本 科 毕 业 设
计
题
目
新型角加速度传感器的研制
作 者： 李从勇
专 业： 自动化（工业电气自动化）
指导教师： 张 齐
完成日期：
2012年6 月
南通大学杏林学院
原创性声明
本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名：日期：
本论文使用授权说明
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学生签名：指导教师签名：日期：
南通大学杏林学院毕业设计（论文）开题报告
学生姓名李从勇学号0812043035专业自动化课题名称国内文献15篇
阅读文献情况国内文献15篇开题日期2012-3
国外文献2篇开题地点南通大学主校区11#504
文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献）
研究背景：
在很多运动物体的控制，监测及导航中，不急需要角速度的信息，更需要角加速度的信息。角加速度计还可以用于人体运动及关节动力学的分析、虚拟现实、石油勘探、地震监测等领域。国外已经出现用一个角加速度计和两个线加速度计组成惯导方案，以替代陀螺，降低成本和提高精度。角加速度传感器，除应用于控制系统中，还大量地应用在测试方面，如飞机的机动性能测试，交通工具的启动及刹车性能的测试。在研究汽车碰撞时对驾驶员及乘客的冲击情况，则常将传感器装在头部或人身上的所要关心的部位。在精密机械设备中，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，研究汽轮机组及钻机的扭震，检测工作母机上刀具的颤振及断裂[1]。角加速度测量代替原来通过几个线加速度信号的合成来求取。也有通过流动电势原理来制作的直接测量旋转角加速度的液环式旋转角加速度传感器，但实现起来比较复杂，精度较低。总之，角加速度传感器在多种行业及领域中有较为广泛的应用前景，应当说目前角加速度传感器是属于有待进一步发展的分支，尚远远满足不了需要[2.3]。
课题研究的现状及发展趋势：
测量角加速度的方法，从原理上讲可以是多种多样的，如纯机械式的、电磁机械式的、物理的、化学的、光学的甚至放射线式的等等，而每种方法都可以制成不同结构及性能的角加速度传感器。
按照测量对象分，角加速计可分为x及Y两大类。x类是指测量某一个旋转物体的相对角加速度信息的，这类角加度传感器的特点是；从结构上看，它可以严格地分成两个组成部分，其中之一是安装在参考物体( 选为参考点)上，而另一部分则是安装在作旋转运动的被测物体上。而Y类角加速度传感器则是测量旋转物体相对于绝对空间( 惯性空间为参点) 角加速度信息，此类传感器直接安装在被测物体上。因此x及Y类角加速度传感器的根本区别体现在参考点的选取上。按照测量方法分类，角加速度计可分成直接测量法和间接测量法。
直接测量法就是直接测量角加速度数值，间接测量法采用微分电路或微分计算算法对角速度信号进行微分处理来得到角加速度。
在间接测量法中，角加速度可以对角位移或角速度信号进行模拟或数字微分电路后处理来得到。对微分器有两个重要的要求，即它们必须有足够的噪声衰减和足够短的延迟特性。在实时控制或保护性监控应用中，延迟特性是极为重要的，在这些应用中系统要求对参考信号或反新型角加速度传感器的研制
馈信号有足够短的响应时问。然而，微分过程固有的噪声放大特性要求在信号处理之前，需要对噪声信号进行高频噪声滤波处理。当噪声信号和原始信号的带宽完全分开时，仅仅噪声衰减是容易做到的。如果对这种噪声衰减过程所带来的时间延迟有严格的时问限制( 如在实时控制或监控应用中)，这个过程会变得更为困难间接加速度测量方法中令人头痛的噪声放大问题驱使人们寻找直接的角加速度测量方法[4]。
1992年，Godler等人报导了一种角加速度传感器[5]，这种角加速度传感器能单独检测角加速度信息，而不依赖角速度信号，并且该加速度计对载体的旋转角度没有限制。这种角加速度传感器采用机械光电传感装置感应角加速度，并用于机器人装置的电机控制和振动控制。它的结构中包括一对圆盘，其中一个圆盘上的弹性元件将角加速度转变成径向位移，利用非接触式光学拾取装置检测位移量。最后采用滤波装置滤去由于弹性盘振动所造成的高频噪声。与间接测量方法相比，这种传感器的优点是它的输出滤波器的带宽可以做得比微分器噪声衰减装置的要宽得多。
1995年，RaidLassow等人报导了一种采用铁磁性无定形线制作的角加速度[12]。在这种角加速度计中，高磁阻无定形线具有磁应力效应。当惯性质量体引起无定形线产生扭转应力时，在无定形线的端部会产生由外界输入角加速度调制的Maaeucci电压，通过对Maaeucci电压进行处理就能得到外界输入的角加速度数值。角加速度计中有一个哑铃状的惯性质量块其质量大部分分布在边缘以提高转动惯量，质量块通过两端的两个无定形磁弹性线与壳体形成联结。当壳体沿着无定形磁弹性线有角加速度输入的时候，无定形磁弹性线就会发生扭曲变形，进而在线的两端就会产生Matteucci电压。
这种利用无定形磁弹性线制作的角加速度计成本低，可靠性高。它的高弹性强度及弹性模量，并结合高的抗腐蚀特性，使得这种角加速度计适合工作在恶劣的工作环境下。这种角加速度计的分辨率为33rads／s，由于系统的共振频率较低，因此该角加速度计的不能得到较大的带宽。1998年，德国研究人员AngelikaTaubner等人报导了采用栅干涉原理来测量角加速度、角速度和角位移。它们开发了两种栅干涉仪：一种基于homodyne技术，另外一种基于heterodyne技术。研究表明，结合运用于平移激光干涉仪中的信号处理方法，可以通过精密的测量和标定来确定旋转运动量。理论分析及试验结果表明，衍射光栅干涉仪可以用来测量转动参数，如角加速度、角速度和旋转角。角加速度计或加速度计的幅值误差量在0.3％。
