基于Model 1221 的小型加速度測量系統*

朱翼超,高 成,李炎新,陳永廣

(1.解放軍理工大學工程兵工程學院,江蘇 南京210007;2.總裝工程兵科研一所,江蘇 無錫214007;3.江蘇永豐機械有限責任公司,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、沖擊產生的速度、位移等參數。常規的加速度測量裝置主要包括加速度計、電荷放大器、數據采集卡和存儲器等,由于結構復雜、體積大、較重等原因,測量領域受到限制,例如測量小型火箭彈的運動參數時,常規的儀器無法跟蹤火箭進行測量,同時為捕獲火箭點火時脈沖加速度,對系統的信號采樣和數據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 應用的是微機電M EMS(micro-electro-mechanical system)技術[3-5],可用于飛行裝置的加速度以及沖擊振動的測量等。

2 加速度測量系統的總體設計

2.1 系統的硬件設計方案

為滿足加速度測量系統需具備的快速頻響特性和高速數據采集能力,提出了小型加速度測量系統硬件結構設計方案,如圖1 所示。該系統主要包括加速度傳感器芯片及外圍電路、信號調理電路、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:根據實驗要求對系統參數進行設置;將測量結果輸出到計算機以便后期分析與處理。

加速度傳感器的種類根據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電技術為基礎的新型傳感器,包含了微機械電容傳感單元、溫度傳感器、傳感運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等特點。

微處理器LPC 2132 主要起控制、數據采集和傳輸作用,它從芯片級擴展出SPI、I/O、UA RT 等接口。通過選用A RM 7TDM I-S內核芯片加μC/OS-II操作系統[6],極大提高了系統的可靠性和穩定性,降低了系統的開發難度。信號調理電路設計的目的是將傳感器的差分信號轉換成符合LPC 2132 數據采集需要的電壓范圍,同時濾除信號的噪聲。系統選取SD 卡作為數據存儲器的主要原因是SD 卡容量大(最大可達4 GB),訪問接口可即插即用,數據保存功耗低,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理電路,主要實現加速度信號的獲取;另一塊是數據存儲板,主要設有觸發執行電路和SD 卡卡槽。

2.2 系統的軟件設計

系統軟件包括主程序、信號采集子程序、數據存儲子程序,如圖2 所示。數據的存儲可通過2 種方式實現:一種是將SD 卡作為文件系統的存儲介質,由實時操作系統控制;另一種是采用系統命令層函數將數據進行存儲。經過測試表明,前者程序較簡單,SD 卡中數據的讀取可通過PC 機的操作系統直接獲取,但存儲速度較慢;后者存儲速度較快,但SD 卡中的數據需在本系統的硬件電路上讀取,過程較復雜。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的硬件構成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,采用中斷方式進行采樣。程序調試中,采樣速率的選取是軟件設計方案中的關鍵問題,采樣速率過低無法捕捉沖擊脈沖信號;采樣速率過高將與SD 卡的存儲時間性能參數相沖突,這將導致數據的丟失。實驗表明,設計的系統的最佳采樣速率可達到8 kHz。此外,在計算機上采用Visual Basic 語言設計了具有數據的導入、存儲、顯示和處理功能的應用程序。

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

3 加速度測量系統的測試實驗

3.1 系統標定

3.1.1 標定裝置

根據向心加速度原理設計了加速度靜態性能測試裝置,如圖3 所示。系統主要由旋轉電機、旋臂、變頻器、無線觸發裝置和非接觸轉速測試儀等組成。

首先將加速度測量模塊固定在旋臂的一側,使加速度測量系統的敏感軸與旋臂的徑向重合,在旋臂的另一側放置無線觸發裝置,通過調整與電機軸心的距離使旋臂兩側平衡。改變變頻器的電源輸出頻率可調節旋轉電機的旋轉頻率。

圖3 加速度靜態標定實驗示意圖Fig.3 Sketch of testing static acceleration

電機工作時,轉軸帶動旋臂在水平面上旋轉,當轉速穩定在某一恒定值,向心加速度為定值時,無線遙控觸發加速度測量系統開始工作。轉速測試儀測量電機的旋轉周期T[7]。當加速度傳感器距電機軸心的距離為r 時,向心加速度理論值

3.1.2 標定結果

標定結果部分數據如表1 所示,其中理論值a 為測量裝置施加在系統上的標準加速度,實測值U 為系統的輸出電壓,可以看出,系統的靜態性能在測試范圍(-42 ～42)g內線性度較好,未出現飽和現象。

為了使誤差平方和最小,對測量結果采用最小二乘法進行處理和擬合,根據擬合公式,系統的標定曲線方程為

表1 系統靜態標定數據Table 1 Results of testing static acceleration

3.2 沖擊加速度測量實驗

3.2.1 實驗原理

向心加速度測試并不能反映該系統的沖擊響應特性,為此,利用懸掛式沖擊震動模擬平臺對系統的動態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境,根據能量守恒和彈性碰撞原理設計的[8]。本文中采用水平向沖擊實驗,通過對錘重、錘高和墊層厚度等參數的設置,震動平臺的性能指標可達到: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 數據采集系統、揚州無線電二廠生產的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 套系統都能準確測量震動平臺的沖擊加速度,且結果具有可比性,將2 套系統的敏感軸向與震動方向保持一致且安裝位置接近。

3.2.2 實驗結果與分析

根據以上實驗原理和方法開展了相關測試,實驗結果如圖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的測試數據,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。

測試結果表明研制的加速度測量系統的低頻響應(含直流響應)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 論

設計并研制了小型加速度測量系統,分別開展了靜態加速度標定實驗和沖擊加速度比對測試,結果表明該系統在測量范圍內探測的數據準確可靠,動態響應特性較好。該系統體積小、重量輕、安裝方便,可獨立完成對目標加速度的測量,在測試空間受限的領域中具有一定的應用前景。

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