Анализ метрологических характеристик акселерометрических преобразователей

Согласно основным положениям метрологии, погрешность акселерометрических преобразователей классифицируется на случайную и систематическую. При этом причиной появления случайных погрешностей являются особенности аппаратной реализации, приводящие к наличию функциональных сбоев электронных компонентов, входящих в состав преобразователя.

точно в технической документации на конкретный акселерометрический преобразователь и является следствием воздействия технологических факторов и температурных возмущений при известных параметрах протекания тепловых процессов в конструкциях чувствительных элементов [50, 51].

На основе анализа цифровых акселерометров, наиболее распространенных на рынке измерительных акселерометрических преобразователей, был выявлен ряд погрешностей, влияющих на точность измерений и требующих учета при их практическом применении в гониометрических измерительных системах. В таблице 2 приведены погрешности, которые могут быть устранены при проведении калибровки.

Таблица 2 - Погрешности, устраняемые калибровкой

При этом мультипликативная погрешность является проблемой, которая в традиционных датчиках решается за счет применения сложных компенсационных методов в устройствах формирования выходного сигнала измерительного преобразователя [50].

Таблица 3 - Температурные погрешности акселерометров

Для учета температурного влияния в высокоточных акселерометрических датчиках применяется измерение температуры, с возможностью дальнейшего применения алгоритмов температурной коррекции [52, 53].

В таблице 4 приведены метрологические параметры акселерометров, которые определяют чувствительность датчика по оси измерений и боковую погрешность, определяемую шириной диаграммы направленности датчика.

Как видно из приведенных данных, наибольшим численным составляющим общей величины погрешности акселерометров является погрешность нуля и погрешность чувствительности - по 10% и 6%, а так же погрешность поперечной чувствительности (2...5%) и нелинейность акселерометра (0,5...2,5%). Также значимыми недостатками приведенных инерциальных датчиков является сравнительно низкая точность и зашумленность выходного сигнала дрейф смещения нуля [53].

Таблица 4 - Метрологические параметры акселерометров

Следует выделить мультипликативные погрешности акселерометричесиккх преобразователей в качестве отдельного класса погрешностей, оказывающих основное влияние на стабильность измерительных ветвей преобразователя[54].

В теории погрешностей мультипликативная погрешность определяется как детерминированное систематическое отклонение показаний измерительного устройства, имеющее длительный период [55, 56]. Причинами возникновения мультипликативной погрешности являются, в основном, особенности условий среды эксплуатации (температурная нестабильность, нестабильность источника питающего напряжения и др.) [50].

При этом, мультипликативная составляющая погрешности измерений зависит как от величины проекции кажущегося ускорения на номинальную ось чувствительности акселерометра (погрешность масштабного коэффициента), так и от величины проекции кажущегося ускорения на плоскость, ортогональную оси чувствительности акселерометра (погрешность рассогласования осей).

В ходе анализа погрешностей, оказывающих наиболее существенное влияние на точностные показатели акселерометрических преобразователей, были выявлены следующие закономерности:

- рассматриваемые акселерометры имеют довольно существенную начальную погрешность нуля, требующую дополнительной калибровки (1-4%);

- имеется начальная погрешность чувствительности (8-10%);

- наличие боковой чувствительности (1-5%) означает, что при изменениях только по оси Х, также присутствует небольшое изменение по оси Y;

- наличие погрешности дискретизации (7-9,5%), возникающей в процессе преобразования и передачи данных.

В качестве решения задачи повышения устойчивости измерений к влиянию мультипликативных погрешностей нашли широкое применение компенсационные методы, суть которых заключается в применении источника переменного тока в устройствах формирования выходного сигнала акселерометра с последующим усилением выпрямленных выходных сигналов в усилителях

дифференциального типа. Повышение точности и устранение нестабильности в данном случае осуществляется посредством включения в измерительную цепь переменного компенсационного резистора, один из контактов которого соединен со входом одного из выпрямителей, другой - с дополнительным входом дифференциального усилителя [57].

В общем случае, рассматривая ветви измерительного преобразователя (оси чувствительности акселерометра) напряжения сигналов, формируемые для каждой из компонент, будут иметь следующий вид:

где- коэффициенты нестабильности; U₀- напряжение питания.

Следовательно, функция формирования погрешности преобразования параметров ускорений в параметры угла наклона φописывается на основании выражения: где- реальное значение угла наклона.

Рисунок 7 подтверждает факт прямой зависимости максимального рассогласования ветвей измерительного преобразователя параметра наклона при максимальном значении мультипликативной погрешности.

Рисунок 7 - Зависимость рассогласования ветвей измерительного преобразователя от мультипликативной погрешности

Следовательно, мультипликативная погрешность не может быть скомпенсирована в полной мере, для её частичного устранения, в основном, применяются компенсационные методы [58].

1.4