（检测技术与自动化装置专业论文）加速度传感器性能测试系统的设计与实现.pdf

基于l a b v i e w 的加速度传感器性能测试系统的设计与实现 摘要 加速度传感器广泛应用于工业、军事、航天和民用领域，本文从加速度传感 器检测加速度的物理学原理出发，阐述了加速度传感器测试的实现方法，从而得 出了用匀速旋转产生向心加速度的方法来解决测试所需要的加速度的结论，即将 加速度传感器固定在匀速旋转的圆盘上来测试它在不同加速度条件下的输出特 性。设计出了一套完整的加速度传感器性能测试系统。 首先，开发了一套适合加速度传感器性能测试的数据采集子系统。数据采集 子系统采用p i c l 6 f 9 7 7 a 单片机作为数据采集的主控芯片，它通过射频芯片 n r f 2 4 0 1 接收上位机的命令并对其解释，从而进行相应的数据采集，然后将采集 到的数据通过射频芯片n r f 2 4 0 1 发送至上位机。实现了j s d l 0 1 ，j s d l 0 3 和j s d 2 0 1 三种加速度传感器性能数据的采集。 其次，利用r s 2 3 2 接口将采集终端的数据和计算机连接起来，组成采用 r s 2 3 2 串口通信转射频通信的方法将数据采集子系统的射频数据和计算机的串 口数据进行交换。实现了r f r s 2 3 2 的数据通信转换功能。 最后，上位机采用l a b v i e w 开发出了具有界面友好，美观和适合测试者使用 的强大的数据处理软件。软件通过计算机的串口分别控制数据采集和电机驱动的 圆盘转动，实现了三种加速度传感器在不同加速度值下的输出特性的测量。该软 件能够对数据进行采集和分析，得出加速度传感器的输出特性曲线，根据不同标 准判断被测试传感器是否合格。 本文详细介绍了系统的解决方案、采样子系统的软硬件设计、系统的通信协 议、l a b v i e w 程序设计方法、系统中数据采集、分析和处理、显示特性曲线以及 报表生成的方法。 关键词：加速度传感器；性能测试；射频通信；l a b v i e w ；匀速旋转；p i c l 6 f 8 7 7 单片机；n r f 2 4 0 1 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea c c e l e r a t i o ns e n s o rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt os u c hd o m a i na si n d u s t r y ， m i l i t a r y ，a s t r o n a u t i c s a n dc i v i l t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e so nt h er e a l i z a t i o no f a c c e l e r a t i o ns e n s o rt e s tf r o mt h ep o i n to fp h y s i c a lp r i n c i p l eo fa c c e l e r a t i o ns e n s o r t e s t i n ga c c e l e r a t i o n ，a n dt h u so b t a i n st h e c o n c l u s i o nt h a t u s i n gt h ea p p r o a c ho f p r o d u c i n gc e n t r i p e t a la c c e l e r a t i o nb yr e v o l v i n gw i t ht h eu n i f o r ms p e e dc a l ls o l v et h e p r o d u c t i o no ft h ea c c e l e r a t i o nn e e d e di nt h et e s t t h a ti s ，f i x i n gt h ea c c e l e r a t i o n s e n s o ri nt h ed i s cr e v o l v i n gw i t hu n i f o r ms p e e dt ot e s tt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i cu n d e r v a r i o u sc o n d i t i o no fa c c e l e r a t i n g as e to fc o m p l e t ea c c e l e r a t i o ns e n s o rp e r f o r m a n c e t e s ts y s t e mi sd e s i g n e d f i r s t ，ad a t a - c o l l e c t i n gs u b s y s t e mt h a t i ss u i tt ot h ea c c e l e r a t i o ns e n s o r p e r f o r m a n c et e s th a s b e e nd e v e l o p e d t h ed a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e