離心式過載加速度計(jì)檢測(cè)裝置

尹曉麗，常歡，聶振華，于亞云，秦朝俊

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

加速度計(jì)在慣性導(dǎo)航與慣性制導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用。典型的加速度計(jì)可分為變阻式、變?nèi)?感)式、壓電式、電磁(電動(dòng))式和伺服式加速度計(jì)幾種，其中變阻式加速度計(jì)主要有張絲式、應(yīng)變片式、壓阻式和滑線式。本文的檢測(cè)裝置針對(duì)某公司生產(chǎn)的過載加速度計(jì)設(shè)計(jì)，其原理類似于滑線式變阻加速度計(jì)。

過載加速度計(jì)主要用于監(jiān)測(cè)敏感設(shè)備運(yùn)輸過程中的加速度變化。由于加速度變化對(duì)敏感設(shè)備的性能影響較大，需要嚴(yán)格控制過載加速度計(jì)是否滿足監(jiān)測(cè)要求。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)好的過載加速度計(jì)檢測(cè)裝置顯得尤為重要。本文針對(duì)項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了一臺(tái)轉(zhuǎn)速范圍為0 ～150 r/min、轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差絕對(duì)值小于2×10-4、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性優(yōu)于4×10-7的過載加速度計(jì)檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)體的轉(zhuǎn)速控制與過載加速度計(jì)輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。

1 過載加速度計(jì)動(dòng)作原理

被檢測(cè)的過載加速度計(jì)原理圖如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)在簧片開關(guān)上并聯(lián)一只1 kΩ 的線路測(cè)試電阻。

圖1 被檢測(cè)的過載加速度計(jì)原理圖

過載加速度計(jì)的動(dòng)作原理為:當(dāng)加速度計(jì)受到過量沖擊F 時(shí)，其內(nèi)部質(zhì)塊在慣性作用下壓縮主彈簧，使擋住塑料滑塊的質(zhì)塊凸點(diǎn)讓開。在輔助彈簧的作用下，塑料滑塊在滑桿上快速滑動(dòng)，由它擋住的超閾值紅色警示標(biāo)志將顯現(xiàn)出來。同時(shí)塑料滑塊在定位環(huán)前停下并推動(dòng)簧片開關(guān)閉合，因簧片開關(guān)上并聯(lián)線路測(cè)試電阻，此時(shí)加速度計(jì)輸出的電阻信號(hào)由原1 kΩ 變?yōu)椴淮笥?00 Ω(接觸電阻的影響控制在100 Ω 以內(nèi))的導(dǎo)通值，由此輸出超閾值導(dǎo)通信號(hào)。通過本文的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)該超閾值導(dǎo)通信號(hào)的檢測(cè)。

2 檢測(cè)裝置原理及組成

離心式過載加速度計(jì)檢測(cè)裝置的工作原理為:通過控制檢測(cè)裝置精密轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速變化，利用在半徑r處產(chǎn)生的高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)向心加速度，對(duì)過載加速度計(jì)在其使用量程范圍內(nèi)進(jìn)行性能試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該加速度計(jì)的校準(zhǔn)。向心加速度a 與轉(zhuǎn)速n 的轉(zhuǎn)換公式如式(1)所示。

式中:a 為加速度，g(1 g=9.8 m/s2);n 為轉(zhuǎn)速，r/min;r 為半徑，m。

離心式過載加速度計(jì)檢測(cè)裝置組成框圖如圖2所示，主要由精密轉(zhuǎn)臺(tái)、穩(wěn)速控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、安全性監(jiān)測(cè)四個(gè)部分組成。

圖2 離心式過載加速度計(jì)檢測(cè)裝置組成框圖

2.1 精密轉(zhuǎn)臺(tái)

精密轉(zhuǎn)臺(tái)的功能是保證檢測(cè)裝置具有高回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，并有足夠的剛度，主要包括軸系、轉(zhuǎn)盤、底座和電機(jī)。轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械臺(tái)體為立式單軸臺(tái)面式型式，由三個(gè)螺紋式可調(diào)水平的支腳支承，并設(shè)計(jì)有四個(gè)手柄便于轉(zhuǎn)臺(tái)的搬運(yùn)。軸系采用精密機(jī)械軸承，轉(zhuǎn)盤材料選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼，轉(zhuǎn)盤上對(duì)稱有8 個(gè)加速度計(jì)安裝工位，可同時(shí)對(duì)8 個(gè)加速度計(jì)進(jìn)行水平和垂直校準(zhǔn)。

2.2 穩(wěn)速控制系統(tǒng)

穩(wěn)速控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)裝置的轉(zhuǎn)速控制，主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和角度反饋元件。該控制系統(tǒng)為全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為PID 數(shù)字電流、速度控制環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)，以圓光柵編碼器為位置反饋，通過驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的角速度和角位置控制，檢測(cè)裝置的速度控制曲線如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度計(jì)輸出參數(shù)的采集與數(shù)據(jù)處理，主要包括傳輸電壓信號(hào)的導(dǎo)電環(huán)、加速度計(jì)信號(hào)采集電路和數(shù)據(jù)采集與處理軟件。

圖3 檢測(cè)裝置速度控制曲線圖

1)加速度計(jì)信號(hào)采集電路框圖

加速度計(jì)信號(hào)采集電路框圖如圖4所示。

圖4 加速度計(jì)信號(hào)采集電路框圖

2)電路工作原理

根據(jù)過載加速度計(jì)動(dòng)作原理，當(dāng)精密轉(zhuǎn)臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的瞬時(shí)向心加速度超過加速度計(jì)的閾值范圍時(shí)，加速度計(jì)會(huì)發(fā)生跳變，輸出電阻瞬間變小，產(chǎn)生超閾值導(dǎo)通信號(hào)，可通過圖5所示的比較跟隨電路采集到這個(gè)跳變信號(hào)。

