吴 玲，周昊阳，寻之朋，仇 亮，贾传磊

(中国矿业大学,江苏 徐州 221116)

基于IMU-4型多传感器模块的刷子的移动分析

吴 玲，周昊阳，寻之朋*，仇 亮，贾传磊

(中国矿业大学,江苏 徐州 221116)

将刷子放置在振动的水平表面，刷子可能会开始移动。本文基于IMU-4型多传感器模块，分析了刷子的移动及各种因素对移动规律的影响。

IMU-4型多传感器模块；刷子；振动

日常生活中，人们经常会看到这种现象：将刷子放置在振动的水平表面，刷子会开始移动；或者用手下压刷子然后突然松开，刷子也会发生移动。导致这种现象的物理原因是刷毛压缩及伸长所产生的弹性形变，其原理简图如图1所示。

图1 刷子移动的原理

本文基于IMU-4型多传感器模块，详细的研究了刷子的运动情况，分析了刷子的移动及多种因素对刷子移动规律的影响。

1 IMU-4型多传感器模块

IMU-4型多传感器模块[1]是一款集成电子罗盘、气压计、陀螺仪、温度及加速度于一体的传感器模块，以串口方式输出，波特率、刷新频率可以根据用户需求定制。该模块具有广泛的应用领域，如图2；其传感器特性如表1所示。该模块广泛的应用于对加速度及多种角度的测量。

图2 IMU-4型多传感器模块的应用领域

三轴陀螺仪三轴加速度三轴罗盘气压计启动时间/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 测量结果分析

首先，需要了解刷子的运动方向，为此测量了刷子运动过程中偏航角、俯仰角、以及滚转角随时间的变化，如图3所示。

图3 刷子运动方向的分析

从图3中可以看出，俯仰角和滚转角基本上保持不变，而偏航角则持续减小，说明刷子在桌面上发生的是单方向的旋转。因此在分析刷子的运动情况时，只需要考虑刷子在一个水平面内，即xy平面内的运动加速度即可。

影响刷子运动的因素有多种，本文分别测量了表面振幅、配重大小、质量分布、刷毛长度对刷子运动加速度的影响，同时还分析了不同的表面对刷子移动的影响。

2.1 表面振幅对刷子运动的影响

将无负重刷毛长度为1.7 cm的刷子放置在振动桌面上，当振动桌面的表面振幅分别为0.020 mm、0.032 mm、0.045 mm时，对刷子运动的加速度进行测量，结果如图4所示。可以看出，振幅越大，刷子的加速度变化越剧烈。

图4 振幅对刷子运动加速度的影响

2.2 质量对刷子运动的影响

将质量分别为20 g、50 g、100 g的砝码置于刷子上表面的中心位置，用以测量质量大小对刷子运动的影响，测量结果如图5所示。刷子上面加上配重时，运动加速度发生改变，且运动加速度随配重的增大而减小，即配重质量越大，刷子运动越不剧烈。

图5 质量大小对刷子运动的影响

接下来，将50 g和100 g的砝码分别置于刷子上距离表面中心前2.5 cm及后2.5 cm处，对偏航角的测量结果如图6所示。发现偏航角随着测量时间出现了周期性的变化，这说明刷子发生了绕质心转动的有趣的运动现象，配置的质量分布对刷子的运动同样具有显著的影响。

图6 质量分布对刷子运动的影响

2.3 刷毛长度对刷子运动的影响

刷毛长度对刷子运动的影响如图7所示。通过两图的对比研究，可以明显发现在刷毛长度变短时，刷子的加速度和速度都明显变小。原因应为当刷毛变短时，刷毛因水平面振动形变所产生的力变小，刷子的运动情况没有刷毛长时剧烈。

图7 刷毛长度对刷子运动的影响

2.4 不同粗糙表面对刷子运动的影响

最后，分析了三种不同表面，即木桌面、普通复印纸表面及高光纸板表面刷子的运动情况，以讨论表面的粗糙程度对刷子运动的影响。三种表面的粗糙程度为：木桌面>纸面>耐油纸板。由图8中三幅图的对比可以看出越粗糙的平面，刷子的运动状态越活跃，其加速度变化范围等都会增大。

图8 表面粗糙程度对刷子运动的影响

3 结 论

基于IMU-4型多传感器模块，本文对刷子的运动情况进行了测量分析，得到：(1) 振动水平面振幅的大小、刷子刷毛的长度和平面的粗糙程度对刷子的运动有影响。其中，振幅愈大、刷子刷毛愈长、平面愈粗糙刷子的运动愈剧烈。(2) 刷子的质量对于刷子的运动有影响，其中刷子的质量愈大其运动愈不剧烈。(3) 改变刷子的质量分布后，刷子将会绕着其新的重心进行旋转。

[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

中国矿业大学课程建设与教学改革项目 (2015QN33，2014QN32)

1007-2934(2016)06-0043-03

O 4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.011

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