mu s e s t h e p i c16 f 8 7 7 am c ua st h em a jo rc o n t r o l l i n gc h i pt oc o l l e c td a t a ，w h i c hr e c e i v e st h e m a n d a t ef r o ms u p r e m ep o s i t i o nm a c h i n et h r o u g hr a d i of r e q u e n c yc h i pn r f 2 4 01a n d e x p l a i n si ta n dt h u sc a r r i e so u tt h ea c q u i s i t i o no fc o r r e s p o n d i n gd a t a ，a n dg a t h e r st h e d a t at ot r a n s m i tt ot h es u p r e m ep o s i t i o nm a c h i n et h r o u g hr a d i of r e q u e n c yc h i p n r f 2 4 01 t h ea c q u i s i t i o no ft h r e ek i n d so fa c c e l e r a t i o ns e n s o rp e r f o r m a n c ed a t ao f j s d l 0 1 ，j s d l 0 3a n dj s d 2 0 1h a s b e e nr e a l i z e d n e x t ，c o n n e c t i n gt h et e r m i n a ld a t aw i t hc o m p u t e rb yc o n n e c t o rr s - 2 3 2a n d a d o p t i n gt h em e t h o do ft r a n s f e rt h er s - 2 3 2s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nt ot h er a d i o f r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n ，t h ed a t ae x c h a n g ea m o n gt h er a d i of r e q u e n c ya c q u i s i t i o n s u b s y s t e ma n dt h ec o m p u t e rs t r i n gm o u t hi su n d e r g o i n g t h ef u n c t i o no ft r a n s f e r r i n g d a t ac o m m u n i c a t i o no ft h er f r s 2 3 2h a sb e e nr e a l i z e d f i n a l l y ，t h es u p r e m ep o s i t i o nm a c h i n eu s e dl a b v i e w t od e v e l o pp o w e r f u ld a t a p r o c e s s i n gs o f t w a r ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fu s e r - f r i e n d l i n e s s ，e l e g a n c ea n de a s y c o n t a c ts u r f a c e t h es o f t w a r e ，t h r o u g hc o m p u t e rs t r i n gm o u t ht or e s p e c t i v e l yc o n t r o l d a t ag a t h e r i n ga n dt h ed i s k - r e v o l v i n gd r i v e nb ym o t o r ，h a sr e a l i z e dt h et e s ta n d m e a s u r eo ft h eo u t p u tf e a t u r eo ft h r e ek i n d so fa c c e l e r a t i o ns e n s o r su n d e rd i f f e r e n t a c c e l e r a t i o nn u m b e r t h i ss o f t w a r ec a n ，a c c o r d i n gt oa n a l y s i so fd a t ac o l l e c t e d ， o b t a i n so u t p u tf e a t u r ec u r v eo fa c c e l e r a t i o ns e n s o r ，a n di tc a nd e c i d et h eq u a l i f i c a t i o n o ft h et e s t e ds e n s o ri nl i n ew i t hd i f f e r e n