新型角加速度測(cè)量系統(tǒng)及其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用

嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江嘉興 314001

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和生產(chǎn)發(fā)展的各種需要，角加速度測(cè)量技術(shù)在工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]。例如汽車上安裝的翻車抑制裝置，需要時(shí)刻檢測(cè)車身的傾角角加速度，來(lái)判斷是否需要采取安全措施[3]；在飛彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用角加速度傳感器組成的捷聯(lián)慣導(dǎo)控制系統(tǒng)，可用于控制導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)[4]；在新型小衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)中，可采用角加速度傳感器來(lái)測(cè)量小衛(wèi)星的高姿態(tài)抖動(dòng)[5]；采用角加速度傳感器來(lái)檢測(cè)硬盤的轉(zhuǎn)動(dòng)沖擊和振動(dòng)，并將檢測(cè)到的信號(hào)作為前饋控制，可以使硬盤的信息讀取過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)沖擊和振動(dòng)更具有魯棒性[6]。

目前常用的角加速度測(cè)量系統(tǒng)，機(jī)械測(cè)量平臺(tái)多為單一旋轉(zhuǎn)機(jī)械，更換旋轉(zhuǎn)機(jī)械時(shí)，由于尺寸的差別容易造成系統(tǒng)不同心，需要重新加工相應(yīng)支架，以保證整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸的同心度。且由于被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度的不同，角加速度傳感器的安裝位置也需要調(diào)節(jié)，存在成本高和適應(yīng)性差等不足。此外，對(duì)于角加速度信息的傳輸，目前多采用有線傳輸?shù)姆绞焦ぷ鳎赐ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)傳輸線將角加速度測(cè)量信息輸送至上位機(jī)并進(jìn)行處理，對(duì)于需要長(zhǎng)距離傳輸角加速度信息的場(chǎng)合，存在成本高、適應(yīng)性差和線路維護(hù)困難等不足。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型角加速度測(cè)量系統(tǒng)，包括機(jī)械測(cè)量平臺(tái)及信號(hào)處理模塊。通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械測(cè)量平臺(tái)中的升降支架和三維滑臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械與傳感器的高度同心；將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳輸至PC端，再經(jīng)由信號(hào)處理和顯示模塊直接讀取角加速度數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)有線傳輸方式的缺陷，使得安裝操作更加簡(jiǎn)便。

二、角加速度測(cè)量系統(tǒng)的組成

1、機(jī)械測(cè)量平臺(tái)

角加速度測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量平臺(tái)如圖1所示，包括平臺(tái)底座、磁粉制動(dòng)器、磁粉控制器、被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械、可升降支架、剛性聯(lián)軸器、角加速度傳感器、三維滑臺(tái)和電源接口。

其中測(cè)量平臺(tái)的底座設(shè)有安裝孔，磁粉制動(dòng)器、可升降支架和三維滑臺(tái)，通過(guò)安裝孔固定在平臺(tái)底座上。被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械固定在可升降支架上，磁粉制動(dòng)器通過(guò)剛性聯(lián)軸器與被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械同心連接，角加速度傳感器固定在三維滑臺(tái)的臺(tái)面上，被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械與角加速度傳感器通過(guò)剛性聯(lián)軸器連接。磁粉控制器輸出端子與磁粉制動(dòng)器的輸入端子連接，磁粉控制器和被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械電源線與電源接口連接。

當(dāng)需要更換被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械時(shí)，將原有被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械與磁粉制動(dòng)器、以及角加速度傳感器的剛性聯(lián)軸器松開，然后調(diào)節(jié)角加速度傳感器所在三維滑臺(tái)的軸向調(diào)節(jié)旋鈕，使得角加速度傳感器在軸向遠(yuǎn)離被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)，再將被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械從可升降支架上拆除。將現(xiàn)需測(cè)量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械安裝在可升降支架上，并調(diào)節(jié)可升降支架的高度，保證被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械與磁粉制動(dòng)器同心，然后調(diào)節(jié)三維滑臺(tái)的軸向調(diào)節(jié)旋鈕，使得角加速度傳感器在軸向貼近被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)，再調(diào)節(jié)三維滑臺(tái)的徑向和橫向調(diào)節(jié)旋鈕，保證角加速度傳感器與被測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)同軸心，最后將各個(gè)剛性聯(lián)軸器擰緊即可。

2、信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊包括無(wú)線發(fā)射電路、無(wú)線接收電路、信號(hào)采集電路、以及基于LabView的可視化聯(lián)機(jī)軟件。

