六维加速度传感器能测量完整的空间加速度信息, 在高端装备等领域应用前景广, 但目前该类系统在大扰动下解耦机理不明确。该文以Stewart型六维加速度传感器为例, 通过挖掘系统输出量间的协调关系, 构建了4类双支链故障情况下的自修复算法。研究发现, 算法的漏判率与预设的协调方程阈值有关。试验结果表明, 引入自修复算法后, 在双支链故障下六维加速度传感器的综合解耦误差降低了42%, 满足实时性要求, 即该算法有效、可行。

针对6自由度冗余驱动并联机构实时控制较难的问题, 以具有解析式正解的Stewart衍生拓扑构型为研究对象, 研究了位移输入的协调关系。通过设计二重复合球铰链和可转换主动、从动模式的移动副, 实现了6种不同冗余度的低耦合驱动模式。根据动平台上4个位置点之间的尺度约束关系, 构建了一种正向运动学全解析算法, 验证了位姿正解模型的正确性。推导化简了位移输入的6个协调方程, 分别运用Newton-Raphson法和Broyden法得到了协调方程的数值解, 对比结果发现, Broyden法的计算时间约为Newton-Raphson法的78%, Newton-Raphson法的精度优于Broyden法至少3倍。从许可初值偏差和结构参数两个方面研究了各种驱动模式对冗余协调算法的影响, 结果表明, 随着动平台边长的增大以及移动副初始长度的减小, 冗余协调算法允许有更大的许可初值偏差。进一步地, 基于区间分析理论引入并定义扰动适应性能评价指标, 计算出本机构的最佳冗余度为5, 并且得出Broyden法的综合扰动适应性能优于Newton-Raphson法的1.27倍。最后, 结合数值性态给出了Stewart衍生型并联机构移动副驱动模式优选的3点选取原则。研究方案可为6自由度冗余驱动并联机构的结构模型优化及实时控制提供参考依据。

基于解耦算法研究了并联式六维加速度传感器的误差特性和容错策略。通过引入“辅助角速度”的概念,并借助于四元数将旋转参量扩展至四维空间,得到了两个形式简单的递推公式,实现了六维加速度的完全解耦。通过剖析解耦机理,找到了影响解耦精度的3类误差源,并分析了它们的产生原因。通过构建辅助角速度误差与源误差、输出误差之间的映射关系,推导出了3组基本误差方程的解析表达式,据此揭示了各误差因素的影响规律。仿真试验与数学推导的结果吻合得较好,验证了误差方程及规律的有效性。从尺度约束的角度挖掘出弹性体拓扑构型中隐藏的变形协调条件,推导出了3个力协调方程,由此给出了一种可解决93个组合故障问题的容错处理方案。样机试验结果显示,局部支链出现故障后重构系统的综合解耦误差不超过8.5%,基本满足测量要求,验证了容错处理方案的可行性,同时也表明并联式六维加速度传感器具备一定的鲁棒性。

针对六维加速度传感器的输入、输出量较多，且其动力学方程的解耦参数难以辨识的问题，提出了“四步法”对并联式六维加速度传感器的25个解耦参数实施分组辨识。设计并加工了基于双曲柄滑块机构的标定平台，为参数辨识提供外部激励; 在LabVIEW平台上开发了虚拟仪器，为参数辨识提供软件支持。在静态情况下对预处理后的采集数据求均值得到“零值漂移”，完成第一组参数辨识; 将传感器安装在标定平台上做1~2 Hz的纯线性运动，使动力学模型简化成关于“刻度质量比”的线性代数方程，运用最小二乘法完成第二组参数的辨识; 做1~2 Hz的纯角运动，将动力学模型简化成关于“惯性质量比”的线性代数方程，完成第三组参数的辨识; 做4~5 Hz的纯线性运动，通过关于“刚度质量比”的一维搜索完成第四组参数的辨识。试验结果表明：运用辨识后的参数对六维加速度实施解耦，最大误差为7.479%，比参数辨识前的解耦误差降低了1个数量级。结果验证了基于“四步法”实现并联式六维加速度传感器的参数辨识是有效、可行的。

基于SU-8光刻胶的高深宽比加工技术，设计了对加速度敏感的悬臂梁-质量块结构。理论推导了加速度与SU-8光刻胶悬臂梁-质量块结构的挠度、法布里-珀罗（F-P）腔的干涉光强之间的关系，得到了简化的计算公式，并讨论了传感器灵敏度和固有频率等主要影响因素。提出了一种新的“卍”形悬臂梁-质量块结构，分析和确定了传感器结构的各项参数。研究结果表明，“卍”形SU-8光刻胶结构能够得到较高的灵敏度，具有良好的检测模态，仿真结果与理论分析吻合，可以基于法布里珀罗干涉原理实现对加速度的传感。

针对微流体检测对高灵敏度和较大动态测量范围的要求，设计了一种由SU-8光刻胶一体合成的微型法布里珀罗(F-P)干涉剪应力传感器。结构兼具SU-8胶微尺寸材料优越的力学性能和法布里珀罗传感测量高精度和抗干扰性的优点，采用新型组合型浮动块设计，利用圆柱状底座提高对敏感膜形变的感知，提高传感器的结构响应。探讨了提高剪应力灵敏度和线性度的方法，通过CoventorWare软件数值模拟，确定模型的最优参数， 仿真计算得出在0~10 Pa范围内其灵敏度可以达到0.252 nm/Pa(光谱偏移/剪应力)；相比较于传统的设计，在相同的作用下，组合型浮动块的机械位移量增加了约40.85%，提高了敏感元件的灵敏度。仿真结果表明，该模型由于采用一体化材料可以降低工作环境温度对传感器的影响，同时具备可靠的性能，为剪应力传感器设计的改进提出了可行的方案。