ts t a n d a r d s t h i sa r t i c l eh a si n t r o d u c e dt h es o l u t i o no ft h es y s t e m ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e 1 1 1 基于l a b v i e w 的加速度传感器性能测试系统的设计与实现 d e s i g no ft h es a m p l e c o l l e c t i n gs u b s y s t e m ，t h es y s t e mc o r r e s p o n d e n c ep r o t o c o l ，t h e l a b v l e wp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h es y s t e mo ft h ed a t ac o l l e c t i o n ，t h ea n a l y s i sa n d p r o c e s s i n g ，t h ed e m o n s t r a t i o no f f e a t u r ec u r v ea sw e l la st h em e t h o do ft h es t a t e m e n t p r o d u c t i o ni nd e t a i l k e yw o r d ：a c c e l e r a t i o ns e n s o r ；p e r f o r m a n c et e s t ；r a d i oc o m m u n i c a t i o n ； l a b v i e w ；t h eu n i f o r ms p e e dr e v o l v e s ；p i c l 6 f 8 7 7 am c u ；n r f 2 4 0 1 i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特 l i j ) j n 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 凌遂】日 醐：7 褂哪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 殒竭司 萄茗乏 日期：坷年年月嚣e t 日期：一7 年乎月毋日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 研究的目的与意义 加速度传感器用途广泛，它可应用在控制、手柄振动和摇晃、仪器仪表、汽 车电子、地震检测、报警系统、玩具、结构物、环境监视、工程测振、地质勘探、 铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析、鼠标、高层建筑结构动态特性和安全保卫 振动侦察上【1 1 。 目前加速度传感器在汽车电子领域应用较为广阔。它主要用在以下几个方面： 安全气袋、翻转检测、碰撞检测、车辆动态控制、刹车控制系统、驾驶者安全装 置。如：m e m s ( 微机电系统) 加速度传感器用于汽车差不多有十年了，在交通事 故时它触发安全气囊( a i r b a g ) 使得汽车乘员安全 2 1 ；e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t y p r o g r a m ，电子稳定程序) 中的加速度传感器有沿汽车前进方向的纵向加速度传感 器和垂直于前进方向的横向加速度传感器，基本原理相同，只是成9 0 0 夹角安装， e s p 一般使用微机械式加速度传感器，在传感器内部，一小片致密物质连接在一 个可以移动的悬臂上，可以反映出汽车的纵向横向加速度的大小；汽车悬挂系统 ( e c s ) 应该能够在高速转向时、在凹凸不平的路面上行驶时以及突然加速和刹 车时让车辆仍具有较好的驾驶性能，安装在汽车拐角处的垂直加速度传感器测量 车身的加速度来进行实时( 或根据平均值) 调节震动吸收器，以达到安全平稳驾 车；最近加速度传感器又应用于汽车导航系统，如果使用3 轴传感器的信息，便 可获得汽车是在高架路、地上还是地下行驶的信息。通过将这些数据传输给导航 仪，便可实现更准确的导航。 因为加速度传感器的用途广泛，加速度传感器也越来越重要，所以产品在出 厂之前必须经过严格的测试，合格后方能出厂。本课题是设计一个加速度传感器 自动测试系统用来测量汽车加速度传感器的性能参数，它基于l a b v i e w 图形化 开发环境，对汽车加速度传感器的性能数据进行采集，利用其强大的数据分析功 能对汽车加速度传感器的性能进行分析。 1 1 2 虚拟仪器与l a b v i e w 的发展状况与应用领域 ( 1 ) 虚拟仪器简介 所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器， 基于l a b v i e w 的加速度传感器性能测试系统的设汁与实现 如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业 控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、应用软件和仪器硬件组成。 