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《重庆大学》 2010年
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六维加速度传感器的原理、系统及特性研究

袁刚  
【摘要】:六维加速度(Six degree-of-freedom (DOF) acceleration)传感技术是实现物体三维空间运动相对于参考惯性坐标系的三维线加速度和三维角加速度的传感和测量的多维运动传感技术。六维加速度传感技术在工业自动化控制系统、交通运输工具、机器人控制系统、导航制导设备、互动娱乐设备、医疗保健设备和地震预测装置中有着广泛的应用前景。目前,已经提出的各种六维加速度传感原理和结构复杂,导致开发的六维加速度传感器尺寸较大或工艺复杂。此外,缺乏完善的六维加速度传感器的传感特性评定方法和标准,制约了六维加速度传感器的实用化。因此,探索新的六维加速度传感方法,开发结构简单、成本低、精度高的六维加速度传感器,建立六维加速度传感器的传感特性评定方法和标准是六维加速度传感技术发展的必然要求。 本文作者提出并实现了一种六维加速度传感器的原理,研究了基于该原理的六维加速度传感器系统的组成和传感特性。根据提出的原理设计并开发了一种基于六个共面的压电式单轴加速度传感器的压电式六维加速度传感器,建立了压电式六维加速度传感器的传感方程和传感误差模型,提出了相应的传感误差补偿方法和校准方法。在此基础上,建立了六维加速度传感器的传感特性测试系统,对开发的压电式六维加速度传感器的快速原型进行了实验测试。 本文的主要研究工作和创新点归纳为以下五个方面: 1.提出并研究了一种基于六个共面的单轴加速度传感器的六维加速度传感器的原理,通过获取和解耦固定在立方体上首尾相连、任意三条棱边不共面的六条棱边中点处且敏感轴线与相应棱边重合的六个单轴加速度传感器的输出实现六维加速度传感。建立了实现六维加速度传感的传感方程,分析了传感特性,包括传感误差、传感分辨率、传感范围和工作频率范围。 2.研究了采用六个压电式单轴加速度传感器作为敏感元件的压电式六维加速度传感器系统的组成和工作原理,建立了相应的传感方程,设计并实现了实现六维加速度传感的敏感单元和相应的信号处理系统。采用基于实时仿真系统的快速控制原型技术开发了压电式六维加速度传感器的快速原型。 3.分析了压电式六维加速度传感器的传感误差,建立了其传感误差模型和六个压电式单轴加速度传感器的安装误差和输出误差引起的传感误差的误差估计方程,分析了六个压电式单轴加速度传感器的安装误差和输出误差对传感误差的影响。在此基础上,提出了一种压电式六维加速度传感器的传感误差补偿方法,利用向量和矩阵的∞-范数建立了压电式六维加速度传感器的传感误差范围与被测对象运动的角速度范围、六个压电式单轴加速度传感器的安装误差范围和输出误差范围之间的数学关系模型。根据该数学模型,提出了一种误差补偿后的误差范围估计的方法。 4.提出了压电式六维加速度传感器的校准原理,建立了相应的校准模型,分析了校准过程中加速度激励误差对校准结果的影响和最佳角加速度激励频率的范围,建立了对校准误差进行估计的方法。 5.建立了六维加速度传感器的实验测试系统。在六维随机振动激励、固定轴线振动激励和固定轴旋转振动激励下对开发的压电式六维加速度传感器的快速原型的传感性能、校准和误差补偿的效果进行了实验测试。 本文的研究工作为基于多个单轴加速度传感器的六维加速度传感器的研究和开发奠定了理论基础,对于评定六维加速度传感器的传感特性具有重要指导意义。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP212

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 侯文静;基于Stewart平台的六维加速度传感器弹性体设计[D];燕山大学;2007年
2 吕翔宇;并联结构六维加速度传感器研究[D];燕山大学;2007年
3 于春战;基于并联机构的六维加速度传感器[D];燕山大学;2005年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前7条
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2 柳明;刘雨;苏宝库;蒋效雄;;总体最小二乘法辨识惯导平台误差模型研究[A];2007'仪表,自动化及先进集成技术大会论文集(一)[C];2007年
3 王代华;袁刚;赵艳;侯向红;;一种六维加速度传感器原理的研究[A];第十届全国敏感元件与传感器学术会议论文集[C];2007年
4 覃方君;许江宁;李安;周红进;;基于小波变换的无陀螺惯导航系统降噪方法研究[A];2006年船舶通讯导航学术会议论文集[C];2006年
5 Weining Zhang Jinbiao Fan Tiehua Ma Zhijie Zhang Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement (North University of China),Ministry of Education,Taiyuan 030051,P.R.China;Study of Small Projectile Attitude Testing System in High Over Loading[A];Proceedings of 6th International Symposium on Test and Measurement(Volume 1)[C];2005年
6 Xu Weixing Qin Li Zhang Wengdong Meng Lingjun Zhang Huixin Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement(North University of China),Ministry Education;Testing Research on Non-gyro Inertial Measurement Unit Based on Nine Accelerometers Configuration[A];Proceedings of 6th International Symposium on Test and Measurement(Volume 8)[C];2005年
7 Mu Shuzhi Bu Xiongzhu Li Yongxin Wang Xiaoqin School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, P.R. China;Effect of Cross-coupling Coefficient of Accelerometer on Twelve Accelerometers Inertial Measurement Unit and Simulation[A];Proceedings of 6th International Symposium on Test and Measurement(Volume 9)[C];2005年
