【正文】 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目 新型角加速度傳感器的研制 作 者 ： 李從勇 專 業(yè) ： 自動化（工業(yè)電氣自動化） 指導(dǎo)教師 ： 張 齊 完成日期 ： 20xx 年 6 月 南通大學(xué)杏林學(xué)院 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。參 與同一工作的其他同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽 名： 日 期： 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解南通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。 （ 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 ） 學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 南通大學(xué)杏 林學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 學(xué)生姓名 李從勇 學(xué) 號 0812043035 專業(yè) 自動化 課題名稱 國內(nèi)文獻 15 篇 閱讀文獻 情 況 國內(nèi)文獻 15 篇 開題日期 20xx3 國外文獻 2 篇 開題地點 南通大學(xué)主校區(qū) 11504 文獻綜述與調(diào)研報告：（闡述課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，本課題研究的意義和價值、參考文獻） 研究背景： 在很多運動物體的控制，監(jiān)測及導(dǎo)航中，不急需要角速度的信息，更需要角加速度的信息。角加速度計還可以用于人體運動及關(guān)節(jié)動力學(xué)的分析、虛擬現(xiàn)實、石油勘探、地震監(jiān) 測等領(lǐng)域。國外已經(jīng)出現(xiàn)用一個角加速度計和兩個線加速度計組成慣導(dǎo)方案，以替代陀螺，降低成本和提高精度。角加速度傳感器，除應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，還大量地應(yīng)用在測試方面，如飛機的機動性能測試，交通工具的啟動及剎車性能的測試。在研究汽車碰撞時對駕駛員及乘客的沖擊情況，則常將傳感器裝在頭部或人身上的所要關(guān)心的部位。在精密機械設(shè)備中，通過測量齒輪的角加速度來研究齒輪傳動裝置的傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性，研究汽輪機組及鉆機的扭震，檢測工作母機上刀具的顫振及斷裂 [1]。角加速度測量代替原來通過幾個線加速度信號的合成來求取。也有通過流動電 勢原理來制作的直接測量旋轉(zhuǎn)角加速度的液環(huán)式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器，但實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，精度較低?？傊?，角加速度傳感器在多種行業(yè)及領(lǐng)域中有較為廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)當(dāng)說目前角加速度傳感器是屬于有待進一步發(fā)展的分支，尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需要 []。 課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢： 測量角加速度的方法，從原理上講可以是多種多樣的，如純機械式的、電磁機械式的、物理的、化學(xué)的、光學(xué)的甚至放射線式的等等，而每種方法都可以制成不同結(jié)構(gòu)及性能的角加速度傳感器。 按照測量對象分，角加速計可分為 x 及 Y 兩大類 。 x 類是指測 量某一個旋轉(zhuǎn)物體的相對角加速度信息的，這類角加度傳感器的特點是；從結(jié)構(gòu)上看，它可以嚴(yán)格地分成兩個組成部分，其中之一是安裝在參考物體 ( 選為參考點 )上，而另一部分則是安裝在作旋轉(zhuǎn)運動的被測物體上。而 Y 類角加速度傳感器則是測量旋轉(zhuǎn)物體相對于絕對空間 ( 慣性空間為參點 ) 角加速度信息，此類傳感器直接安裝在被測物體上。因此 x 及 Y 類角加速度傳感器的根本區(qū)別體現(xiàn)在參考點的選取上。按照測量方法分類，角加速度計可分成直接測量法和間接測量法。 直接測量法就是直接測量角加速度數(shù)值，間接測量法采用微分電路或微分計算算法對角速度 信號進行微分處理來得到角加速度。 