无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式p c 或工作站 等各种计算机平台加上应用软件而构成的。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把 计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小 了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器。由于计算 机性能以摩尔定律( 每六个月提高一倍) 飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面。 并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活， 很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测 控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬 件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、 逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软 件还可检测特定系统的参数；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传 统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可 以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系 统。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电 流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术 在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据 采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常常 感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆放着纷乱的仪器， 交错的线缆和繁多待测器件【3 】。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整 洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可 实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之极固不必多言，而设备成本 的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。 在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强 大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前 景。 在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息 技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算 机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬 件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适 硕士学位论文 合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。测量 与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、分析 一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可 行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。 ( 2 )l a b v i e w 简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是基于图形化 编程语言的开发环境，是一种强有力的虚拟仪器开发工具，由n i 公司于1 9 8 6 年 开发，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域【4 1 。l a b vi e w 与传统的编程语言最大的区别是：传统编程语言是文本语言，而l a b v i e w 是图 形化语言，使用非常形象而且被工程师所熟悉的各种图标、旋钮、开关等的图形 界面，同时也提供与传统文本语言( 如c 语言) 的接口，增强了l a b v i e w 的整体功 能。 另外，l a b v i e w 也拥有大量由n i 公司和第三方公司提供的非常实用的软件， 如：a p p l i c a t i o nb u i l d e r ( 用于将程序生成可执行文件) 、s q l t o o l k t ( 用于与本地或 远程数据库相连) 、信号处理套件( s i g n a lp r o c e s s i n gs u i t e ) ( 提供给了用户信号处理 的功能和高级的数字信号处理工具) 、图像处理工具( i m a g ep r o c e s s i n g ) ( 该图像处 理软件可以提供图像处理功能和机器视学功能，它包括4 0 0 多个图像函数和交互 式的图像处理窗口【5 1 。 图像可以是一维、二维或者三维。它们结合起来，可以给工厂计算机控制的 机器提供视觉，对产品的位置、尺寸、标识符和质量做出精确判断，还可以调用 其他软件编写的程序( 如c ，m a t l a b 等) 。 。 用l a b v i e w 编制的程序称为虚拟仪器，简称v i ，因为程序的外观和操作方 式都与诸如示波器、万用表等实物仪器类似。每一个l a b v i e w 程序( v i ) 通过应用 库函数来处理用户界面的数据输入或其它形式的数据输入，并显示该信息或将其 传输给其它文件或计算机。一个v i 由三个部分组成：前面板( f r o n tp a n e l ) ，程序 框图( 或流程图) ( d i a g r a mp r o g r a m m e ) 和图标连接器( i c o n t e r m i n a l ) 。前面板是 l a b v i e wv i 的图形化用户界面，即仪器的虚拟面板，此界面包括控制对象 ( c o n t r o l s ) 和显示对象( i n d i c a t o r s ) ，即v i 程序交互式的输入输出端包括旋钮、开关 等输入控件，模拟仪器的输入装置，将数据送给v i 程序的流程框图；i n d i c a t o r s 包括图表、l e d 等显示器件，模拟仪器的输出装置，显示流程框图中获得或生成 的数据。在完成前面板的创建之后，就可以添加图形化函数代码以控制前面板上 的对象，这些图形化源代码就构成了程序框图，框图程序由端口、节点、图框和 连线构成，其中，端口是前面板对象在程序框图中的表现形式，用来在前面板和 程序框图之间传递数据；节点用来实现函数和功能调用；图框用来实现结构化命 令；连线连接程序框图中的控制对象端口、显示对象端口、函数和结构的节点。 基于l a b v i e w 的加速度传感器件能测试系统的设计与实现 图标连接器用来定义一个v 1 ，它既可以作为主程序，又可以被其它程序调用。 被其它程序调用的v i 称为子v i ( s u b v i ) ，这样一来可以把多个任务分解成一系列 的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个 复杂的任务分解为许多子任务的组合。首先设计每个子任务，然后将其组合成最 终能解决问题的程序。 l a b v i e w 具有以下特点1 6 j ： ( 1 ) 图形化的仪器编程环境：它使用“所见即所得的可视化技术建立人机界 面，使用大多数工程师所熟悉的数据流程图式的语言编写程序，被誉为“工程师和 科学家的语言”。 ( 2 ) 内置的程序编译器，使运行速度加快。 ( 3 ) 灵活的程序调试手段，可以在源代码中设置断点，单步运行，在数据流上 设置探针，加亮执行。其中最具特色的是“加亮执行 和“设置探针，前者用于 跟踪程序运行过程中的数据流，后者用于在程序运行过程中在线显示数据值。 ( 4 ) l a b v i e w 提供了从底层v x i 、g p i b 、串口及数据采集板的控制子程序到 大量的仪器驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库，涵盖了仪器设计中几乎 所需要的函数。 ( 5 ) 支持多种系统平台，平台之间的程序可以直接进行移植。 ( 6 ) 提供c l f ( c a l ll i b r a r yf u n c t i o n ) 功能和c i n ( c o d ei n t e r f a c en o d e ) 功能， 可以直接调用其它软件平台编译的模块。 ( 7 ) 支持t c p i p ，d d e 等功能。 1 1 3 射频通信的发展状况与应用领域 射频r a d i of r e q u e n c y 简称r f ，射频就是射频电流，它是一种高频交流变化 电磁波的简称。每秒变化小于1 0 0 0 次的交流电称为低频电流，大于1 0 0 0 0 次的称 为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。射频技术在无线通信领域具有广泛 的、不可替代的作用【7 】。 自上个世纪九十年代以来，射频识别技术在全世界范围内得到了很快的发展。 全球的总销量以年均2 5 以上的速度快速增长，经过十几年的发展，射频识别技 术在各行各业，尤其是在电子信息行业得到了广泛的应用1 8 】。 射频识别技术在我国的应用，应该还处于一个起步的阶段。市场化程度越高， 越具有竞争性，组织对于效率的要求就会越强烈。在这种情况下，电子标签才会 具有广泛应用的可能性。以电子标签在供应链上的应用为例，必须是以供应链成 熟广泛运用为基础的，而我国供应链的发展只是刚有一个好的开端，对绝大多数 企业而言，这种先进的管理方法和技术还刚刚起步。 射频技术的国产化是刻不容缓的，无论从哪一方面讲，如果长期只依赖国外 硕士学位论文 进口产品，将阻碍射频技术的推广和大规模的使用。