Устройство измерения резонансных частот и добротности подвижных элементов микромеханических устройств

Авторы патента:

G01H13/00 - Измерение резонансной частоты

Владельцы патента RU 2509292:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества микромеханических элементов. Устройство измерения резонансных частот и добротности подвижных элементов микромеханических устройств включает в себя генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд, на подвижной части которого закрепляется исследуемый МЭМС, источник излучения. В устройство добавлены позиционно-чувствительный фотоприемник и узлы обработки сигналов с позиционно-чувствительного элемента и взят точечный источник излучения. Технический результат - повышение точности измерения резонансных частот и определения добротности МЭМС элементов, уменьшение времени измерения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества микромеханических элементов, например подвижных частей чувствительных элементов (ЧЭ) микромеханических устройств (акселерометров, гироскопов, датчиков давления и других устройств).

Размеры элементов (торсионы, подвесы) МЭМС, определяющие основные характеристики, а именно масштабный коэффициент и резонансную частоту, составляют величину от единиц до десятков микрон, и визуальный контроль размеров обладает низкой точностью, поэтому для контроля используется интегральный параметр, а именно резонансная частота подвижного (чувствительного) элемента МЭМС. Другим интегральным параметром является добротность. Как известно, величина добротности показывает, во сколько раз запасы энергии в колебательной системе больше, чем потери энергии за один период колебаний. Потери в ЧЭ определяются в основном двумя факторами: потери за счет демпфирования, потери в торсионном подвесе ЧЭ (в основном вследствие дефектов кристаллической решетки). У гироскопов добротностью определяется один из основных параметров - дрейф нуля. У акселерометров дефекты в торсионах влияют на такие параметры, как пороговая чувствительность, динамический диапазон, величина гистерезиса и так далее.

Известно устройство определения резонанса конструкции с использованием емкостных вибропреобразователей, в котором испытуемое изделие является подвижной обкладкой воздушного конденсатора, неподвижной обкладкой которого является искусственный электрод, и состоит из вибростенда, на котором закреплен испытуемый элемент, искусственного электрода и измерительной системы [1]. При вибрации изделия расстояние от него до искусственного электрода меняется, следовательно, меняется емкость, что фиксируется измерительной системой. При этом возможно измерение как резонансных частот, так и добротности.

К достоинству устройства следует отнести возможность бесконтактного дистанционного измерения перемещений (вибрации). Недостатком является возможность измерения только токопроводящих изделий и деталей площадью не менее 30 мм², а также достаточно длительный процесс установки искусственного электрода.

Наиболее близким по своей технической сущности является устройство для реализации способа измерения резонансных частот [2]. Измерение резонансных частот ЧЭ МЭМС реализуется устройством, содержащим генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд, на подвижной части которого закреплена МЭМС, и линейный источник света. Источник света расположен так, что индикатриса излучения источника проходит через МЭМС, при этом ось вдоль длинной стороны линейного источника света параллельна оси поворота чувствительного элемента МЭМС, а сам источник света состоит из люминесцентной лампы и линейной диафрагмы. Излучение от линейного источника света направляется на МЭМС, причем ось вдоль длинной стороны линейного источника света параллельна оси поворота МЭМС, при этом оператором контролируется отраженное изображение в виде линии. По мере приближения к резонансной частоте отраженная от МЭМС линия расширяется на плоскости исследуемого объекта. По достижении максимальной величины расширения линии снимаются показатели генератора.

Измерение резонансных частот данным устройством производится с относительно высокой точностью, а измерение добротности может производиться с очень низкой точностью, так как изменение амплитуды колебаний может фиксироваться только визуально по изменению ширины засвеченной области.

Задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения резонансных частот и определения добротности.

Для достижения поставленной задачи в устройство, содержащее генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд, на подвижной части которого закреплена МЭМС, и точечный источник излучения, дополнительно введены позиционно-чувствительный фотоприемник, блок предусилителей, первый и второй разностный усилители, суммирующий усилитель, первый и второй фазочувствительный выпрямитель, блок автоматической регулировки усиления, модулятор и генератор импульсов.

