Способ повышения точности чувствительного элемента

 

Способ предназначен для использования в измерительной технике. Способ заключается в стабилизации температуры с помощью управляемого нагревательного элемента, установленного в чувствительном элементе или на его поверхности. Дополнительно определяют величину мощности, выделяемой нагревательным элементом, и изменяют выходной сигнал чувствительного элемента в зависимости от этой мощности. Изменение выходного сигнала обеспечивает снижение температурной погрешности чувствительного элемента, обусловленной наличием градиентов температуры в нем и погрешностью системы стабилизации температуры. 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к микромеханическим чувствительным элементам инерциального типа, например к акселерометрам и датчикам угловых скоростей.

Известен способ повышения точности чувствительного элемента, например акселерометра, заключающийся в измерении его температуры и изменении выходного сигнала акселерометра в зависимости от измеренного значения температуры [1] . Недостатком этого способа является то, что погрешность чувствительного элемента из-за влияния температуры остается достаточно большой, что особенно может проявляться при быстрых изменениях температуры окружающей среды.

Известен способ повышения точности чувствительного элемента, заключающийся в поддержании его температуры постоянной с помощью соответствующей системы стабилизации, которая включает в себя датчик температуры, встроенный в чувствительный элемент, усилительное устройство и управляемый усилительным устройством нагревательный элемент, который установлен на чувствительном элементе [2]. Указанный способ принят в качестве прототипа. Недостаток прототипа обусловлен тем, что поддержание постоянной температуры датчика температуры (по сути именно это и обеспечивается соответствующей системой) не сохраняет постоянной температуру чувствительного элемента, так как в последнем имеются градиенты температуры. Из-за этого изменение температуры окружающей среды приводит к изменениям выходного сигнала чувствительного элемента.

Целью изобретения является повышение точности чувствительного элемента путем уменьшения влияния температуры на его параметры за счет учета изменения мощности, выделяемой на управляемом нагревательном элементе, при изменении температуры окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют величину мощности рассеиваемой управляемым нагревательным элементом, и изменяют выходной сигнал чувствительного элемента в функциональной зависимости от измеренного значения мощности.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для реализации предложенного способа, а на фиг. 2, 3, 4, 5 приведены графики экспериментально полученных данных при испытании микромеханического акселерометра типа ADXL105 с системой стабилизации температуры.

На чувствительном элементе 1 (см. фиг. 1) установлены или встроены датчик температуры 2 и управляемый нагревательный элемент 4. Выход датчика температуры 2 соединен со входом усилительного устройства 3, выход которого соединен со входом нагревательного элемента 4. Устройство измерения мощности 5 соединено с нагревательным элементом 4, при этом выход устройства измерения мощности 5 соединен с одним из входов устройства преобразования электрического сигнала 6, другой вход которого соединен с выходом чувствительного элемента 1.

На фиг. 2-5 приведены экспериментально полученные зависимости выходного сигнала акселерометра (Uaxl) ADXL105 от времени при нагреве и остывании акселерометра на 30^oС, на фиг. 3 - зависимость сигнала (U control), пропорционального мощности (P), рассеиваемой нагревательным элементом 3, при этих же условиях, на фиг. 4 - выходной сигнал датчика температуры (Ut) при этих же условиях, на фиг. 5 - зависимости выходного сигнала акселерометра от мощности, рассеиваемой нагревательным элементом 3, (Uaxl = fun(U control)) при нагреве и остывании акселерометра. Все данные получены при неизменном положении акселерометра.

Предложенный способ заключается в следующем. Элементы 2-4 (фиг. 1) образуют систему стабилизации температуры чувствительного элемента. Измеряя мощность, рассеиваемую нагревательным элементом 3, например, с помощью устройства измерения мощности 5, которое преобразует величину мощности в электрический сигнал, изменяют выходной сигнал чувствительного элемента в зависимости от выходного сигнала с помощью устройства преобразования электрического сигнала 6. В полученном после такого преобразования сигнале составляющая, которая зависит от температуры окружающей среды, оказывается уменьшенной. Таким образом, температурная погрешность чувствительного элемента благодаря предложенному способу уменьшается.

Иллюстрацией предложенного способа являются графики на фиг. 2-5. Как видно из графика на фиг. 4, при изменении температуры окружающей среды на 30^oС выходной сигнал датчика температуры практически не меняется. Отметим, что это достигнуто за счет использования в системе стабилизации температуры чувствительного элемента ПИ-регулятора (регулятора с пропорциональным и интегрирующим звеньями). Однако даже при такой стабилизации температуры наблюдается (см. фиг. 2) изменение выходного сигнала акселерометра на величину, равную примерно 5 мВ при крутизне сигнала 1 B/g. При сравнении графиков на фиг. 2 и 3 можно установить, что они различаются практически только масштабными коэффициентами. Это подтверждается и тем, что две зависимости Uaxl = f(U control) имеют линейный характер, примерно одинаковый наклон и отличаются незначительно (примерно на 1 мВ) между собой на постоянную составляющую. Поэтому для данного случая для уменьшения зависимости выходного сигнала акселерометра от изменений температуры окружающей среды достаточно к выходному сигналу акселерометра прибавить сигнал, полученный с выхода измерителя мощности с весовым коэффициентом, равным примерно -0,01. Результирующая ошибка при этом уменьшится до 1-2 мВ, т.е. примерно в 2-3 раза.

Отметим, что зависимость Uaxl = f(U control) может отличаться от линейной (ее характер зависит от конструкции чувствительного элемента, зависимости его выходного сигнала от температуры, расположения датчика температуры и нагревателей на чувствительном элементе), поэтому выбор закона изменения выходного сигнала чувствительного элемента в зависимости от рассеиваемой нагревательным элементом мощности целесообразно делать на основании экспериментальных данных, полученных экспериментальным или расчетным путем.

Литература 1. AN"Using the ADXL202 Accelerometer as a Multifunction Sensor (Tilt, Vibration, and Shock) in Car Alarms".

2. Harvey Weinberg "Temperature Compensation Тechniques for Low g iMEMS Accelerometers" http://www.analog. com/industry/iMEMS/markets/industrial/temp_compensati on. html.

Формула изобретения

Способ повышения точности чувствительного элемента, заключающийся в стабилизации его температуры с помощью управляемого нагревательного элемента, установленного в чувствительном элементе или на его поверхности, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину мощности, выделяемой нагревательным элементом, и изменяют выходной сигнал чувствительного элемента в зависимости от этой мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5