壓電式六軸加速度傳感器信號(hào)處理的研究.pdf

1、六軸加速度傳感器技術(shù)不僅有助于機(jī)器人技術(shù)、航空航天技術(shù)、武器技術(shù)的發(fā)展，而且在工業(yè)自動(dòng)控制、車輛工程、地震預(yù)報(bào)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。由于大多數(shù)加速度傳感器只能傳感一個(gè)至三個(gè)軸向的加速度，因此研究的重點(diǎn)主要集中在六維加速度的測(cè)量，主要通過采用多只單軸加速度傳感器進(jìn)行適當(dāng)組合實(shí)現(xiàn)六維加速度的測(cè)量。目前已有報(bào)道的六軸加速度傳感器主要有三種，即利用微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，MEMS

2、)技術(shù)的六軸加速度傳感器、利用粘貼在膜片上的應(yīng)變片的組合實(shí)現(xiàn)的六維加速度傳感器和基于靜電超導(dǎo)原理的六維加速度傳感器。利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)可以將多個(gè)單軸加速度傳感器集成到單塊硅片上實(shí)現(xiàn)多維加速度傳感，可以提高六軸加速度傳感器的微小化程度，但是降低了加速度傳感器的精度，難以承受較大的過載。利用粘貼在膜片上的應(yīng)變片的組合實(shí)現(xiàn)的六維加速度傳感器實(shí)現(xiàn)加速度解耦困難，目前仍處于研制階段。采用靜電超導(dǎo)原理實(shí)現(xiàn)的六維加速度傳感器只能用于微重力環(huán)境下，不僅

3、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本高。因此，進(jìn)行多維加速度傳感器(尤其是六軸加速度傳感器)技術(shù)的研究具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。 本文提出并研究了一種壓電式六軸加速度傳感器的原理與結(jié)構(gòu)，采用六只單軸壓電加速度傳感器作為敏感元件在立方體結(jié)構(gòu)上合理布局獲取被測(cè)對(duì)象的六軸加速度信息實(shí)現(xiàn)六維加速度傳感，開發(fā)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)和快速原型系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了基于數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,D

4、SP)的壓電式六軸加速度傳感器的信號(hào)處理系統(tǒng)。在研究過程中提出并定義了表征電荷放大器上電響應(yīng)能力的開關(guān)響應(yīng)特性的概念并給出了相應(yīng)的測(cè)試方法。 本文的主要研究工作和成果包括： ①本文提出并研究了一種壓電式六軸加速度傳感器的原理，采用六只單軸壓電加速度傳感器作為敏感元件在立方體結(jié)構(gòu)上合理布局獲取被測(cè)對(duì)象的六軸加速度信息實(shí)現(xiàn)六維加速度傳感，實(shí)現(xiàn)了基于上述原理的壓電式六軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)。介紹了壓電式六軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)六維加

5、速度傳感的解耦算法，通過對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)合與解算，可以獲得被測(cè)對(duì)象的六維加速度信息，包括三個(gè)正交的線性加速度和與之對(duì)應(yīng)的三個(gè)角加速度(或角速度)。 ②對(duì)于壓電式六軸加速度傳感系統(tǒng)及其構(gòu)成的無陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其開關(guān)響應(yīng)時(shí)間和體積直接決定于構(gòu)成其信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的多通道電荷放大器。本文提出并定義了表征電荷放大器上電響應(yīng)能力的開關(guān)響應(yīng)特性的概念并給出了相應(yīng)的測(cè)試方法。開發(fā)了一種為提高開關(guān)響應(yīng)特性的多通道電荷放大器，不僅體積小，而且實(shí)

6、驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明其具有良好的開關(guān)響應(yīng)特性，可以用于構(gòu)成壓電式六軸加速度傳感系統(tǒng)/無陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。③基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)建立了壓電式六軸加速度傳感器快速原型系統(tǒng)，利用MATLB/Simulink軟件將壓電式六軸加速度傳感器數(shù)學(xué)模型編制成程序下載到dSPACE系統(tǒng)中運(yùn)行，通過與計(jì)算機(jī)通信，利用ControlDesk軟件實(shí)時(shí)監(jiān)督信號(hào)變化情況。 ④建立了壓電式六軸加速度傳感器快速原型系統(tǒng)的六軸加速度傳感特性測(cè)