上海交通大学的陆爱珍等人报道了一种液浮飞轮式精密角加速度计[6.7]。这种角加速度计的传感部分由飞轮浮子、角度传感器、力矩器、支承部件、浮液温控装置、导电游丝和密封壳体等部件组成。在质量均匀分布的浮子飞轮的两端分别装有角度传感器和力矩器的动圈，并用宝石垫和球形轴尖支承于压电激振支承中，液浮装置可以减小支承的摩擦力。当壳体受到水平线加速度时，惯性力不会使飞轮相对壳体有角位移，角度传感器的输出为零。当壳体受到角加速度作用时，飞轮的惯性矩使飞轮相对壳体转动角，于是一端的角度传感器就是信号输出。信号大小和转角口成正比，即正比于。这一信号经过放大、滤波、解调、功放后形成一个与成正比的电流f加到位于飞轮浮子另一端的力矩器中，产生一个与惯性矩相反的恢复力矩使飞轮回
复到零位附近，这时惯性力矩和恢复力矩平衡，信号电流f的大小即与被测的角加速度成正比。
北京自动控制设备研究所的周蜜等人研究了一种新型的液环式角加速度计[8]。这种角加速度计主要由基准板、放大电路及液环构成，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，因液体的流动导致“转换器件—液体”界面处电荷的转移。通过测量液体流动电势便可直接得到与角加速度信号相对应的电信号。
哈尔滨工程大学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[9]，在开环压阻式角加速度计的基础上，他们对敏感质量环进行力反馈，提出闭环力平衡系统的设计方案。经试验验证，力平衡压阻式角加速度计具有灵敏度高、阈值小、成本低、抗冲击能力好等优点。
单片机的英文名称是Micro Controller unit,缩写为MCU，又称为微控制器，它是一种面向控制的大规模集成电路芯片。它具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活，因而使用非常广泛，有力地推动各行业的技术发展和更新换代[10]。单片机接收A/D转换后的信号,单片机根据外部中断,以及内部定时器进行记数计算出电机转速送到显示器，同时数据传给PC机[13],并在PC机屏幕上显示出来。记录各时段的转速变化，画出曲线图。
根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路对单片机模块进行设计[11]，要使单片机准确显示出来，所以整个单片机部分分为传感器电路、时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路五个部分使用protel进行画图。
理论意义与研究价值：
本课题研究实用新型的一种旋转角加速度传感器，以电磁感应原理为基础，构成电磁式测量角加速度传感器[12]。传感器的转轴和被测系统的旋转轴同轴安装，直接把旋转轴上旋转角加速度转换成电信号输出，输出的电信号与旋转角加速度直接对应，因此测量精度较高，而且，结构简单，使用方便[13]。
参考文献：
[1]吴校生，陈文元. 角加速度计发展综述[J]. 上海交通大学, 2007
[2]冯浩.永磁式旋转角加速度传感器[P].中国专利：200820150558.8
[3]冯浩.电磁式旋转角加速度传感器[P].中国专利：200820150557.3
[4]张廷录．压电角加速度计在转台控制中的应用[J]．自动化技术与应用，2000，19(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]陆爱珍，林明邦，邹桂根.一种新的精密角加速度计[J]．中国惯性技术学报，1991(2)：87—92．
[7]邹桂根，林明邦．液浮飞轮式角加速度计的研制[J]．上海交通大学学报，1995,29(2)：135—141．
[8]周蜜，吴向荣，洪峰．一种新型的角加速度传感器[J]．航天控制，1999(2)：51—54
[9]迟晓珠，金鸿章，王劲松．力平衡角加速度传感器的研究[J]．仪器仪表学报，2003，24(4)：23—26．
[10]张有德.单片微机原理[M].上海:复旦大学出版社，1997，8 Magnetics,1995
[11]何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997，10
[12]Lassowr Meydan T.An angular accelerometer using amorphous wire[J].IEEE transactions on Magnetics,1995,3l(6)：3179-318
[13]马彦，田作华．采用单片机实现的角加建度测量电路[J]，计算机自动测量与控制，200l，9(2)：15-16
[14 ]Shirron P,Moody MV.Development of a supersonducting angular accelerometer [J]．Proceeding of SPIE ，1996 ，2814：187—196
[15]神龙工作室.Protel2004实用培训教程[M].北京：人民邮电出版社，1995，1
[16]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1995.11
本课题的基本研究内容，预计解决的难题
1、本课题研究内容：
①设计一种新型角加速度测量计，能够实现对传感器信号的实时采集，并对试验数据进行数据处理，以及实时数据显示和曲线绘制。
②设计传感器测量系统，使用AD转换器，单片机，显示电路以及上位机进行设计电路。
