離心式過載加速度計檢測裝置

尹曉麗，常歡，聶振華，于亞云，秦朝俊

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

加速度計在慣性導航與慣性制導測量系統中有著重要應用。典型的加速度計可分為變阻式、變容(感)式、壓電式、電磁(電動)式和伺服式加速度計幾種，其中變阻式加速度計主要有張絲式、應變片式、壓阻式和滑線式。本文的檢測裝置針對某公司生產的過載加速度計設計，其原理類似于滑線式變阻加速度計。

過載加速度計主要用于監測敏感設備運輸過程中的加速度變化。由于加速度變化對敏感設備的性能影響較大，需要嚴格控制過載加速度計是否滿足監測要求。因此，設計一個好的過載加速度計檢測裝置顯得尤為重要。本文針對項目需求，設計了一臺轉速范圍為0 ～150 r/min、轉速相對誤差絕對值小于2×10-4、轉速平穩性優于4×10-7的過載加速度計檢測裝置，該檢測裝置可同時實現對臺體的轉速控制與過載加速度計輸出信號的實時采集。

1 過載加速度計動作原理

被檢測的過載加速度計原理圖如圖1所示。試驗時在簧片開關上并聯一只1 kΩ 的線路測試電阻。

圖1 被檢測的過載加速度計原理圖

過載加速度計的動作原理為:當加速度計受到過量沖擊F 時，其內部質塊在慣性作用下壓縮主彈簧，使擋住塑料滑塊的質塊凸點讓開。在輔助彈簧的作用下，塑料滑塊在滑桿上快速滑動，由它擋住的超閾值紅色警示標志將顯現出來。同時塑料滑塊在定位環前停下并推動簧片開關閉合，因簧片開關上并聯線路測試電阻，此時加速度計輸出的電阻信號由原1 kΩ 變為不大于100 Ω(接觸電阻的影響控制在100 Ω 以內)的導通值，由此輸出超閾值導通信號。通過本文的檢測裝置，實現對該超閾值導通信號的檢測。

2 檢測裝置原理及組成

離心式過載加速度計檢測裝置的工作原理為:通過控制檢測裝置精密轉臺的轉速變化，利用在半徑r處產生的高準確度標準向心加速度，對過載加速度計在其使用量程范圍內進行性能試驗，實現對該加速度計的校準。向心加速度a 與轉速n 的轉換公式如式(1)所示。

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

離心式過載加速度計檢測裝置組成框圖如圖2所示，主要由精密轉臺、穩速控制系統、數據采集與處理系統、安全性監測四個部分組成。

圖2 離心式過載加速度計檢測裝置組成框圖

2.1 精密轉臺

精密轉臺的功能是保證檢測裝置具有高回轉精度，轉動平穩，并有足夠的剛度，主要包括軸系、轉盤、底座和電機。轉臺機械臺體為立式單軸臺面式型式，由三個螺紋式可調水平的支腳支承，并設計有四個手柄便于轉臺的搬運。軸系采用精密機械軸承，轉盤材料選用優質不銹鋼，轉盤上對稱有8 個加速度計安裝工位，可同時對8 個加速度計進行水平和垂直校準。

2.2 穩速控制系統

穩速控制系統用于實現對檢測裝置的轉速控制，主要包括電機驅動器和角度反饋元件。該控制系統為全數字閉環控制系統，內環為PID 數字電流、速度控制環，外環為位置環，以圓光柵編碼器為位置反饋，通過驅動器的數字控制實現高準確度的角速度和角位置控制，檢測裝置的速度控制曲線如圖3所示。

2.3 數據采集與處理系統

數據采集與處理系統實現對加速度計輸出參數的采集與數據處理，主要包括傳輸電壓信號的導電環、加速度計信號采集電路和數據采集與處理軟件。

圖3 檢測裝置速度控制曲線圖

1)加速度計信號采集電路框圖

加速度計信號采集電路框圖如圖4所示。

圖4 加速度計信號采集電路框圖

2)電路工作原理

根據過載加速度計動作原理，當精密轉臺高速旋轉產生的瞬時向心加速度超過加速度計的閾值范圍時，加速度計會發生跳變，輸出電阻瞬間變小，產生超閾值導通信號，可通過圖5所示的比較跟隨電路采集到這個跳變信號。

