新型角加速度传感器的研制毕业设计论文(编辑修改稿)

新型角加速度传感器的研制毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

国内外研究现状及发展趋势 对于旋转系统的旋转角速度，通常只有处于两种状态，一种是稳定状态和另一种不稳定状态也就是俗称的动态。 在众多的种类的旋转控制系统中 ,通常我们期望于系统运行在稳定的状态下 ,因此 ,有效地防止各种外界的干扰是我们保证系统运行在稳态下的基础前提 ,从而快速准确地测处各种动态干扰因素是抑制这些干扰的关 键。 然而对于旋转系统来讲各种动态干扰都会以转轴角加速度体的形式表现出来 , 因而快速准确、有效的测量处转轴系统的旋转机械角加速度是提升系统高精度控制的前提。 目前国内关于旋转机械角加速度测量的方法 ,大致可归纳为两大类方法，直接测量和间接测量。 直接测量法通常使用特殊敏感的器件来直接测量。 间接测量法是以微分电路或者微分算法对角速度信号进行微分处理来得到相应的角加速度。 前者典型代表是一种利用压阻效应来测量的方法 ,如 1995年 Furukawa 等人设计的一种压阻式角加速度传感器 [1],其原理是利用黏贴在两侧的压敏电阻，通 过阻值在加速度产生时随着悬臂梁表面相应张力的变化而进行检 1 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 2 测的。 与其相似的还有压阻式复合惯性加速度传感器 [2],在开环压阻式角加速度传感计的基础上对敏感质量环进行力反馈 ,从而提出了闭环力平衡系统的设计方案。 上面利用压阻效应进行测量的设备其信号的传输上较麻烦和困难。 假若用滑环的形式输出则输出的测量信号不稳定容易受噪声因素干扰 ,如果用无线模式来传递输出信号则又会出现供电出现困难。 1992 年 Godler 和 一些人设计出一种机械光电式角加速度传感器 [3],将角加速度转换成径向位移 ,并利用光栅盘产生的干涉效应检测偏移 量来进行测量。 北京自动化控制仪器研究所的周蜜等人设计出了一种新型的液环式角加速度传感器 [4]。 这种角加速度传感器主要结构由基准板、放大电路以及液环构成，其中液环是核心部分，它由液体腔、液体、电极和转换器元件组成。 液环内的特殊工作液体作为惯性质量相对于转换器件运动时，根据液体的流动导致“转换器件 — 液体”界面处电荷的转移。 通过测量液体流动电势从而可直接得到与角加速度信号相对应的电信号。 哈工大自动化学院的迟晓珠等人提出了一种力平衡压阻式角加速度传感器 [5]，在开环压阻式角加速度计的基础上，他们通过对敏感质量环进行 力反馈的测量，提出闭环力平衡系统的设计方案。 经验证试验验证得出，力平衡压阻式角加速度计具有以下优点测量灵敏度高、阈值相对较小、价格比较低廉、耐冲击能力强等。 除此之外还有利用磁栅或光码盘等装置来测量转速 ,通过一些转化成角加速度的测量方法。 总的来说目前直接来测量叫加速的的设备的结构较复杂 ,而间接来测量叫加速的的方法中对信号的处理比较困难 ,尤其突出的是延迟特性和噪声放大的问题不容易解决 [6]。 基于上述情况 ,本文提出了一种新型的旋转系统机械角加速度的直接测量方法。 且其测量装置结构比较简单，即使用空心杯交流异步测速发 电机 ,通过将测量旋转机械角加速度的测速发电机与被测转轴同轴联接即可 ,在改加直流励磁源的情况下 ,其输出能直接反映出机械角加速度的变化情况 ,可适用于各种旋转系统机械角加速度的测量场合。 理论意义与研究价值 随着科学技术的迅速发展，对于众多运动物体的控制和监控系统中，我们不但需要其角速度信息、角位移信息，更需要系统的角加速度信息。 因此测量各种运动物体的角加速度的传感器相继成功研发并投入生产使用，够成了传感器领域的另一个分支。 起初 ,角加速度传感器应用于国家军事工业上。 在 1940 年，德国南通大学杏林学院毕业设计（论文） 3 研制的 V2 型导弹的制 导控制系统中，就第一次采用了角加速度传感器。 而后，伴随着科学技术的迅速地发展，尤其是自动化控制技术的快速发展，角加速度传感器的应用领域越来越广泛。 当今科学技术发达的国家，如苏联和美国等，都比较注重角加速度传感器的研究工作。 