基于紅外反射傳感器的三線擺周期測(cè)量裝置

石明吉，秦佳瓊，李豪博，洪 倩，楊雪冰

(南陽(yáng)理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004)

獲取精確的汽車零部件總成慣性參量是進(jìn)行汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及其隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ). 汽車零部件慣性參量由質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積組成，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的識(shí)別尤為重要[1]. 質(zhì)量分布均勻、形狀規(guī)則的零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以計(jì)算得到，對(duì)質(zhì)量分布不均勻和形狀不規(guī)則的零部件，只能實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到. 三線擺法是實(shí)驗(yàn)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的常見方法[2]. 運(yùn)用三線擺測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，需要?jiǎng)討B(tài)測(cè)量的重要的參量是轉(zhuǎn)動(dòng)周期. 測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)周期的傳統(tǒng)方法是采用人工計(jì)數(shù)和秒表進(jìn)行測(cè)量，一般要測(cè)試3次，每次測(cè)量30～50個(gè)周期的總時(shí)間，然后取平均得到單個(gè)周期. 人工計(jì)數(shù)容易出錯(cuò)，并且周期測(cè)量一旦出錯(cuò)，后期無(wú)法糾正，只能重測(cè)[3]. 為了解決人工計(jì)數(shù)的弊端，利用光電傳感器、角速度傳感器、單片機(jī)、手機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)計(jì)了多種三線擺周期測(cè)量裝置[4-6]. 這些測(cè)量裝置的共同特點(diǎn)是通過計(jì)數(shù)計(jì)時(shí). 由于在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，圓盤在水平面內(nèi)逐漸發(fā)生輕微的橫擺，很容易導(dǎo)致計(jì)數(shù)漏記1次[1]. 此外，采用光電傳感器測(cè)量的弊端是儀器調(diào)整比較麻煩. 因此，有必要設(shè)計(jì)三線擺周期測(cè)量裝置，以確保周期測(cè)量準(zhǔn)確性. 應(yīng)用紅外反射傳感器可以將三線擺下盤的扭擺轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的振蕩，然后利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得三線擺下盤轉(zhuǎn)動(dòng)情況的時(shí)間歷程信號(hào)，通過數(shù)據(jù)分析可以準(zhǔn)確得到三線擺的扭擺周期.

1 測(cè)量原理

紅外線反射傳感器利用紅外線反射的原理，根據(jù)反射的強(qiáng)度判斷前方有無(wú)障礙. TCRT5000是比較常用的紅外反射傳感器，傳感器的紅外二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)傳感器輸出的是高電平；被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)傳感器輸出低電平[7].

如果將TCRT5000豎直朝下固定在三線擺下盤邊緣處擋光桿的上方，距離在檢查距離的范圍之內(nèi)，當(dāng)三線擺扭擺時(shí)，擋光桿與TCRT5000之間的距離發(fā)生周期性變化，反光情況也發(fā)生周期性變化，TCRT5000輸出的電壓也隨時(shí)間發(fā)生周期性變化. 由于三線擺扭擺時(shí)，1個(gè)周期內(nèi)經(jīng)過平衡位置2次，所以，TCRT5000的輸出電壓隨時(shí)間變化的周期是三線擺扭擺周期的一半. 利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集TCRT5000輸出電壓隨時(shí)間的變化，經(jīng)處理得到TCRT5000輸出電壓變化的周期，進(jìn)而求出三線擺扭擺的周期.

2 實(shí) 驗(yàn)

調(diào)整三線擺底座水平，調(diào)整懸線的長(zhǎng)度使下盤水平. 測(cè)量上盤懸線孔間距a、下盤懸線孔間距b、上下盤之間的高度差H，讀出下盤的質(zhì)量M，并記錄. 如圖1所示，利用鐵架臺(tái)將TCRT5000紅外反射傳感器固定在三線擺下盤邊緣處擋光桿的上方. 將紅外反射傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路的輸入通道相連，利用穩(wěn)壓穩(wěn)流電源給TCRT5000提供5 V電壓. 將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出端經(jīng)USB口與電腦相連. 電腦上安裝有上位機(jī)軟件. 打開界面，設(shè)置采集時(shí)間間隔為0.001 s，采集時(shí)間為15 s. 利用上盤帶動(dòng)下盤做小角度扭擺，適當(dāng)調(diào)整，令TCRT5000感應(yīng)頭與擋光桿距離為5 mm. 當(dāng)三線擺扭擺時(shí)，擋光桿周期性掃過紅外反射傳感器下方，擋光桿對(duì)紅外線的反射作用使TCRT5000傳感器輸出的電壓發(fā)生周期性變化. 啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并將采集到的數(shù)據(jù)以Excel格式保存到電腦中.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為與現(xiàn)有儀器比較，相同條件下利用DH4601型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置周期數(shù)為30. 調(diào)整光電門的位置，利用上盤帶動(dòng)下盤作小幅扭擺，盡量避免橫擺或晃動(dòng)，扭擺的轉(zhuǎn)角控制在5°以內(nèi). 按下DH4601型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀的執(zhí)行鍵開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束后，記下DH4601顯示的30個(gè)周期的總時(shí)間.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)

代入數(shù)據(jù)后，得出三線擺下盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的理論值為J理論=4.803×10-3kg·m2.

