【摘 要】
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六维力传感器可以同时测量空间三维力及三维力矩信息,并可借助一定方法解算出力作用点的位置信息,广泛应用于武器装备、空天技术、机器人控制等领域。但六维力传感器出现故障,将严重威胁到测量系统和后续控制系统的准确运行。实现对六维力传感器的故障诊断,是保证六维力测量系统的可靠性的核心和难点。本文以预紧式压电六维力传感器为研究对象,开展了基于预紧式压电六维力传感器的故障诊断方法研究。基于压电振子的等效电路模型
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六维力传感器可以同时测量空间三维力及三维力矩信息,并可借助一定方法解算出力作用点的位置信息,广泛应用于武器装备、空天技术、机器人控制等领域。但六维力传感器出现故障,将严重威胁到测量系统和后续控制系统的准确运行。实现对六维力传感器的故障诊断,是保证六维力测量系统的可靠性的核心和难点。本文以预紧式压电六维力传感器为研究对象,开展了基于预紧式压电六维力传感器的故障诊断方法研究。基于压电振子的等效电路模型,研究了传感器的阻抗、电容变化与故障的关系,探索了传感器离线故障诊断方法;结合传感器在线故障诊断的需要,在分析传感器输出信号固有约束关系的基础上,开展了在线故障诊断方法研究;实现了在不改变传感器结构前提下,对预紧式压电六维力进行故障诊断和容错测量。论文主要研究工作内容包括:（1）研究了传感器故障诊断的原理。研究了压电振子的等效电路模型,分析了借助压电元件阻抗变化实现传感器离线故障诊断的可行性;理论推导了传感器8个输出信号的固有约束关系,提出了一种在线故障诊断方法;理论上论证了传感器故障状态下的容错测量原理,并借助ANSYS有限元软件对上述原理和方法开展了仿真实验研究。（2）研究了基于预紧式压电六维力传感器电容特性的离线故障诊断方法。研究了传感器故障与电容的关系,提出了以传感器电容特性表征其故障状态,从而实现传感器故障判定的方法,并借助有限元分析软件论证了方法的可行性;在ARM平台下,完成了离线故障诊断系统搭建。（3）研究了预紧式压电六维力传感器的在线故障诊断方法。从研究传感器输出信号的约束关系角度出发,提出了传感器故障实时判定方法;针对仅靠约束关系不能实现故障定位的缺陷,引入信号经验模态分解理论,提出了一种信号特征向量构造方法;结合支持向量机对特征向量分类,实现了对故障通道的定位和故障类型识别。（4）实验验证了预紧式压电六维力传感器离线和在线故障诊断方法的有效性。根据传感器各通道可等效为阻抗元件的特点,设计了离线故障模拟电路板,通过模拟各种传感器故障,验证了离线故障诊断方法在多通道故障诊断中的有效性;针对故障发生不可控这一问题,调研了传感器故障信号特点及类型,设计了故障发生装置,借助该装置进行在线故障诊断实验,实验结果验证了在线故障诊断方法的可行性。本文研究的压电式六维力传感器的故障诊断方法,为该类型传感器的故障诊断提供了一种思路,有助于提高传感系统的可靠性。
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