基于Model 1221 的小型加速度測量系統(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

加速度測量裝置可用來測量晃動、振動以及由振動、沖擊產(chǎn)生的速度、位移等參數(shù)。常規(guī)的加速度測量裝置主要包括加速度計、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和存儲器等,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、較重等原因,測量領(lǐng)域受到限制,例如測量小型火箭彈的運(yùn)動參數(shù)時,常規(guī)的儀器無法跟蹤火箭進(jìn)行測量,同時為捕獲火箭點(diǎn)火時脈沖加速度,對系統(tǒng)的信號采樣和數(shù)據(jù)存儲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的測量等。

2 加速度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

為滿足加速度測量系統(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量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,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、信號調(diào)理電路、微處理器、外部存儲器和電源等。此外,通訊端口主要有2 個功能:根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;將測量結(jié)果輸出到計算機(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)的測量精度。該加速度傳感器能同時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。信號調(diào)理電路設(shè)計的目的是將傳感器的差分信號轉(zhuǎn)換成符合LPC 2132 數(shù)據(jù)采集需要的電壓范圍,同時濾除信號的噪聲。系統(tǒng)選取SD 卡作為數(shù)據(jù)存儲器的主要原因是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,為了縮小尺寸,將PCB 板設(shè)計成上下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調(diào)理電路,主要實(shí)現(xiàn)加速度信號的獲取;另一塊是數(shù)據(jù)存儲板,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

系統(tǒng)軟件包括主程序、信號采集子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序,如圖2 所示。數(shù)據(jù)的存儲可通過2 種方式實(shí)現(xiàn):一種是將SD 卡作為文件系統(tǒng)的存儲介質(zhì),由實(shí)時操作系統(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。經(jīng)過測試表明,前者程序較簡單,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,但存儲速度較慢;后者存儲速度較快,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。由于存儲時間需配合采樣率,具有較高要求,因此,本文中選用后者的存儲方式。

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

在編寫信號采集子程序中,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;采樣速率過高將與SD 卡的存儲時間性能參數(shù)相沖突,這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計的系統(tǒng)的最佳采樣速率可達(dá)到8 kHz。此外,在計算機(jī)上采用Visual Basic 語言設(shè)計了具有數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、存儲、顯示和處理功能的應(yīng)用程序。

圖2 信號采集存儲程序流程圖Fig.2 Flow chart of sampling signal

3 加速度測量系統(tǒng)的測試實(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)計了加速度靜態(tài)性能測試裝置,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)速測試儀等組成。

首先將加速度測量模塊固定在旋臂的一側(cè),使加速度測量系統(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,轉(zhuǎn)軸帶動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,無線遙控觸發(fā)加速度測量系統(tǒng)開始工作。轉(zhuǎn)速測試儀測量電機(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,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 為測量裝置施加在系統(tǒng)上的標(biāo)準(zhǔn)加速度,實(shí)測值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,對測量結(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 沖擊加速度測量實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

向心加速度測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)_擊震動模擬平臺對系統(tǒng)的動態(tài)性能開展沖擊加速度比對測試。該平臺是以擺錘沖擊的方式,模擬爆炸沖擊震動環(huán)境,根據(jù)能量守恒和彈性碰撞原理設(shè)計的[8]。本文中采用水平向沖擊實(shí)驗(yàn),通過對錘重、錘高和墊層厚度等參數(shù)的設(shè)置,震動平臺的性能指標(biāo)可達(dá)到:沖擊加速度峰值(40 ～50)g,作用時間3 ～5 ms。

震動臺上安裝的配套加速度測量裝置是由北京東方震動研究所研制的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)確測量震動平臺的沖擊加速度,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)測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示,所測波形一致性較好。其中圖4(a)為模擬平臺配套測量系統(tǒng)的測試數(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。

測試結(jié)果表明研制的加速度測量系統(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量要求。

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

4 結(jié) 論

設(shè)計并研制了小型加速度測量系統(tǒng),分別開展了靜態(tài)加速度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和沖擊加速度比對測試,結(jié)果表明該系統(tǒng)在測量范圍內(nèi)探測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,動態(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)立完成對目標(biāo)加速度的測量,在測試空間受限的領(lǐng)域中具有一定的應(yīng)用前景。

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