六維加速度傳感器的原理、系統(tǒng)及特性研究.pdf

1、六維加速度(Six degree-of-freedom(DOF)acceleration)傳感技術是實現(xiàn)物體三維空間運動相對于參考慣性坐標系的三維線加速度和三維角加速度的傳感和測量的多維運動傳感技術。六維加速度傳感技術在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、交通運輸工具、機器人控制系統(tǒng)、導航制導設備、互動娛樂設備、醫(yī)療保健設備和地震預測裝置中有著廣泛的應用前景。目前,已經(jīng)提出的各種六維加速度傳感原理和結構復雜,導致開發(fā)的六維加速度傳感器尺寸較大或工藝復雜

2、。此外,缺乏完善的六維加速度傳感器的傳感特性評定方法和標準,制約了六維加速度傳感器的實用化。因此,探索新的六維加速度傳感方法,開發(fā)結構簡單、成本低、精度高的六維加速度傳感器,建立六維加速度傳感器的傳感特性評定方法和標準是六維加速度傳感技術發(fā)展的必然要求。
　　 本文作者提出并實現(xiàn)了一種六維加速度傳感器的原理,研究了基于該原理的六維加速度傳感器系統(tǒng)的組成和傳感特性。根據(jù)提出的原理設計并開發(fā)了一種基于六個共面的壓電式單軸加速度傳感器

3、的壓電式六維加速度傳感器,建立了壓電式六維加速度傳感器的傳感方程和傳感誤差模型,提出了相應的傳感誤差補償方法和校準方法。在此基礎上,建立了六維加速度傳感器的傳感特性測試系統(tǒng),對開發(fā)的壓電式六維加速度傳感器的快速原型進行了實驗測試。
　　 本文的主要研究工作和創(chuàng)新點歸納為以下五個方面:
　　 1.提出并研究了一種基于六個共面的單軸加速度傳感器的六維加速度傳感器的原理,通過獲取和解耦固定在立方體上首尾相連、任意三條棱邊不共面

4、的六條棱邊中點處且敏感軸線與相應棱邊重合的六個單軸加速度傳感器的輸出實現(xiàn)六維加速度傳感。建立了實現(xiàn)六維加速度傳感的傳感方程,分析了傳感特性,包括傳感誤差、傳感分辨率、傳感范圍和工作頻率范圍。
　　 2.研究了采用六個壓電式單軸加速度傳感器作為敏感元件的壓電式六維加速度傳感器系統(tǒng)的組成和工作原理,建立了相應的傳感方程,設計并實現(xiàn)了實現(xiàn)六維加速度傳感的敏感單元和相應的信號處理系統(tǒng)。采用基于實時仿真系統(tǒng)的快速控制原型技術開發(fā)了壓電式六

5、維加速度傳感器的快速原型。
　　 3.分析了壓電式六維加速度傳感器的傳感誤差,建立了其傳感誤差模型和六個壓電式單軸加速度傳感器的安裝誤差和輸出誤差引起的傳感誤差的誤差估計方程,分析了六個壓電式單軸加速度傳感器的安裝誤差和輸出誤差對傳感誤差的影響。在此基礎上,提出了一種壓電式六維加速度傳感器的傳感誤差補償方法,利用向量和矩陣的∞-范數(shù)建立了壓電式六維加速度傳感器的傳感誤差范圍與被測對象運動的角速度范圍、六個壓電式單軸加速度傳感器的

6、安裝誤差范圍和輸出誤差范圍之間的數(shù)學關系模型。根據(jù)該數(shù)學模型,提出了一種誤差補償后的誤差范圍估計的方法。
　　 4.提出了壓電式六維加速度傳感器的校準原理,建立了相應的校準模型,分析了校準過程中加速度激勵誤差對校準結果的影響和最佳角加速度激勵頻率的范圍,建立了對校準誤差進行估計的方法。
　　 5.建立了六維加速度傳感器的實驗測試系統(tǒng)。在六維隨機振動激勵、固定軸線振動激勵和固定軸旋轉振動激勵下對開發(fā)的壓電式六維加速度傳感器