Точность и стабильность инерциальных датчиков KTP

В условиях временного дефицита отечественных инерциальных датчиков потребители проявляют вполне обоснованную настороженность при выборе замен, особенно при рассмотрении новых брендов или иностранных производителей с корнями в Юго-Восточной Азии. Переход на иную компонентную базу, в первую очередь, связан с необходимостью адаптации схемотехники и ПО, поскольку не всегда удаётся замена Pin-to-Pin или Drop-In. Другой препятствующий фактор – это предубеждение по отношению к «восточным» товарам, перенесённое с продукции лёгкой промышленности и «ширпотреба». Свою роль сыграл и ранний негативный опыт применения ЭКБ «Made in China», ориентированной на бытовую электронику низшего ценового диапазона.

Таким образом, новому бренду на рынке требуется преодолеть предубеждение и завоевать доверие, подтвердив фактическое соответствие характеристик продукции тем параметрам, которые заявлены в ТУ, и показать повторяемость этих характеристик от партии к партии.

Эффективным способом преодоления недоверия является организация сравнительных испытаний, когда потребитель вместе с образцами продукции получает протокол и методику приёмочных испытаний от производителя. Результатом «доказательной эксплуатации» являются объективные основания для принятия решения об уровне техники ЭКБ, предлагаемой к внедрению. Дополнительными факторами формирования непредвзятого отношения к новому бренду становятся «истории успеха» – публично доступные данные об использовании компонентов в проектах и изделиях других потребителей, а также возможность получения расширенной статистики за счёт анализа характеристик компонентов из других производственных партий, которые значительно разнесены по дате выпуска.

Опыт показывает, что методики испытаний инерциальных датчиков, принятые у зарубежного производителя, далеко не всегда полностью совпадают с режимами и циклограммами эксплуатации у потребителя в РФ.  То же касается и терминологии, описывающей ключевые параметры компонентов. Объём и состав предоставляемой зарубежным производителем документации, обычно это Datasheet (краткие ТУ) и User Manual (руководство пользователя), также не всегда отвечают ожиданиям потребителя. Эти документы зачастую содержат долю рекламы и «мелкого шрифта»: информации, требующей уточнения. В такой ситуации важно иметь прямой контакт со службой технической поддержки производителя или его официального представителя в РФ для получения консультаций, разъяснений, технического сопровождения, адаптации к условиям эксплуатации или даже заказа специальных версий стандартных изделий.

В качестве демонстрации читателю предлагается оценить информацию, доступную для первичного анализа при выборе зарубежных инерциальных датчиков, на реальных примерах.

В нашем распоряжении имеется репрезентативная выборка: набор верифицированных данных для двух типов инерциальных датчиков, поставляемых в РФ под брендом KTP. 

Это протоколы заводских приёмочных испытаний одноосных МЭМС гироскопов H111-300, 4 партии 2023 года выпуска, от 3 до 80 шт. в партии, всего 150 шт.

Второй блок информации – протоколы приёмочных испытаний 6-компонентных инерциальных МЭМС модулей M301 (3 гироскопа + 3 акселерометра), 5 партий 2023 года выпуска, от 13 до 34 шт. в партии, всего 100 шт.

Отправной точкой для анализа являются краткие ТУ и методика испытаний, полученная от производителя для части параметров. В упомянутых выше протоколах содержатся не все данные из кратких ТУ, а только те, которые производитель считает необходимым контролировать. Остальные параметры обеспечиваются технологией и подтверждаются периодическими испытаниями, так называемой «квалификацией производства», или же обеспечиваются на этапе заводской калибровки в диапазоне рабочих температур. По запросу потребитель имеет возможность получать расширенный отчёт – Test Report – о результатах, полученных в ходе производства или дополнительного тестирования. 

Анализ фактических показателей высокостабильных одноосных МЭМС гироскопов H111-300 в прочном корпусе 

В кратких ТУ на гироскоп H111-30 (рис. 1) нормируются величины 7 параметров точности и стабильности (табл. 1). Мы ограничимся анализом только части из них.

Смещение нуля 

При заданном диапазоне –0,5…0,5°/с фактические значения параметра не выходят за пределы –0,094…0,096°/с, а бо́льшая часть измеренных значений находится в диапазоне –0,01…0,01°/с (рис. 2).

Кратковременная стабильность смещения (нулевого сигнала)

Как видно из рис. 3, ни в одном из исследованных гироскопов параметр не превысил значения 10°/ч в интервале 1σ, а лучший показатель нулевого сигнала составил 3,6°/ч (1σ).

Случайный угловой уход, или блуждание угла

Среди полученных измерений нет ни одного, которое достигало бы или превышало бы верхний порог в 0,2°/√ч, при этом максимальное количество отсчётов сосредоточено у нижней границы выборки в 0,15°/√ч (рис. 4).

Масштабный коэффициент (МК)

Значения измеренного МК формируют плотную группу вблизи номинального значения (рис. 5). Фактическое значение для рассмотренной выборки составляет округленно 10 004±50 LSB/(°/с) при номинально допустимом 10 000±500 LSB/(°/с).

Погрешность масштабного коэффициента (МК), нелинейность передаточной характеристики

В выборке из 150 гироскопов только один прибор продемонстрировал номинальное значение погрешности МК в 0,1%. Остальные значения расположены в диапазоне 0,01…0,079 %, формируя несколько групп вблизи отметок 0,033%, 0,039% и 0,053% (рис. 6).

