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基于并联机构的压电式六维加速度传感器测量系统研究

作　者: 张军
导　师: 李成刚
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 六维加速度传感器 并联机构 压电效应 电荷放大器 信号采集与处理
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着航空航天、机器人、生物医疗等领域向高、精、尖方向发展，对运动载体六维加速度的测量显得日趋迫切。鉴于并联机构与压电陶瓷的特点，本文以基于9-SPS冗余并联结构的压电式六维加速度传感器为出发点，研究并设计出集电荷放大器、信号采集与处理为一体的测量系统，与传统测量系统相比，该测量系统不仅成本低、体积小、具有很强的灵活性，而且能够减小测量过程中引入的干扰，实现传感器测量的智能化。本文首先对六维加速度传感器与压电式传感器测量系统的研究现状进行了比较深入和系统的分析，并给出了本文所要研究的具体内容。通过对给定的9-SPS冗余并联机构进行运动学和动力学建模，得到了传感器加速度解耦算法。接着对压电式传感器的前置放大电路进行分析，总结出各种前置放大电路的特点，随后以9-SPS并联压电式六维加速度传感器为具体应用对象，分析其工作特点，并给出了该类型传感器的测量方案。该测量方案由电荷放大器模块和信号采集与处理模块两部分组成。电荷放大器模块在传统的电荷放大器基础上进行了改进，去除了归一化级，增加了缓冲级，实现电荷放大器测量范围、滤波器参数以及增益的自动控制，同时具有体积小、精度高、可实现低频信号测量等特点；信号采集与处理模块是以现场可编程门阵列与数字信号处理器相结合的形式对电荷放大器输出信号进行采集和滤波处理，根据六维加速度解耦算法利用数字信号处理器实现待测对象的加速度求解。该组合方式不仅兼顾了速度和灵活性的平衡，保证了传感器实时测量能力，而且具有很强的扩展能力，通过修改部分程序可以很方便地实现其他类型压电式传感器的测量。最后，通过对所设计的测量系统进行实验分析，得到该测量系统的性能指标。本文所设计的压电式六维加速度传感器测量系统，能够独立自主地实现传感器的实时测量，并显示和保存测量结果，具有很高的应用价值。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章 绪论  14-24
  1.1 本文的研究背景  14-15
  1.2 六维加速度传感器研究现状  15-19
  1.3 压电式传感器测量系统研究现状  19-21
  1.4 本文的研究目的与内容  21-23
  1.5 本文的结构安排  23-24
第二章 9-SPS 并联压电式六维加速度传感器解耦算法  24-31
  2.1 引言  24
  2.2 9-SPS 并联压电式六维加速度传感器工作原理  24-25
  2.3 9-SPS 并联机构运动学建模  25-28
  2.4 9-SPS 并联机构动力学模型  28-29
  2.5 传感器加速度求解流程  29-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章 传感器测量系统原理及方案  31-40
  3.1 引言  31
  3.2 传感器前置放大器工作原理  31-37
    3.2.1 压电陶瓷的压电效应  31-32
    3.2.2 压电式传感器等效电路  32-33
    3.2.3 压电式传感器前置放大器工作原理  33-37
    3.2.4 前置放大器的选择  37
  3.3 系统控制及信号处理方案设计  37-38
  3.4 本文采用的测量方案  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第四章 电荷放大器设计  40-50
  4.1 引言  40
  4.2 电荷转换级设计  40-44
  4.3 程控滤波级设计  44-46
  4.4 程控放大级设计  46-47
  4.5 缓冲级及控制级设计  47-49
  4.6 电荷放大器设计时需要注意的问题  49
  4.7 本章小结  49-50
第五章 信号采集与数据处理模块设计  50-66
  5.1 引言  50
  5.2 FPGA 模块的设计  50-61
    5.2.1 A/D 转换单元设计  51-53
    5.2.2 电荷放大器控制单元设计  53-55
    5.2.3 预处理单元设计  55-58
    5.2.4 其他外设接口设计  58-61
  5.3 DSP 模块的设计  61-65
    5.3.1 数值求解算法的实现  62-64
    5.3.2 DSP 模块硬件设计及程序设计  64-65
  5.4 本章小结  65-66
第六章 测量系统性能测试  66-76
  6.1 引言  66
  6.2 电荷放大器检定  66-74
    6.2.1 电荷放大器滤波器性能检定  68-69
    6.2.2 电荷放大器低频下限的检定  69-70
    6.2.3 电荷放大器准确度的检定  70-72
    6.2.4 电荷放大器失真度检定  72-74
  6.3 A/D 转换精度的检测  74-75
  6.4 本章小结  75-76
第七章 总结与展望  76-79
  7.1 主要研究工作与创新点  76-77
  7.2 不足及展望  77-79
参考文献  79-83
致谢  83-84
在学期间的研究成果及发表的学术论文  84

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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