RU2196996C2

RU2196996C2 - Process increasing precision of sensitive element

Info

Publication number: RU2196996C2
Application number: RU99125514A
Authority: RU
Inventors: Я.А. Некрасов
Original assignee: Некрасов Яков Анатольевич
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2003-01-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: process consists in stabilization of temperature with the aid of controllable heating element put on sensitive element. Value of power released by heating element is found in addition and output signal of sensitive element changes depending on this power. Change of output signal secures decrease of temperature error of sensitive element caused by presence of temperature gradients in it and error of temperature stabilization system. EFFECT: decreased temperature error of sensitive element. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к микромеханическим чувствительным элементам инерциального типа, например к акселерометрам и датчикам угловых скоростей. The invention relates to the field of measuring equipment, in particular to micromechanical sensitive elements of an inertial type, for example, accelerometers and angular velocity sensors.

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. There is a method of increasing the accuracy of a sensitive element, such as an accelerometer, which consists in measuring its temperature and changing the output signal of the accelerometer depending on the measured temperature [1]. The disadvantage of this method is that the error of the sensitive element due to the influence of temperature remains large enough, which can especially occur with rapid changes in ambient temperature.

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. There is a method of increasing the accuracy of a sensitive element, which consists in maintaining its temperature constant using an appropriate stabilization system, which includes a temperature sensor integrated in the sensitive element, an amplifying device and a heating element controlled by the amplifying device, which is mounted on the sensitive element [2]. The specified method is adopted as a prototype. The disadvantage of the prototype is due to the fact that maintaining a constant temperature of the temperature sensor (in fact, this is what is provided by the corresponding system) does not keep the temperature of the sensitive element constant, since the latter has temperature gradients. Because of this, a change in the ambient temperature leads to changes in the output signal of the sensor.

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. The aim of the invention is to improve the accuracy of the sensitive element by reducing the influence of temperature on its parameters by taking into account the change in power released on the controlled heating element when the ambient temperature changes.

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. This goal is achieved by measuring the power dissipated by the controlled heating element, and changing the output signal of the sensing element in functional dependence on the measured power value.

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. In FIG. 1 shows a block diagram of a device for implementing the proposed method, and in FIG. 2, 3, 4, 5 are graphs of experimentally obtained data when testing a micromechanical accelerometer type ADXL105 with a temperature stabilization system.

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. A temperature sensor 2 and a controlled heating element 4 are installed or integrated on the sensitive element 1 (see Fig. 1). The output of the temperature sensor 2 is connected to the input of the amplifying device 3, the output of which is connected to the input of the heating element 4. The power measuring device 5 is connected to the heating element 4, while the output of the power measuring device 5 is connected to one of the inputs of the device for converting the electric signal 6, the other input of which is connected to the output of the sensing element 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.In FIG. Figures 2-5 show the experimentally obtained dependences of the output signal of the accelerometer (Uaxl) ADXL105 on time when heating and cooling the accelerometer at 30 ^o C, in Fig. 3 - dependence of the signal (U control) proportional to the power (P) dissipated by the heating element 3, under the same conditions, in FIG. 4 - output signal of the temperature sensor (Ut) under the same conditions, in FIG. 5 - dependences of the output signal of the accelerometer on the power dissipated by the heating element 3, (Uaxl = fun (U control)) during heating and cooling of the accelerometer. All data are obtained with the accelerometer in the same position.

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. The proposed method is as follows. Elements 2-4 (Fig. 1) form a system for stabilizing the temperature of the sensitive element. By measuring the power dissipated by the heating element 3, for example, using a power measuring device 5, which converts the power to an electric signal, the output signal of the sensing element is changed depending on the output signal using the electric signal converting device 6. In the signal obtained after such a conversion, the component , which depends on the ambient temperature, is reduced. Thus, the temperature error of the sensing element due to the proposed method is reduced.

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.An illustration of the proposed method are graphs in FIG. 2-5. As can be seen from the graph in FIG. 4, when the ambient temperature changes by 30 ^o With the output signal of the temperature sensor practically does not change. Note that this is achieved through the use in the temperature stabilization system of the sensitive element of the PI controller (a controller with proportional and integrating links). However, even with such stabilization of the temperature, a change in the output signal of the accelerometer by an amount equal to about 5 mV is observed with a slope of 1 B / g. When comparing the graphs in FIG. 2 and 3, it can be established that they differ practically only in scale factors. This is confirmed by the fact that the two dependences Uaxl = f (U control) are linear in nature, have approximately the same slope and differ slightly (by about 1 mV) from each other by a constant component. Therefore, in this case, to reduce the dependence of the output signal of the accelerometer on changes in ambient temperature, it is enough to add to the output signal of the accelerometer the signal received from the output of the power meter with a weight coefficient of about -0.01. The resulting error will decrease to 1-2 mV, i.e. about 2-3 times.

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. Note that the dependence Uaxl = f (U control) may differ from linear (its character depends on the design of the sensitive element, the dependence of its output signal on temperature, the location of the temperature sensor and heaters on the sensitive element), therefore, the choice of the law of change of the output signal of the sensitive element in depending on the power dissipated by the heating element, it is advisable to do on the basis of experimental data obtained experimentally or by calculation.

Литература
1. AN"Using the ADXL202 Accelerometer as a Multifunction Sensor (Tilt, Vibration, and Shock) in Car Alarms".Literature
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. 2. Harvey Weinberg "Temperature Compensation Technologies for Low g iMEMS Accelerometers" http: //www.analog. com / industry / iMEMS / markets / industrial / temp_compensati on. html

Claims

A method of increasing the accuracy of a sensitive element, which consists in stabilizing its temperature with a controlled heating element installed in the sensitive element or on its surface, characterized in that it further determines the amount of power released by the heating element and changes the output signal of the sensitive element depending on this power .