[发明专利]基于加速度传感器的六自由度振动测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于振动测试领域，特别涉及一种基于加速度传感器的六自由度振动测试方法及装置。

背景技术

六自由度振动测试是环境试验测试的重要组成部分，六自由度振动测试可应用于六自由度振动试验台校准、航空航天、水运道路交通运输工具的工件环境测试、捷联惯导平台的六自由度振动测试等。六自由度振动测试，对于工件在六自由度振动环境下的工作状态预估和工作状态分析、合理规避工件工作风险等领域有重要意义。

传统单只三向加速度传感器仅能够对X、Y、Z坐标系上的三个移动自由度进行同步测试，不能测试绕这三个坐标轴的三个转动自由度，故无法完整还原六自由度振动测试点的工作状态。采用单向加速度传感器多次测试试验也不能准确还原振动测试点运动状况。而采用光学测振方法对实验室的要求较高，理论上很难进行实地测试且成本过高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简便、能够完整还原六自由度振动测试点的工作状态的基于加速度传感器的六自由度振动测试方法及装置。

为实现上述目的，本发明所设计的基于加速度传感器的六自由度振动测试方法，包括如下步骤：

1)在振动测试点处设置第一三向加速度传感器，以第一三向加速度传感器为原点O，建立空间直角坐标系O-XYZ，分别在空间坐标(ρ，0，0)、(0，ρ，0)和(0，0，ρ)处设置第二三向加速度传感器、第三三向加速度传感器和第四三向加速度传感器，ρ为非零常数(其值根据工艺条件和精度要求选用)，并使各三相加速度传感器的三个测量方向(即三相加速度传感器上标明的X、Y、Z轴方向)分别与坐标系O-XYZ的X、Y、Z坐标轴方向平行；

2)通过各三向加速度传感器分别测量所在点处的加速度，第一三向加速度传感器测得的X、Y、Z轴方向的加速度分别记为a₁、a₂、a₃，第二三向加速度传感器测得的Y、Z轴方向的加速度分别记为a₉、a₇，第三三向加速度传感器测得的X、Z轴方向的加速度分别记为a₈、a₅，第四三向加速度传感器测得的X、Y轴方向的加速度分别记为a₆、a₄；

3)振动测试点处的线加速度由第一三向加速度传感器测得，即：

其中，a_0x、a_0y、a_0z分别为振动测试点在X、Y、Z轴方向的线加速度分量；

4)按下式计算得到振动测试点处的角加速度：

其中，α_x、α_y、α_z分别为振动测试点在X、Y、Z轴方向的角加速度分量，至此，振动测试点真实运动情况在一定精度内得到还原。

为便于理解，以下给出了步骤4)中等式的推导过程：

以a₀表示振动测试点的加速度向量(在X、Y、Z轴上的分量分别为a_0x、a_0y、a_0z)，α表示振动测试点的角加速度(在X、Y、Z轴上的分量分别为α_x、α_y、α_z)，ω表示振动测试点的角速度向量(在X、Y、Z轴上的分量分别为ω_x、ω_y、ω_z)。由运动力学可以获得以下模型：

a_i＝a₀+α×r_i+(ω×ω×r_i)+ε_i i＝1,2,3,...9 (1)

其中ε_i为非刚性效应(柔性)引起的误差，由于封装后装置呈刚性，非刚性效应对测试精度影响很小，故可忽略非刚性效应，即ε_i＝0，则等式(1)中含有三个未知量a₀、α和ω，为了使等式便于计算，使用矩阵进行等效运算。

a_i＝a₀+[α]×ρ+[ω]×[ω]×ρ＝a₀+[Ω]×ρ i＝1,2,3,...9 (2)

等式(2)中，[α]和[ω]为斜对称矩阵；[Ω]＝[α]+[ω]×[ω]，表示角运动对所测线性加速度的贡献。

设是固定坐标中的角加速度和角速度(分别为X、Y、Z轴正向的单位向量)，则：