在射频国产化的道路上，应 用系统的国产化最先起步，目前也是比较有成效的。随着系统应用技术逐渐成熟 和市场的壮大，也涌现出了许多优秀的系统集成商，特别是中、低频的非接触产 品的应用中。 电子标签的国产化可以分为芯片技术、模块封装和标签加工三个方面。目前 国内已经形成了比较成熟的i c 卡模块封装，国内部分企业已在电子标签的封装形 式进行了新的尝试，促进了电子标签成本的进一步降低。另一个是读写机具及周 边设备的国产化，实际上，机具和周边设备的国产化是电子标签推广的关键因素， 只有真正消化了现有的国外先进技术才能够使自身产品具有真正的市场竞争力和 长久的生命力。 从长远来看，电子标签特别是高频远距离电子标签的市场在未来几年内将逐 渐成熟，成为i c 卡领域继公交、手机、身份证之后又一个具有广阔市场前景和巨 大容量的市场，将为国内比较成熟的i c 卡行业带来一个重大的产业机会。在这个 产业机会面前，国内厂商应加大投入力度，未雨绸缪，实现技术的突破。另外， 除了厂商的努力以外，政府的主管部门也应该起到引导和牵头的作用，支持国内 的厂商，根据国内的需求制定行业标准，从标准入手，建立自主知识产权的整个 体系，进一步缩短与国内先进水平的差距，壮大国内智能卡行业的发展。复旦微 电子长期致力于非接触电子标签技术的开发和推广，在满足客户需求的产品同时， 也将为整个产品的其它厂商提供有关r f i d 射频识别应用方面的全方面的技术支 持。 1 2 加速度传感器的应用范围和发展趋势 1 2 1 加速度传感器的感应功能及其应用领域 加速度传感器应用范围广泛，一般来讲它有以下6 种感应功能： ( 1 ) 倾斜度侦测 加速度传感器在静止时，可以用来检测倾斜角，倾斜角在9 0 0 + 9 0 0 之间变 化时，加速度传感器输出会在一1 0 9 + 1 0 9 之间变化，输出电压对应的倾斜角 的公式如下表示： = + 秀a v x 1 - 。g s i n 们 ( 1 1 ) y 其中：为加速度传感器的输出，为零加速度时的输出，丽为灵敏度， 1 0 g 为地球重力加速度，口为倾斜角。利用该感应功能，加速度传感器可应用于 倾斜度侦探电子罗盘、倾斜仪、文本滚动浏览用户界面，图像旋转、l c d 投影 基于l a b v i e w 的加速度传感器性能测试系统的设计与实现 和物理治疗法。 ( 2 ) 运动检测 在进行运动检测时，需要考虑到几个因素，包括：如何计算它的位移，g 值的 范围选择及使用量测轴。首先确定位移：计算位移要将加速度进行二重积分，速 度部分则需进行一次积分。利用该感应功能，加速度传感器可应用于运动控制、 计步器和基本运动检测。 ( 3 ) 定位检测 定位检测需要考虑的因素包括：加速度的范围是多少及加速度传感器如何安 装。对加速度数据进行二重积分即可得到位置数据。在进行定位计算时，必须假 设初始位置为零，这样对运动随时间变化的等式进行积分，就是将每个时间间隔 内位置和速度的增量分别与前一个值相加即可代表积分的运算。利用该感应功能， 加速度传感器可应用于汽车导航、防盗设备和地图跟踪。 ( 4 ) 震动侦测 震动侦测只需要考虑的因素是选择g 值的范围。一般按照被测量对象的减速 度决定了震动检测所需的加速度传感器的规则选取。当然，算法将随每种设计的 不同而不同，一般设为高于某个临界值。通常情况下，重力的变化范围为：自由 落体检测为1 5 9 ，而汽车撞击为+ 2 5 0 9 。利用该感应功能，加速度传感器可应用 于下降记录、黑匣子故障记录仪、h d d 保护、运输和处理监视器。 ( 5 ) 振动侦测 振动侦测需要考虑的因素包括：分析振动频率的多少，确定g 值的范围及最 适当的加速度传感器安装位置。借助于快速傅立叶变换对加速度资料的分析可得 到振动频率的情况，快速傅立叶变换允许振动信号被分解成它的谐波分量，每个 电机振动都有它自己的谐波分量。通常振动的电机或对象的不同，重力的变化范 围为2 - - 2 0 9 ，当加速度传感器安装的离振源越近时，g 的范围就会越大。利用该 感应功能，加速度传感器可应用于地震活动监视器、智能电机维护、家电平衡和 监测。 ( 6 ) 自由落下侦测 自由落下侦测可分为三种：线性落下、旋转落下和抛射落下。它需要考虑的 因素包括：g 的范围一般落在土l g 间，抛射型落下要考虑横轴加速度的多寡，而 自由落下时要求检测高度。在完整的自由落体中，线性自由落体需要一个三轴加 速计来完成检测。而旋转和抛射自由落体需要一个复杂的算法来监控自由落体信 号。利用该感应功能，加速度传感器可应用于自由落体保护、下降记录、下降检 测、运动控制和认知等。 硕士学位论文 1 2 2 加速度传感器的发展趋势 加速度传感器可测量沿其敏感轴方向的线性加速度大小，所使用的技术主要 有三种：压阻、压电和电容技术，每种技术都有各自的机会和问题。压阻式加速 度传感器由于在汽车工业中的广泛应用而发展最快，主要用于汽车安全气囊、防 抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。压电技术主要在工业上用来防止机器 故障，使用这种传感器可以检测机器潜在的故障以达到自保护，及避免对工人产 生意外伤害，这种传感器具有用户，尤其是质量行业的用户所追求的可重复性、 稳定性和自生性。电容式加速度传感器具有温度效应小，灵敏度相对较高，加工 工艺不复杂等优点，也是目前应用很广泛的一种加速度传感器。 加速度传感器有以下几点发展趋势： ( 1 ) 高分辨率和大量程的微硅加速度传感器成为研究的重点。