在間接測量法中，角加速度可以對角位移或角速度信號進行模擬或數(shù)字微分電路后處理來得到。對微分器有兩個重要的要求，即它們必須有足夠的噪聲衰減和足夠短的延遲特性。在實時控制或保護性監(jiān)控應(yīng)用中，延遲特性是極為重要的，在這些應(yīng)用中系統(tǒng)要求對參考信號或反新型角加速度傳感器的研制 饋信號有足夠短的響應(yīng)時問。然而，微分過程固有的噪聲放大特性要求在信號處理之前，需要對噪聲信號進行高頻噪聲濾波處理。當(dāng)噪聲信號和原始信號的帶寬完全分開時，僅僅噪聲衰減是容易做到的。如果對這種噪聲衰減過程所帶來的時間延遲有嚴(yán)格的時問 限制 ( 如在實時控制或監(jiān)控應(yīng)用中 )，這個過程會變得更為困難間接加速度測量方法中令人頭痛的噪聲放大問題驅(qū)使人們尋找直接的角加速度測量方法 [4]。 1992 年， Godler 等人報導(dǎo)了一種角加速度傳感器 [5] ，這種角加速度傳感器能單獨檢測角加速度信息，而不依賴角速度信號，并且該加速度計對載體的旋轉(zhuǎn)角度沒有限制。這種角加速度傳感器采用機械光電傳感裝置感應(yīng)角加速度，并用于機器人裝置的電機控制和振動控制。它的結(jié)構(gòu)中包括一對圓盤，其中一個圓盤上的彈性元件將角加速度轉(zhuǎn)變成徑向位移，利用非接觸式光學(xué)拾取裝置檢測位移 量。最后采用濾波裝置濾去由于彈性盤振動所造成的高頻噪聲。與間接測量方法相比，這種傳感器的優(yōu)點是它的輸出濾波器的帶寬可以做得比微分器噪聲衰減裝置的要寬得多。 1995 年， RaidLassow 等人報導(dǎo)了一種采用鐵磁性無定形線制作的角加速度 [12]。在這種角加速度計中，高磁阻無定形線具有磁應(yīng)力效應(yīng)。當(dāng)慣性質(zhì)量體引起無定形線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時，在無定形線的端部會產(chǎn)生由外界輸入角加速度調(diào)制的 Maaeucci 電壓，通過對 Maaeucci 電壓進行處理就能得到外界輸入的角加速度數(shù)值。角加速度計中有一個 啞鈴狀的慣性質(zhì)量塊其質(zhì)量大部分分布在邊緣以提高轉(zhuǎn)動慣量，質(zhì)量塊通過兩端的兩個無定形磁彈性線與殼體形成聯(lián)結(jié)。當(dāng)殼體沿著無定形磁彈性線有角加速度輸入的時候，無定形磁彈性線就會發(fā)生扭曲變形，進而在線的兩端就會產(chǎn)生 Matteucci 電壓。 這種利用無定形磁彈性線制作的角加速度計成本低，可靠性高。它的高彈性強度及彈性模量，并結(jié)合高的抗腐蝕特性，使得這種角加速度計適合工作在惡劣的工作環(huán)境下。這種角加速度計的分辨率為 33rads／ s，由于系統(tǒng)的共振頻率較低，因此該角加速度計的不能得到較大的帶寬。 1998 年，德國 研究人員 AngelikaTaubner 等人報導(dǎo)了采用柵干涉原理來測量角加速度、角速度和角位移。它們開發(fā)了兩種柵干涉儀：一種基于 homodyne 技術(shù)，另外一種基于 heterodyne 技術(shù)。研究表明，結(jié)合運用于平移激光干涉儀中的信號處理方法，可以通過精密的測量和標(biāo)定來確定旋轉(zhuǎn)運動量。理論分析及試驗結(jié)果表明，衍射光柵干涉儀可以用來測量轉(zhuǎn)動參數(shù)，如角加速度、角速度和旋轉(zhuǎn)角。角加速度計或加速度計的幅值誤差量在 ％ 。 上海交通大學(xué)的陸愛珍等人報道了一種液浮飛輪式精密角加速度計 []。這種角加速度計 的傳感部分由飛輪浮子、角度傳感器、力矩器、支承部件、浮液溫控裝置、導(dǎo)電游絲和密封殼體等部件組成。在質(zhì)量均勻分布的浮子飛輪的兩端分別裝有角度傳感器和力矩器的動圈，并用寶石墊和球形軸尖支承于壓電激振支承中，液浮裝置可以減小支承的摩擦力。當(dāng)殼體受到水平線加速度時，慣性力不會使飛輪相對殼體有角位移，角度傳感器的輸出為零。當(dāng)殼體受到角加速度 作用時，飛輪的慣性矩使飛輪相對殼體轉(zhuǎn)動角，于是一端的角度傳感器就是信號輸出。信號大小和轉(zhuǎn)角口成正比，即正比于。這一信號經(jīng)過放大、濾波、解調(diào)、功放后形成一個與成正比的電流 f 加到位于 飛輪浮子另一端的力矩器中，產(chǎn)生一個與慣性矩相反的恢復(fù)力矩使飛輪回 復(fù)到零位附近，這時慣性力矩和恢復(fù)力矩平衡，信號電流 f 的大小即與被測的角加速度成正比。 北京自動控制設(shè)備研究所的周蜜等人研究了一種新型的液環(huán)式角加速度計 [8] 。這種角加速度計主要由基準(zhǔn)板、放大電 路及液環(huán)構(gòu)成，其中液環(huán)是核心部分，它由液體腔、液體、電極和轉(zhuǎn)換器件組成。