六维加速度传感器结构参数对其灵敏度的影响

    六维加速度传感器的研制一直是传感器领域的难点,国内外还处于起步阶段[1-5]。Kubus等人设计了一种组合式的可测量出六维力和六维加速度的传感器[6],采用6个微机电系统(MEMS)线加速度计来检测六维加速度信息。该传感器虽能对六维加速度进行解耦,但6个加速度计的一致性要求较高。国内孟明等人设计了一种双环形薄膜结构的六维加速度传感器[7],具有耦合程度低等优点,但其加工及装配较复杂。随着对并联机器人领域研究的飞速发展,国内燕山大学在这方面做了大量研究,分别进行了基于并联机构的六维加速度传感器弹性体、结构、灵敏度等方面的研究^[8-9]。

    目前仅有少数基于MEMS技术的六维加速度传感器用于航天等特殊场合中,而MEMS器件的传感器灵敏度较差。本文设计一种传感器,以正交并联机构为连接体,在每个并联支链中间利用压电陶瓷作为敏感元件,外壳与被测物体固联。本文旨在探讨该传感器结构参数对其灵敏度的影响,为优化六维加速度传感器的结构提供理论依据。

    灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值。传感器灵敏度越高,其对噪音的敏感度就越低,因此希望设计出的传感器具有较高的灵敏度。文献[9]中将并联机构六维加速度传感器的灵敏度定义为当外界有单位加速度输入时,6个弹性移动副得到的输出量绝对值之和。本文设计的传感器(见图1)输入的每个加速度分量都对应一个以上压电陶瓷的输出量,同时压电陶瓷的输出电荷量与其受力成正比(比例系数为压电陶瓷的压电常数),因此本文将传感器的灵敏度定义为单位加速度输入下,6根压电陶瓷受力的绝对值之和。

    当传感器外壳作匀加速旋转时,由于重力加速度的原因,在不同时刻质量块对6根压电陶瓷会有不同的作用效果。灵敏度指标与传感器的结构参数有直接关系,另外还与弹性运动副的材料、形状及测量的环境有关_[9]。本文从结构设计方面寻找提高传感器灵敏度指标的方法,为了排除重力的影响,文中假设传感器所处环境中的重力加速度为0。

    外界输入的加速度包括三维线加速度和三维角加速度,因此相应的传感器灵敏度也可分为线加速度灵敏度和角加速度灵敏度。线加速度和角加速度的量纲不同,对应灵敏度的量纲也不同,因此,本文分别研究结构参数对线加速度灵敏度和角加速度灵敏度的影响。

    1.1　线加速度灵敏度的计算

    为便于分析力和运动,将图1的模型进行简化,简化后如图2所示。

   当外壳跟着待测体以加速度ax作x方向的匀加速度运动时,质量块在惯性力下位姿相对于外壳会改变,进而压缩(拉伸)6根压电陶瓷使其产生电荷。由于压电陶瓷的等效刚度很大,沿y、z方向的4根压电陶瓷(1#、2#、5#、6#)上产生的电荷量相对于沿x方向的2根压电陶瓷(3#、4#)可忽略不计。质量块受到的力矢量