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1 罗跃生;硅微型陀螺仪的力学分析和数学模型[D];哈尔滨工程大学;2003年
2 孟明;基于力信息的在线签名认证研究[D];中国科学技术大学;2006年
3 全中华;基于动态手写签名的身份认证研究[D];中国科学技术大学;2007年
4 徐春蕾;大规模分布式虚拟环境的时空一致性[D];国防科学技术大学;2006年
5 徐涛;水平定向钻进随钻测量方法及定位技术研究[D];国防科学技术大学;2006年
6 冷雪飞;基于图像特征的景象匹配辅助导航系统中的关键技术研究[D];南京航空航天大学;2007年
7 牟淑志;无陀螺惯性测量组合仿真及实验研究[D];南京理工大学;2007年
8 闻泉;引信球转子动力学与设计理论研究[D];南京理工大学;2007年
9 王雪梅;摆式列车线路信息检测系统关键技术研究[D];西南交通大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 于春战;基于并联机构的六维加速度传感器[D];燕山大学;2005年
2 朴林华;CJSYS-A5型压电射流角速度传感器的研制[D];延边大学;2001年
3 张代兵;激光陀螺寻北系统建模与参数辨识[D];国防科学技术大学;2002年
4 邱高理;光纤陀螺性能评价系统[D];浙江大学;2003年
5 孙同江;飞行数据的应用研究[D];南京航空航天大学;2003年
6 江泽;INS/GPS实时仿真系统研究[D];西北工业大学;2003年
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8 王迪;无陀螺捷联惯性导航技术研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
9 刘向;线加速度计在平台稳定系统中应用的理论研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2004年
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【同被引文献】
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2 徐科军,朱志能,李成,王国泰,刘家军;六维腕力传感器阶跃响应的实验建模[J];机器人;2000年04期
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5 孟明,葛运建,吴仲城,戈瑜,钱敏;一种新型多维加速度传感器弹性体设计与仿真分析[J];传感技术学报;2003年04期
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10 钱敏,吴仲城,戈瑜,孟明;多维角加速度传感器静态标定方法研究[J];仪器仪表学报;2005年03期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
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中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 秦岗;新型机器人腕力传感器的研究[D];东南大学;2004年
2 吕翔宇;并联结构六维加速度传感器研究[D];燕山大学;2007年
3 庞辉;基于DSP和CPLD的智能监测系统设计与开发[D];武汉大学;2004年
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5 王应莉;基于ARM+DSP架构的视频处理系统[D];电子科技大学;2007年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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1 于春战;基于并联机构的六维加速度传感器[D];燕山大学;2005年
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6 汪卫华;;夹具在HALT试验中的重要性[A];第十一届全国可靠性物理学术讨论会论文集[C];2005年
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8 白占元;徐皑冬;;基于MEMS的倾角测量仪设计[A];2007'仪表,自动化及先进集成技术大会论文集(一)[C];2007年
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7 浙江 张培君;压电式电子门铃[N];电子报;2007年
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9 本报记者 赵艳秋 冯晓伟 冯健;开发商借MEMS增势拓展加速度传感器组合新应用[N];中国电子报;2009年
10 高亚兰;“斯巴鲁”召回1135辆进口驰鹏[N];国际商报;2009年
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9 张剑;用于动态应变测量的光纤布拉格光栅波长解调技术研究[D];哈尔滨理工大学;2007年
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2 马惠铖;声表面波加速度传感器关键技术的研究[D];西安科技大学;2010年
3 陈大雄;光纤Bragg光栅加速度传感器动态特性的研究[D];武汉理工大学;2004年
4 侯向红;压电式六轴加速度传感器信号处理的研究[D];重庆大学;2007年
5 刘晓祥;基于加速度传感器的动作捕捉系统的研究[D];吉林大学;2011年
6 刘正;基于SOI环形谐振腔的加速度传感器研究[D];中北大学;2011年
7 马颖蕾;八梁固支压阻加速度传感器及测试电路[D];复旦大学;2010年
8 崔晓光;差分式微光纤加速度传感器的仿真设计[D];燕山大学;2011年
9 刘鹏飞;LC谐振式耐高温加速度传感器的设计[D];中北大学;2011年
10 陈光炎;真空微电子加速度传感器的研究[D];重庆大学;2002年
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