由于惯性质量块 比较小，所以用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小，系统的灵敏度相 对较低，这样开发出高灵敏度的加速度传感器显得尤为重要。无论是民用还是军 事用途，精度高、量程大的微加速度传感器将会大大拓宽其运用范围【9 1 。 ( 2 ) 温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标。选择合适的材料，采用合理的结 构，以及应用新的低成本温度补偿环节，能够大幅度提高微加速度传感器的精度。 ( 3 ) 多轴加速度传感器的开发成为新的方向。已经有文献报道开发出三轴微硅 加速度传感器，但是其性能离实用还有一段距离，多轴加速度传感器的解耦是结 构设计中的难点。 ( 4 ) 将微加速度传感器表头和信号处理电路集成在单片基体上，也能够减小信 号传输损耗，降低电路噪声，抑制电路寄生电容的干扰。 ( 5 ) 选择合理的工艺手段，降低制作成本，为微加速度传感器批量化生产提供 工艺路线；同时，标准化微机电系统工艺，为微加速度传感器投片生产提供一套 利于操作、重复性好的工艺方法，也是微硅加速度传感器发展的重要方向。 1 3 主要研究工作 本文研究的主要内容是：设计一个测试平台对加速度传感器的性能进行测试， 它包括以下几个方面： 1 加速度传感器性能的测试原理 2 加速度传感器的数据采集方法 3 数据采集的通信协议 4 数据分析方法 5 机械结构设计 重点： 基于l a b v i e w 的加速度传感器件能测试系统的设计与实现 1 加速度传感器性能的测试原理 2 加速度传感器的数据采集方法 3 数据分析方法 难点： 1 加速度传感器的数据采集方法 2 数据分析方法 拟采用的解决方案 1 加速度传感器性能的测试原理 本设计将被测加速度传感器安装在一个匀速转动的圆形转盘上，改变圆盘的 转动速率，加速度传感器就能产生不同的向心加速度，从而产生不同的电压输出 值。这样就可以解决加速度产生条件的难题。 2 数据采集方法 采样予系统与被测加速度传感器一起转动，而数据交换子系统与计算机处于 静止状态。采样子系统与数据交换子系统之间通过射频进行信号传输。被测传感 器固定在测试台上圆盘上。圆盘通过电动机驱动旋转，电动机采用伺服电机，它 由电机调速系统驱动，计算机通过串口控制电动机的转速。数据交换子系统通过 射频传输获得采样子系统的数据，它将该数据通过串口传入计算机。 3 数据分析方法 采用虚拟仪器测试技术，以v i 为开发平台进行开发设计。l a b v i e w 具有强 大的数据分析功能，采用该软件进行设计可以为本设计的数据采集系统提供便捷 途径。 1 4 本章小结 本章从课题的研究背景出发，对本系统的测试对象加速度传感器的应用范围 和发展趋势进行了调研和分析。同时对本文要用到工具虚拟仪器和l a b v i e w 以 及射频通信的发展状况进行了了解。最后得出了本文研究工作的主要内容以及所 采用的方法。 硕士学位论文 第2 章系统总体结构设计 2 1 加速度传感器性能的测试方法 2 1 1 加速度产生的物理学原理 加速度是描述物体速度改变快慢的物理量，通常用a 表示，单位是米每二次 方秒，加速度是向量，它的方向与合外力的方向相同，其方向表示速度改变的方 向，其大小表示速度改变的大小。牛顿运动学第二定律认为a = f m ，f 为物体所 受合外力，m 为物体的质量。力是改变物体运动状态的条件，而加速度则是描述 物体运动状态的物理量。加速度与速度无必然联系，加速度很大时，速度可以很 小，速度很大时，加速度也可以很小。从微分的角度来看，加速度是速度对时间 求导。当加速度与速度方向在同一直线时，物体做变速直线运动，如汽车以恒定 加速度启动( 匀加速直线运动) ，简谐振动( 变加速直线运动) ；当加速度与速度 方向不在同一直线时，物体做变速曲线运动，如平抛运动( 匀加速曲线运动) ，匀 速圆周运动( 变加速曲线运动) ；加速度为零时，物体静止或做匀速直线运动。任 何复杂的运动都可以看作是无数的匀速直线运动和匀加速运动的合成。物体做圆 周运动时，沿半径指向圆心方向的外力( 或外力沿半径指向圆心方向的分力) 称 为向心力【l 们。公式： f = m r ( 0 2 = m 1 ，2 r = 4 t 0 2 m r t 2 ( 2 1 ) 由牛顿第二定律，力的作用会使物体产生一个加速度。向心力产生的加速度 就是向心加速度。其方向指向圆心。可理解为做圆周运动物体加速度在指向圆心 方向上的分量。公式： a = r a 0 2 = ，2 ，= 4 万2 t 2( 2 2 ) 物体在做直线运动时，速度的改变即产生直线方向的加速度，而物体在做匀 速圆周运动时，物体则产生向心加速度，其加速度方向是指向圆心的。因此在本 设计中为了方便产生加速度的条件，采用了降价速度传感器安装在匀速旋转的圆 盘上使之产生向心加速度的方法来获得1 1 也】。 2 1 2 加速度产生的实现方法 将被测加速度传感器安装在一个匀速转动的圆形转盘上，改变圆盘的转动速 率，加速度传感器就能产生不同的向心加速度，从而产生不同的电压输出值。 如图2 1 所示，物体a 安装在半径为r ( 米) 的匀速转动的圆盘上，设圆盘 的转动速度为万( 转分) ，圆盘转动的角速度为功( 弧度秒) ，物体运动的线速度 为v ( 米秒) 。 则有： 或： 又有： 可得： 即： 物体的向心力为f ( 牛) ，向心加速度a ( 米秒2 ) 。 