана наанализе конечного числа независимых отрезков, которые могут бытьсформированыизлюбойограниченнойпоследовательностиданных.Аллановская вариация любого вида шума оценивается с использованиемполного числа отрезков заданной длины, на которые можно разделитьзапись сигнала.

По мере увеличения количества независимых отрезковразбиения, достоверность оценки Аллановской вариации растет.Такимобразом,однимизнаиболеепопулярныхметодовмоделирования ошибок инерциально-навигационных измерителей являетсяметод Аллановской вариации. Если в эксперименте известны общееколичество точек массива данных и частота опроса системы, с легкостью всоответствии с (1.2.18) можно найти функцию Аллана. Построенная вдвойном логарифмическом масштабе Аллановская кривая дает возможностьпростой и быстрой интерпретации действующих в системе шумов.50Глава 2. Амплитудно- и фазо-частотные зависимости электродных токовчувствительногоэлементаэлектрохимическогопреобразователяпараметров движения.2.1 Введение.Теоретическиехарактеристикиэкспериментальныеэлектрохимическихисследованияпреобразователейдинамических(ЭП),такихкакпередаточная функция, нелинейные искажения и шумовые характеристики,имеют исключительно важное практическое значение.

Теоретическая модель,адекватно описывающая экспериментально полученные данные, позволяетвыявить какие процессы в ЭЯ и какие параметры ЭЯ влияют на те или иныехарактеристики конечного прибора.В настоящее время приборы на основе молекулярно-электроннойтехнологии уже широко применяются в таких областях как сейсмология,геологоразведка и мониторинг зданий и сооружений. Принципиальнойзадачей, решение которой позволит осуществить продвижение приборов наоснове молекулярной электроники, например, в перспективную областьсистем инерциальной навигации, является расширение частотного диапазонаизмерений до 500 - 600 Гц.Экспериментальныеисследованияпередаточныхфункцийэлектрохимических преобразователей линейных ускорений и акселерометроввращательныхдвижений,гдевкачествечувствительногоэлементаиспользуется электрохимическая ячейка, показали, что с ростом частотывнешнего сигнала увеличивается разность фаз между анодными и катоднымисигнальными токами (фоновый ток исключался) и достигает значения π начастотах порядка 80-100 Гц.

Так же возникает увеличивающаяся с ростомчастоты разница АЧХ анодного и катодного токов. Подобного результата недает ни одна из существующих теоретических моделей. В дальнейшем подсигнальнымтокоммыбудемпониматьтучастьвыходноготока51преобразующего элемента, которая пропорциональна скорости движенияэлектролита.Основополагающая теория Ларкама [76, 77], которая фактически развитав предположении бесконечных размеров преобразующего элемента иабсолютно проницаемыми электродами, оказывается не в состоянииобъяснитьнаблюдающегосяповедениячастотныххарактеристикэлектродных токов. Более того, теория приводит к однозначному выводу опостоянстве сдвига фаз между анодным и катодным сигнальными токами, атакже их равенстве. Как это следует из работ [13, 14] решение уравненияконвективной диффузии в трехмерной геометрии и граничных условиях,аналогичных граничным условиям в одномерной задаче с бесконечнойгеометрией,такженеобъясняетнаблюдаемыеэкспериментальныерезультаты.

Исследованию частотных характеристик передаточной функциипространственно ограниченной электрохимической ячейки и посвященаданная глава.2.2. Экспериментальная установка.Измерения динамических характеристик проводились с помощьюспециального устройства – калибратора, который представляет собойсложную электронно-механическую установку.Основной частью калибратора является платформа толщиной 12.7 мм,длиной 600 мм и шириной 400 мм, которая весит свыше 60 кг и подвешена наторсионе.

Особое внимание было уделено обеспечению как статической, таки динамической жесткости конструкции в рабочем диапазоне частот дляобеспечения минимизации влияния явления резонанса.Схема калибровочного стола представлена на Рис. 2.1: 1 - платформа снадстройкой и усиливающими элементами; 2 - линейные двигатели(динамики); 3 - прецизионные дифференциальные индуктивные датчикиперемещения; 4 - электронные схемы датчиков перемещения; 5 52двухканальный усилитель мощности; 6 - электронные схемы системыавтоматического регулирования; 7 - электронная плата прецизионногогенератораинфра-низкихчастот,подлючаемаякшинеглавногоуправлющего компьютера; 8 – система сбора данных (16-канальная, 12разрядная система сбора данных L-card; 8-канальная 16-разрядная системасбора данных National Instruments); 9 - управляющий компьютер; 10 вертикальный калибруемый акселерометр; 11 - горизонтальный калибруемыйакселерометр или акселерометр вращательных движений.Рис.