無(wú)線發(fā)射電路模塊的振蕩器采用聲表器件，如圖2所示，其中IN端口為角加速度信號(hào)輸入端，與角加速度傳感器輸出端連接；SAW為聲表器件；ANT為天線發(fā)射端，用于將角加速度信息以無(wú)線的方式向外發(fā)射。

無(wú)線接收電路如圖3所示，由美國(guó)Micrel公司生產(chǎn)的MICRF002單片集成芯片及外圍電路構(gòu)成，工作芯片為美國(guó)Micrel公司生產(chǎn)的MICRF002，用于無(wú)線信號(hào)的接收和解調(diào)。其中ANT為天線接收端，用于接收無(wú)線發(fā)射的角加速度信息；OUT端口為角加速度信號(hào)輸出端，與信號(hào)采集卡的輸出端口連接。

信號(hào)采集電路采用基于USB的信號(hào)采集卡，USB采集卡采用USB通信協(xié)議，無(wú)需匹配波特率，大大提高了工作效率，更重要的是完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，無(wú)需再人工干預(yù)。

為了充分利用計(jì)算機(jī)資源，采用虛擬實(shí)驗(yàn)室LabView技術(shù)，運(yùn)用特定的算法、通信協(xié)議及控制技術(shù)，使硬件設(shè)備和上位機(jī)按照程序設(shè)定的流程，完成角加速度測(cè)量數(shù)據(jù)的解析與計(jì)算、波形顯示與表格導(dǎo)出、傳感器校正、曲線擬合與線性關(guān)系、傅里葉分析和波形回放等功能，通過(guò)對(duì)不同模塊即子VI的調(diào)用可以實(shí)現(xiàn)各自不同的功能。

系統(tǒng)首先通過(guò)初始化模塊對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置，然后向下位機(jī)發(fā)送握手指令，如果指令錯(cuò)誤，則彈窗提示握手失敗重新進(jìn)行握手，如果指令正確則進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行功能選擇；當(dāng)進(jìn)入模擬量采集時(shí)，首先要發(fā)送指令到下位機(jī)進(jìn)行通知，并同時(shí)發(fā)送采集時(shí)間及采集速度設(shè)置指令，然后下位機(jī)開始進(jìn)入模擬量傳感器數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

三、旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的角加速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸的一端通過(guò)剛性聯(lián)軸器與傳動(dòng)設(shè)備相連，多為齒輪箱減速器，傳動(dòng)設(shè)備再通過(guò)剛性聯(lián)軸器與機(jī)械負(fù)載連接，實(shí)驗(yàn)時(shí)多采用磁粉制動(dòng)器，其負(fù)載大小可以通過(guò)控制電流來(lái)調(diào)節(jié)；旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸的另一端通過(guò)剛性聯(lián)軸器與研制的角加速度傳感器連接，傳感器的輸出電信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集電路傳送至上位機(jī)，通過(guò)研制的基于LabView的可視化聯(lián)機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先按照?qǐng)D4連接好整個(gè)角加速度測(cè)量系統(tǒng)，注意與角加速度傳感器連接的聯(lián)軸器為剛性，盡量不要采用帶有硬質(zhì)塑料的十字梅花聯(lián)軸器；然后調(diào)節(jié)負(fù)載的控制電流為零，即系統(tǒng)處用空載狀態(tài)，接通旋轉(zhuǎn)機(jī)械（單相異步電動(dòng)機(jī)）的電源，旋轉(zhuǎn)機(jī)械開始運(yùn)行，調(diào)節(jié)負(fù)載的控制電流，同時(shí)觀測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作電流和電壓，保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械基本工作在額定狀態(tài)；最后打開基于LabView的信號(hào)采集與處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，接收信號(hào)采集卡傳送的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度信息，同時(shí)將角加速度數(shù)據(jù)保存，擬合旋轉(zhuǎn)機(jī)械的角加速度響應(yīng)曲線，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的角加速度測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)πD(zhuǎn)機(jī)械的角加速度情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型角加速度測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)可升降支架和三維滑臺(tái)的調(diào)節(jié)，能夠快捷、方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各轉(zhuǎn)軸的同心，具有成本低廉、適用性好和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；除此之外還綜合了無(wú)線傳輸和虛擬儀器技術(shù)，與傳統(tǒng)的角加速度測(cè)量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)靈活可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在降低成本的同時(shí)還增加了應(yīng)用的便利性。