三维加速度传感器优化设计及静动态特性研究

论文摘要

设计了一种应变式全剪切三维加速度传感器,对传感器的结构优化、有限元应力分析、标定方法、静态解耦等问题进行了研究。对弹性体结构进行了优化设计。弹性体是传感器的核心元件,其结构参数直接影响传感器静、动态特性。采用正交试验设计和极差分析方法全面分析弹性体主要结构参数对传感器静、动态特性的影响。运用有限元方法对传感器模型进行了静特性分析。通过静态分析,确定了弹性体在不同方向载荷作用下应变分布规律,证明了传感器具有良好线性。在此基础上确定了不同方向载荷作用下的组桥布片方案,并从理论上分析了如何实现解耦输出。对传感器进行了模态、谐响应和瞬态响应等动态特性分析。模态分析得到传感器的前六阶固有频率和振型,谐响应分析和瞬态分析得到传感器的幅频特性及动态维间耦合情况。设计了三维加速度传感器静动态标定方法。采用重力加速度方法对传感器进行静态标定,通过标定分别得到传感器三个方向的灵敏度、非线性度和回程误差三个主要静态特性指标。设计制造一精密振动实验台和计算机自动化标定系统对三维加速度传感器的频响特性进行动态标定,得到传感器三个方向的频响特性曲线,确定传感器的动态应用范围。提出了基于BP神经网络的多维传感器非线性解耦方法。维间耦合是制约传感器测量精度的主要因素,为了克服传统线性解耦方法的局限性,研究了基于BP神经网络的加速度传感器的非线性静态解耦方法,应用该方法对应变式三维加速度传感器进行了解耦分析,并与最小二乘法的线性解耦方法进行了比较,结果表明BP神经网络比最小二乘法有更高的标定精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 三维加速度传感器研究现状
• 1.2.1 三维线加速度传感器基本工作原理
• 1.2.2 三维线加速度传感器信号获取原理
• 1.2.3 三维线加速度传感器研究现状
• 1.3 课题来源及研究内容
• 2 加速度传感器的结构设计及优化
• 2.1 传感器整体结构设计
• 2.1.1 弹性体设计
• 2.1.2 质量块设计
• 2.1.3 保护罩设计
• 2.2 传感器结构的优化设计
• 2.2.1 solidworks及cos mosworks简介
• 2.2.2 静态分析模型
• 2.2.3 正交试验设计的简介
• 2.2.4 正交表
• 2.2.5 正交试验
• 2.2.6 最优方案的确定
• 2.3 传感器性能指标
• 2.3.1 静态性能指标
• 2.3.2 动态性能指标
• 2.4 本章小结
• 3 加速度传感器的制造及应力分析
• 3.1 传感器的机械加工
• 3.1.1 弹性体材料的选用
• 3.1.2 弹性体的机械加工
• 3.2 传感器的静态有限元分析
• 3.2.1 有限元法概述
• 3.2.2 基本有限单元公式的建立
• 3.2.3 有限元软件的选用
• 3.2.4 模型的静态分析
• 3.3 传感器应变片布置
• 3.3.1 应变片选用
• 3.3.2 确定贴片位置和组桥方式
• 3.3.3 应变片的粘贴
• 3.4 本章小结
• 4 加速度传感器动态有限元分析
• 4.1 动态特性概述
• 4.2 结构动力响应分析
• 4.3 传感器固有特性分析
• 4.4 瞬态动力学响应分析
• 4.5 谐响应分析
• 4.6 本章小结
• 5 加速度传感器标定实验研究
• 5.1 概述
• 5.2 传感器静态标定
• 5.2.1 静态标定的方法
• 5.2.2 标定实验
• 5.2.3 静态标定结果
• 5.3 传感器的动态标定
• 5.3.1 传感器动态标定方法
• 5.3.2 传感器动态标定实验设计
• 5.3.3 传感器频响特性曲线
• 5.4 本章小结
• 6 加速度传感器静态解耦的研究
• 6.1 传感器静态线性解耦
• 6.1.1 静态线性标定
• 6.1.2 静态线性解耦方法
• 6.1.3 基于最小二乘的线性静态解耦
• 6.2 传感器静态非线性解耦
• 6.2.1 静态非线性解耦方法
• 6.2.2 基于BP神经网络的传感器静态非线性解耦
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果
• 攻读硕士学位期间发表的论文