如今的坦克、战舰、战斗飞机、导弹、运载火箭、人造卫星以及航天飞机等运动物体的控制系统中，都大量地应用了角加速度传感器。 如国内的某研究机构研制的炮身增稳系统，在使用了角加速度传感器后，使坦克上的武器装备在颠簸的行驶条件下，其控制精度得了到显著的提升。 在战舰以及飞行器中，同样使用了角加速度传 感器后系统对海浪及气流等造成的稳定性能控制得到了提升，使其系统的稳定性增强，从而有效地控制了飞行器的飞行或战舰的行驶状态 [7]。 角加速度传感器除了应用在控制系统领域中，还广泛地应用在各种检测方面：如飞机的机动性能的测试；车辆工具的启动及刹车性能的测试；以及研究汽车碰撞时对司机以及搭乘者的所经受碰撞冲击情况，则通常将角加速度传感器安装在人的头部或者人身的重要部位；在高精密机械仪器中，通过测量齿轮的角加速度来研究齿轮传动装置的传动系统的平稳性；在探讨汽轮机组和钻机的扭震；检测工作母机上刀具的颤震及断裂 [8]； 甚至在体育事业中也可以采用角加速度传感器，检查运动员的动作以待提高其运动水平。 总之，角加速度传感器在各种行业及领域中有着较为广泛的应用前景，反方面来说目前我国角加速度传感器研究是属于有待进一步发展的分支，近几年来我国在角加速度传感器的发展虽然取得了可喜的进步 ,但是离其实用化、商业化、产业化仍俱有一定的差距 ,角加速度传感器的工艺的稳定性和设计的合理性仍需要产品的不断优化。 比如作为工业支柱的汽车产业中 ,欧美国家已有十余种角加速度传感器投放生产 ,而本国的汽车角加速度传感器市场却非常不景气绝大部分依赖外国进口 ，这也导致本国汽车业深发展得到了阻碍。 这是国内研究者和制造者面临的艰巨任务 ,也是角加速度市场一个良好的发展机会。 本课题研究的主要内容 本文提出了一种新型的旋转系统角加速度的测量方法。 其测量装置结构简单 , 即将测量装置与被测装置同轴联接即可 ,在加有直流励磁的情况下 ,其输出信号能直接反映出旋转机械角加速度的变化情况 ,可适用于旋转系统机械角加速度快南通大学杏林学院毕业设计（论文） 4 速变化的任何测量场合 []。 实现 角加速度系统的测量 ，首先应根据 所要 功能需求进行系统设备的选型配置和系统结构及应用软件设计，及总体设计。 在设计 测量 系统时 ，必须以系统工程的思想进行通盘考虑。 在总体设计的基础上 ， 分布去逐项实现各子 模块。 最终实现测量系统的实时显示，与数据保存及串口通信 []。 本论文主要研究基于 C8051F020MCU 的新型角加速度测量系统的设计，大致共分为六章： 第一章主要介绍了角加速度传感器工程背景、国内外现状及研究价值，并简要地介绍了本课题研究的主要内容； 第二章主要介绍了新型角加速度传感器的基本结构和工作原理； 第三章主要介绍了角加速度的传感器测量系统 的方案论证； 第四章主要介绍了测量系统的硬件设计； 第五章主要介绍了测 量系统的软件设计； 第六章总结与展望； 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 5 第二章 新型角加速度传感器 基本结构和工作原理 电磁式角加速度传感器的测量原理 旋转系统的转矩平衡方程式为 : t3 75 2 ddJdtdnGDTTL  上式中 , 测电机的输出转矩 T。 负载转矩 LT。 dtdnGD3752 为动态转矩。 2GD为飞轮矩。 dtd 为角加速度。 J 为转动惯量。 当系统处于稳定运行状态时 ,原动机的输出转矩与负载转矩相平衡 ,n 为 不变值 ,此时系统无旋转机械角加速，即角加速度为零。 当原动机的输出转矩和负载转矩不等时 ,旋转角加速度随即发生变化 , 从而引起转速的变化 ,系统进入动态运行中。 从上式可以看出 ,对于某一系统而言 ,旋转机械角加速度与转速成正比 , 因此可以由转速的变化来反映旋转角加速度的大小的变化。 根据两者的之间的关系 ,可通过对两个已知值的标定来确定旋转角加速度的实际值的大小。 从上文分析可以得到 , 旋转机械角加速度的测量关键问题在于角加速度的测量。 本文提出的新型角加速度测量方法是通过改变空心杯转子交流异步测发电机运行的励磁条件，从而构成了 测量角加速度的测速发电机 ,实现了对角加速度的实时测量。 