[發明專利]基于加速度傳感器的六自由度振動測試方法及裝置

在審

• 申請號: 201711184069.4
• 申請日: 2017-11-23
• 公開（公告）號: CN107991049A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 王志華;戴曉彬;張炳毅;付強;董理
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01M7/06
• 分類號: G01M7/06
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司42104
• 代理人: 胡鎮西

技術領域

本發明屬于振動測試領域，特別涉及一種基于加速度傳感器的六自由度振動測試方法及裝置。

背景技術

六自由度振動測試是環境試驗測試的重要組成部分，六自由度振動測試可應用于六自由度振動試驗臺校準、航空航天、水運道路交通運輸工具的工件環境測試、捷聯慣導平臺的六自由度振動測試等。六自由度振動測試，對于工件在六自由度振動環境下的工作狀態預估和工作狀態分析、合理規避工件工作風險等領域有重要意義。

傳統單只三向加速度傳感器僅能夠對X、Y、Z坐標系上的三個移動自由度進行同步測試，不能測試繞這三個坐標軸的三個轉動自由度，故無法完整還原六自由度振動測試點的工作狀態。采用單向加速度傳感器多次測試試驗也不能準確還原振動測試點運動狀況。而采用光學測振方法對實驗室的要求較高，理論上很難進行實地測試且成本過高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種操作簡便、能夠完整還原六自由度振動測試點的工作狀態的基于加速度傳感器的六自由度振動測試方法及裝置。

為實現上述目的，本發明所設計的基于加速度傳感器的六自由度振動測試方法，包括如下步驟：

1)在振動測試點處設置第一三向加速度傳感器，以第一三向加速度傳感器為原點O，建立空間直角坐標系O-XYZ，分別在空間坐標(ρ，0，0)、(0，ρ，0)和(0，0，ρ)處設置第二三向加速度傳感器、第三三向加速度傳感器和第四三向加速度傳感器，ρ為非零常數(其值根據工藝條件和精度要求選用)，并使各三相加速度傳感器的三個測量方向(即三相加速度傳感器上標明的X、Y、Z軸方向)分別與坐標系O-XYZ的X、Y、Z坐標軸方向平行；

2)通過各三向加速度傳感器分別測量所在點處的加速度，第一三向加速度傳感器測得的X、Y、Z軸方向的加速度分別記為a₁、a₂、a₃，第二三向加速度傳感器測得的Y、Z軸方向的加速度分別記為a₉、a₇，第三三向加速度傳感器測得的X、Z軸方向的加速度分別記為a₈、a₅，第四三向加速度傳感器測得的X、Y軸方向的加速度分別記為a₆、a₄；

3)振動測試點處的線加速度由第一三向加速度傳感器測得，即：

其中，a_0x、a_0y、a_0z分別為振動測試點在X、Y、Z軸方向的線加速度分量；

4)按下式計算得到振動測試點處的角加速度：

其中，α_x、α_y、α_z分別為振動測試點在X、Y、Z軸方向的角加速度分量，至此，振動測試點真實運動情況在一定精度內得到還原。

為便于理解，以下給出了步驟4)中等式的推導過程：

以a₀表示振動測試點的加速度向量(在X、Y、Z軸上的分量分別為a_0x、a_0y、a_0z)，α表示振動測試點的角加速度(在X、Y、Z軸上的分量分別為α_x、α_y、α_z)，ω表示振動測試點的角速度向量(在X、Y、Z軸上的分量分別為ω_x、ω_y、ω_z)。由運動力學可以獲得以下模型：

a_i＝a₀+α×r_i+(ω×ω×r_i)+ε_i i＝1,2,3,...9 (1)

其中ε_i為非剛性效應(柔性)引起的誤差，由于封裝后裝置呈剛性，非剛性效應對測試精度影響很小，故可忽略非剛性效應，即ε_i＝0，則等式(1)中含有三個未知量a₀、α和ω，為了使等式便于計算，使用矩陣進行等效運算。

a_i＝a₀+[α]×ρ+[ω]×[ω]×ρ＝a₀+[Ω]×ρ i＝1,2,3,...9 (2)

等式(2)中，[α]和[ω]為斜對稱矩陣；[Ω]＝[α]+[ω]×[ω]，表示角運動對所測線性加速度的貢獻。

設是固定坐標中的角加速度和角速度(分別為X、Y、Z軸正向的單位向量)，則：