2、研究目标：
以电磁感应原理为基础，构成电磁式测量角加速度传感器。传感器的转轴和被测系统的旋转轴同轴安装，直接把旋转轴上旋转角加速度转换成电信号输出，输出的电信号与旋转角加速度直接对应，因此测量精度较高，而且，结构简单，使用方便实用型传感器。
3、需解决的关键问题有：
①使角加速度传感器有信号输出；
②使单片机获得信号，计算出值并存储；
③通过LCD把测量的数据显示出来；
④通过通信使得PC机与单片机之间的通信成功；
三课题的研究方法、技术路线
1、课题研究方法：
本课题采用软硬件研究相结合的方法。
2、电路硬件框图与设计路线：
四 研究工作条件和基础
1、研究工作条件：
软件条件：
KEIL 等
硬件条件：
单片机等电子元件一批
2、研究基础
已查阅国内外相关文献，了解相关传感器及相应设备性能及使用方法，利用已学过的单片机等方面的知识对课题进行研究。
五 本课题必须完成的任务
1、能够设计出新型角加速度的的测量传感器及其电路。
2、撰写开题报告、期中报告、毕业设计说明书。
3、翻译资料。
成果形式
毕业设计说明书。
进度计划
起讫日期
工作内容 备注 2.21－3.6
查阅中外参考文献，翻译一份英文资料。 3.7－3.20 消化吸收参考文献及资料，撰写毕业设计开题报告。 3月22日
上交
3.21－
4.24 设计规划方案。 3.23-3.27
完成开题
答辩
4.25－
5.22 设计硬件电路。
中期答辩 LCD 显
示
角加速度
传感器 放大电路 C8051F020 MCU USB 串口 数据存储
5. 23－5.29撰写毕业论文（设计说明书）。5月29日前
交毕业论文草稿
5.30－
6.5修改完善毕业论文，进行毕业设计成果显示和验收。6月10日前
毕业论文定稿
6.6－6.12准备和进行毕业论文答辩。
教
研
室
意
见答辩组组长签名教研室主任签名：______年___月___日
学院意见
通过开题（）
开题不通过（）
教学院长签名： ______年___月___日
注：1、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。
南通大学杏林学院毕业设计（论文）
题目：新型角加速度传感器的研制
姓名：李从勇
指导教师：张齐
专业：自动化（工业电气自动化）
南通大学杏林学院
2012年6月
转轴角加速度是旋转机构转动时的一项重要参数,旋转体的角加速度在实践中有着广泛和重要的应用。对角加速度的测量原理、方法进行了研究,寻求一种高精度连续测量角加速度可行的方法。本文提出的旋转系统机械角加速度直接测量方法通过对交流异步测速发电机励磁方式的改变，构成了能直接测量机械角加速度的测旋转角加速度发电机。它可以直观地反映出各种旋转系统随时间变化的机械角加速度的变化情况，可应用于旋转系统机械角加速度快速变化的测量场合。用此方法测量了异步电机空载运行时由旋转磁场振动而引起的转子角加速度的变化情况，证明了测量方法的可行性。此方法在科研生产中有一定应用价值。
本文便是运用C8051F020单片机来构建的角加速度测量仪。电机在运行过程中，需要对其进行监控，角加速度是一个必不可少的一个参数。本系统就是对电机角加速度进行测量，并可以和PC机进行通信，显示电机的角加速度，并观察电机运行的基本状况。
关键词：机械角加速度; 加速度发电机; 异步电机; 测量
The angular acceleration of a rotary shaft is one o f the most important parameters for revolution mechanism, which is widely employed in practical applications .The principles and approaches for measuring angular acceleration were studied to find a feasible way to obtain the accurate and successive value of angular acceleration .A new method to measure the mechanical angular acceleration of rotating system is established by changing the exciting mode of AC asynchronous tacho-generator, and form a angular acceleration tacho-generator to measure the mechanical angular acceleration directly. This method can reflect the changes of mechanical angular acceleration in various rotating system, and it is suitable for the fields where the mechanical angular acceleration changes so quickly. Experimental results generated from testing of mechanical angular acceleration caused by rotating magnetic field when the induction motor is operating without any load are truly feasible.