3.1 DH4601型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果

DH4601型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀測(cè)量30個(gè)周期的總時(shí)間為40.39 s，得到三線擺扭擺周期為1.346 s. 根據(jù)三線擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)公式[9]:

(2)

代入數(shù)據(jù)后，可以計(jì)算出三線擺下盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J實(shí)=4.780×10-3kg·m2，與理論值相比，Er=0.48%.

3.2 基于紅外反射傳感器的三線擺周期測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果

將基于紅外反射傳感器的三線擺周期測(cè)量裝置生成的的Excel數(shù)據(jù)用Origin7.5軟件畫圖，得到TCRT5000輸出的電壓與時(shí)間的關(guān)系，如圖2所示.

圖2 紅外反射傳感器輸出的電壓與時(shí)間的關(guān)系

圖2顯示，紅外反射傳感器輸出電壓隨時(shí)間周期性出現(xiàn)“平頂寬峰-峽谷-平頂窄峰-峽谷…”，這個(gè)周期與三線擺的扭擺周期相關(guān). 結(jié)合TCRT5000輸出特性，分析可知：平頂寬峰和平頂窄峰出現(xiàn)時(shí)，擋光棒反光效果較差，說明擋光棒離開了紅外反射傳感器；峽谷出現(xiàn)時(shí)，擋光棒反光效果較好，說明擋光棒在紅外反射傳感器下方附近. 三線擺做小角度扭擺時(shí)，擋光棒近似做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng). 平頂寬峰的時(shí)間比平頂窄峰時(shí)間長(zhǎng)，說明紅外反射傳感器不在擋光棒運(yùn)動(dòng)的平衡位置. 峽谷時(shí)間較短，說明擋光棒比較細(xì)且經(jīng)過紅外反射傳感器時(shí)的速率較大. 在平頂寬峰和平頂窄峰處有許多隨機(jī)出現(xiàn)的毛刺信號(hào)，但是它們的頻率與三線擺的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān). 采用合適的數(shù)據(jù)處理方法可以求得三線擺扭擺的周期.

為了將不同頻率的成分分開，可以進(jìn)行快速傅里葉變換. 為了消除直流成分的干擾，首先，利用Origin7.5軟件calculus下的integrate功能計(jì)算圖2中曲線與橫軸圍成的面積，得到總面積是63.194 205，用它除以15后得到平均值為4.213 V. 將圖2中數(shù)據(jù)統(tǒng)一減去4.213，將曲線下拉成幅度關(guān)于橫軸大體對(duì)稱，即中心電壓下拉為0的位置，如圖3所示.

圖3 中心電壓為0時(shí)的曲線

從圖3可見，中心電壓下拉為0后，曲線整體相當(dāng)于交流信號(hào). 消除了直流成分的影響后便可以直接進(jìn)行傅里葉變換，以便將不同頻率的信號(hào)分開. 利用Origin7.5軟件的FFT功能對(duì)圖3進(jìn)行快速傅里葉變換，結(jié)果如圖4所示.

圖4 傅里葉變換結(jié)果

圖4中，可以觀察到11個(gè)比較明顯的峰，其中，第1個(gè)峰強(qiáng)度最大，它應(yīng)該是三線擺的扭擺造成的，里面蘊(yùn)含著三線擺扭擺周期的信息. 第3，5，7，9，10個(gè)峰分別是第1個(gè)峰的2，3，4，5，6倍頻. 第2，4，6，8，11個(gè)峰代表其他運(yùn)動(dòng)形式.

圖5 傅里葉變換結(jié)果局部放大圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在下盤邊緣固定擋光棒，利用固定在擋光棒上方的紅外反射傳感器檢測(cè)擋光棒的反光情況，進(jìn)而得到下盤的扭擺情況；當(dāng)三線擺作小角度扭擺時(shí)，擋光棒近似做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，擋光棒與紅外反射傳感器之間的距離也周期性變化，紅外反射傳感器輸出的電壓信號(hào)也隨時(shí)間周期性變化且周期的2倍就是三線擺的扭擺周期. 由于紅外反射傳感器輸出的電壓信號(hào)中還包含其他的高頻信號(hào)，為了準(zhǔn)確得到三線擺的扭擺周期，利用快速傅里葉變換處理數(shù)據(jù). 傅里葉變換可以將不同頻率的信號(hào)分開，它可以消除高頻信號(hào)的影響. 基于紅外反射傳感器的三線擺周期測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，可以配以合適的數(shù)據(jù)處理方法測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.