液環(huán)內(nèi)的特殊工作液體作為慣性質(zhì)量相對于轉(zhuǎn)換器件運動時，因液體的流動導(dǎo)致 “轉(zhuǎn)換器件 — 液體”界面處電荷的轉(zhuǎn)移。通過測量液體流動電勢便可直接得到與角加速度信號相對應(yīng)的電信號。 哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院的遲曉珠等人提出了一種力平衡壓阻式角加速度傳感器 [9]，在開環(huán)壓阻式角加速度計的基礎(chǔ)上，他們對敏感質(zhì)量環(huán)進行力反饋，提出閉環(huán)力平衡系統(tǒng)的設(shè)計方案。經(jīng)試驗驗證，力平衡壓阻式角加速度計具有靈敏度高、閾值小、成本低、抗沖擊能力好等優(yōu)點。 單片機的英文名稱是 Micro Controller unit,縮寫為 MCU，又稱為微控制器，它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片。它具有功能強、體積小、可靠性高、應(yīng)用簡單靈活，因而使用非常廣泛，有力地推動各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和更新?lián)Q代 [10]。 單片機接收 A/D 轉(zhuǎn)換后的信號 ,單片機根據(jù)外部中斷 ,以及內(nèi)部定時器進行記數(shù)計算出電機轉(zhuǎn)速送到顯示器，同時數(shù)據(jù)傳給 PC 機 [13],并在 PC 機屏幕上顯示出來。記錄各時段的轉(zhuǎn)速變化，畫出曲線圖。 根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及單片機硬件電路設(shè)計思路對單片機模塊進行設(shè)計 [11]，要使單片機準(zhǔn)確顯示出來，所以整個單片機部分分為傳感器電路、時鐘電路、復(fù)位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個部分使用 protel 進行畫圖。 理論意義與研究價值： 本課題研究實用新型的一種旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器，以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，構(gòu)成電磁式測量角加速度 傳感器 [12]。傳感器的轉(zhuǎn)軸和被測系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸同軸安裝，直接把旋轉(zhuǎn)軸上旋轉(zhuǎn)角加速度轉(zhuǎn)換成電信號輸出，輸出的電信號與旋轉(zhuǎn)角加速度直接對應(yīng)，因此測量精度較高，而且，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便 [13]。 參考文獻： [1]吳校生，陳文元 . 角加速度計發(fā)展綜述 [J]. 上海交通大學(xué) , 20xx [2]馮浩 .永磁式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器 [P].中國專利： [3]馮浩 .電磁式旋轉(zhuǎn)角加速度傳感器 [P].中國專利： [4]張廷錄．壓電角加速度計在轉(zhuǎn)臺控制中的應(yīng)用 [J]．自動化技術(shù)與應(yīng)用 ， 20xx， 19(5)： 24— 26 [5] Godler Akahnae A， Ohnishi K， et a1． A novel rotary acceleration sensor[J] ． IEEE ControlSyst． Mag．， 1995， l5(1)： 56— 60． [6]陸愛珍，林明邦，鄒桂根 .一種新的精密角加速度計 [J]．中國慣性技術(shù)學(xué)報 ， 1991(2)： 87— 92． [7]鄒桂根，林明邦．液浮飛輪式角加速度計的研制 [J]．上海交通大學(xué)學(xué)報， 1995,29(2)： 135— 141． [8]周蜜，吳向榮，洪峰．一種新型的角加速度傳感器 [J]．航天控制 ， 1999(2)： 51— 54 [9]遲曉珠，金鴻章，王勁松．力平衡角加速度傳感器的研究 [J]．儀器儀表學(xué)報 ， 20xx， 24(4)：23— 26． [10]張有德 .單片微機原理 [M].上海 :復(fù)旦大學(xué)出版社， 1997， 8 Magics,1995 [11]何立民 .單片機應(yīng)用技術(shù)選編 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1997， 10 [12]Lassowr Meydan angular accelerometer 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