Бусурин Владимир Игоревич – доктор технических наук (1993), профессор (1995), профессор кафедры систем автоматического и интеллектуального управления
Волоколамское шоссе, д. 4, Москва, 125993
Vladimir I. Busurin, Dr Sci. (Eng.) (1993), Professor (1995), Professor of the Department of Automatic and Intelligent Control Systems
4, Volokolamskoe highway, Moscow 125993
Коробков Кирилл Андреевич – кандидат технических наук (2022), доцент кафедры систем автоматического и интеллектуального управления
Волоколамское шоссе, д. 4, Москва, 125993
Kirill A. Korobkov, Cand. Sci. (Eng.) (2022), Associate Professor of the Department of Automatic and Intelligent Control Systems
4, Volokolamskoe highway, Moscow 125993
Зо Лвин Хту – магистр по направлению "Управление в технических системах" (2020, Московский авиационный институт), аспирант кафедры систем автоматического и интеллектуального управления
Волоколамское шоссе, д. 4, Москва, 125993
Zaw Lwin Htoo – Master in Control in Technical Systems (2020, Moscow Aviation Institute (National Research University)); Postgraduate of the Department of Automatic and Intelligent Control Systems
4, Volokolamskoe highway, Moscow 125993
Введение. Современные мобильные объекты управления требуют применения высокочувствительных преобразователей параметров движения, например ускорения, с широким диапазоном измерений. Повысить чувствительность к измеряемым параметрам можно используя прецизионные оптические средства, например на основе туннельного эффекта. Однако рабочие диапазоны индуцированных перемещений составляют менее микрометра, что создает трудности позиционирования чувствительного элемента. Для повышения технологичности, расширения диапазона измерений и уменьшения погрешностей преобразователей ускорения с оптическим туннелированием можно использовать компенсационные схемы с активным чувствительным элементом – пьезоэлектрическим актюатором.
Цель работы. Расширение диапазона измерений микроэлектромеханического преобразователя ускорения с помощью комплексного подхода, включающего введение контура компенсации перемещений чувствительного элемента на основе обратного пьезоэлектрического эффекта и детектирование этих перемещений оптическими средствами.
Материалы и методы. Предложен способ компенсации перемещений чувствительного элемента, заключающийся в использовании биморфной пьезоэлектрической пластины в качестве инерционного элемента. Рассмотрено применение оптического считывания субмикрометровых перемещений чувствительного элемента.
Результаты. Разработаны структурная и функциональная схемы компенсационного микрооптоэлектромеханического преобразователя ускорения с биморфным пьезоэлектрическим чувствительным элементом. Исследованы деформации чувствительного элемента под действием ускорений (до 100 м/c2) и компенсационных напряжений, амплитуда которых не превышает единиц вольт, для обеспечения возможности использования оптического туннельного эффекта в предлагаемом преобразователе.
Заключение. Разработана и исследована математическая модель преобразователя, достигнуто увеличение диапазона измерения в 2.5 раза. Показано, что введение компенсирующей обратной связи не сужает разрешенный частотный диапазон измеряемых ускорений.
Introduction. Modern mobile control objects require the use of highly sensitive transducers of motion parameters, e.g., acceleration, with a wide measurement range. Increased sensitivity to measured parameters can be achieved by using precision optics, e.g., based on the tunneling effect. However, operating ranges of induced movements are less than a micrometer, which creates difficulties in positioning the sensing element. In order to improve manufacturability, to extend the measurement range and to reduce errors of acceleration transducers with optical tunneling, compensation circuits with a piezoelectric actuator as an active sensor can be used.
Aim. To extend the measurement range of microelectromechanical acceleration transducers through the use of an integrated approach, including the introduction of a compensation circuit for sensor movements based on the inverse piezoelectric effect and detection of these movements by optical means.
Materials and methods. An approach to compensating sensor movements is proposed. This approach consists in using a bimorph piezoelectric plate as an inertial element. The use of optical reading of sensor sub-micrometer displacements is considered.
Results. A block scheme and a functional scheme of a compensator micro-opto-electromechanical acceleration transducer with a bimorph piezoelectric sensing element are developed. Deformations in the sensing element under the influence of accelerations (up to 100 m/s2) and compensation voltages, whose amplitude does not exceed several volts, are investigated to ensure the possibility of using the optical tunneling effect in the proposed transducer.
Conclusion. A mathematical model of the transducer was developed and studied. A 2.5-fold increase in the measurement range was achieved. It was shown that the introduction of compensation feedback does not decrease the permissible frequency range of measured accelerations.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.