基于红外反射传感器的三线摆周期测量装置

石明吉，秦佳琼，李豪博，洪 倩，杨雪冰

(南阳理工学院 电子与电气工程学院，河南 南阳 473004)

获取精确的汽车零部件总成惯性参量是进行汽车系统动力学分析及其隔振系统设计的重要基础. 汽车零部件惯性参量由质量、质心位置、转动惯量和惯性积组成，转动惯量的识别尤为重要[1]. 质量分布均匀、形状规则的零部件的转动惯量可以计算得到，对质量分布不均匀和形状不规则的零部件，只能实验测量得到. 三线摆法是实验测量转动惯量的常见方法[2]. 运用三线摆测量转动惯量时，需要动态测量的重要的参量是转动周期. 测量转动周期的传统方法是采用人工计数和秒表进行测量，一般要测试3次，每次测量30～50个周期的总时间，然后取平均得到单个周期. 人工计数容易出错，并且周期测量一旦出错，后期无法纠正，只能重测[3]. 为了解决人工计数的弊端，利用光电传感器、角速度传感器、单片机、手机和数据采集系统等设计了多种三线摆周期测量装置[4-6]. 这些测量装置的共同特点是通过计数计时. 由于在实际实验中，圆盘在水平面内逐渐发生轻微的横摆，很容易导致计数漏记1次[1]. 此外，采用光电传感器测量的弊端是仪器调整比较麻烦. 因此，有必要设计三线摆周期测量装置，以确保周期测量准确性. 应用红外反射传感器可以将三线摆下盘的扭摆转换成电压信号的振荡，然后利用数据采集系统获得三线摆下盘转动情况的时间历程信号，通过数据分析可以准确得到三线摆的扭摆周期.

1 测量原理

红外线反射传感器利用红外线反射的原理，根据反射的强度判断前方有无障碍. TCRT5000是比较常用的红外反射传感器，传感器的红外二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时传感器输出的是高电平；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时传感器输出低电平[7].

如果将TCRT5000竖直朝下固定在三线摆下盘边缘处挡光杆的上方，距离在检查距离的范围之内，当三线摆扭摆时，挡光杆与TCRT5000之间的距离发生周期性变化，反光情况也发生周期性变化，TCRT5000输出的电压也随时间发生周期性变化. 由于三线摆扭摆时，1个周期内经过平衡位置2次，所以，TCRT5000的输出电压随时间变化的周期是三线摆扭摆周期的一半. 利用数据采集系统采集TCRT5000输出电压随时间的变化，经处理得到TCRT5000输出电压变化的周期，进而求出三线摆扭摆的周期.

2 实 验

调整三线摆底座水平，调整悬线的长度使下盘水平. 测量上盘悬线孔间距a、下盘悬线孔间距b、上下盘之间的高度差H，读出下盘的质量M，并记录. 如图1所示，利用铁架台将TCRT5000红外反射传感器固定在三线摆下盘边缘处挡光杆的上方. 将红外反射传感器的输出端与数据采集系统硬件电路的输入通道相连，利用稳压稳流电源给TCRT5000提供5 V电压. 将数据采集系统输出端经USB口与电脑相连. 电脑上安装有上位机软件. 打开界面，设置采集时间间隔为0.001 s，采集时间为15 s. 利用上盘带动下盘做小角度扭摆，适当调整，令TCRT5000感应头与挡光杆距离为5 mm. 当三线摆扭摆时，挡光杆周期性扫过红外反射传感器下方，挡光杆对红外线的反射作用使TCRT5000传感器输出的电压发生周期性变化. 启动数据采集系统并将采集到的数据以Excel格式保存到电脑中.

图1 实验装置示意图

为与现有仪器比较，相同条件下利用DH4601型转动惯量测试仪进行测试，设置周期数为30. 调整光电门的位置，利用上盘带动下盘作小幅扭摆，尽量避免横摆或晃动，扭摆的转角控制在5°以内. 按下DH4601型转动惯量测试仪的执行键开始计时，计时结束后，记下DH4601显示的30个周期的总时间.

