【正文】 南通大學杏林學院 2020 年 6 月 題目 ： 新型角加速度傳感器的研制 姓 名： 李 從 勇 指導教師： 張 齊 專 業(yè)： 自動 化（工業(yè)電氣自動化） 南通大學杏林學院畢業(yè)設計（論文） 摘 要 轉(zhuǎn)軸角加速度是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動時的一項重要參數(shù) ,旋轉(zhuǎn)體的角加速度在實踐中有著廣泛和重要的應用。 6 月 10 日前 畢 業(yè) 論 文定稿 － 準備和進行畢業(yè)論文答辯。 中期答辯 LCD 顯示 角加速度 傳感器 放大電路 C8051F020 MCU mcu USB串口 數(shù)據(jù)存 儲 5. 23－ 撰寫畢業(yè)論文（設計說明書）。 3 月 22 日上交 － 設計規(guī)劃方案。 進度計劃 起訖日期 工作內(nèi)容 備注 － 查閱中外 參考文獻，翻譯一份英文資料。 翻譯資料。 五 本課題必須完成的任務 能夠設計出新型角加速度的的測量傳感器及其電路。 需解決的關(guān)鍵問題有： ① 使角加速度傳感器有信號輸出； ② 使單片機獲得信號，計算出值并存儲； ③ 通過 LCD 把測量的數(shù)據(jù)顯示出來； ④ 通過通信使得 PC 機與單片機之間的通信成功； 三 課題的研究方法、技術(shù)路線 課題研究方法： 本課題采用軟硬件研究相結(jié)合的方法。 研究目標： 以電磁感應原理為基礎，構(gòu)成電磁式測量角加速度傳感器。 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 , 2020 [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)臺控制中的應用 [J]．自動化技術(shù)與應用 ， 2020， 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 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[12]。記錄各時段的轉(zhuǎn)速變化，畫出曲線圖。它具有功能強、體積小、可靠性高、應用簡單靈活，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]。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。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的電信號。這種角加速度計主要由基準板、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。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力矩使飛輪回 復到零位附近，這時慣性力矩和恢復力矩平衡，信號電流 f的大小即與被測的角加速度成正比。當殼體受到角加速度 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。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。 上海交通大學的陸愛珍等人報道了一種液浮飛輪式精密角加速度計 []。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。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)。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。 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。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)。在這種角加速度計中，高磁阻無定形線具有磁應力效應。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。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，利用非接觸式光學拾取裝置檢測位移 量。 1992 年， Godler 等人報導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。當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。在實時控制或保護性監(jiān)控應用中，延遲特性是極為重要的，在這些應用中系統(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時問。 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。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。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。 按照測量對象分，角加速計可分為 x 及 Y 兩大類 。總之，角加速度傳感器在多種行業(yè)及領域中有較為廣泛的應用前景，應當說目前角加速度傳感器是屬于有待進一步發(fā)展的分支，尚遠遠滿足不了需要 []。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。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。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方案，以替代陀螺，降低成本和提高精度。 （ 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定 ） 學生簽名： 指導教師簽名： 日期： 南通大學杏 林學院畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 李從勇 學 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 20203 國外文獻 2 篇 開題地點 南通大學主校區(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)測及導航中，不急需要角速度的信息，更需要角加速度的信息。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。 本 科 畢 業(yè) 設 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） 指導教師 ： 張 齊 完成日期 ： 2020 年 6 月 南通大學杏林學院 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。 簽 名： 日 期： 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解南通大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留論文及送交論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。角加速度計還可以用于人體運動及關(guān)節(jié)動力學的分析、虛擬現(xiàn)實、石油勘探、地震監(jiān) 測等領域。角加速度傳感器，除應用于控制系統(tǒng)中，還大量地應用在測試方面，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。在精密機械設備中，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]。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)起來比較復雜，精度較低。 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、化學的、光學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。 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。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。 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。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。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。如果對這種噪聲衰減過程所帶來的時間延遲有嚴格的時問 限制 ( 如在實時控制或監(jiān)控應用中 )，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]。這種角加速度傳感器采用機械光電傳感裝置感應角加速度，并用于機器人裝置的電機控制和振動控制。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。 1995 年， RaidLassow 等人報導了一種采用鐵磁性無定形線制作的角加速度 [12]。當慣性質(zhì)量體引起無定形線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應力時，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。當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。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。 1998 年，德國 研究人員 AngelikaTaubner 等人報導了采用柵干涉原理來測量角加速度、角速度和角位移。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定來確定旋轉(zhuǎn)運動量。角加速度計或加速度計的幅值誤差量在 ％ 。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、導電游絲和密封殼體等部件組成。當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。信號大小和轉(zhuǎn)角口成正比，即正比于。 北京自動控制設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] 。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