Введение

Моделирование процесса нанесения оксидного покрытия и контроль параметров микроплазменного процесса с помощью средств измерений позволяет управлять технологическим процессом получения оксидных, композиционных оксидно-полимерных, и оксидно-металлических покрытий на алюминии, титане и их сплавах различного состава (оксиды меди, кобальта, хрома, никеля, циркония, и др.) [1].

Одним из видов компьютерного моделирования является имитационное моделирование. Имитационное моделирование есть процесс конструирования модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить (в рамках ограничений, накладываемых некоторым критерием или

совокупностью критериев) различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы.

Для имитационного моделирования структурно-функциональную модель дополняют параметрами, данными, описывающие детали функционирования процесса. Таким образом, полученную модель можно рассматривать как алгоритм функционирования объекта, реализованный в виде программного комплекса для компьютера [2].

Измерение параметров сильноточных импульсных процессов в растворах электролитов

Для проведения электрохимических измерений использовалась трехэлектродная электрохимическая ячейка. В этом случае эквивалентная схема измерения представле-

на на рисунке 1, где Rр, Rв - сопротивления стадий разряда на рабочем и вспомогательном электродах, Ср и Св - емкости рабочего и вспомогательного электродов, Rо - сопротивление раствора электролита, Rэc Cэc - сопротивление и емкость электрода сравнения (платинового электрода).

Для моделирования использовались данные тока и напряжений измеренные на экспериментальной установке [3], в различные моменты времени: напряжение подаваемое с источника питания, поляризационное напряжение (между электродом сравнения и рабочим электродом), ток в цепи.

Если рассматривать изменение процесса во времени, то с увеличением времени оксидирования покрытие увеличивается, т.е. сопротивление возрастает, что приводит к увеличению напряжения и к уменьшению тока.

Рис. 1. Эквивалентная схема прохождения электрического тока через трехэлектродную электрохимическую ячейку

Компьютерное моделирование микроплазменных процессов

Моделирование проводилось в среде MATLAB с помощью приложения Simulink.

За основу для моделирования взята упрощенная эквивалентная схема микроплазменной системы, представленная на рисунке

2 [4].

Рис. 2. Эквивалентная схема микроплазменной системы: Cэ – ёмкостная составляющая сопротивления электрода, Rэ – активное сопротивление электрода, Rр – сопротивление раствора

Рис. 4. Импульс напряжения:

1– полученный экспериментально,

2– полученный с помощью модели

Рис. 5. Импульс тока: 1 – полученный экспериментально, 2 – полученный с помощью модели

Вывод

Полученные результаты дают начальное приближение к характеристикам модели микроплазменной системы. Так с помощью имитационной модели получены приблизительные значения элементов системы: R1 =9,5 Om , R2=22,5 Om , C = 0,8 мкФ.

Разработка моделей описывающих поведение электрохимической системы, позволит создавать источники питания для установок микродугового оксидирования, плазменной обработки в электролитах, а так же определять параметры электрохимических систем.

Благодарности

Данная работа проводилась в рамках выполнения аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)” РНП 2.1.2.5253. Автор выражает благодарность своему научному руководителю Борикову В.Н. и профессору Мамаеву А.И. за обсуждение работы и замечания.

ЛИТЕРАТУРА:

1 Бориков В. Н., Дорофеева Т. И., Мамаев А. И., Мамаева В. А.. Компьютерная система измерения электрических параметров микроплазменных процессов в растворах анодирования // Защита металлов - 2003 - №1. - С. 23 - 26

2.Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование сис-

тем. – СПб.: Питер, 2002. – 448 с.

3.Мамаев А.И., Мамаева В.А., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И., Бутягин П.И. Способ определения электрических параметров сильнотоковых импульсных процессов в растворах электролитов и компьютерная система измерений. Патент на изобретение №2284517 Бюллетень описаний изобретений, 2006, - № 27

4.Мамаев А. И. Сильнотоковые процессы

врастворах электролитов / А.И. Мамаев, В.А. Мамаева. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 2005. – 255с.

Значение расходомеров и счетчиков количества (массы и объема) жидкости, газа и пара в современном индустриальном обществе исключительно велико. Их роль очень возросла в связи с необходимостью максимальной экономии энергетических и водных

ресурсов страны, которые все более и более дорожают.

Без расходомеров нельзя обеспечить управление, и тем более оптимизацию технологических режимов в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой, целлюлозно-

Микромеханические гироскопы (ММГ) представляют собой миниатюрные устройства для измерения угловой скорости широкого круга подвижных объектов (навигационное оборудование, автомобильная промышленность, военная техника, бытовая электроника, робототехника и интеллектуальные системы).

Эти приборы характеризуются малыми массой и габаритами, низкой себестоимостью и энергопотреблением и вместе с тем высокой надежностью и достаточной точностью.