3 实验结果与讨论

(1)

代入数据后，得出三线摆下盘的转动惯量的理论值为J理论=4.803×10-3kg·m2.

3.1 DH4601型转动惯量测试仪测量结果

DH4601型转动惯量测试仪测量30个周期的总时间为40.39 s，得到三线摆扭摆周期为1.346 s. 根据三线摆转动惯量的实验公式[9]:

(2)

代入数据后，可以计算出三线摆下盘的转动惯量J实=4.780×10-3kg·m2，与理论值相比，Er=0.48%.

3.2 基于红外反射传感器的三线摆周期测量装置的测量结果

将基于红外反射传感器的三线摆周期测量装置生成的的Excel数据用Origin7.5软件画图，得到TCRT5000输出的电压与时间的关系，如图2所示.

图2 红外反射传感器输出的电压与时间的关系

图2显示，红外反射传感器输出电压随时间周期性出现“平顶宽峰-峡谷-平顶窄峰-峡谷…”，这个周期与三线摆的扭摆周期相关. 结合TCRT5000输出特性，分析可知：平顶宽峰和平顶窄峰出现时，挡光棒反光效果较差，说明挡光棒离开了红外反射传感器；峡谷出现时，挡光棒反光效果较好，说明挡光棒在红外反射传感器下方附近. 三线摆做小角度扭摆时，挡光棒近似做简谐运动. 平顶宽峰的时间比平顶窄峰时间长，说明红外反射传感器不在挡光棒运动的平衡位置. 峡谷时间较短，说明挡光棒比较细且经过红外反射传感器时的速率较大. 在平顶宽峰和平顶窄峰处有许多随机出现的毛刺信号，但是它们的频率与三线摆的运动无关. 采用合适的数据处理方法可以求得三线摆扭摆的周期.

为了将不同频率的成分分开，可以进行快速傅里叶变换. 为了消除直流成分的干扰，首先，利用Origin7.5软件calculus下的integrate功能计算图2中曲线与横轴围成的面积，得到总面积是63.194 205，用它除以15后得到平均值为4.213 V. 将图2中数据统一减去4.213，将曲线下拉成幅度关于横轴大体对称，即中心电压下拉为0的位置，如图3所示.

图3 中心电压为0时的曲线

从图3可见，中心电压下拉为0后，曲线整体相当于交流信号. 消除了直流成分的影响后便可以直接进行傅里叶变换，以便将不同频率的信号分开. 利用Origin7.5软件的FFT功能对图3进行快速傅里叶变换，结果如图4所示.

图4 傅里叶变换结果

图4中，可以观察到11个比较明显的峰，其中，第1个峰强度最大，它应该是三线摆的扭摆造成的，里面蕴含着三线摆扭摆周期的信息. 第3，5，7，9，10个峰分别是第1个峰的2，3，4，5，6倍频. 第2，4，6，8，11个峰代表其他运动形式.

图5 傅里叶变换结果局部放大图

4 结束语

在下盘边缘固定挡光棒，利用固定在挡光棒上方的红外反射传感器检测挡光棒的反光情况，进而得到下盘的扭摆情况；当三线摆作小角度扭摆时，挡光棒近似做简谐运动运动，挡光棒与红外反射传感器之间的距离也周期性变化，红外反射传感器输出的电压信号也随时间周期性变化且周期的2倍就是三线摆的扭摆周期. 由于红外反射传感器输出的电压信号中还包含其他的高频信号，为了准确得到三线摆的扭摆周期，利用快速傅里叶变换处理数据. 傅里叶变换可以将不同频率的信号分开，它可以消除高频信号的影响. 基于红外反射传感器的三线摆周期测量装置结构简单，调节方便，可以配以合适的数据处理方法测量转动惯量.