如下图 , 两侧的励磁绕组与输出绕组在空间位置上严格严格保持垂直的电角度 , 此电机的励磁绕组以交流励磁时用来测量速度 ,当励磁绕组以直流励磁时则可以用来测量角加速度。 当定子励磁绕组外接频率为f 的恒压交流电源 u， 励磁绕组中有电流流过，在直轴（即轴）上产生以频率 f脉振的磁通。 在转子不动时，脉振磁通在空心杯转子中感应出变压器电势（空心杯转子可以看成有无数根导条的笼式转子，相当于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕组相当于变压器的一次绕组） ，产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场，在转子转动时，转子切割直轴磁通，在杯型转子中感应产生旋转电势，其大小正比于转子转速，并以励磁磁场的脉振频率交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势在杯型转子中产生交流短路电流，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么此短路电流所产生的脉振磁通在空间位置上与输出绕组的轴线一致，因此转子南通大学杏林学院毕业设计（论文） 6 脉振磁场与输出绕组相交链而产生感应电势。 输出绕组感应产生的电势实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压，其大小正比于转速，其频率为励磁电源的频率。 图 空心杯转子交流异步测速发电机 原理图 而当励磁绕组两侧加为直流电源时，会产生恒定不变的电流 1I 通过励磁绕组，竟而产生一个恒定的气隙磁通 1。 当转子转速为零时，输出绕端不会产生感应电势。 当转子以恒定转速旋转 ( n 0)时 ,空心杯转子因切割磁力线从而产生恒定的感应电动势 rE ,同时在 rE 的作用下将产生感应电流 rI ,从而在输出绕组的轴线方向产生一个稳定的磁通 r。 rE 和 rI 与稳定的磁通及旋转速度 n 成正比 ,转子电流 rI 与其产生的磁通 r也成同样的正比关系 ,即 : nU∝∝E∝I∝ 1111r n 因为输出绕组所产生的感应电动势 2U 跟穿过线圈的磁通量的变 化率成正比关系 , 则有 :   112 u∝nd∝∝ r udtdu  南通大学杏林学院毕业设计（论文） 7 从上面两式可以分析得出当转速恒定不变时 ,输出绕组电压 2u 为零。 当转速变化时 ,输出绕组产生的感应电势在励磁不变的情况下与 dtdn 成正比。 结合上述原理图分析可得出 2u 正比于旋转角加速度 ,从而可用此方法来测量旋转系统的旋转角加速度。 其测量系统的结构如图 所示。 图 测量系统的结构示意图 电磁式角加速度传感器的基本结构 一种旋转角加速度传感器，其包括机座，位于前后端盖之间，穿过前端盖和后端盖的转轴轴心，分别置于转轴与前端盖和转轴与后端盖之间有着高速轴承。 还包括： 外定子铁心，外定子铁心与转轴同轴心置于基座内，在外定子铁芯上设有镶嵌输出绕组的绕组槽。 内定子铁心，它置于外定子铁心与转轴之间，和外定子铁心以及转轴同轴心，内定子与外定子之间有间隙，间隙内为气隙磁场 （ 励磁磁场）。 励磁磁场是由外定子铁心上绕组槽内的励磁绕组加上直流恒流源来作为内定外定子铁心之间的磁路的励磁源所形产生的。 外定子铁心上有输出绕组，其置于外定子铁心上的绕组安放槽内，其轴线与气隙磁场的磁轴互相垂直。 杯形转子绕组，杯底装于转轴上，且和转轴同轴心，杯底置于内外定子铁心的气隙磁场之间，且和转轴同轴心。 如下图所示为本旋转角加速度传感器的结构示意图和 AA 面剖视图。 被测旋转系统 连轴机构 测角加速度异步发电机 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 8 图 为电磁式旋转角加速度传感器结构式意图 图 说明： 6（外定子铁心）与 8（内定子铁心）的材料为硅钢片（低磁材料）； 4（构成外定子铁心输出绕组）的材料为电磁漆包线； 2 为高速转轴；构成7（杯形绕组 )的材料为铜导线或铝线；构成 1(转轴 )的材料为不锈钢材料；构成前端盖 3，机座 5，后端盖 9 的材料为铝合金等金属材料。