В данной работе рассмотрен процесс разработки двухкомпонентного ММГ. Схема этого ММГ (рис. 1) состоит из инерционной массы m, закрепленной во внутренней раме с массой mp с помощью упругих элементов с жесткостью k1. Эта рама, в свою очередь, упруго закреплена в наружной раме (основание) с помощью упругих элементов жесткостью k2. Пьезоэлектрический вибропривод (на рис.1 не показан) возбуждает поступательные гармонические колебания гироскопа вдоль оси z.

При повороте основания вокруг оси x (первой оси чувствительности прибора) с угловой скоростью Ωx, возникает Кориолисова сила, которая возбуждает колебания инерционной массы относительно внутренней рамы. Амплитуда этих колебаний является мерой угловой скорости Ωx, а фаза говорит о направлении скорости.

При вращении основания вокруг оси y (второй оси чувствительности прибора) с угловой скоростью Ωy возникает Кориолисова сила, которая в свою очередь, возбуждает колебания внутренней рамки вместе с инерционной массой относительно наружной рамки. Амплитуда этих колебании является мерой угловой скорости Ωy вращения основания. Измеряются выходные колебания электростатическими датчиками (рис.2).

Рис.1 Гироскоп с двухосным упругим подвесом

Необходимую величину амплитуды вынужденных колебаний чувствительных масс и приемлемую точность измерения параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции, можно обеспечить лишь при низком уровне шумов, порождаемых электронными элементами и диссипацией энергии в упругих элементах осциллятора. Эта задача решается путем использования в качестве материала осциллятора монокристаллического кремния, обеспечивающего высокую добротность осциллятора. Одновременно это позволяет применить при изготовлении прибора весь арсенал технологических средств, которыми располагает современная микроэлектроника.

Для обеспечения высокой добротности частоты первичных и вторичных колебаний должны совпадать.

Исследование динамики, определение собственных частот и форм колебаний, исследование вынужденных колебаний и процессов их установления, изучение погрешностей прибора проводились на основе моделей с сосредоточенными и распределенными параметрами. В первом случае использовались аналитические методы, во втором – метод конечных элементов, реализуемый с использованием программы T-Flex CAD 3 анализ.

Математическая модель системы с сосредоточенными параметрами определяется

системой уравнений Лагранжа второго рода. Для ее нахождения были найдены кинетическая и потенциальная энергии гироскопа. Дифференциальные уравнения движения микромеханического гироскопа приведены в работе [1]

Исследование математической модели датчика проводилось с помощью пакетов программ математического моделирования

Mathcad, Maple и MATHLab.

В результате проделанной работы были исследованы технологические и температурные погрешности ММГ. Рассмотрено влияние на работу датчика перекрестных скоростей поворота основания.

Чтобы оценить влияние не учитываемых в модели с сосредоточенными параметрами степеней свободы и конечной жесткости элементов конструкции, исследовалась модель микромеханического гироскопа с распределенными параметрами.

На основании результатов математического моделирования были определены основные конструктивные параметры гироскопа и разработана конструкция прибора. Конструктивная схема микромеханического гироскопа приведена на рис. 1. Механическая часть прибора представляет собой систему, изготовленную из единой заготовки монокристаллического кремния. В качестве датчика перемещений используется емкостной датчик (на рис.1 не показан). ММГ является двухкомпонентным, поэтому конструкция прибора предусматривает два датчика. Датчик съема информации с ММГ по оси Х представлен на рис. 2.

Схема емкостной системы съема информации с микромеханического гироскопа включает в себя 72 плоских конденсатора, пластины которых расположены на внутренней и наружной рамах ММГ (рис.2). Для повышения чувствительности датчика пластины соединены между собой последовательно. Обкладки конденсаторов выполняются напылением алюминия на рабочие поверхности ММГ.

·sin( ·t)

Рис. 2 Конструкция емкостного датчика ММГ

Для оценки времени готовности прибора был изучен процесс установления вынужден-

ных колебаний гироскопа. Результаты расчета представлены на рис. 3.

Время установления амплитуды вынужденных колебаний чувствительных масс в направлении оси х составляет ~0,15 с, в направлении оси y ~0,07 с.

Рис. 3 Процесс установления вынужденных колебаний ММГ

На рис. 4 показаны резонансные кривые системы – зависимости амплитуд вынужденных колебаний от частоты вибровозбуждения гироскопа. Из рисунка видно, что при резонансе гироскоп имеет максимальную амплитуду колебаний, которая составляет по оси x~0,5 мкм, по оси y~4 мкм.

Рис. 4 Резонансные кривые двухкомпонентного ММГ

Острый характер резонанса, обусловленный высокой добротностью кремниевого осциллятора, выдвигает одну из проблем, возникающих при разработке микромеханических гироскопов. Она заключается в необходимости поддержания строгого совпадения частоты вибровозбуждения с соответствующей собственной частотой колебательной системы прибора.

При исследовании модели с распределенными параметрами были определены формы колебаний и соответствующие им собственные частоты колебательной системы. Первые две формы колебаний системы представлены на рис. 4, где f=1106,8 Гц соответствует частоте колебаний внутренней рамы вместе с инерционной массой. Частота f=1174,0 Гц соответствует частоте колебаний

внутренней рамы вместе с инерционной массой.