如圖所示，加速度計輸出電阻與R2 構成分壓電路，在加速度計的閾值范圍內，輸出電阻為1 kΩ，比較運放U1A 正相端電壓V+＞3 V，反相端電壓V-=3 V，運放輸出為高電平，跟隨電路將高電平送至下一級，控制機柜上的LED 不亮;當超出加速度計的閾值范圍時，加速度計發生跳變，輸出電阻變為不大于100 Ω 的值，比較運放U1A 正相端電壓V+＜3 V，反相端電壓V-=3 V，運放輸出為低電平，通過跟隨電路將低電平送至下一級，控制機柜上的LED 變亮，提示加速度計發生跳變。

輸出電壓信號送入單片機的P1 口，工控機通過串口接收P1 口取反后狀態，頭字節AA55，接收頻率為1 s一次，用于后續數據處理部分判斷加速度計的跳變點是否超出正常工作范圍。

圖5 跳變信號采集電路原理圖

3)單片機程序編寫流程

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

圖6 單片機程序編寫流程圖

主函數初始化功能為:設置T1 工作方式為8 位自動重裝定時器、T0 工作方式為16 位自動重裝定時器，設置系統的波特率和定時時間，啟動定時器工作和串口接收，并開啟總中斷和定時器T0 中斷。

4)數據采集與處理軟件

數據采集與處理軟件的功能為:通過LabVIEW 開

2.4 安全性監測

由于檢測裝置運行過程中高速旋轉，為保證操作人員安全，在臺體外側加裝屏蔽保護罩。保護罩上加裝行程傳感器，用于監測保護罩上蓋板是否合上，若未合上則檢測裝置無法上電，防止臺面轉動時發生危險。發軟件采集前述電路中獲取的8 路加速度計信號狀態，利用虛擬指示燈亮滅將該狀態顯示在程序運行界面上，同時實時采集轉臺轉速及加速度，將加速度計發生跳變時的加速度值顯示在程序運行前面板上。數據保存時，根據設定的加速度計合格范圍和跳變時的加速度值進行是否合格的判斷。軟件流程如圖7所示。

圖7 數據采集與處理軟件流程圖

3 測試數據及結果

將合格范圍為3.6 ～4.5 g 的8 個過載加速度計安裝在相應工位上，臺體轉動過程中，8 個通道上的加速度計依次發生跳變。跳變瞬間，控制機柜上的LED 燈點亮，軟件運行界面對應通道指示燈變亮，同時記錄跳變瞬間的加速度值。保存時，根據設定的合格范圍，數據處理軟件自動將對應數據分別存入合格區和不合格區。加速度計跳變時的測試結果如圖8所示。

圖8 一組加速度計測試結果

測試過程中，實際測得的檢測裝置速度控制曲線與實時加速度曲線如圖9所示。根據GJB 1801-1993中的角速率試驗方法，在轉速范圍內選取7 個轉速點進行測量，測量數據如表1所示。由表1 數據可知，轉速相對誤差絕對值優于2×10-4，轉速平穩性優于4×10-7，滿足預期設計要求。

圖9 檢測裝置實測速度、加速度曲線

表1 實際轉速測量數據

4 小結

與現有過載加速度計檢測裝置相比，本檢測裝置轉速準確度高、轉速平穩性好，能提供較高準確度的加速度，優于項目中轉速相對誤差絕對值小于4×10-3、轉速平穩性小于4×10-3的指標要求。并根據項目需求，首次通過集成自動化的數據采集與處理系統，實現臺體轉速控制和過載加速度計輸出信號采集的一體化，采集結果準確直觀，并對采集數據進行了相應的保存處理。本檢測裝置的研制，實現了對過載加速度計的性能檢測，對敏感設備的環境測試有著重要意義，值得進一步推廣應用及深入研究完善。

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