I graduated from the Design of the issue is control of the intelligent use of SOC speed measuring instrument. The system is the motor angular acceleration measurement, and PC and can communicate that the motor angular acceleration, and to observe the motor running the basic situation.
Keywords:Mechanical angular acceleration; Acceleration tachogenerator; Induction motor ; Measurement
摘要 (2)
Abstract ...................................................................................................... II 第一章绪论 (1)
1.1 工程背景 (1)
1.2国内外研究现状及发展趋势 (1)
1.3理论意义与研究价值 (2)
1.4本课题研究的主要内容 (3)
第二章新型角加速度传感器基本结构和工作原理 (5)
2.1电磁式角加速度传感器的测量原理 (5)
2.2电磁式角加速度传感器的基本结构 (7)
第三章测量系统的方案论证 (11)
3.1系统的总体流程图 (11)
第四章测量系统硬件设计 (12)
4.1单片机最小系统 (12)
4.1.1单片机的选取 (12)
4.1.2最小单片机系统 (14)
4.2放大电路的设计
4.2.1 INA128芯片介绍 (16)
4.2.2 INA128构建的放大电路 (17)
4.3AD转换器的设计 (18)
4.4实时显示电路设计 (19)
4.5数据存储模块设计 (20)
4.5.1 SD卡功能原理的介绍 (21)
4.5.2 SD卡硬件功能的设计 (22)
4.6数据通信接口的设计 (24)
第五章测量系统的软件设计 (26)
5.1系统总程序流程图设计 (26)
5.2显示模块的流程设计 (26)
5.3数字滤波的设计 (27)
5.4存储模块流程设计 (28)
5.5数据通信模块流程设计 (30)
第六章总结与展望 (32)
参考文献 (33)
致谢 (35)
附录 (36)
附录1程序 (36)
附录2系统的电路原理图 (56)
第一章绪论
1.1工程背景
在对于运动物体的测量,控制及导航中，不但需要以下信息如角位移，角速度，更需要角加速度的信息。旋转角加速度的测量是机械测量中很常见的测量物理量之一。在现有的公开技术中，旋转角加速度的测量，一般都是通过间接的几个线加速度信号的合成来求取的。也有采用流动电势原理制作的直接测量旋转角加速度的液环式旋转角加速度传感器，但是现实应用中比较复杂以及精度比较低。
在国家现有技术中，中国实用新型专利号LZ87208367提供了一种磁电式的加速度传感器。该加速度传感器是用于测量振动加速度，由于其结构的奇特，其铜环直接连接在外壳上，导致无法测量旋转角加速度。
针对国内现有技术的不足，所以提出一种新型角加速度传感器，是以电磁感应原理为基础，角加速度传感器的转轴与旋转机械同轴安装，从而快速直接地把旋转轴上旋转角加速度转换成相应的电信号输出，输出电压信号跟其旋转角加速度直接可一一对应，且结构比较简单，测量精度较高和使用较方便。
1.2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
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。
1.3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
研制的V-2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。
1.4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
速变化的任何测量场合[9.10]。
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[14.17]。
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；
第二章 新型角加速度传感器基本结构和工作原理
2.1 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: t
3752
d d J dt dn GD T T L Ω=?=- 上式中, 测电机的输出转矩T ;负载转矩L T ;dt
dn GD ?3752为动态转矩; 2GD 为飞轮矩;dt
Ωd 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2.1中的圆圈表示杯形转子, 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
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2.1 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1Φ。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r E ,同时在r E 的作用下将产生感应电流r I ,从而在输出绕组的轴线方向产生一个稳定的磁通r Φ。
r E 和r I 与稳定的磁通及旋转速度n 成正比,转子电流r I 与其产生的磁通r Φ也成同样的正比关系,即:
n U ∝∝E ∝I ∝1111r n ΦΦ
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:
()112u ∝n d ∝∝r u dt
d u ?Φ
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dt dn 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2.12所示。
图2.12 测量系统的结构示意图
2.2 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A-A 面剖视图。
被测旋转系统 连轴机构 测角加速度异步发电机