Анализ фактических показателей инерциальных МЭМС модулей M301

Каждый модуль линейки M301 содержит 3 гироскопа и 3 акселерометра (рис. 7). В кратких ТУ нормируются величины 9 параметров гироскопов и 8 параметров акселерометров, а также общие для модуля характеристики (табл. 2). В рамках настоящей журнальной статьи рассмотрим только часть параметров, вносимых производителем в протокол заводских испытаний.

Параметры гироскопов в составе модуля M301

Дрейф нуля, или смещение нулевого сигнала гироскопа в пределах рабочего температурного диапазона 

Согласно кратким ТУ на модуль, дрейф не должен выходить за пределы ±100°/ч. Среди 300 чувствительных элементов (100 модулей, каждый имеет 3 оси) размах измеренных значений составил –54,6…88,7°/ч, что соответствует требованиям (рис. 8). 

Стабильность нуля гироскопа

Результаты расчётов значения стабильности нуля представлены в виде значений доверительных интервалов 1σ, показания датчиков усреднялись за периоды в 10 секунд.  При предельно допустимом значении 8°/ч худшее полученное значение составило 6,1°/ч, а лучшее – 1,3°/ч (рис. 9). 

Повторяемость смещения нуля гироскопа

Расчёт параметра производится на основе средних значений 6 последовательных измерений с паузой 30 минут между записью данных. Ранжирование результатов произведено для значений 1σ. Приблизительно 70% гироскопов показали результат, не превышающий 1°/ч, при максимальном значении по всей выборке 3,3°/ч. Таким образом, заданный лимит в 5°/ч не превышен (рис. 10).

Погрешность масштабного коэффициента (МК) или нелинейность передаточной характеристики гироскопа

Документация производителя ограничивает погрешность МК значением 20 ppm или 0,002%. Фактические значения для рассмотренной партии составили 6,8…19,8 ppm, т.е. находятся в допустимых пределах (рис. 11).

Чувствительность гироскопа к линейному ускорению

Методика измерения влияния линейной составляющей на показания гироскопа достаточно трудозатратна, так как требует измерения показаний на протяжении 15 с для каждой оси в прямом и обратном вращении. Полученные данные говорят о том, что только приблизительно десятая часть значений группируется у верхнего предела 0,005°/с/g, не пересекая его, а подавляющая часть показаний находится в диапазоне 0,002…0,003°/с/g (рис. 12).

Параметры акселерометров в составе модуля M301

Дрейф нуля, или смещение нулевого сигнала акселерометра в пределах рабочего температурного диапазона

Зарегистрированное значение дрейфа в выборке из 300 акселерометров в составе модулей находится в диапазоне –0,55…0,70 mg. Это почти вдвое лучший результат, чем того требуют краткие ТУ: ±2 mg (рис. 13).

Стабильность нуля акселерометра 

Методика определения параметра стабильности нуля акселерометра сходна с методикой для гироскопов в составе тех же модулей. Наибольшее значение составило 0,17 mg (1σ), оно не превышает предельно допустимого 0,2 mg (1σ) (рис. 14).

Повторяемость смещения нуля акселерометра

Регистрация и расчёт данных производились способом, аналогичным тому, что применялся для гироскопов в составе модуля: усреднение по 6 измерениям с перерывом 30 минут между сеансами записи, сортировка по 1σ. Акселерометры по осям X и Z продемонстрировали исключительную стабильность, акселерометры по оси Y удельно показали несколько большее смещение, но в любом случае этот показатель (0,05 mg, 1σ) вчетверо ниже, чем допускаемый производителем:  0,2 mg (1σ) (рис. 15).

Погрешность масштабного коэффициента (МК), нелинейность передаточной характеристики акселерометра

Вычислены значения погрешности МК для приложенного к испытуемой оси линейного ускорения в прямой и обратной проекциях по данным, полученным от 300 акселерометров из состава модулей. Результаты преимущественно лежат в диапазоне от 10 до 40 ppm и не превосходят 89,7 ppm при максимально допустимом значении 100 ppm (рис. 16).

Неортогональность измерительных осей чувствительных элементов модуля

Этот параметр определяется преимущественно конструкцией, материалами и технологией сборки модуля. Неортогональность компонентов кластера гироскопов и кластера акселерометров проверяются по единой методике с усреднением показаний за 15 с для каждого чувствительного элемента. Предельное значение параметра одинаково для датчиков угловой скорости и линейного ускорения: не более 10 угловых минут.  Фактические показатели не превысили 6,1′ для сборок гироскопов и 8,5′ для сборок акселерометров (рис. 17).

Как можно видеть из приведённой статистики, вся продукция укладывается в заявленные допуски либо демонстрирует существенно лучшие показатели точности и стабильности.

Анализ приведённых выше данных не даёт исчерпывающей информации о реальных возможностях и надёжности планируемых к применению датчиков. Следующим этапом, как правило, является тестирование инженерных образцов или пробной партии в условиях, имитирующих реальные режимы работы.

Следует отметить, что однотипная продукция поставляется в РФ на протяжении нескольких лет, демонстрируя при этом достаточно низкий уровень дефектности на этапе эксплуатации в аппаратуре потребителя: не более 1…2% для различных моделей датчиков или блоков датчиков. 

© СТА-ПРЕСС, 2024