gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.0085gyroscopy-123Research ArticleСтатьиМоделирование влияния термодеформации кварцевого чувствительного элемента на нулевой сигнал акселерометра типа Q-flexSimulating the Effect of Quartz Sensor Thermal Deformation on Q-Flex Accelerometer Zero ShiftБарбинЕ. С.BarbinE. S.Барбин Евгений Сергеевич. Кандидат технических наук, старший научный сотрудник;Томск

Tomsk

КозловД. В.KozlovD. V.Козлов Дмитрий Владимирович. Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудникМосква

Moscow

КоноваловС. Ф.KonovalovS. F.Коновалов Сергей Феодосьевич. Доктор технических наук, профессор. Действительный член международной общественной организации «Академия навигации и управления движением».МоскваПономарёвЮ. А.PonomarevYu. A.Пономарёв Юрий Анатольевич. Кандидат технических наук, доцент. Член секции молодых ученых международной общественной организации «Академия навигации и управления движением».ХарламовМ. С.KharlamovM. S.

Харламов Максим Сергеевич. Инженер-исследователь

 

Томский университет систем управления и радиоэлектроники; Институт оптики атмосферы им. В.К. Зуева Сибирского отделения Российской академии наукРоссияTomsk State University of Control Systems and Radioelectronics; Zuev Institute of Atmospheric Optics of Russian Academy of SciencesRussian FederationАО «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (АО «Российские космические системы»)РоссияRussian Space SystemsRussian FederationМосковский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationАО «Российские космические системы»РоссияRussian Space SystemsRussian Federation2022200520253016172Copyright © Барбин Е.С., Козлов Д.В., Коновалов С.Ф., Пономарёв Ю.А., Харламов М.С., 20252025Барбин Е.С., Козлов Д.В., Коновалов С.Ф., Пономарёв Ю.А., Харламов М.С.Barbin E.S., Kozlov D.V., Konovalov S.F., Ponomarev Y.A., Kharlamov M.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/123

В работе с использованием моделирования исследована термодеформация кварцевого чувствительного элемента (ЧЭ) акселерометра Q-flex с различными технологическими отклонениями геометрии упругих перемычек с токоподводами в эксплуатационном диапазоне температур. Показано, что наибольший изгибающий момент в ЧЭ возникает при разнотолщинности и разноширинности токоподводов с лицевой и обратной сторон упругой перемычки. Разработан метод моделирования статических термоиспытаний с возможностью оценки изменения нулевого сигнала акселерометра с учетом несовершенств геометрии упругих перемычек ЧЭ. Выявлено, что температурный гистерезис и невозврат нулевого сигнала акселерометра связан с пластическими деформациями токоподводов вблизи предельных температурных нагрузок. Создана модификация ЧЭ со свободновисящими токоподводами, позволяющая, согласно результатам моделирования, достичь существенно меньших значений температурного коэффициента, гистерезиса и невозврата нулевого сигнала.

In the paper, simulation is used to study the thermal deformation of Q-flex accelerometer quartz sensitive element (SE) with technological geometrical deviations of elastic beams with conductors within the operation temperature range. It has been shown that the largest bending moment in the SE appears when conductors from the front and back sides of elastic beam have different thickness and width. A method for static thermal tests simulation has been developed, which allows estimation of accelerometer zero shift with account for the geometrical imperfections of SE elastic beams. It has been revealed that the thermal hysteresis and non-repeatability of accelerometer zero shift are due to the plastic strain of conductors under near-boundary temperature loads. A SE modification with loose conductors has been developed, which, according to the simulation results, improves the thermal coefficient, hysteresis, and repeatability of zero shift. 

