压电式六维加速度传感器的相位特性及实验研究

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六维加速度传感器能同时测量X、Y、Z三轴线加速度和三轴角加速度的六自由度全信息动力学参数。相比于传统的惯性测量单元具有功耗低、频带宽、响应快等优点,设计和研制六维加速度传感器更符合我国科技发展的战略规划。相位特性是六维加速度传感器的重要动态特性指标,影响着传感器六维测量的实时性、准确性等。因此,要提升传感器的性能指标就必须开展传感器相位特性的研究工作。本文以压电式六维加速度传感器为研究对象,开展传感器相位特性形成机理研究并进行实验验证。首先分析传感器在不同振动状态下的相位特性,在运用线性多自由度体系和线性连续体系理论的基础上,验证所提出的非偏心/偏心振动数学模型的有效性;通过调整传感器结合面阻尼系数和结构参数,优化传感器相位特性,并基于Ansys软件完成仿真验证工作;结合传感器相位特性,提出基于两个六维加速度传感器的振动源定位方案,并完成了实验验证。本文主要工作如下:(1)为构建六维加速度传感器相位模型;首先运用线性多自由度体系理论,从传感器结构和工作原理入手建立六维加速度传感器非偏心振动相位模型,并分析传感器在单维测量和多维测量下的相位特性;然后基于线性连续体系理论,结合地震波传播特性,构建六维加速度传感器偏心振动相位模型。(2)为实现对六维加速度传感器的相位优化,首先基于非偏心振动相位模型,构建传感器结合面阻尼模型,并分析结合面预紧力和粗糙度对阻尼系数的影响;然后从传感器质量块、晶片、基座和预紧螺栓等结构参数入手,基于Powell多参数优化算法,得到不同条件下相位特性最优的结构参数解,并完成仿真验证实验。(3)为验证六维加速度传感器相位模型的正确性,开展传感器相位特性的实验研究。借助线振动台、角振动台、偏心振动冲击平台等,进行六维加速度传感器非偏心振动和偏心振动实验研究,验证研究理论的正确性。(4)根据六维加速度传感器和振源之间的几何位置关系,结合传感器偏心振动相位模型,提出一种基于两个六维加速度传感器的振动源定位方法,设计并完成多组实验验证,实验结果表明,双六维加速度传感器定位方法的定位误差小于1cm,验证了基于双六维加速度传感器的振动源定位方法的可行性。本文建立六维加速度传感器相位模型,根据建立的模型研究了传感器相位特性优化的方法,同时基于偏心振动相位模型,提出一种全新的振动源定位方案;本文研究工作对六维加速度传感器动态特性研究有重要的实用价值。
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