2.1 Схема экспериментальной установки.Пара соответсвующим образом модифицированых, мощных (250 Ватт)низкочастотныхэлектродинамиков,работающихвпротивофазе,раскачивают платформу, к которой они подсоединены тягами черезбесфрикционные сочленения. Эти динамики приводятся в действие отмощного звукового усилителя.53Синусоидальные колебания задаются АЦП (L-card или NI). Измерениедействительногоперемещенияплатформыпроисходитспомощьюпрецизионных дифференциальных индуктивных датчиков перемещения.Сигналы как с датчиков смещения, так и с калибруемых приборовзаписываются многоканальной системой сбора данных на базе АЦП (Lcard, NI).Обработкаданныхиполучениеамплитудо-ифазочастотныхзависимостей осуществляется с помощью программного пакета DADiSP,которыйпозволяетвавтоматическомрежиме,знаягеометрическиепараметры калибратора и коэффициент преобразования датчика смещенияплатформы, находить отношение спектров действующих синусоидальныхсигналов и регистрируемых сигналов с исследуемого датчика, тем самымполучая частотные характеристики прибора.2.3 Экспериментальные данные.В рамках поставленной задачи были изготовлены 3 образца ЭПгоризонтальныхдвижений,каждыйизкоторыхпредставляетсобойкерамический корпус с тороидальным каналом квадратного сечения,заполненный наполовину раствором электролита и помещенной в него ЭЯ(Рис.

1.2.с). Внешние диаметры ЭП составляли 1,5 см, 3 см и 8 см.Межэлектродное расстояние состаляло 120 мкм.Датчики закреплялись на калибраторе. Затем последовательно веласьрегистрация сигналов исследуемых ЭП и датчиков смещений на каждойчастоте гармонических колебаний из набора 0.01, 0.02, 0.04, 0.08, 0.16, 0.32,0.5, 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 16, 20, 24, 32, 40, 50, 60, 80 и 100 Гц. Снималисьзначения токов с каждого из электродов путем регистрации напряжения нарезисторах R (Рис.2.2) в первом каскаде сопутствующей электроники.Снимаемый сигнал подавался на вход системы сбора данных.54Рис.2.2 Схема эксперимента.Для проверки отсутствия каких-либо утечек измеряемых токов инакопления заряда в ЭЯ был проведен ряд экспериментов по измерениюсуммы электродных токов. Частота внешнего воздействия изменялась от 0 Гц(стационарное положение) до 90 Гц.

При величине фоновых токовэлектродов ~200 мкА сигнальные токи составляли до 60 мкА (Рис. 2.3). Вовсем частотном диапазоне сумма электродных токов составляет <1 мкА, чтоне превосходит 0,5 % от значения фонового тока. Векторная суммасигнальных токов, учитывающая амплитудно-частотную характеристикусовместно с фазо-частотной характеристикой каждого электрода, составляетне более 0,5 % сигнального тока в диапазоне частот внешнего воздействия от0,01 Гц до 40 Гц. Сумма же токов одной электродной пары (анод-катод)равна нулю только в стационарном случае, при внешнем воздействии этасумма осциллирует около нуля с амплитудой ~15 мкА, причем сумма токоввторой электродной пары осциллирует с равной амплитудой в противофазе ссуммой токов первой (Рис.

2.4). Отрицательные значения токов определяютнаправления течения этих токов относительно друг друга. Также стоит55отметить, что сдвиг фаз между анодными токами и сдвиг фаз междукатодными токами равен π во всем частотном диапазоне. По этимэкспериментальным данным можно сделать вывод, что в ЭЯ отсутствуюткакие-либо существенные утечки и накопление заряда, влияющие начастотные характеристики приборов.Рис.2.3.Токиэлектродоводногогоризонтального ЭП (8 см) при частотевнешнего воздействия10 Гц. Синий икрасный сигнал – анод и катод однойэлектродной пары соответственно; серыйизеленый–анодикатодвторойэлектродной пары соответственно.Рис.2.4.

Токи электродных пар (красный исиний сигналы) и суммарный ток (серыйсигнал), протекающий в ЭП (8 см).Зная амплитудно- и фазо-частотную характеристику воздействующегосигналаисигнальныетокиэлектродов,спомощьюстандартногопрограммного пакета DADiSP были получены амплитудно- и фазо-частотныехарактеристикиэлектродовисследуемыхлинейныхгоризонтальныхдатчиков.Как видно из представленных данных (Рис. 2.5) с ростом частоты сдвигфаз между анодным и катодным током увеличивается и асимптотическистремится к π на частотах ~100 Гц.