В предлагаемом устройстве с помощью точечного источника излучения и фотоприемника отраженное от исследуемого ЧЭ МЭМС излучение преобразуется в электрические сигналы, которые усиливаются и преобразуются в выходные напряжения устройства, величины которых однозначно связаны с параметрами колебаний. Причем точность фиксации как максимального значения амплитуды колебаний (измерение резонансной частоты), так и ее изменения на 3 дБ (определение добротности) производится аппаратным путем, что приводит к существенному повышению точности измерения по сравнению с визуальным методом.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где изображено:

Фиг.1 - общая схема устройства, где:

1 - генератор,

2 - регулятор амплитуды,

3 - усилитель мощности,

4 - вибростенд,

5 - подвижная часть вибростенда,

6 - МЭМС,

7 - точечный источник излучения,

8 - позиционно-чувствительный фотоприемник (ПЧФ),

9 - блок предусилителей,

10 - первый разностный усилитель,

11 - второй разностный усилитель,

12 - суммирующий усилитель,

13 - первый фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ),

14 - второй первый фазочувствительный выпрямитель,

15 - блок автоматической регулировки усиления (АРУ),

16 - модулятор,

17 - генератор импульсов.

Устройство для измерения добротности содержит генератор 1, регулятор 2 амплитуды, усилитель 3 мощности, вибростенд 4, на подвижной части 5 которого закреплен МЭМС 6. Точечный источник излучения 7 расположен так, что оптическая ось излучателя направлена исследуемый МЭМС. Позиционно чувствительный фотоприемник 8 своими выходами подключен к блоку 9 предварительных усилителей, первый и третий выходы которого соединены с входами первого разностного усилителя 10. Входы второго разностного усилителя 11 подключены к второму и четвертому выходам блока 9 предварительных усилителей. Входы суммирующего усилителя 12 соединены с первым, вторым, третьим и четвертыми выходами блока 9 предварительных усилителей. Выход первого разностного усилителя 10 соединен с первым входом ФЧВ 13, выход которого является первым выходом устройства. Выход второго суммирующего усилителя 11 соединен с входом ФЧВ 14, выход которого является вторым выходом устройства. Выход суммирующего усилителя 12 соединен со вторыми входами первого ФЧВ 13 и второго ФЧВ 14 и с входом блока 15 АРУ. Выход блока 15 АРУ подключен к первому входу модулятора 16, второй вход которого подключен к выходу генератора 17 импульсов, а выход модулятора 16 подключен к источнику 7 излучения.

Устройство работает следующим образом. На подвижной части 5 вибростенда закреплена исследуемая МЭМС 6. Излучение от точечного источника 7 направляется на подвижную часть исследуемого МЭМС 6. Поверхность подвижной части МЭМС 6 является практически идеальным зеркалом, которое отражает излучение от источника 7 излучения в сторону ПЧФ 8. Центральная ось индикатрисы излучения должна быть параллельна плоскости, к которой перпендикулярна ось вращения подвижных элементов МЭМС. В этом случае чувствительность устройства и соотношение сигнал-шум максимальны. Когда излучение попадает на ПЧФ 8, электрический заряд пропорциональный интенсивности падающего излучения образуется в месте падения излучения. Этот электрический заряд проходит через резистивный слой и попадает на электроды ПЧФ 8 в виде фототоков, обратно пропорциональных расстояниям от освещаемой точки до каждого из электродов. В предусилителях блока 9, выполненных в виде преобразователей ток-напряжение, фототоки ПЧФ 8 преобразуются в соответствующие выходные напряжения. Причем, в том случае если пятно отраженного излучения находится в центре ПЧФ, то все фототоки, а соответственно, и выходные напряжения равны. Первым разностным усилителем 10 осуществляется усиление разности между напряжениями на первом и третьем выходе блока 9, усиленная разность которых поступает на ФЧВ 13, где преобразуется в постоянное напряжение, характеризующее положение светового пятна по оси Х (абсцисс). Вторым разностным усилителем 11 осуществляется усиление разности между напряжениями на втором и четвертом выходе блока 9, усиленная разность которых поступает на ФЧВ 14, где преобразуется в постоянное напряжение, характеризующее положение светового пятна по оси Y (ординат).

