[发明专利]六维加速度传感器及故障诊断方法

说明书

技术领域

本发明涉及机电故障诊断技术领域，尤其是涉及一种可故障自诊断的并联式的六维加速度传感器装置及其故障诊断与故障修复的方法。

背景技术

随着对物体运动特征参量探索的不断加深，人们的测量要求也在不断提高。六维加速度传感器作为传感器的一种，用于实时测量载体的动态特性，近年来已在多个领域发挥重要作用。其可应用于航空航天领域飞行设备的惯性导航与制导，例如神舟十一号载人飞船；也可应用于交通运输领域，例如车载系统中的加速度及时反馈及发动机故障损伤测试等；还可应用于虚拟现实(VR)领域，实时监测佩戴者的身体运动情况以及时传输画面进一步提高视觉冲击感。当然，六维加速度传感器还在多个领域发挥着巨大的功效，例如数码电子设备光学防抖、机器人末端执行器控制、机械结构振动测试、生物医疗等，其应用前景与刚性需求越来越突出。

传感器作为基础系统中的重要元器件，其探索研究已经朝着安全、成熟的方向发展，但现代工业设备系统复杂，并且经常需要连续化、高速化的运作，传感器发生故障也是时常发生的。一旦传感器出现性能蜕化、故障甚至失效，将不可避免地影响后续的测量、监控等工作，轻则导致系统故障，重则造成不可估量的生命、财产损失。经过不断的探索研究，近年来故障诊断技术已经发展到非常成熟、系统的阶段，现有的应用较多、效果较好的故障诊断技术有以下几种：(1)硬件冗余法，一般是指通过多重备份的方法来增加系统的可靠性，通过硬件冗余法进行故障诊断需要对各个模型进行具体分析，并建立与之对应的诊断算法，尽管在硬件冗余的条件下其算法往往不依赖其自身的数学模型，算法较为简单，具有机理简单、易实现的优点，但这种方法需要多个传感器，使用和维护成本高，诊断结果也会因为算法的改变而发生较大变化；(2)解析冗余法，该方法进行故障检测、故障隔离的关键系统解析冗余关系的建立，然而建立解析冗余关系的过程是有难度的、曲折的，如何有效利用解析冗余解析关系来进行故障诊断也是一大挑战；(3)信号处理及数理统计法，该方法在故障诊断领域得到了广泛的应用并取得了良好的效果，其中主要包括基于信息融合、基于PCA和基于小波包变换三种方法，神经网络及专家系统有着趋向人工智能的特点，在模式识别方面具有较大的优势，逐渐成为故障诊断研究的热点。

尽管六维加速度传感器的研究仍处于探索阶段，但其应用趋势却日益加强，应用领域也日益广泛，因此有必要对六维加速度传感器的故障诊断技术进行研究。六维加速度传感器构型复杂，结构冗余，若采用硬件冗余法会进一步增加系统的复杂程度，加重系统运行的负担。为了能够同时满足六维加速度测量和实时性测量的要求，六维加速度传感器的解耦算法复杂，难以运用信号处理和数理统计对其进行处理，也难以运用神经网络进行训练，自学能力较弱。因此，考虑从解析冗余的角度对并联式六维加速度传感器进行故障诊断与故障修复的研究。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种可故障自诊断的并联式六维加速度传感器，其可实现对自身在测量六维加速度的过程中故障诊断与后续故障修复。

同时，本发明还提供使用上述传感器的故障诊断方法。

为达到上述目的，本发明六维加速度传感器可采用如下技术方案：

一种具有故障自诊断功能的并联式六维加速度传感器，包括外壳、位于外壳内的立方体质量块、第一组支链、第二组支链、第三组支链；所述第一组支链包括三个第一支链；第二组支链包括三个第二支链；第三组支链包括三个第三支链；所述三个第一支链的一端均通过第一个复合弹性球铰链连接于立方体质量块的第一表面上，三个第二支链的一端均通过第二个复合弹性球铰链连接于立方体质量块的第二表面上，三个第三支链的一端均通过第三个复合弹性球铰链连接于立方体质量块的第三表面上；且第一表面、第二表面、第三表面的为立方体质量块的三个相邻且相互垂直的侧面；所述三个第一支链相互垂直延伸并分别连接于外壳的三个内壁面上；所述三个第二支链相互垂直延伸并分别连接于外壳的三个内壁面上；所述三个第三支链相互垂直延伸并分别连接于外壳的三个内壁面上；所述每个第一支链、每个第二支链、每个第三支链中均至少具有一个压电陶瓷。

该传感器的工作原理是，实际诊断时，质量块是刚性质量块，质量块上的三个复合弹性球铰链相对不动，从而得到三个复合弹性球铰链中心点之间的相对距离恒定。建立相关坐标系，可建立起复合弹性球铰链的坐标与压电陶瓷电荷量的关系。在无故障情况下，恒定的距离关系对应了恒定的电荷量关系，通过判断电荷量的关系是否成立来判断故障的发生与否，并同样利用电荷量之间的恒定关系进行故障的修复。