吳 玲，周昊陽，尋之朋，仇 亮，賈傳磊

(中國礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116)

基于IMU-4型多傳感器模塊的刷子的移動分析

吳 玲，周昊陽，尋之朋*，仇 亮，賈傳磊

(中國礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116)

將刷子放置在振動的水平表面，刷子可能會開始移動。本文基于IMU-4型多傳感器模塊，分析了刷子的移動及各種因素對移動規(guī)律的影響。

IMU-4型多傳感器模塊；刷子；振動

日常生活中，人們經(jīng)常會看到這種現(xiàn)象：將刷子放置在振動的水平表面，刷子會開始移動；或者用手下壓刷子然后突然松開，刷子也會發(fā)生移動。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的物理原因是刷毛壓縮及伸長所產(chǎn)生的彈性形變，其原理簡圖如圖1所示。

圖1 刷子移動的原理

本文基于IMU-4型多傳感器模塊，詳細的研究了刷子的運動情況，分析了刷子的移動及多種因素對刷子移動規(guī)律的影響。

1 IMU-4型多傳感器模塊

IMU-4型多傳感器模塊[1]是一款集成電子羅盤、氣壓計、陀螺儀、溫度及加速度于一體的傳感器模塊，以串口方式輸出，波特率、刷新頻率可以根據(jù)用戶需求定制。該模塊具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如圖2；其傳感器特性如表1所示。該模塊廣泛的應(yīng)用于對加速度及多種角度的測量。

圖2 IMU-4型多傳感器模塊的應(yīng)用領(lǐng)域

三軸陀螺儀三軸加速度三軸羅盤氣壓計啟動時間/ms1001005010最大量程±2000°/s±16G±8gauus300～1100hPa最小量程±250°/s±2G±1gauus300～1100hPaADC16位16位12位16位分辨率(最大量程)16.4LBS°/s2,048LBS/G4.35milli-gauss0.01hPa分辨率(最小量程)131LBS°/s16,384LBS/G0.73milli-gauss0.01hPa更新速率4～8000Hz4～1000Hz0.75～75Hz4.5～25.5mS

2 測量結(jié)果分析

首先，需要了解刷子的運動方向，為此測量了刷子運動過程中偏航角、俯仰角、以及滾轉(zhuǎn)角隨時間的變化，如圖3所示。

圖3 刷子運動方向的分析

從圖3中可以看出，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角基本上保持不變，而偏航角則持續(xù)減小，說明刷子在桌面上發(fā)生的是單方向的旋轉(zhuǎn)。因此在分析刷子的運動情況時，只需要考慮刷子在一個水平面內(nèi)，即xy平面內(nèi)的運動加速度即可。

影響刷子運動的因素有多種，本文分別測量了表面振幅、配重大小、質(zhì)量分布、刷毛長度對刷子運動加速度的影響，同時還分析了不同的表面對刷子移動的影響。

2.1 表面振幅對刷子運動的影響

將無負(fù)重刷毛長度為1.7 cm的刷子放置在振動桌面上，當(dāng)振動桌面的表面振幅分別為0.020 mm、0.032 mm、0.045 mm時，對刷子運動的加速度進行測量，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，振幅越大，刷子的加速度變化越劇烈。

圖4 振幅對刷子運動加速度的影響

2.2 質(zhì)量對刷子運動的影響

將質(zhì)量分別為20 g、50 g、100 g的砝碼置于刷子上表面的中心位置，用以測量質(zhì)量大小對刷子運動的影響，測量結(jié)果如圖5所示。刷子上面加上配重時，運動加速度發(fā)生改變，且運動加速度隨配重的增大而減小，即配重質(zhì)量越大，刷子運動越不劇烈。

圖5 質(zhì)量大小對刷子運動的影響

接下來，將50 g和100 g的砝碼分別置于刷子上距離表面中心前2.5 cm及后2.5 cm處，對偏航角的測量結(jié)果如圖6所示。發(fā)現(xiàn)偏航角隨著測量時間出現(xiàn)了周期性的變化，這說明刷子發(fā)生了繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的有趣的運動現(xiàn)象，配置的質(zhì)量分布對刷子的運動同樣具有顯著的影響。

圖6 質(zhì)量分布對刷子運動的影響

2.3 刷毛長度對刷子運動的影響

刷毛長度對刷子運動的影響如圖7所示。通過兩圖的對比研究，可以明顯發(fā)現(xiàn)在刷毛長度變短時，刷子的加速度和速度都明顯變小。原因應(yīng)為當(dāng)刷毛變短時，刷毛因水平面振動形變所產(chǎn)生的力變小，刷子的運動情況沒有刷毛長時劇烈。

圖7 刷毛長度對刷子運動的影響

2.4 不同粗糙表面對刷子運動的影響

最后，分析了三種不同表面，即木桌面、普通復(fù)印紙表面及高光紙板表面刷子的運動情況，以討論表面的粗糙程度對刷子運動的影響。三種表面的粗糙程度為：木桌面>紙面>耐油紙板。由圖8中三幅圖的對比可以看出越粗糙的平面，刷子的運動狀態(tài)越活躍，其加速度變化范圍等都會增大。

圖8 表面粗糙程度對刷子運動的影響

3 結(jié) 論

基于IMU-4型多傳感器模塊，本文對刷子的運動情況進行了測量分析，得到：(1) 振動水平面振幅的大小、刷子刷毛的長度和平面的粗糙程度對刷子的運動有影響。其中，振幅愈大、刷子刷毛愈長、平面愈粗糙刷子的運動愈劇烈。(2) 刷子的質(zhì)量對于刷子的運動有影響，其中刷子的質(zhì)量愈大其運動愈不劇烈。(3) 改變刷子的質(zhì)量分布后，刷子將會繞著其新的重心進行旋轉(zhuǎn)。

[1] IMU-4 Multi Sensor Modules,Data Sheet.

Analysis on Moving Brush Based on IMU-4 Multi Sensor Module

WU Ling,ZHOU Hao-yang,XUN Zhi-peng,QIU Liang,JIA Chuan-lei

(China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116)

The brush may begin to move when it is placed on the horizontal surface of vibration.In this paper,based on IMU-4 multi sensor module,the movement of brush and the influence of various factors on the movement pattern were analyzed.

IMU-4 multi sensor module；brush；moving

2016-06-24

中國礦業(yè)大學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)改革項目 (2015QN33，2014QN32)

1007-2934(2016)06-0043-03

O 4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.011

*通訊聯(lián)系人