Выходное напряжение суммирующего усилителя 12 пропорционально мощности излучения, падающего на ПЧФ 8 и практически не зависит от положения светового пятна отраженного излучения на нем. Выходное напряжение суммирующего усилителя 12 используется для формирования с помощью блока 15 АРУ, модулятора 16 и генератора 17 импульсов пульсирующего тока для запитки источника излучения 7. Переменная составляющая увеличивается до тех пор, пока на выходе суммирующего усилителя 12 выходное напряжение не достигнет номинального эффективного значения, например 1 В. Выходное напряжение суммирующего усилителя 12 также используется в качестве опорного напряжения для управления работой обоих ФЧВ. Постоянное напряжение на выходе первого ФЧВ 13 равно нулю в том случае, если центр отраженного излучения находится на оси Y (ординат), то есть смещение по оси Х (абсцисс) равно нулю. Постоянное напряжение на выходе второго ФЧВ 14 равно нулю в том случае, если центр отраженного излучения находится на оси Х (абсцисс), то есть смещение по оси Y (ординат) равно нулю. Данные постоянные напряжения могут быть использованы для юстировки устройства, в частности - для совмещения точки попадания излучения с центром ПЧФ 8. Перемещая ПЧФ относительно центра отраженного излучения, устанавливаются минимальные значения выходных напряжений обоих ФЧВ. После юстировки устройства включается генератор 1, и на выходах обоих ФЧВ контролируется переменная составляющая выходных напряжений. При увеличении частоты генератора 1 по мере приближения к резонансной частоте увеличивается амплитуда колебаний подвижных элементов МЭМС. При этом пятно отраженного излучения на фотоприемнике также начинает двигаться с этой же частотой колебаний по траектории в виде прямой линии. Причем, чем ближе частота колебаний к резонансной, тем больше угол отклонения подвижной части МЭМС, как следствие перемещение отраженного излучения происходит на большей длине. В свою очередь, это вызывает появление на выходах ФЧВ переменной составляющей с частотой, равной частоте генератора 1. Путем изменения частоты генератора 1 определяется частота, при которой переменная составляющая напряжения по одному или обоим выходам ФЧВ максимальна. Данная частота f₀ является резонансной.

Так как выходное напряжение контролируется вольтметром, то точность определения максимума существенно превышает точность визуального определения резонансной частоты оператором, как в прототипе.

Изменяя частоту на генераторе 1 в сторону уменьшения, фиксируется частота f_н, при которой значение выходного напряжения уменьшилось на 3 дБ. Аналогично проводится измерение f_в при увеличении частоты генератора 1. После этого вычисляется значение добротности Q по следующей формуле:

$Q = \frac{f_{o}}{f_{в} - f_{н}}$

Был изготовлен макетный образец устройства для измерения резонансной частоты и добротности подвижных элементов микромеханических устройств, состоящий из генератора Tektronix AFG3021, усилителя Bruel & Kjasr Type 2718, вибратора Bruel & Kjaer Type 4809, на котором закреплена оснастка для фиксации кремниевых пластин с МЭМС элементами. В качестве ПЧФ использовался фоточувствительный элемент КЧФ-2-9, размер рабочей зоны которого составляет 9х9 мм. В качестве источника излучения использовался лазерный полупроводниковый диод типа LD-63052TL. Все электронные схемы были собраны на операционных усилителях типа AD8606AR, в качестве ключей использовались микросхемы МАХ4544, а в качестве компараторов LMV7239. Запитка всей электроники осуществлялась напряжением 5 В, за исключением модулятора, для питания которого использовалось напряжение 15 В. Экспериментальная проверка полностью подтвердила работоспособность предлагаемого устройства. Были сопоставлены результаты измерения резонансных частот и добротности, полученные с помощью устройства-прототипа, с результатами, полученными с помощью предлагаемого устройства. По сравнению с прототипом точность измерения резонансных частот повысилась в 3-4 раза, а точность определения добротности возросла приблизительно на порядок.

Источники информации

1. ГОСТ РВ 20.57.416-98.

2. Патент РФ 2377509 - прототип.

Устройство измерения резонансных частот и добротности подвижных элементов микромеханических устройств, содержащее источник излучения и последовательно включенные генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд, на подвижной части которого закреплена МЭМС, отличающийся тем, что источник излучения выполнен точечным, дополнительно введены позиционно-чувствительный фотоприемник и через блок предусилителей первый и второй разностные усилители, суммирующий усилитель, первый и второй фазочувствительные выпрямители, блок автоматической регулировки усиления, модулятор и генератор импульсов, причем выходы позиционно-чувствительного фотоприемника соединены с входами блока предусилителей, выходы которого соединены с входами первого и второго разностного усилителя и суммирующего усилителя, причем входы первого разностного усилителя подключены к первому и третьему выходу блока предусилителей, а входы второго разностного усилителя подключены к второму и четвертому выходу блока предусилителей, первый, второй, третий и четвертый выходы блока предусилителей подключены к соответствующим входам суммирующего усилителя, выход первого разностного усилителя подключен к первому входу первого фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя, а выход является первым выходом устройства, выход второго разностного усилителя подключен к входу второго фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя, а выход является вторым выходом устройства, выход суммирующего усилителя соединен с входом блока автоматической регулировки усиления, выход которого подключен к первому входу модулятора, к второму входу которого подключен генератор импульсов, а выход соединен с точечным источником излучения.

