新型角加速度测量系统及其在旋转机械中的应用

嘉兴学院南湖学院，浙江嘉兴 314001

一、引言

随着科学技术的不断进步和生产发展的各种需要，角加速度测量技术在工业、航空航天、农业、军事等多个领域获得了广泛的应用[1-2]。例如汽车上安装的翻车抑制装置，需要时刻检测车身的倾角角加速度，来判断是否需要采取安全措施[3]；在飞弹控制系统设计中，利用角加速度传感器组成的捷联惯导控制系统，可用于控制导弹的飞行状态[4]；在新型小卫星姿态控制技术中，可采用角加速度传感器来测量小卫星的高姿态抖动[5]；采用角加速度传感器来检测硬盘的转动冲击和振动，并将检测到的信号作为前馈控制，可以使硬盘的信息读取过程对转动冲击和振动更具有鲁棒性[6]。

目前常用的角加速度测量系统，机械测量平台多为单一旋转机械，更换旋转机械时，由于尺寸的差别容易造成系统不同心，需要重新加工相应支架，以保证整个旋转机械系统转轴的同心度。且由于被测旋转机械转轴长度的不同，角加速度传感器的安装位置也需要调节，存在成本高和适应性差等不足。此外，对于角加速度信息的传输，目前多采用有线传输的方式工作，即通过数据传输线将角加速度测量信息输送至上位机并进行处理，对于需要长距离传输角加速度信息的场合，存在成本高、适应性差和线路维护困难等不足。

为了解决上述问题，本文设计了一种新型角加速度测量系统，包括机械测量平台及信号处理模块。通过调节机械测量平台中的升降支架和三维滑台，可以实现被测旋转机械与传感器的高度同心；将采集到的信号数据通过无线收发模块传输至PC端，再经由信号处理和显示模块直接读取角加速度数据，克服了传统有线传输方式的缺陷，使得安装操作更加简便。

二、角加速度测量系统的组成

1、机械测量平台

角加速度测量系统的机械测量平台如图1所示，包括平台底座、磁粉制动器、磁粉控制器、被测旋转机械、可升降支架、刚性联轴器、角加速度传感器、三维滑台和电源接口。

其中测量平台的底座设有安装孔，磁粉制动器、可升降支架和三维滑台，通过安装孔固定在平台底座上。被测旋转机械固定在可升降支架上，磁粉制动器通过刚性联轴器与被测旋转机械同心连接，角加速度传感器固定在三维滑台的台面上，被测旋转机械与角加速度传感器通过刚性联轴器连接。磁粉控制器输出端子与磁粉制动器的输入端子连接，磁粉控制器和被测旋转机械电源线与电源接口连接。

当需要更换被测旋转机械时，将原有被测旋转机械与磁粉制动器、以及角加速度传感器的刚性联轴器松开，然后调节角加速度传感器所在三维滑台的轴向调节旋钮，使得角加速度传感器在轴向远离被测旋转机械系统，再将被测旋转机械从可升降支架上拆除。将现需测量的旋转机械安装在可升降支架上，并调节可升降支架的高度，保证被测旋转机械与磁粉制动器同心，然后调节三维滑台的轴向调节旋钮，使得角加速度传感器在轴向贴近被测旋转机械系统，再调节三维滑台的径向和横向调节旋钮，保证角加速度传感器与被测旋转机械系统同轴心，最后将各个刚性联轴器拧紧即可。

2、信号处理模块

信号处理模块包括无线发射电路、无线接收电路、信号采集电路、以及基于LabView的可视化联机软件。

无线发射电路模块的振荡器采用声表器件，如图2所示，其中IN端口为角加速度信号输入端，与角加速度传感器输出端连接；SAW为声表器件；ANT为天线发射端，用于将角加速度信息以无线的方式向外发射。

无线接收电路如图3所示，由美国Micrel公司生产的MICRF002单片集成芯片及外围电路构成，工作芯片为美国Micrel公司生产的MICRF002，用于无线信号的接收和解调。其中ANT为天线接收端，用于接收无线发射的角加速度信息；OUT端口为角加速度信号输出端，与信号采集卡的输出端口连接。

信号采集电路采用基于USB的信号采集卡，USB采集卡采用USB通信协议，无需匹配波特率，大大提高了工作效率，更重要的是完全实现了自动化，无需再人工干预。

为了充分利用计算机资源，采用虚拟实验室LabView技术，运用特定的算法、通信协议及控制技术，使硬件设备和上位机按照程序设定的流程，完成角加速度测量数据的解析与计算、波形显示与表格导出、传感器校正、曲线拟合与线性关系、傅里叶分析和波形回放等功能，通过对不同模块即子VI的调用可以实现各自不同的功能。

系统首先通过初始化模块对串口进行设置，然后向下位机发送握手指令，如果指令错误，则弹窗提示握手失败重新进行握手，如果指令正确则进入系统进行功能选择；当进入模拟量采集时，首先要发送指令到下位机进行通知，并同时发送采集时间及采集速度设置指令，然后下位机开始进入模拟量传感器数据采集状态。

三、旋转机械角加速度测量实验

旋转机械的角加速度测试实验系统如图4所示，旋转机械转轴的一端通过刚性联轴器与传动设备相连，多为齿轮箱减速器，传动设备再通过刚性联轴器与机械负载连接，实验时多采用磁粉制动器，其负载大小可以通过控制电流来调节；旋转机械转轴的另一端通过刚性联轴器与研制的角加速度传感器连接，传感器的输出电信号通过信号采集电路传送至上位机，通过研制的基于LabView的可视化联机软件进行数据处理和分析。

系统工作时，首先按照图4连接好整个角加速度测量系统，注意与角加速度传感器连接的联轴器为刚性，尽量不要采用带有硬质塑料的十字梅花联轴器；然后调节负载的控制电流为零，即系统处用空载状态，接通旋转机械（单相异步电动机）的电源，旋转机械开始运行，调节负载的控制电流，同时观测旋转机械的工作电流和电压，保证旋转机械基本工作在额定状态；最后打开基于LabView的信号采集与处理实验平台，接收信号采集卡传送的旋转机械角加速度信息，同时将角加速度数据保存，拟合旋转机械的角加速度响应曲线，并对测量数据进行频谱分析，实验结果如图5所示。

由实验结果可知，本文设计的角加速度测量系统，能够对旋转机械的角加速度情况进行实时的监测和分析。

四、结束语

本文设计的新型角加速度测量系统，通过可升降支架和三维滑台的调节，能够快捷、方便地实现系统中各转轴的同心，具有成本低廉、适用性好和维护方便等优点；除此之外还综合了无线传输和虚拟仪器技术，与传统的角加速度测量系统相比，该系统灵活可调，结构简单，在降低成本的同时还增加了应用的便利性。