基于Model 1221 的小型加速度測(cè)量系統(tǒng)*

朱翼超,高 成,李炎新,陳永廣

(1.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院,江蘇 南京210007;2.總裝工程兵科研一所,江蘇 無錫214007;3.江蘇永豐機(jī)械有限責(zé)任公司,江蘇 盱眙211722)

1 引 言

加速度測(cè)量裝置可用來測(cè)量晃動(dòng)、振動(dòng)以及由振動(dòng)、沖擊產(chǎn)生的速度、位移等參數(shù)。常規(guī)的加速度測(cè)量裝置主要包括加速度計(jì)、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和存儲(chǔ)器等,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、較重等原因,測(cè)量領(lǐng)域受到限制,例如測(cè)量小型火箭彈的運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí),常規(guī)的儀器無法跟蹤火箭進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)為捕獲火箭點(diǎn)火時(shí)脈沖加速度,對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率也提出了更高的要求[1-2]。本文中采用的加速度傳感器M odel 1221 應(yīng)用的是微機(jī)電M EMS(micro-electro-mechanical system)技術(shù)[3-5],可用于飛行裝置的加速度以及沖擊振動(dòng)的測(cè)量等。

2 加速度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

為滿足加速度測(cè)量系統(tǒng)需具備的快速頻響特性和高速數(shù)據(jù)采集能力,提出了小型加速度測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,如圖1 所示。該系統(tǒng)主要包括加速度傳感器芯片及外圍電路、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、外部存儲(chǔ)器和電源等。此外,通訊端口主要有2 個(gè)功能:根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;將測(cè)量結(jié)果輸出到計(jì)算機(jī)以便后期分析與處理。

加速度傳感器的種類根據(jù)其工作原理可分為壓電式、壓阻式、電容式、諧振式、隧道式等。通過對(duì)比,本文中選用M odel 1221-050 單軸集成加速度傳感器,其加速度量程為(-50 ～50)g。該傳感器是一種以微機(jī)電技術(shù)為基礎(chǔ)的新型傳感器,包含了微機(jī)械電容傳感單元、溫度傳感器、傳感運(yùn)放電路和差分輸出電路。不僅簡(jiǎn)化了電路,消除了交叉耦合影響,而且利用該傳感器的差分輸出端口提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。該加速度傳感器能同時(shí)滿足較高量程和較寬頻響范圍的要求,頻響范圍可達(dá)到0 ～2 kHz。此外,該傳感器體積不到一元硬幣,且具有低功耗、低噪聲以及抗撞擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

微處理器LPC 2132 主要起控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸作用,它從芯片級(jí)擴(kuò)展出SPI、I/O、UA RT 等接口。通過選用A RM 7TDM I-S內(nèi)核芯片加μC/OS-II操作系統(tǒng)[6],極大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)的目的是將傳感器的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合LPC 2132 數(shù)據(jù)采集需要的電壓范圍,同時(shí)濾除信號(hào)的噪聲。系統(tǒng)選取SD 卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的主要原因是SD 卡容量大(最大可達(dá)4 GB),訪問接口可即插即用,數(shù)據(jù)保存功耗低,不易丟失。

在電路板布局時(shí),為了縮小尺寸,將PCB 板設(shè)計(jì)成上下2 塊半徑23 mm 圓形板:一塊是主電路板,包括M odel 1221、LPC 2132、各芯片的外圍電路和信號(hào)調(diào)理電路,主要實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)的獲取;另一塊是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板,主要設(shè)有觸發(fā)執(zhí)行電路和SD 卡卡槽。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序、信號(hào)采集子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序,如圖2 所示。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可通過2 種方式實(shí)現(xiàn):一種是將SD 卡作為文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì),由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制;另一種是采用系統(tǒng)命令層函數(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。經(jīng)過測(cè)試表明,前者程序較簡(jiǎn)單,SD 卡中數(shù)據(jù)的讀取可通過PC 機(jī)的操作系統(tǒng)直接獲取,但存儲(chǔ)速度較慢;后者存儲(chǔ)速度較快,但SD 卡中的數(shù)據(jù)需在本系統(tǒng)的硬件電路上讀取,過程較復(fù)雜。由于存儲(chǔ)時(shí)間需配合采樣率,具有較高要求,因此,本文中選用后者的存儲(chǔ)方式。

圖1 小型加速度測(cè)量系統(tǒng)的硬件構(gòu)成Fig.1 Acceleration measurement system's hardw are

在編寫信號(hào)采集子程序中,為確保采樣間隔不受SD 卡讀寫的干擾,采用中斷方式進(jìn)行采樣。程序調(diào)試中,采樣速率的選取是軟件設(shè)計(jì)方案中的關(guān)鍵問題,采樣速率過低無法捕捉?jīng)_擊脈沖信號(hào);采樣速率過高將與SD 卡的存儲(chǔ)時(shí)間性能參數(shù)相沖突,這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的最佳采樣速率可達(dá)到8 kHz。此外,在計(jì)算機(jī)上采用Visual Basic 語(yǔ)言設(shè)計(jì)了具有數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、存儲(chǔ)、顯示和處理功能的應(yīng)用程序。

