一種預緊型六維加速度傳感器及其故障自診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及多維慣性測量儀器領域，特別是涉及一種預緊型六維加速度傳感器及 其故障自診斷方法。
【背景技術】
[0002] 加速度傳感器在振動實驗中有著重要作用，它采樣得出振動試驗中監測點的振動 量值，為開展振動方面的研究提供數值依據，所以，加速度傳感器本身性能的優劣直接影響 待測對象最終的處理效果。剛體在空間的運動包括沿3個主坐標軸方向的平移和繞3個 主坐標軸的旋轉，其振動加速度分別對應于三維線加速度和三維角加速度，合稱"六維加速 度"。傳統方法一般采用若干個單維加速度計或者加速度計配合陀螺儀的方式來獲得載體 的六維加速度信息。然而，由于多個慣性質量塊的質心位置不一致，系統對各加速度計以及 陀螺儀的安裝精度要求非常高；另外，這種組合方式在力學原理上就存在較嚴重的桿臂效 應和橫向靈敏度效應，故其原理精度較低。本發明人在專利《冗余并聯式六維加速度傳感器 及其測量方法》中發明了一種基于9-SPS并聯機構構型的單質量塊一體化六維加速度傳感 器，仍然不能解決多輸入多輸出類傳感器中普遍存在的兩個難題，從而阻礙了其實用化進 程：第一，每根支鏈的兩個端點相對于外殼的位置絕對固定，在支鏈的軸向上無法施加預緊 力，六維加速度傳感器工作時串接在所有支鏈中間的敏感元件就處于受拉、受壓的交替變 化模式下，容易產生支鏈松脫、電極與導線接觸不良、信號泄漏等現象，導致輸出信號的信 噪比較大；第二，眾多支鏈在長時間測量過程中，尤其是在多物理場的復雜環境下工作時不 可避免地會出現故障，包括硬件故障和軟件故障，加速度解耦算法中的輸入量與其真實值 之間就存在極大偏差，導致解耦結果完全失真，表現為測量系統的癱瘓。在專利《整體預緊 雙層上下對稱八桿并聯結構六維力傳感器》針對六維力傳感器的預緊問題發明了一種預緊 方法，但存在系統精度、靈敏度等性能的各向同性度較弱的問題。在專利《汽車電子穩定控 制系統傳感器故障診斷和容錯控制方法》針對汽車電子穩定控制系統內傳感器的故障問題 發明了一種故障診斷方法，不足之處是運動特征參量閾值的設置嚴重依賴于測量對象的工 況條件，具有不確定性，實際操作時比較困難。那么如何使現有六維加速度傳感器的彈性體 拓撲構型與測量對象的六自由度運動特征以及傳感器本身的維間耦合特性完全匹配是亟 待解決的問題。
[0003] 因此，目前需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是：如何能夠創新地 提出一種更為有效的方法，使現有六維加速度傳感器的彈性體拓撲構型與測量對象的六自 由度運動特征以及傳感器本身的維間耦合特性完全匹配，以滿足實際應用中的需求。

【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題是提供一種預緊型六維加速度傳感器及其故障自診 斷方法，從彈性體拓撲構型出發，對六維加速度傳感器的預緊和容錯問題進行創造研究，以 滿足實際應用中的需求。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明實施例公開了一種預緊型六維加速度傳感器及其 故障自診斷方法，包括：一種預緊型六維加速度傳感器，包括質量塊、外殼、6塊副板、6根預 緊柱、12根支鏈，其特征在于，所述質量塊和12根支鏈均設于外殼的容置腔內，初始狀態 下，質量塊的幾何中心與外殼的幾何中心重合，外殼為由6塊相同正方形板裝配成的空心 立方體，6塊板的正中心各有1個螺紋通孔，通孔被1個"U"形直溝槽包圍，直溝槽的3條槽 邊與螺紋通孔的孔心等距離，6塊副板結構相同，由3塊側板和1塊底板裝配而成，側板與外 殼上的"U"形直溝槽配合且側板部分置于外殼的外部，底板置于外殼的內部且與相鄰外殼 面平行，12根支鏈分成完全相同的6組，每組2根垂直布置且共用1個球鉸鏈；6個共用的 球鉸鏈分別固接于質量塊上的通過2個對頂點的6條棱邊的中心，每組支鏈中的2根支鏈 方向分別垂直于質量塊上的所通過棱邊的2個平面，每組支鏈中的2個非共用球鉸鏈分別 固接于與所在支鏈方向垂直的相鄰副板的底板，6根預緊柱結構相同，為縱切面呈"T"形的 共軸線雙圓柱體，小圓柱側面有外螺紋，與外殼上的螺紋通孔配合，小圓柱底面與副板的底 板內側面接觸，大圓柱置于外殼的外部。