акселерометр Q-flexтемпературная нестабильностьтермодеформацияQ-flex accelerometerthermal instabilitythermal deformationReferencesPat. US3702073 (A), G01P15/13, Accelerometer / Earl D. Jacobs; Sundstrand Data Control Inc. 07.11.1972, p. 8/Pat. US3702073 (A), G01P15/13, Accelerometer / Earl D. Jacobs; Sundstrand Data Control Inc. 07.11.1972, p. 8/Jing-Min Gao et al., Temperature characteristics and error compensation for quartz flexible accelerometer, International Journal of Automation and Computing, 2015, 12(5), 540–550, doi: 10.1007/s11633015-0899-5.Jing-Min Gao et al., Temperature characteristics and error compensation for quartz flexible accelerometer, International Journal of Automation and Computing, 2015, 12(5), 540–550, doi: 10.1007/s11633015-0899-5.Минкин А.М. Технологические основы формообразования чувствительного элемента из кварцевого стекла методом химического травления через текстурированное молибденовое покрытие: дис. … канд. техн. наук: Пермский национальный исследовательский политехнический университет. Пермь, 2020. 116 с.Минкин А.М. Технологические основы формообразования чувствительного элемента из кварцевого стекла методом химического травления через текстурированное молибденовое покрытие: дис. … канд. техн. наук: Пермский национальный исследовательский политехнический университет. Пермь, 2020. 116 с.Weibin Yang et al., A temperature compensation model for low cost quartz accelerometer and its application in tilt sensing, Mathematical problems and engineering, volume 2016, article ID 2950376, 10 p., http://dx.doi.org/10.1155/2016/2950376.Weibin Yang et al., A temperature compensation model for low cost quartz accelerometer and its application in tilt sensing, Mathematical problems and engineering, volume 2016, article ID 2950376, 10 p., http://dx.doi.org/10.1155/2016/2950376.Birleanu, C. et al., Temperature effect on the mechanical properties of gold nano films with different thickness, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2016, 147, 012021, doi:10.1088/1757899X/147/1/012021.Birleanu, C. et al., Temperature effect on the mechanical properties of gold nano films with different thickness, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2016, 147, 012021, doi:10.1088/1757899X/147/1/012021.Hodge, Th.C. et al., Stress in thin film metallization, IEEE transactions on components, packaging and manufacturing technology – part A, 1997, vol. 20, no. 2, pp. 241–250.Hodge, Th.C. et al., Stress in thin film metallization, IEEE transactions on components, packaging and manufacturing technology – part A, 1997, vol. 20, no. 2, pp. 241–250.Nastaran Ghazi Esfahani. Investigation of plastic strain recovery and creep in thin film nanocrystalline metals, Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Graduate School of Arts and Sciences Columbia university, 2014, 119 p.Nastaran Ghazi Esfahani. Investigation of plastic strain recovery and creep in thin film nanocrystalline metals, Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Graduate School of Arts and Sciences Columbia university, 2014, 119 p.Chang-Wook Beak et al., Mechanical characterization of gold thin films based on strip bending and nanoindentation test for MEMS/NEMS application, Sensors and Materials, 2005, vol. 17, no. 5, pp. 277– 288.Chang-Wook Beak et al., Mechanical characterization of gold thin films based on strip bending and nanoindentation test for MEMS/NEMS application, Sensors and Materials, 2005, vol. 17, no. 5, pp. 277– 288.Pamato, M.G. et al., The thermal expansion of gold: point defect concentrations and pre-melting in face-centered cubic metal, J. Appl. Cryst., 2018, 51, 470–480, doi: 10.1107/S1600576718002248.Pamato, M.G. et al., The thermal expansion of gold: point defect concentrations and pre-melting in face-centered cubic metal, J. Appl. Cryst., 2018, 51, 470–480, doi: 10.1107/S1600576718002248.Schmelzer, J.W.P., Glass: selected properties and crystallization, Berlin, 2014. 588 p.Schmelzer, J.W.P., Glass: selected properties and crystallization, Berlin, 2014. 588 p.Денисов С.Ю., Акилин В.И. Технологические методы повышения точностных характеристик кварцевых акселерометров // Навигация и управление летательными аппаратами. 2016. №15. С. 17–31.Денисов С.Ю., Акилин В.И. Технологические методы повышения точностных характеристик кварцевых акселерометров // Навигация и управление летательными аппаратами. 2016. №15. С. 17–31.Pat. US4400979 (A), G01L1/00; G01L1/14; G01L1/26; G01P15/13, Force transducer flexure with conductors on surfaces in the neutral bending plane / Hanson Richard A., Atherton Kim W.; Sundstrand Data Control Inc. 30.08.1983, p. 8.Pat. US4400979 (A), G01L1/00; G01L1/14; G01L1/26; G01P15/13, Force transducer flexure with conductors on surfaces in the neutral bending plane / Hanson Richard A., Atherton Kim W.; Sundstrand Data Control Inc. 30.08.1983, p. 8.Пат. RU2731652 (C1), G01P15/135. Маятниковый компенсационный акселерометр / С.Ф. Коновалов, Д.В. Майоров, Ю.А. Пономарёв, В.Е. Чулков, А.Е. Семёнов, М.С. Харламов; Коновалов С.Ф. № RU20190107343; заявл. 15.03.2019; опубл. 07.09.2020, Бюл № 25. 27 с.Пат. RU2731652 (C1), G01P15/135. Маятниковый компенсационный акселерометр / С.Ф. Коновалов, Д.В. Майоров, Ю.А. Пономарёв, В.Е. Чулков, А.Е. Семёнов, М.С. Харламов; Коновалов С.Ф. № RU20190107343; заявл. 15.03.2019; опубл. 07.09.2020, Бюл № 25. 27 с.Коновалов С.Ф., Майоров Д.В., Семёнов А.Е., Пономарёв Ю.А., Чулков В.Е., Малыхин А.А., Харламов М.С., Малыхин Д.А. Температурный дрейф и нестабильность нулевого сигнала маятниковых компенсационных Q-flex акселерометров // XXVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2020. С. 237–243.Коновалов С.Ф., Майоров Д.В., Семёнов А.Е., Пономарёв Ю.А., Чулков В.Е., Малыхин А.А., Харламов М.С., Малыхин Д.А. Температурный дрейф и нестабильность нулевого сигнала маятниковых компенсационных Q-flex акселерометров // XXVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2020. С. 237–243.Бом С. Дж. Оптимизация параметров и моделирование рабочих режимов в компенсационных акселерометрах типа Q-flex и Si-flex: дис. … канд. техн. наук. Москва, 2012. 239 с.Бом С. Дж. Оптимизация параметров и моделирование рабочих режимов в компенсационных акселерометрах типа Q-flex и Si-flex: дис. … канд. техн. наук. Москва, 2012. 239 с.Лучкин А.Г. Температурный режим нанесения тонкопленочных покрытий на полимеры методом магнетронного распыления // Вестник Казанского технологического университета. 2011. №16. С. 121–125.Лучкин А.Г. Температурный режим нанесения тонкопленочных покрытий на полимеры методом магнетронного распыления // Вестник Казанского технологического университета. 2011. №16. С. 121–125.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.