如圖所示，加速度計(jì)輸出電阻與R2 構(gòu)成分壓電路，在加速度計(jì)的閾值范圍內(nèi)，輸出電阻為1 kΩ，比較運(yùn)放U1A 正相端電壓V+＞3 V，反相端電壓V-=3 V，運(yùn)放輸出為高電平，跟隨電路將高電平送至下一級(jí)，控制機(jī)柜上的LED 不亮;當(dāng)超出加速度計(jì)的閾值范圍時(shí)，加速度計(jì)發(fā)生跳變，輸出電阻變?yōu)椴淮笥?00 Ω 的值，比較運(yùn)放U1A 正相端電壓V+＜3 V，反相端電壓V-=3 V，運(yùn)放輸出為低電平，通過跟隨電路將低電平送至下一級(jí)，控制機(jī)柜上的LED 變亮，提示加速度計(jì)發(fā)生跳變。

輸出電壓信號(hào)送入單片機(jī)的P1 口，工控機(jī)通過串口接收P1 口取反后狀態(tài)，頭字節(jié)AA55，接收頻率為1 s一次，用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理部分判斷加速度計(jì)的跳變點(diǎn)是否超出正常工作范圍。

圖5 跳變信號(hào)采集電路原理圖

3)單片機(jī)程序編寫流程

單片機(jī)程序編寫流程如圖6所示，其中，變量聲明部分依次為聲明52 系列單片機(jī)頭文件、聲明單片機(jī)P3 口的第8 位P3.7、聲明程序中所用中轉(zhuǎn)變量類型。P3.7 用于接發(fā)光二極管，通過發(fā)光管的亮滅顯示串口接收頻率。

圖6 單片機(jī)程序編寫流程圖

主函數(shù)初始化功能為:設(shè)置T1 工作方式為8 位自動(dòng)重裝定時(shí)器、T0 工作方式為16 位自動(dòng)重裝定時(shí)器，設(shè)置系統(tǒng)的波特率和定時(shí)時(shí)間，啟動(dòng)定時(shí)器工作和串口接收，并開啟總中斷和定時(shí)器T0 中斷。

4)數(shù)據(jù)采集與處理軟件

數(shù)據(jù)采集與處理軟件的功能為:通過LabVIEW 開

2.4 安全性監(jiān)測(cè)

由于檢測(cè)裝置運(yùn)行過程中高速旋轉(zhuǎn)，為保證操作人員安全，在臺(tái)體外側(cè)加裝屏蔽保護(hù)罩。保護(hù)罩上加裝行程傳感器，用于監(jiān)測(cè)保護(hù)罩上蓋板是否合上，若未合上則檢測(cè)裝置無法上電，防止臺(tái)面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。發(fā)軟件采集前述電路中獲取的8 路加速度計(jì)信號(hào)狀態(tài)，利用虛擬指示燈亮滅將該狀態(tài)顯示在程序運(yùn)行界面上，同時(shí)實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速及加速度，將加速度計(jì)發(fā)生跳變時(shí)的加速度值顯示在程序運(yùn)行前面板上。數(shù)據(jù)保存時(shí)，根據(jù)設(shè)定的加速度計(jì)合格范圍和跳變時(shí)的加速度值進(jìn)行是否合格的判斷。軟件流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集與處理軟件流程圖

3 測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果

將合格范圍為3.6 ～4.5 g 的8 個(gè)過載加速度計(jì)安裝在相應(yīng)工位上，臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，8 個(gè)通道上的加速度計(jì)依次發(fā)生跳變。跳變瞬間，控制機(jī)柜上的LED 燈點(diǎn)亮，軟件運(yùn)行界面對(duì)應(yīng)通道指示燈變亮，同時(shí)記錄跳變瞬間的加速度值。保存時(shí)，根據(jù)設(shè)定的合格范圍，數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分別存入合格區(qū)和不合格區(qū)。加速度計(jì)跳變時(shí)的測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 一組加速度計(jì)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過程中，實(shí)際測(cè)得的檢測(cè)裝置速度控制曲線與實(shí)時(shí)加速度曲線如圖9所示。根據(jù)GJB 1801-1993中的角速率試驗(yàn)方法，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)選取7 個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。由表1 數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差絕對(duì)值優(yōu)于2×10-4，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性優(yōu)于4×10-7，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖9 檢測(cè)裝置實(shí)測(cè)速度、加速度曲線

表1 實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)

4 小結(jié)

與現(xiàn)有過載加速度計(jì)檢測(cè)裝置相比，本檢測(cè)裝置轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確度高、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性好，能提供較高準(zhǔn)確度的加速度，優(yōu)于項(xiàng)目中轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差絕對(duì)值小于4×10-3、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性小于4×10-3的指標(biāo)要求。并根據(jù)項(xiàng)目需求，首次通過集成自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)體轉(zhuǎn)速控制和過載加速度計(jì)輸出信號(hào)采集的一體化，采集結(jié)果準(zhǔn)確直觀，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的保存處理。本檢測(cè)裝置的研制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過載加速度計(jì)的性能檢測(cè)，對(duì)敏感設(shè)備的環(huán)境測(cè)試有著重要意義，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用及深入研究完善。

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