Использование: для контроля добротности пьезорезонагоров. Сущность: возбуждают колебания пьезорезонатора в области резонанса путем воздействия на него электрическим синусоидальным напряжением с переменной частотой, одновременно выделяют активную составляющую проводимости и выполняют ее дифференцирование, на частотной характеристике производной от активной составляющей проводимости измеряют значение производной на частоте максимума, измеряют частоту максимума производной от активной составляющей проводимости и значение активной составляющей проводимости на частоте максимума производной, после чего вычисляют величину добротности в соответствии с определенным математическим выражением.

Измеритель частоты резонаторного датчика технологических параметров // 2456556

Изобретение относится к измерительной технике. .

Способ диагностики резонансных колебаний лопаток рабочего колеса в составе осевой турбомашины // 2451279

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при прочностной аэродинамической доводке осевых турбин и компрессоров, а также при создании систем диагностики осевых турбомашин в авиации и энергомашиностроении.

Устройство оценки акустического качества помещения // 2447241

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для оценки акустики объемных помещений. .

Способ обнаружения резонансных колебаний лопаток ротора турбомашины // 2411466

Изобретение относится к авиадвигателестроению и может быть использовано при диагностике колебаний вращающихся лопаток ротора турбомашин. .

Устройство для исследования колебательных явлений и способ его применения // 2380662

Способ измерения резонансных частот // 2377509

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества микромеханических элементов. .

Способ определения резонансной частоты и декремента затухания колебаний // 2364844

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для контроля механических параметров строительных конструкций и настройки низкочастотных резонансных контуров.

Способ и устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера // 2313141

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения частоты колебаний мультикантилевера. .

Способ определения резонансной частоты, добротности и амплитуды стационарных резонансных колебаний // 2285247

Изобретение относится к измерительной технике. .

Способ измерения резонансной частоты // 2536833

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для высокоточного определения резонансной частоты с использованием цифровых методов обработки сигналов, а также определения величин, которые функционально связаны с резонансной частотой резонаторов, входящих в состав радиочастотных датчиков и применяемых в различных областях техники и научных исследованиях. Способ измерения резонансной частоты основан на последовательном возбуждении в резонаторе колебаний различных частот из заданного набора и фиксирования этих частот и соответствующих им значений амплитуды выходного сигнала резонатора. При этом для каждой из частот возбуждения фиксируют амплитуду выходного сигнала после затухания переходного процесса в резонаторе, аппроксимируют полученную дискретную зависимость амплитуды от частоты непрерывной функцией и резонансную частоту резонатора определяют по максимуму этой функции. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения, обусловленной дискретностью частот возбуждения резонатора и влиянием переходных процессов в этом резонаторе, а также наличием шумов в выходном сигнале резонатора. 4 ил.

Способ измерения добротности резонансного контура и устройство для его реализации // 2564699

Изобретение относится к измерительной технике. Способ измерения добротности резонансного контура заключается в возбуждении колебаний за счет положительной обратной связи в контуре, стабилизации этих колебаний за счет введения отрицательной обратной связи по их амплитуде с помощью схемы автоматического регулирования усиления с источником опорного сигнала. Добротность Q определяют по формуле Q=KUA/Uoc, где UA - величина задаваемого напряжения опорного сигнала, а К - постоянная величина. Устройство содержит цепь положительной обратной связи, выполненную в виде последовательно включенных усилителя и устройства сдвига фазы, цепь отрицательной обратной связи, содержащую источник опорного сигнала и последовательно включенные детектор, дифференциальный усилитель и умножитель. Источник опорного сигнала соединен со входом дифференциального усилителя, второй вход умножителя соединен с выходом устройства сдвига фазы, вход детектора соединен с выходом устройства сдвига фазы. Устройство также содержит вычислительный блок, реализующий функцию K/Vвх, где Vвх - величина входного сигнала вычислительного блока. При этом вход вычислительного блока соединен с выходом дифференциального усилителя. Технический результат - повышение точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Способ индикации резонансных частот // 2582902

Изобретение относится к области измерительной техники. Заявленный способ индикации резонансных частот включает следующие этапы: закрепляют объект контроля на подвижной части вибростенда, которая приводится в колебательное движение с переменной частотой, и направляют на него излучение от источника света, причем на объект контроля направляют излучение от трех источников света: красного, синего и зеленого, с образованием при их смешении белого света, которым освещается объект контроля, при этом один источник света, например зеленый, подключают к источнику постоянного тока, а на остальные источники света подают стробирующие импульсы, затем, изменяя частоту вибрации подвижной части вибростенда, визуально фиксируют момент резонанса по появлению на объекте контроля разноцветных полос. Техническим результатом является повышение точности определения резонансных частот конструкции. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ измерения резонансной частоты стенда, имитирующего инерционную нагрузку и упругость узлов крепления привода в изделии // 2589775