圖2 信號(hào)采集存儲(chǔ)程序流程圖Fig.2 Flow chart of sampling signal

3 加速度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

3.1.1 標(biāo)定裝置

根據(jù)向心加速度原理設(shè)計(jì)了加速度靜態(tài)性能測(cè)試裝置,如圖3 所示。系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋臂、變頻器、無線觸發(fā)裝置和非接觸轉(zhuǎn)速測(cè)試儀等組成。

首先將加速度測(cè)量模塊固定在旋臂的一側(cè),使加速度測(cè)量系統(tǒng)的敏感軸與旋臂的徑向重合,在旋臂的另一側(cè)放置無線觸發(fā)裝置,通過調(diào)整與電機(jī)軸心的距離使旋臂兩側(cè)平衡。改變變頻器的電源輸出頻率可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率。

圖3 加速度靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Sketch of testing static acceleration

電機(jī)工作時(shí),轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋臂在水平面上旋轉(zhuǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一恒定值,向心加速度為定值時(shí),無線遙控觸發(fā)加速度測(cè)量系統(tǒng)開始工作。轉(zhuǎn)速測(cè)試儀測(cè)量電機(jī)的旋轉(zhuǎn)周期T[7]。當(dāng)加速度傳感器距電機(jī)軸心的距離為r 時(shí),向心加速度理論值

3.1.2 標(biāo)定結(jié)果

標(biāo)定結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1 所示,其中理論值a 為測(cè)量裝置施加在系統(tǒng)上的標(biāo)準(zhǔn)加速度,實(shí)測(cè)值U 為系統(tǒng)的輸出電壓,可以看出,系統(tǒng)的靜態(tài)性能在測(cè)試范圍(-42 ～42)g內(nèi)線性度較好,未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

為了使誤差平方和最小,對(duì)測(cè)量結(jié)果采用最小二乘法進(jìn)行處理和擬合,根據(jù)擬合公式,系統(tǒng)的標(biāo)定曲線方程為

表1 系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 1 Results of testing static acceleration

3.2 沖擊加速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

向心加速度測(cè)試并不能反映該系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性,為此,利用懸掛式?jīng)_擊震動(dòng)模擬平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能開展沖擊加速度比對(duì)測(cè)試。該平臺(tái)是以擺錘沖擊的方式,模擬爆炸沖擊震動(dòng)環(huán)境,根據(jù)能量守恒和彈性碰撞原理設(shè)計(jì)的[8]。本文中采用水平向沖擊實(shí)驗(yàn),通過對(duì)錘重、錘高和墊層厚度等參數(shù)的設(shè)置,震動(dòng)平臺(tái)的性能指標(biāo)可達(dá)到:沖擊加速度峰值(40 ～50)g,作用時(shí)間3 ～5 ms。

震動(dòng)臺(tái)上安裝的配套加速度測(cè)量裝置是由北京東方震動(dòng)研究所研制的DASP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、揚(yáng)州無線電二廠生產(chǎn)的YD-127 型加速度傳感器和TYPE-5853 型電荷放大器組成。為了保證2 套系統(tǒng)都能準(zhǔn)確測(cè)量震動(dòng)平臺(tái)的沖擊加速度,且結(jié)果具有可比性,將2 套系統(tǒng)的敏感軸向與震動(dòng)方向保持一致且安裝位置接近。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)原理和方法開展了相關(guān)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示,所測(cè)波形一致性較好。其中圖4(a)為模擬平臺(tái)配套測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù),加速度峰值a1=45.7g,上升前沿tr1=3.0 ms;圖4(b)為本文研制的加速度測(cè)量系統(tǒng)獲取的加速度曲線,其峰值a2=45.2g,上升前沿t r2=3.1 ms。

測(cè)試結(jié)果表明研制的加速度測(cè)量系統(tǒng)的低頻響應(yīng)(含直流響應(yīng))較好,可以捕獲最小上升前沿3 ms的沖擊加速度,測(cè)量峰值范圍和頻率響應(yīng)特性能夠滿足沖擊脈沖加速度測(cè)量要求。

圖4 沖擊加速度測(cè)量曲線Fig.4 Curves of measured blasting acceleration

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)并研制了小型加速度測(cè)量系統(tǒng),分別開展了靜態(tài)加速度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和沖擊加速度比對(duì)測(cè)試,結(jié)果表明該系統(tǒng)在測(cè)量范圍內(nèi)探測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較好。該系統(tǒng)體積小、重量輕、安裝方便,可獨(dú)立完成對(duì)目標(biāo)加速度的測(cè)量,在測(cè)試空間受限的領(lǐng)域中具有一定的應(yīng)用前景。

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