一种高精度转轴角加速度的测量方法

　　1　引　言

　　角加速分为2种,倾角的角加速度和轴转动的角加速度。在应用上前者比较广泛,他主要用于物体运动状态的控制和检测,比如这类角加速度传感器广泛 应用于超音速飞行器中,除此之外,也被卫星、飞机、军舰、战略导弹、火箭以及火炮等广泛地采用,这种角加速度传感器的技术相对来说比较成熟。而后者轴转动 的角加速度却没有得到充分的重视,随着工业测控技术的发展,测量轴转动角加速度的需求愈来愈多。这种角加速度能反映轴转动时角振动的状态,可以分析轴转动 的平稳性,能够检测到各种激励对轴的响应情况。

　　目前在国内成型的转轴角加速度测量产品不多,这方面的技术还不成熟。究其主要原因是转轴一般是高速转动的旋转体,转速高,瞬时角加速度的测量必 须要在很短时间内不断地对瞬时转速信号采样,而且要求非接触测量。这样对测量系统的硬件和软件要求很高,在实现上存在一定难度。本文将从原理、结构上阐述 一种理论简单、方便实现的基于微计算机的轴转动角加速度(角加速度)测量系统。

　　2　角加速度测量系统的组成

　　角加速度测量系统的主要构成有:安装在转轴上与转轴有良好同轴度的齿轮圆盘,频率响应特性好的转速传感器,1个AVR8535单片机,1个 LCD显示器动态显示角加速度和角加速度波形。其中齿轮圆盘的作用是轴转动时齿轮改变转速传感器处的磁阻,使磁电式传感器输出大小不断变化近似于正弦波的 电信号。转速传感器带整形电路,其输出是周期不规则的方波信号。AVR8535单片机作为测量系统和显示系统的控制单元。

　　3　角加速度测量系统的测量机理

　　3.1　角加速度测量系统的数学模型

　　设转轴上齿轮圆盘的齿轮分布均匀,其齿数为N,每两个相邻齿间的角度差为θ=2π/N,设第i到i+1齿之间所用的时间为ΔTi,设第i+ 1到i+ 2齿之间所用的时间为ΔTi+1,在ΔTi期间飞轮的转动角速度为ω1=θ/ΔTi,在ΔTi+1期间飞轮的转动角速度为ω2=θ/ΔTi+1,则飞轮在 这段时间的平均角加速度为:

　　3.2　角加速度测量系统的电路原理

　　在这里,ΔTi的获得是这套角加速度测量仪能否成功的关键。用单片机的计数器来完成ΔTi的获得,采用AVR8535型单片机的计数器T/C1 可以方便地测得ΔTi。AVR8535单片机是8位高速单片机,具有高速性和超功能精简指令。他每个时钟周期执行一条指令,当主频选用8 MHz时,大

多数指令仅需要125 ns。AVR采用Harvard结构的存储器结构,对程序和数据存储使用不同的存储器和总线,具有预取指令功能。同时具有32个通用寄存器,均可作累加 器,克服了单一累加器造成的瓶颈现象,另外还有512 B的SRAM,这样可灵活使用指令寻址运算,提高了单片机的数据处理能力和速度。