РЭА — резонансно-электронный акселерометр¶

РЭА (резонансно-электронный акселерометр) — тип высокоточного акселерометра, в котором измерение ускорения основано на изменении частоты собственных механических колебаний чувствительного элемента под действием измеряемого ускорения. РЭА относится к классу резонансных датчиков инерциальных величин и применяется преимущественно в инерциальных навигационных системах (ИНС), где требуется высокая стабильность и точность измерения линейных ускорений.

¶Принцип работы

Чувствительный элемент РЭА представляет собой механическую систему с высокой добротностью, приведённую в устойчивые колебания с помощью электронного контура возбуждения. В простейшей реализации это балка или консоль, закреплённая на подвижной подвеске, совершающая изгибающие или продольные колебания. Частота собственных колебаний чувствительного элемента определяется его жёсткостью и эффективной массой.

При воздействии измеряемого ускорения вдоль чувствительной оси на подвижную систему начинает действовать сила инерции, которая эквивалентно изменяет механические параметры колебательного контура — эффективную жёсткость или геометрию деформированного состояния. Это приводит к смещению частоты резонанса. Измерение величины сдвига частоты с помощью электронного контура фиксации и обратной связи позволяет вычислить величину ускорения.

Ключевое достоинство такого принципа — цифровой по природе выходной сигнал: частота измеряется с высокой точностью счётчиком периодов, что существенно снижает чувствительность к помехам и дрейфу электронных компонентов по сравнению с аналоговыми датчиками, где измеряется напряжение или заряд.

¶Конструкция и устройство

В современных РЭА чувствительный элемент, как правило, изготавливается из кремния методами микроэлектромеханических систем (МЭМС). Кремний обладает низкими внутренними потерями, что обеспечивает высокую добротность колебательного контура (порядка тысяч и выше), а следовательно, высокую разрешающую способность по частоте.

Типичная конструкция включает:

• Чувствительный элемент — силиконовую балку или рамку, совершающую резонансные колебания;
• Возбудитель — электростатический, пьезорезистивный или пьезоэлектрический преобразователь, поддерживающий колебания;
• Датчик смещения — устройство фиксации амплитуды и фазы колебаний для замкнутого контура возбуждения;
• Термостат — система стабилизации температуры, поскольку частота резонанса чувствительна к температурным деформациям;
• Электронный блок обработки — счётчик частоты и вычислитель, преобразующий частотное измерение в значение ускорения.

Для компенсации температурных дрейфов и нелинейностей применяются дифференциальные схемы: два чувствительных элемента, расположенных симметрично и работающих на измерение ускорений противоположных знаков. Разностная обработка сигналов позволяет подавить температурную погрешность и паразитные воздействия.

¶Основные характеристики

По совокупности параметров РЭА превосходят традиционные пьезоакселерометры и акселерометры с ёмкостными преобразователями:

• Разрешение — до 10⁻⁶ g и ниже в лабораторных образцах;
• Дрейф нуля — единицы микрогравит в час для высокоточных моделей;
• Динамический диапазон — от долей микрогравит до десятков g;
• Линейность — определяется стабильностью механических параметров кремниевой структуры;
• Габариты — типичный чувствительный элемент имеет размеры в миллиметрах.

¶Применение

Основная область применения РЭА — инерциальные навигационные системы, в том числе:

• Морские и подводные навигационные комплексы, где требуется низкий дрейф ускорений для долговременной интеграции без внешних коррекций;
• Гравиметрия — измерение ускорения свободного падения и гравитационных аномалий в геофизических исследованиях и поиске полезных ископаемых;
• Сейсмометрия — высокочувствительные сейсмодатчики для регистрации слабых подземных толчков;
• Навигация космических аппаратов и стабилизация платформ;
• Инерциальное измерительное оборудование для авиации и наземного транспорта высокого класса точности.

В России разработкой и производством резонансных акселерометров занимаются ряд научных центров и предприятий, в том числе в рамках программ создания отечественных инерциальных навигационных систем. Отечественные конструкции РЭА прошли испытания в составе морских и геофизических комплексов.

¶Достоинства и ограничения

К достоинствам РЭА относятся высокая точность, цифровой характер выходного сигнала, малые габариты чувствительного элемента, возможность массового производства методами МЭМС-технологий. Ограничения связаны со сложностью электронной обвязки, требующей точного измерения частоты, чувствительностью к температуре (решается термостатированием), а также относительно высокой стоимостью высокоточных моделей.

¶Литература

• МЭМС-датчики инерциальных величин: обзоры и монографии по микроэлектромеханическим системам
• Публикации по инерциальным навигационным системам и резонансным акселерометрам в отечественных научных журналах