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для измерения резонансной частоты колебаний конструкции испытательных стендов, имитирующих инерционность объекта управления и упругость крепления привода в изделии и предназначенных для контроля динамических характеристик системы привод-объект управления. Предложенный способ заключается в следующем. В качестве вибровозбудителя используют испытуемый привод. Привод устанавливают в стенд, на вход привода подают гармонический управляющий сигнал и определяют фазовый сдвиг колебаний инерционной нагрузки в системе координат неподвижного основания стенда относительно колебаний выходного звена привода в системе координат корпуса привода, изменяют частоту управляющего сигнала, при этом резонансную частоту стенда определяют как частоту управляющего сигнала, при которой фазовый сдвиг колебаний инерционной нагрузки относительно колебаний штока привода равен 90°. Резонансная частота также стенда может быть определена согласно выражению ωр=1/Т, где Т - постоянная времени, полученная путем аппроксимации значений фазового сдвига колебаний инерционной нагрузки относительно колебаний выходного звена привода при разных частотах управляющего сигнала фазовой частотной функцией колебательного звена второго порядка. Технический результат заключается в исключении применения специального оборудования при измерении резонансной частоты колебаний конструкции испытательных стендов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Система детектирования вибрации в термокармане // 2640897

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах контроля технологических процессов. Система датчиков содержит технологический измерительный преобразователь, вибродатчик без внешнего питания и технологический трансмиттер. Технологический измерительный преобразователь расположен внутри термокармана и выполнен с возможностью выработки первого сигнала датчика. Вибродатчик без внешнего питания выполнен с возможностью выработки второго сигнала датчика, отражающего вибрацию термокармана. Технологический трансмиттер выполнен с возможностью приема, обработки и передачи первого и второго сигналов датчиков. Технический результат – повышение эффективности контроля технологического процесса за счет исключения повреждения термокармана, в котором установлен технологический измерительный преобразователь. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ определения собственных частот колебаний механической системы с помощью вращающегося маятника // 2647513

Изобретение относится к метрологии, в частности к способу определения собственных частот колебаний механической системы. Способ определения собственных частот колебаний механической системы, заключающийся в том, что на исследуемую конструкцию закрепляется электродвигатель, на валу которого с помощью подшипника качения устанавливается с возможностью свободного вращения маятник с изменяемым моментом инерции его массы, и при вращении вала электродвигателя маятник за счет трения в опоре в зависимости от его моментов инерции начинает вращаться с разными угловыми скоростями (частотами) вращения и эти частоты вращения, которые измеряются оптическим тахометром, определяют собственные (резонансные) круговые частоты колебаний механической системы (конструкции). Собственные круговые частоты колебаний механической конструкции определяют по наступлению события, при котором угловая скорость вращения маятника отличается от угловой скорости вращения вала ротора электродвигателя, а затем, изменяя момент инерции массы маятника как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения путем навешивания или снятия грузиков со стержня маятника, определяют остальные круговые собственные частоты колебаний конструкции. Технический результат - возможность измерения собственных (резонансных) частот колебаний механических систем. 2 ил.

Скважинный кварцевый датчик с минимальным применением электроники // 2648390

Система и способ контроля давления, температуры и/или вибрации при неблагоприятных окружающих условиях, не требующие применения активных электронных устройств или контура генератора в таких условиях. В предлагаемой системе и способе предусматривается получение информации от резонансного датчика (41) давления и резонансного или пассивного датчика (43) температуры, соединенных с линией (15/17) передачи и расположенных на глубине по меньшей мере 100 футов (30,48 м) от установленного на поверхности анализатора (23) цепи. В системе и способе для определения давления, температуры и/или вибрации используются частоты отраженных сигналов от датчиков. Если датчики объединены в одну схему линией (15/17) передачи или сетевым фильтром, отраженная часть энергии может содержать отраженную энергию передачи. Подаваемый сигнал и отраженная часть проходят по линии (15/17) передачи, импеданс которой, предпочтительно, соответствует импедансу системы. При использовании многожильного кабеля компенсация влияния длины и температуры кабеля в условиях эксплуатации осуществляется посредством тарировки. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 11 ил.