Рис.4 Форма собственных колебаний ММГ В соответствии с принятой конструктивной схемой и с учетом результатов математического моделирования были разработаны конструкция и технологический процесс изготовления гироскопа. Все операции, предшествующие корпусированию выполняются

групповыми методами.

Рис. 5 Технология изготовления микромеханического гироскопа

Технологический маршрут изготовления микромеханического гироскопа включает в себя три блока взаимосвязанных и взаимосогласованных операций (рис. 5) [2]:

-формирование многочипового рельефа кремниевой заготовки;

-формирование диэлектрической несущей платы;

-сочленение несущей платы и кремниевой заготовки, удаление со сборки необработанного массива и разделение сборки на отдельные элементы (чипы) и их корпусирование.

ЛИТЕРАТУРА:

1 Панькина О.М., Нестеренко Т.Г Компьютерное моделирование технологических погрешностей микромеханического гироскопа// XIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии 2006» Сборник трудов. – Томск, 2006

2 Лестев А.М. Попова И.В. Разработка и исследование микромеханического гироскопа //Гироскопия и навигация. – 1999 - №2

Интенсивное развитие электронных устройств в направлении повышения рабочей частоты обуславливает актуальность разработки измери-тельных устройств, которые бы позволили определять мощность колебаний в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), поскольку мощность является одной из важнейших характеристик СВЧ излучения.

Весь спектр частот электромагнитных колебаний можно разбить на отдельные частот-ные диапазоны. Диапазон СВЧ характеризуется частотами от 300 МГц до 300 ГГц. В англо-американской технической литературе этот диапазон получил название -

микроволновый.

Поскольку на протяжении многих лет выпускались аналоговые СВЧ ваттметры, на сегодняшний день сохранившиеся экземпляры еще используются для проведения измерений. Однако аналоговые приборы имеют ряд серьезных недостатков: большие габаритные размеры и массу, требуют длительного прогрева и достаточно мощных источников питания, обладают сложной схемотехнической конструк-цией, не могут работать с широким диапазоном частот и мощностей из-за нелинейности первичных преобразователей.

Современные электронные СВЧ ваттметры лишены вышеуказанных недостатков, обладают высокой точностью и часто имеют полезные дополнительные возможности, но их стоимость весьма высока. Однако не всегда нужен дорогой и высокоточный прибор. Очень часто достаточно лишь приблизительно оценить уровень мощности СВЧ излучения, например, при проверке на допустимость величины излучаемой мощности или при лабораторных измерениях в учебных целях. В подобных случаях требуется простой и недорогой измерительный прибор, обладающий невысокой точностью.

Разрабатывая современный измеритель мощности, весьма удобно использовать микроконтроллер. Такой подход позволит спроектировать компактный легкий прибор с низким энергопотреблением. Программными средствами можно легко решить проблему нелинейности первичных преобразователей, а также корректировать показания на этапе прогрева. Далее будет рассмотрен вариант реализации такого прибора.

Устройство можно разделить на несколько функциональных блоков. Датчик СВЧ излучения, мостовые схемы и усилители можно отнести к аналоговой части прибора, блок управления, состоящий из нескольких кнопок, микро-контроллер и жидкокристаллический индикатор – к цифровой. Функциональная схема прибора приведена на рисунке. В качестве датчика СВЧ излучения был выбран первичный преобра-зователь на основе термистора [2]. Такой преобразователь содержит два терморезистора, которые способны нагреваться под действием СВЧ излучения и менять свое сопротивление. Один резистор измерительный, на него подается СВЧ

излучение, второй термокомпенсационный изолирован от СВЧ излучения, но находится рядом с измерительным, и предназначен для того чтобы снизить влияние изменения окружающей температуры. Каждый термистор подключается в одно из плеч моста Уитстона [1]. С диагоналей мостов величина разности потенциалов подается на усилитель, где усиливается до необходимой величины. Для усиления сигнала используется высокочувствительный инструментальный уси-литель. Выходы усилителей подключаются к входам АЦП, встроенного в микроконтроллер PIC16F877 [4].

Основными критериями выбора микро- контрол-лера для данного устройства являются:

-наличие АЦП разрядностью 8-10 бит; -достаточное количество портов ввода-

вывода для подключения жидкокристаллического индикатора и кнопок, управляющих работой устройства.

Микроконтроллер PIC16F877 обладает избыточ-ными характеристиками. Однако он выбран с целью упрощения дальнейшей модификации устройства.

Результат измерения будет выводиться на жидкокристаллический индикатор.

Теперь можно описать процесс измерения СВЧ мощности. После включения прибора, при условии отсутствия СВЧ излучения мосты, в которые включены термисторы, находятся в сбалансированном состоянии, т.е. разность потенциалов в диагоналях мостов равна нулю. После подачи СВЧ излучения на измерительный термистор, он нагреется и изменит свое сопротивление. В результате мост Уитстона выйдет из состояния баланса, и на усилитель будет подаваться некоторая разность потенциалов.