a = r c 0 2 a = i s 2 r ( 1 ，= c o r ) 缈= 2 n ( n 6 0 ) a = ( 2 x n 6 0 ) 2 r = ( x n 3 0 ) 2 r ，2 ：3 0 4 - 孤( 转分) 图2 1 匀速转盘上物体向心加速度示意图 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) a 取0 9 - 4 0 9 ( g = 9 8 米平方秒) 不同值时对应转速n 与圆盘半径的关系如表2 1 所示： 表2 1转速与圆盘半径对应关系表 n ( 转分) r = 0 0 5 米r = 0 1 米r - 0 1 5 米r = 0 2 米 a = o g00oo a - 0 5 g 9 4 5 4 6 6 8 45 4 5 8 4 7 2 7 a = 1 0 g1 3 3 6 99 4 5 47 7 1 96 6 8 5 a = 1 5 g1 6 3 7 21 1 5 7 79 4 5 48 1 8 7 a = 2 0 g 1 8 9 0 81 3 3 6 9 1 0 9 1 6 9 4 5 4 a = 2 5 g2 1 1 4 01 4 9 4 61 2 2 0 41 0 5 7 0 a = 3 0 g 2 3 1 5 7 1 6 3 7 21 3 3 6 91 1 5 7 9 a = 4 0 g 8 9 0 3 1 5 9 7 8 44 8 8 1 8 4 2 2 8 0 圆盘半径取o 1 米，驱动圆盘运动的电机转速在0 5 9 7 8 4 转分之间可调，即可 使传感器产生0 - 4 0 9 的向心加速度，传感器的加速度方向指向圆盘的圆心，设传 感器指向圆心o 的方向为+ x 方向，则将传感器旋转18 0 0 方向安装，在同样的转 速范围下可使传感器产生0 4 0 9 ( 一x 方向) 的向心加速度。相当于o - - 4 0 9 硕士学位论文 ( + x 方向) 的向心加速度。 2 2 系统的需求与功能分析 2 2 1 系统的整体目标和实现方法论证 本设计的整体目标是设计一个汽车加速度传感器性能自动测试台。测试台由 电源、电压检测、数据交换子系统、产品安装工作台、自动控制计算机以及相关 的控制软件等部分构成。测试台有两种工作方式。 第一种是自动方式： a ) 测试台依次对加速度传感器在六种输入状态下( 传感器输入电压v i n 分别 为8 v 、1 2 v 、1 8 v 直流电压，以及输入为零、输入接地，或者输入为1 2 v 且加速 度传感器对地断开) 的输出电压v 叫进行测量； b ) 根据用户给定的性能曲线( 技术标准) 对加速度传感器的动态性能进行测 量； c ) 根据测量值和用户给定的标准自动判断产品是否合格，并显示最终检测结 果； 第二种是手动方式： 测试台可对上述的测量方式进行单独的选择，并能显示在每种特定方式下传 感器输出的测量值以及是否符合要求。 其它技术要求：测试精度应高于2 ；一次可以测量8 只产品；对用户的技 术标准要能够进行建立、编辑和保存；对产品的测试结果要能够进行保存、查看、 统计报表和打印输出。 n il a b v i e w 具有接口友好，编程方便，适合测量领域的软件开发，因此设 计中采用l a b v i e w 作为计算机的编程语言。由于采用了将加速度传感器安装在 匀速旋转的圆盘上使之产生的向心加速度的方法来得到加速度产生的条件，存在 着旋转部分与静止部分接线困难的问题，无法采用n i 的采集板卡作为数据采集 卡，故自行设计一个传感器模拟量采集的数据采集卡，利用射频技术解决接线问 题，即计算机与数据采集卡之间的数据传输采用射频传输的方式，旋转部分与静 止部分无直接的数据线连接。 2 2 2 加速度传感器的测量范围和测试点状态 测试台要求能够测试j s d l 0 1 、j s d l 0 3 、j s d 2 0 1 三种型号的加速度传感器。 三种传感器的测试标准各不相同，要求能够对测试标准进行修改以适应不同传感 器的测试。测试台测试时要求传感器的工作电压在d c 4 5 3 2 v 可调，其中j s d l 0 1 的工作电压为d c l 6 v 、d c l 2 v 、d c s v 三档，j s d l 0 3 的工作电压为d c 5 3 v 、d c 5 v 、 d c 4 7 v 三楷，j s d 2 0 1 的工作电压为d c 3 2 v 、d c 2 4 v 、d c l 2 v 三档；测试台的 基于l a b v i e w 的加速度传感器性能测试系统的设计与实现 最大测量范围为一4 0 g + 4 0 g ，其中j s d l 0 1 的测试范围为一1 5 g + 1 5 g ；j s d l 0 3 的测试范围为一1 8 g + 1 8 g ；j s d 2 0 1 的测试范围为- - 4 0 g + 4 0 g 。如图2 2 所示 为j s d l 0 1 型加速度传感器的输出特性曲线图。需要测试的为1 5 g 、1 0 g 、0 g 、 1 0 g 、1 5 g 五个点在不同状态下的电压输出值。 v o u t ( v ) 么叠篡： ，名 ： v 二一上u v 一 o v l = 1 0 + 0 ilii 一 加速 o 传感器测量方向 减速 2 7 5 v 1 5 v 2 7 5 v g ( 1 g = 9 8 m s 2 ) 图2 2j s d l 0 1 型加速度传感器输出特性曲线图 2 3 系统的整体结构设计