[發明專利]六維加速度傳感器及故障診斷方法

在審

• 申請號: 201710709966.6
• 申請日: 2017-08-18
• 公開（公告）號: CN107643425A
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 張文妍;陳晶;李成剛
• 申請（專利權）人: 南京林業大學;南京航空航天大學
• 主分類號: G01P21/00
• 分類號: G01P21/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 張弛

技術領域

本發明涉及機電故障診斷技術領域，尤其是涉及一種可故障自診斷的并聯式的六維加速度傳感器裝置及其故障診斷與故障修復的方法。

背景技術

隨著對物體運動特征參量探索的不斷加深，人們的測量要求也在不斷提高。六維加速度傳感器作為傳感器的一種，用于實時測量載體的動態特性，近年來已在多個領域發揮重要作用。其可應用于航空航天領域飛行設備的慣性導航與制導，例如神舟十一號載人飛船；也可應用于交通運輸領域，例如車載系統中的加速度及時反饋及發動機故障損傷測試等；還可應用于虛擬現實(VR)領域，實時監測佩戴者的身體運動情況以及時傳輸畫面進一步提高視覺沖擊感。當然，六維加速度傳感器還在多個領域發揮著巨大的功效，例如數碼電子設備光學防抖、機器人末端執行器控制、機械結構振動測試、生物醫療等，其應用前景與剛性需求越來越突出。

傳感器作為基礎系統中的重要元器件，其探索研究已經朝著安全、成熟的方向發展，但現代工業設備系統復雜，并且經常需要連續化、高速化的運作，傳感器發生故障也是時常發生的。一旦傳感器出現性能蛻化、故障甚至失效，將不可避免地影響后續的測量、監控等工作，輕則導致系統故障，重則造成不可估量的生命、財產損失。經過不斷的探索研究，近年來故障診斷技術已經發展到非常成熟、系統的階段，現有的應用較多、效果較好的故障診斷技術有以下幾種：(1)硬件冗余法，一般是指通過多重備份的方法來增加系統的可靠性，通過硬件冗余法進行故障診斷需要對各個模型進行具體分析，并建立與之對應的診斷算法，盡管在硬件冗余的條件下其算法往往不依賴其自身的數學模型，算法較為簡單，具有機理簡單、易實現的優點，但這種方法需要多個傳感器，使用和維護成本高，診斷結果也會因為算法的改變而發生較大變化；(2)解析冗余法，該方法進行故障檢測、故障隔離的關鍵系統解析冗余關系的建立，然而建立解析冗余關系的過程是有難度的、曲折的，如何有效利用解析冗余解析關系來進行故障診斷也是一大挑戰；(3)信號處理及數理統計法，該方法在故障診斷領域得到了廣泛的應用并取得了良好的效果，其中主要包括基于信息融合、基于PCA和基于小波包變換三種方法，神經網絡及專家系統有著趨向人工智能的特點，在模式識別方面具有較大的優勢，逐漸成為故障診斷研究的熱點。

盡管六維加速度傳感器的研究仍處于探索階段，但其應用趨勢卻日益加強，應用領域也日益廣泛，因此有必要對六維加速度傳感器的故障診斷技術進行研究。六維加速度傳感器構型復雜，結構冗余，若采用硬件冗余法會進一步增加系統的復雜程度，加重系統運行的負擔。為了能夠同時滿足六維加速度測量和實時性測量的要求，六維加速度傳感器的解耦算法復雜，難以運用信號處理和數理統計對其進行處理，也難以運用神經網絡進行訓練，自學能力較弱。因此，考慮從解析冗余的角度對并聯式六維加速度傳感器進行故障診斷與故障修復的研究。

發明內容

本發明的主要目的，在于提供一種可故障自診斷的并聯式六維加速度傳感器，其可實現對自身在測量六維加速度的過程中故障診斷與后續故障修復。

同時，本發明還提供使用上述傳感器的故障診斷方法。

為達到上述目的，本發明六維加速度傳感器可采用如下技術方案：

一種具有故障自診斷功能的并聯式六維加速度傳感器，包括外殼、位于外殼內的立方體質量塊、第一組支鏈、第二組支鏈、第三組支鏈；所述第一組支鏈包括三個第一支鏈；第二組支鏈包括三個第二支鏈；第三組支鏈包括三個第三支鏈；所述三個第一支鏈的一端均通過第一個復合彈性球鉸鏈連接于立方體質量塊的第一表面上，三個第二支鏈的一端均通過第二個復合彈性球鉸鏈連接于立方體質量塊的第二表面上，三個第三支鏈的一端均通過第三個復合彈性球鉸鏈連接于立方體質量塊的第三表面上；且第一表面、第二表面、第三表面的為立方體質量塊的三個相鄰且相互垂直的側面；所述三個第一支鏈相互垂直延伸并分別連接于外殼的三個內壁面上；所述三個第二支鏈相互垂直延伸并分別連接于外殼的三個內壁面上；所述三個第三支鏈相互垂直延伸并分別連接于外殼的三個內壁面上；所述每個第一支鏈、每個第二支鏈、每個第三支鏈中均至少具有一個壓電陶瓷。

該傳感器的工作原理是，實際診斷時，質量塊是剛性質量塊，質量塊上的三個復合彈性球鉸鏈相對不動，從而得到三個復合彈性球鉸鏈中心點之間的相對距離恒定。建立相關坐標系，可建立起復合彈性球鉸鏈的坐標與壓電陶瓷電荷量的關系。在無故障情況下，恒定的距離關系對應了恒定的電荷量關系，通過判斷電荷量的關系是否成立來判斷故障的發生與否，并同樣利用電荷量之間的恒定關系進行故障的修復。