预紧式并联六维加速度传感器研究

摘要

随着信息的多元化发展，测量、控制和自动化等领域对传感器的要求越来越高，六维加速度传感器作为一种能够获取空间运动物体完整加速度信息的传感器件备受关注。本文综合国内外六维加速度传感器的研究现状，提出一种预紧式并联六维加速度传感器，从构型设计、数学建模、性能指标和结构优化四个方面展开研究。 提出一种8-SPS并联拓扑构型，将此并联机构作为弹性体构建了一种预紧式并联六维加速度传感器，通过在压电陶瓷两端增设碟簧、锁紧螺母和套筒，实现对压电陶瓷的单独预紧。借助数值法求解得到并联机构的运动学正解，基于牛顿-欧拉法建立了传感器系统的动力学方程，一方面，利用数值算法实现了六维加速度的完全解耦，其解耦精度高；另一方面，通过挖掘构型的固有约束关系推导出力协调方程解算得到8条支链的轴向力，以确定支链预紧力的大小。基于Lagrange法推导出传感器的基频模型，采用矩阵迭代法求解得到传感器系统的固有频率和振型，与ANSYS仿真数据进行对比，基频的计算误差不超过4.17%。结合上述力协调方程推导出灵敏度关于结构参数的解析表达式，与ADAMS仿真结果吻合。为解决多目标优化问题，在基频和灵敏度的基础之上定义一种综合性能评价指标，采用正交试验法得到一组综合性能相对最优的结构参数组合，对传感器的结构优化设计以及定量评价具有重要的参考价值。最后，设计了预紧式并联六维加速度传感器样机，通过具体实验验证了本文所建立数学模型的正确性。

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