منصة الرسائل والاطاريح: تقنيات دقيقة - للفحص الذاتي للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة

الخلاصة

إن خطأ الانحياز الصفري وخطأ عامل القياس في النظام الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) والنظام الكهروميكانيكي النانوي (NEMS)، ناتج عن عيوب فنية والتقادم في العمر. يمكن أن تتضرر دقة نظام الملاحة بالقصور الذاتي بشكل كبير من خلال القراءات الأولية دون المعايرة. لاستخدام مقياس التسارع ثلاثي المحاور MEMS، يلزم إجراء اختبار ذاتي ومعالجة معايرة. ويجب أن يتم إنتاج هذه الأنظمة بموثوقية عالية لإنجاز المهمة المطلوبة التي تم إعدادها لها. ولذلك أصبح الاختبار الذاتي والمعايرة مسألة مهمة للباحث. في هذا العمل، تم اقتراح التصميم والمحاكاة وتنفيذ الأجهزة للاختبار الذاتي المدمج ومعايرة ثلاث خوارزميات وتقديمها لغرض المعايرة للتعويض عن الأخطاء والعيوب في MEMS وNEMS. يتم تنفيذ هذه الخوارزميات الثلاثة المقترحة باستخدام برنامج COMSOL Multiphysics بالاشتراك مع MATLAB. تم أخذ القراءت العملية من خلال المتحكم الصغير Arduino و حساس MPU6050 وتمت البرمجة بلغة C. استخدمت الخوارزمية الأولى المقترحة استيفاء Akima لجعل القراءات في حالة العطل أو الانحراف من عنصر الاستشعار أقرب إلى القراءات المعوضة المحسوبة بواسطة GA والمحفوظة في جدول البحث Lookup table. مفتاح هذه الخوارزمية هو الدالة المتعددة التعريف، وهي عبارة عن مجموعة من متعددات الحدود بدرجات لا تزيد عن ثلاث والتي يمكن تطبيقها على فترات زمنية أكبر بشكل متزايد بين النقاط المعطاة. باستخدام هذه التقنية، تبلغ أخطاء معايرة عامل القياس 0.41%، 0.42%، 0.43% للمحاور X، Y، Z على التوالي، في حين أن أخطاء التحيز هي 0.026، 0.025، 0.024 للمحاور X، Y، Z على التوالي. ويبلغ استقرار التحيز 2.216 µg و2.22 µg و2.23 µg للمحاور X وY وZ على التوالي. استخدمت خوارزمية المعايرة المقترحة الثانية استيفاء Akima بالتزامن مع مُعدِّل Sigma-Delta (ΣΔ) للواجهة الرقمية. تم استخدام مبدأ المعاينة المفرطة لغرض إزالة مصادر الضوضاء المتعلقة بعنصر الاستشعار ودائرة التكميم. هذه المصادر هي الضوضاء البراونية، الناتجة عن الحركة العشوائية لجزيئات المادة في كتلة الإثبات واستشعار الأصابع، والتضخيم، والتبديل، والتكميم لتحسين الدقة الفعالة لجهاز القياس المستخدم في هذه الطريقة. يستقبل هذا النظام إشارة تناظرية ويخرجها كإشارة رقمية منفصلة. تشكل عمليات التصفية، وأجهزة أخذ العينات، وجهاز قياس الكميات الحد الأدنى. باستخدام هذه التقنية، تبلغ أخطاء معايرة عامل القياس 0.32%، 0.33%، 0.31% للمحاور X، Y، Z على التوالي، في حين أن أخطاء التحيز هي 0.011، 0.014، 0.012 للمحاور X، Y، Z على التوالي. قيم استقرار التحيز هي 1.34 ميكروجرام، 1.23 ميكروجرام، 1.12 ميكروجرام للمحاور X، Y، Z على التوالي. الخوارزمية الثالثة تعتمد على مرشح كالمان (KF) مع التعديل للحصول على مرشح كالمان غير المعطر (TUKF) لمقياس تسارع المحاور الثلاثة MPU6050 مع التثليث على الاخراج للحصول على أفضل مخرجات ثبات للمحاور X، Y، Z. تم استخدام مرشح كالمان المعدّل بالإضافة إلى تثليث ديلوناي ليكون بمثابة متتبع لمقياس التسارع ثلاثي المحاور. يتم إزالة التحيز والضوضاء بشكل جيد مع استقرار جيد. وتمت قراءة النتائج العملية باستخدام متحكم Arduino من مقياس التسارع MPU6050 في نطاق درجات الحرارة من (-15 درجة مئوية) إلى (80 درجة مئوية) مما أعطى متانة الخوارزمية المستخدمة لإظهار فعالية هذه الطريقة. باستخدام هذه التقنية، تكون أخطاء معايرة عامل القياس 0.22%، 0.24%، 0.26% للمحاور X، Y، Z على التوالي، في حين أن أخطاء التحيز هي 0.017، 0.0115، 0.014 للمحاور X، Y، Z على التوالي. يبلغ استقرار التحيز 0.116 ميكروجرام و0.12 ميكروجرام و0.18 ميكروجرام للمحاور X وY وZ على التوالي. لذا وكما يتبين أن الخوارزمية الثالثة (باستخدام TUKF) هي الأفضل فيما يتعلق بنتائج أخطاء التحيز واستقرار التحيز