[0006] 優選的，所述12根支鏈結構相同，均由1組壓電陶瓷和2個球鉸鏈串聯而成，壓電 陶瓷位于2個球鉸鏈之間，12組壓電陶瓷結構相同，均由若干圓柱狀壓電陶瓷片串聯而成。
[0007] 優選的，所述預緊柱上有可用于限制過大預緊力的軸肩。
[0008] -項所述預緊型六維加速度傳感器的故障自診斷方法，包括以下步驟： S1 :構建支鏈電壓協調方程，根據6個共用球鉸鏈之間的笛卡爾距離恒定，以及6組壓 電陶瓷的輸出電壓值考與其所在支鏈變形量之間滿足的正比例關系，運用并聯機構運動學 正解的相關理論建立關于12個通道輸出電壓的6個協調方程，并在六維加速度傳感器實際 工作時，通過虛擬儀器對此進行全程監測。
[0009] S2 :判斷支鏈電壓協調方程是否成立，將12個通道輸出的電壓代入支鏈電壓協調 方程，判斷方程等式是否成立。
[0010] S3 :根據支鏈電壓協調方程不成立的方程，計算支鏈電壓修復值的方法。
[0011] S4 :根據S3計算的支鏈電壓修復值對支鏈故障進行自動修復。
[0012] 進一步地，所述S2的判斷支鏈電壓協調方程是否成立的判斷步驟： 521 :若6個電壓協調方程全部成立，則表明所有支鏈均無故障； 522 :若6個電壓協調方程中有且僅有2個方程不成立，則表明可能出現的情況為6種： 方程（1)和（4)同時不成立，方程（2)和（5)同時不成立，方程（3)和（4)同時不成立，方程 (1)和（5)同時不成立，方程（2)和（6)同時不成立，方程（3)和（6)同時不成立。
[0013] S23 :若6個電壓協調方程中有且僅有3個方程不成立，則表明可能出現的情況為 6種：包括方程（1)、（3)和（4)同時不成立，方程（1)、（4)和（5)同時不成立，方程（3)、（4) 和（6)同時不成立，方程（1)、（2)和（5)同時不成立，方程（2)、（5)和（6)同時不成立，方程 (2)、（3)和（6)同時不成立。
[0014] S24 :若6個電壓協調方程中有且僅有4個方程不成立，則表明可能出現的情況為 9種：包括方程（1)、（2)、（4)和（5)同時不成立，方程（1)、（2)、（4)和（6)同時不成立，方程 (1)、（3)、（4)和（6)同時不成立，方程（2)、（3)、（4)和（5)同時不成立，方程（1)、（3)、（4) 和（5)同時不成立，方程（2)、（3)、（4)和（6)同時不成立，方程（2)、（3)、（5)和（6)同時不 成立，方程（1)、（2)、（5)和（6)同時不成立，方程（1)、（3)、（5)和（6)同時不成立。
[0015] 進一步地，所述S3計算支鏈電壓修復值方法的步驟為： 531 :若6個電壓協調方程中有且僅有2個方程不成立，且是方程（1)和（4)同時不成 立時： 方程（1)和（4)的等號兩邊分別相加，得到：
若方程（7)成立，則診斷為編號3的支鏈出現故障，且根據方程（1)可將，修復成：
方程（1)和（4)的等號兩邊分別相減，得到：
若方程（9)成立，則診斷為編號1的支鏈出現故障，且根據方程（1)可將，修復成：
若方程（7)和（9)均不成立，則診斷為編號1和3的支鏈均出現故障，且通過聯列并求 解方程（1)和（4 )可將:和，修復成：
532 :若6個電壓協調方程中有且僅有3個方程不成立，且是方程（1)、（3)和（4)同時 不成立時： 方程（1)、（3)和（4)的等號兩邊分別相加，得到：
若方程（13)成立，則診斷為編號3和4的支鏈均出現故障，且通過聯列并求解方程（1) 和（3 )可將*?和，修復成：
方程（1)和（3)的等號兩邊分別相加，并將得到的方程與方程（4)的等號兩邊分別相 減，得到：
若方程（16)成立，則診斷為編號1和2的支鏈均出現故障，且通過聯列并求解方程（1) 和（3)可將和:8?修復成：
方程（1)和（3)的等號兩邊分別相減，并將得到的方程與方程（4)的等號兩邊分別相 加，得到：
若方程（19)成立，則診斷為編號2和3的支鏈均出現故障，且通過聯列并求解方程（1) 和（3)可將*^:和》%修復成：
方程（1)和（3)的等號兩邊分別相減，并將得到的方程與方程（4)的等號兩邊分別相 減，得到：
若方程（22)成立，則診斷為編號1和4的支鏈均出現故障，且通過聯列并求解方程（1) 和（3)可將1%和，修復成：
S33 :若6個電壓協調方程中有且僅有4個方程不成立，且是方程（1)、（2)、（4)和（5) 同時不成立時： 方程（2)和（5)的等號兩邊分別相加，得到：
若方程（7)和（25)同時成立，則診斷為編號3