壓電式六軸加速度傳感器信號處理的研究.pdf

1、六軸加速度傳感器技術不僅有助于機器人技術、航空航天技術、武器技術的發(fā)展，而且在工業(yè)自動控制、車輛工程、地震預報等領域中具有廣泛的應用前景。由于大多數加速度傳感器只能傳感一個至三個軸向的加速度，因此研究的重點主要集中在六維加速度的測量，主要通過采用多只單軸加速度傳感器進行適當組合實現六維加速度的測量。目前已有報道的六軸加速度傳感器主要有三種，即利用微機電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，MEMS

2、)技術的六軸加速度傳感器、利用粘貼在膜片上的應變片的組合實現的六維加速度傳感器和基于靜電超導原理的六維加速度傳感器。利用微機電系統(tǒng)技術可以將多個單軸加速度傳感器集成到單塊硅片上實現多維加速度傳感，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變片的組合實現的六維加速度傳感器實現加速度解耦困難，目前仍處于研制階段。采用靜電超導原理實現的六維加速度傳感器只能用于微重力環(huán)境下，不僅

3、結構復雜，而且成本高。因此，進行多維加速度傳感器(尤其是六軸加速度傳感器)技術的研究具有重要理論意義和實用價值。 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構，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構上合理布局獲取被測對象的六軸加速度信息實現六維加速度傳感，開發(fā)了相應的信號調理系統(tǒng)和快速原型系統(tǒng)，并進行了實驗測試。在此基礎上進一步研究了基于數字信號處理器(Digital Signal Processor,D

4、SP)的壓電式六軸加速度傳感器的信號處理系統(tǒng)。在研究過程中提出并定義了表征電荷放大器上電響應能力的開關響應特性的概念并給出了相應的測試方法。 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構上合理布局獲取被測對象的六軸加速度信息實現六維加速度傳感，實現了基于上述原理的壓電式六軸加速度傳感器的結構。介紹了壓電式六軸加速度傳感器實現六維加

5、速度傳感的解耦算法，通過對輸出信號進行復合與解算，可以獲得被測對象的六維加速度信息，包括三個正交的線性加速度和與之對應的三個角加速度(或角速度)。 ②對于壓電式六軸加速度傳感系統(tǒng)及其構成的無陀螺捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)，其開關響應時間和體積直接決定于構成其信號調理系統(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能力的開關響應特性的概念并給出了相應的測試方法。開發(fā)了一種為提高開關響應特性的多通道電荷放大器，不僅體積小，而且實

6、驗測試結果表明其具有良好的開關響應特性，可以用于構成壓電式六軸加速度傳感系統(tǒng)/無陀螺捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的信號調理系統(tǒng)。③基于dSPACE實時仿真系統(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學模型編制成程序下載到dSPACE系統(tǒng)中運行，通過與計算機通信，利用ControlDesk軟件實時監(jiān)督信號變化情況。 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