[發明專利]冗余并聯式六維加速度傳感器及其測量方法

有效

• 申請號: 201010249900.1
• 申請日: 2010-08-10
• 公開（公告）號: CN101949954A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發明（設計）人: 李成剛;吳洪濤;尤晶晶
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01P15/18
• 分類號: G01P15/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

1.一種冗余并聯式六維加速度傳感器，其特征在于：包括一剛性的外殼(3)、一質量塊(5)和3組彈性鉸鏈裝置，質量塊(5)和3組彈性鉸鏈裝置均設于外殼(3)的容置腔(31)內；其中，所述質量塊(5)為立方體，3組彈性鉸鏈裝置的一端分別固定于質量塊(5)的3個相鄰且相互垂直的側面中心，另一端分別固定于外殼(3)的與所述質量塊(5)的3個相鄰且相互垂直的側面相對的內壁上；

其中，所述彈性鉸鏈裝置包括一個復合彈性球鉸鏈(4)、3個一般彈性球鉸鏈(1)、3組壓電陶瓷(2)；其中所述復合彈性球鉸鏈的一端(4)連接質量塊(5)，另一端分別與3組壓電陶瓷(2)的一端連接，3組壓電陶瓷(2)的另一端分別與3個一般彈性球鉸鏈(1)的一端連接，3個一般彈性球鉸鏈(1)的另一端分別固定于外殼(3)的內壁上，且所述固定點不為同一點。

2.如權利要求1所述的冗余并聯式六維加速度傳感器，其特征在于：所述壓電陶瓷(2)由若干壓電陶瓷片并聯連接而成，并通過非導電膠分別與復合彈性球鉸鏈(4)、一般彈性球鉸鏈(1)粘結。

3.一種采用如權利要求1所述的冗余并聯式六維加速度傳感器進行測量的方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)將傳感器剛性固定于待測振動體上；

(2)采集傳感器上九個壓電陶瓷的輸出電荷量，并據其得到待測振動體的實時加速度。

4.如權利要求3所述的冗余并聯式六維加速度測量方法，其特征在于：所述步驟(2)中，分別在質量塊、外殼上和固定地面上固結坐標系{M}、{W}、{O}，并使得初始時刻時三個坐標系重合，原點取為質量塊的質心，三個坐標軸分別指向空間任意三個正交方向，則利用傳感器上九組壓電陶瓷的輸出電荷量計算待測振動體的實時加速度的步驟為：

(1)將九組壓電陶瓷的輸出電荷量轉換為電壓數字量V_oi；

(2)通過公式Q_i＝C_fi·V_oi，其中i為自然數1～9，將前述電壓數字量V_oi轉換為輸入的電荷量；式中，Q_i為第i通道的實際電荷量，也即為第i組壓電陶瓷兩極產生的電荷量；C_fi為電荷放大器第i通道的反饋電容，可調；V_oi為第i通道的輸出電壓，含正負號；

(3)分別通過公式ΔL_i＝Q_i/(K_i·d_i33)和F_i＝Q_i/d_i33，將九組壓電陶瓷兩極產生的電荷量轉換為各條支鏈的實際伸長量和各支鏈上壓電陶瓷所受到的壓力；式中，ΔL_i為第i條支鏈的實際伸長量，K_i為第i組壓電陶瓷的等效剛度，d_i33為第i組壓電陶瓷的等效壓電系數，F_i為各支鏈壓電陶瓷所受到的壓力；

(4)列寫出每組支鏈所共用的復合彈性球鉸鏈質心的幾何坐標在坐標系{W}中關于三條支鏈長度的解析表達式，將固結在質量塊上的三個復合彈性球鉸鏈的質心分別記為b₁、b₂、b₃；

(5)將b₁、b₂、b₃的幾何坐標分別代入公式b_jK＝P_MW+R_MWb_jM，其中j為自然數1～3，求解方程組來得到P_MW和R_MW的解析表達式；式中，b_jW、b_jM分別為b_j的幾何坐標在坐標系{W}和{M}中的表示，P_MW為坐標系{M}的原點在坐標系{W}中的坐標表示，R_MW為坐標系{W}和{M}之間的旋轉變換矩陣；

(6)將b₁、b₂、b₃在坐標系{W}中的幾何坐標關于九條支鏈長度的解析表達式對時間t進行一次求導，得到三個復合彈性球鉸鏈質心相對于外殼的速度關于九條支鏈伸長速率的解析表達式，此處將第j個復合彈性球鉸鏈質心的速度記為V_bjW，并對支鏈的實際伸長量進行差分得到各支鏈的伸長速率；將V_bjW分別代入公式V_MW＝V_bjW+ω_W×r_jW，通過求解方程組得到V_MW和ω_W的解析表達式；式中，V_MW和ω_W分別為質量塊質心相對于外殼的線速度以及質量塊相對于外殼轉動的角速度；r_jW為連接b_j與質量塊質心而得到的矢量；

(7)將步驟(6)中求得的V_bjW對時間t進行一次求導，得到三個復合彈性球鉸鏈質心相對于外殼的加速度的解析表達式，此處將第j個復合彈性球鉸鏈質心的加速度記為a_bjW，將a_bjW分別代入公式a_MW＝a_bjW+ε_W×r_jW+ω_W×(ω_W×r_jW)，通過求解方程組得到a_MW和ε_W的解析表達式；式中，a_MW和ε_W分別為質量塊質心相對于外殼的線加速度以及質量塊相對于外殼轉動的角加速度；

(8)假設P_WO為坐標系{W}的原點在坐標系{O}中的坐標表示，R_WO為坐標系{W}和{O}之間的旋轉變換矩陣，則外殼相對于坐標系{O}轉動的角速度ω可以由矩陣R_WO中各元素及其導數來表示；根據角速度加法公式，通過公式ω_O＝ω+ω_W計算得到質量塊相對于坐標系{O}轉動的角速度ω_O；另外，將ω_O的解析表達式對時間t求一階導數，得到質量塊相對于坐標系{O}轉動的角加速度ε_O；再進行矢量相加，得到坐標系{M}的原點在坐標系{O}中的坐標表示P_MO＝P_MW+P_MO；將前述P_MO的解析表達式對時間t求一階導數，即得到質量塊質心相對于坐標系{O}移動的線速度V_MO；將V_MO的解析表達式對時間t求一階導數，即得到質量塊質心相對于坐標系{O}移動的線加速度a_MO；

(9)選擇矢量V_MO的三個分量以及矢量ω_O的三個分量作為系統的廣義速率，并將系統的偏速度和偏角速度記為V^(k)和ω^(k)，其中k為自然數1～6，則通過公式F^(k)＝F·V^(k)+T·ω^(k)計算得到系統的廣義主動力；式中，F^(k)為第k個廣義速率對應的廣義主動力；F、T分別表示質量塊受到的主力矢和主矩；

(10)分別通過公式F^*＝-M·a_MO和T^*＝-Iε_O-ω_O×Iω_O計算質量塊的慣性力矢F^*和慣性力矩T^*；式中，M為質量塊的重量，I為質量塊的慣性矩陣；并通過公式F^*(k)＝F^*·V^(k)+T^*·ω^(k)計算系統的廣義慣性力F^*(k)；

(11)根據Kane方法，得到6個標量方程：F^(k)+F^*(k)＝0，對其求解得到P_WO與R_WO的封閉解；再對外殼的位姿封閉解進行兩次差分處理，即得到外殼加速度的封閉解，也即待測振動體運動的加速度。