基于LabVIEW的转动惯量测试系统

0　引言

在雷达等自动控制系统中,被控对象的转动惯量是一个重要参量。而被控对象往往是由许多光学、机械零部件、电气元部件组成。由于其复杂的几何形状,很难准确地计算出转动惯量,工程中常需要用测量的方法确定其转动惯量。文中介绍一种装置,采用扭摆法产生振动信号,用A/D卡采集振动信号,应用LabVIEW虚拟仪器软件计算振动系统的阻尼比和固有频率,进而准确计算转动惯量,将计算结果显示在计算机界面上。

转动惯量测试系统主要包括测试系统机械装置、传感器、模拟信号处理电路、A/D采集卡和上位PC机。如图1所示,在垂直轴上装有2根紧固在轴上的螺旋形弹簧,用来产生弹性恢复力矩。在轴的上方应用通用夹具安装各种待测物体。垂直轴与支座之间装有角接触球轴承,可以使摩擦力矩尽可能降低。

将待测物体在水平面内转过一定角度θ后,在弹簧恢复力矩的作用下,物体开始绕垂直轴做往复扭转运动,通过加速度传感器和信号调理模块将扭摆振动转换为电压信号,由12位A/D采集卡和计算机对信号进行模数转换并存入内存;应用LabVIEW软件对信号数据进行处理,最后直接计算出转动惯量,显示在计算机屏幕上。

 2　硬件系统主要环节设计

2·1　传感器和模拟信号处理电路

测试系统选用了YD-12压电加速度传感器,将其固定在摆杆上。压电加速度传感器将振动加速度信号转变为电荷量信号。

模拟信号处理电路原理图如图2所示。模拟信号处理电路包括电荷放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路。电荷放大电路是模拟检测部分的核心,它是具有深度负反馈的高增益电荷放大电路,将传感器产生的电荷信号转化为电压信号。图2的电荷放大电路部分,将压电加速度传感器YD-12产生的电荷量信号放大到-5~+5 V.放大后的模拟信号通过低通滤波电路除去信号中的噪声信号,再通过高通滤波电路除去信号中的直流漂移,经过两级滤波后的模拟信号送给A/D采集卡。

2·2　A /D采集卡

测试系统采用12位USB2821型号采集卡。采集卡的转换器采用ADS774JP,采样频率范围为3 Hz~100 kHz,采用单端32通道、双端16通道的物理通道,采集卡内部设置深度为8 K字、宽度为16位的FIFO存储器,系统的测量精度可以达到0·1%。由于测试系统测试信号频率为5~10 Hz,因此在设计中采集卡A/D模拟量输入量程设置为5 V,采样速度设置5 kHz,通道设置为连续单通道,选择0通道。

3　转动惯量测量原理及其核心算法

一组使差方和Mx最小的特征系数A0、α、ωd、0为系统的特征系数。可以应用差方和对各特征系数的偏导为零的条件直接求解特征系数值,但实际求解过程十分复杂。为此采取软件计算的方法进行求解。处理步骤如下: