一种谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置及方法与流程

本发明涉及谐振陀螺仪领域，特别涉及一种谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置及方法。

背景技术：

陀螺仪是一种广泛应用于运动物体姿态测量的传感器，军用和民用方面都有它的身影。从航空航天、制导武器到智能手机、智能机器人，陀螺仪都是不可或缺的重要部件。而固态谐振陀螺仪中属于轴旋转对称结构谐振陀螺仪的半球壳谐振陀螺仪是一种新型的振动陀螺仪，它具有体积小、寿命长、构造简单、稳定性好且测量精度极高等特点，特别是断电后仍能保持一段时间的惯性信息。这些特点和优势使其在航空航天、惯性导航、石油钻探等方面被广泛应用。半球谐振陀螺仪最早在上世纪六十年代由美国公司开始原理研究和研制，七十年代末美国制造出半球谐振陀螺仪样机，引起了国际上的极大关注和兴趣，俄罗斯、英国、法国等国也逐步开始了半球谐振陀螺仪的研制。目前，美国在半球谐振陀螺仪方面的研究已经进入商业模式，而且美国已经将半球谐振陀螺仪用在了他们的太空探索任务中长达数年之久，至今没有出现任何问题。国内对于半球谐振陀螺仪的研究起始于八十年代，经过三十多年的研究也有了一些阶段性的成果。早期中电26所引进俄罗斯技术研发出60mm直径的半球谐振陀螺仪，并掌握了一些核心制造工艺，现在该所研制的更小体积的半球谐振陀螺仪已经成功应用于武器和宇航飞行器中。

目前谐振陀螺仪已经发展成熟到一定的阶段，但是其毛坯材料的密度瑕疵和制造工艺上的几何瑕疵依然是不可避免的，特别是密度瑕疵的存在会使轴旋转对称结构的谐振陀螺仪的壳体产生频率裂解(即原先理想无瑕疵壳体的固有共振频率会因密度瑕疵而裂解成两个与理想固有共振频率有细微差别的极大固有频率和极小固有频率)。这两个不同固有频率所在方位的轴，称为固有刚性轴，而壳体的固有刚性轴的方位与轴旋转对称结构谐振陀螺仪的振动、电极传感器的位置分布、频率裂解的修正等都有密切关系。但是关于半球壳或其他轴旋转对称结构的谐振陀螺仪的圆柱形、圆环形的壳体的固有刚性轴的测量国内外都鲜有明确的理论与实验量测方法。

关于频率裂解的频率差别的调平，国内有利用离子蚀刻技术与近似的公式来估算需要除去的球壳质量，并研究化学处理工艺和离子束调平技术对谐振子主要性能参数与频差优化。其他轴旋转对称结构的谐振陀螺仪的壳体无论是采用圆柱形还是圆环形，其壳体也是与半球谐振仪的半球壳一样会因密度瑕疵的存在使壳体产生频率裂解，从而存在固有刚性轴。固有刚性轴共有2对，每对包括两个振型相同且相互垂直的固有刚性轴，且两对固有刚性轴之间相差45度，即任意两个相邻的固有刚性轴相差45度。目前仍缺乏严谨的理论分析来确定固有刚性轴的位置，故难以确定在什么位置蚀刻，需去除多少质量才能将频率差值缩小到期望的范围内，从而影响了与半球谐振陀螺仪以及与半球谐振陀螺仪具有类似结构的其他轴旋转对称结构的谐振陀螺仪的制造成功率。因此，对于同时含有密度瑕疵和阻尼瑕疵的轴旋转对称结构的谐振陀螺仪，如何找到其壳体的固有刚性轴，是亟需解决的技术问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置及方法，其能够标准、精确且高效地确定轴旋转对称结构的谐振陀螺仪的壳体的固有刚性轴的位置，从而大大提高谐振陀螺仪的制造成功率。

为实现上述目的，本发明提供了一种谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置，其中，包括：驱动座；电源装置；两个激励电极，两个该激励电极相对分布地设置于所述驱动座上；两个该激励电极通过所述电源装置提供交流电压和脉冲电压；两个x感测电极，两个该x感测电极相对分布地设置于所述驱动座上；且两个该x感测电极位于两个所述激励电极之间；两个该x感测电极通过所述电源装置提供直流电压；两个y感测电极，两个该y感测电极相对分布地设置于所述驱动座上，且两个该y感测电极所在的直线与两个所述x感测电极所在的直线之间的夹角为45°；两个该y感测电极通过所述电源装置提供直流电压；固定台，其用于安装谐振陀螺仪的壳体；所述壳体的内外表面均以能够拆卸的方式设置有一层作为极板的金属层；所述驱动座能够相对于该固定台进行转动；当所述壳体安装于该固定台上时，两个所述激励电极位于所述壳体的外面，两个所述x感测电极和两个所述y感测电极位于所述壳体的里面；电容位移转换装置，两个所述x感测电极和两个所述y感测电极均与该电容位移转换装置连接；该电容位移转换装置用于把每个所述x感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容信号和每个所述y感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容信号转换为位移信号；以及示波器，其与所述电容位移转换装置连接，该示波器把所述电容位移转换装置转换得到的两个所述x感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的位移信号作为李萨如图的x方向的位移输入，并把所述电容位移转换装置转换得到的两个所述y感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的位移信号作为李萨如图的y方向的位移输入，从而能够把四个位移信号的变化通过李萨如图进行显示。

优选地，上述技术方案中，所述金属层为金属贴层或金属膜。

优选地，上述技术方案中，所述电容位移转换装置是型号为pcap02ae的amcm测量芯片。

另外，本发明还提供一种谐振陀螺仪固有刚性轴的检测方法，其中，采用权利要求1所述的谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置进行检测，具体步骤包括：

步骤一，把谐振陀螺仪的壳体安装于所述固定台上；

步骤二，通过所述电源装置为两个所述x感测电极和两个所述y感测电极提供直流电压；

步骤三，通过所述电源装置对两个所述激励电极施加短暂的脉冲电压，短暂通电后的两个所述激励电极与所述壳体外表面上的金属层产生一个电场激振力，以使所述壳体自由振动，由于所述壳体存在阻尼，自由振动会逐渐衰减至静止；在所述壳体振动的过程中，每个所述x感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容会发生变化，且每个所述y感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容也会发生变化；

步骤四，所述电容位移转换装置把检测到的两个所述x感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容转换为x方向的位移；并把检测到的两个所述y感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容转换为y方向的位移；在所述壳体自由振动时，两个所述x感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容变化和两个所述y感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容变化便能通过所述电容位移转换装置转换为x方向的位移变化和y方向的位移变化；

步骤五，所述示波器接收到所述电容位移转换装置转换得到的x方向的位移变化和y方向的位移变化后，通过李萨如图进行显示；如果李萨如图呈现一个近似平行四边形的图形，这个近似平行四边形的圆滑的对角所在的区间即为所述壳体的固有刚性轴的方位角所在的区间，在所述壳体上把这个区间划分为若干个等角度的强迫振动角，并把两个所述激励电极转动至与某个强迫振动角对正，再进行步骤六；如果李萨如图呈现的是一条和x轴重合的直线，说明此时两个所述激励电极所在的方位角即为所述壳体的其中一个固有刚性轴所在的角度；

步骤六，通过所述电源装置对两个所述激励电极施加持续的交流电压，以使所述壳体进行强迫振动；同样，所述壳体进行强迫振动的过程中，在所述电容位移转换装置把两个所述x感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容变化和两个所述y感测电极与所述壳体的内表面的金属层之间的电容变化分别转换为x方向的位移变化和y方向的位移变化后，由所述示波器通过李萨如图进行显示；

步骤七，如果在步骤六中所述示波器得到的李萨如图趋于稳定后，得到的图形并不是相对于x轴的倾角为0度或90度的封闭的椭圆图形，说明此时两个所述激励电极所在的方位角不是固有刚性轴所在的位置，便需要使两个所述激励电极与另一个强迫振动角对正，并返回步骤六；如果在步骤六中所述示波器得到的李萨如图趋于稳定后的轨迹呈一个封闭的椭圆图形，并且椭圆图形相对于x轴的倾角为0度或90度，说明此时两个所述激励电极所在的方位角即为所述壳体的其中一个固有刚性轴所在的角度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明先通过电源装置对激励电极提供短暂的脉冲电压，使壳体自由振动，从而通过示波器显示的李萨如图来确定固有刚性轴所在方位角度的小区间范围，再在这个区间范围内的各个位置通过电源装置对激励电极提供交流电压，使壳体强迫振动，通过强迫振动时李萨如图形成的与x轴成0度或90度的倾角的椭圆来判断含密度瑕疵和阻尼瑕疵的谐振仪的壳体的其中一个固有刚性轴所在方位角度，以得到在前面的区间范围内的固有刚性轴精确角度，再通过任意两个相邻的固有刚性轴相差45度的位置关系，便能找到所有的固有刚性轴的位置。本发明能够严谨、标准、精确和高效的地检测出半球谐振陀螺仪以及与半球谐振陀螺仪具有类似结构的其他轴旋转地称结构的谐振陀螺仪的壳体的固有刚性轴的位置，从而能够大大地提高陀螺仪的制造成功率。

附图说明

图1是根据本发明谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置的结构示意图；

图2是根据本发明谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置的各个电极的分布示意图；

图3是根据本发明的壳体安装于固定座上后的结构示意图。

图4是根据本发明谐振陀螺仪固有刚性轴的检测方法的简单的流程示意图；

图5是根据本发明的示波器在壳体自由振动时得到的李萨如图为近似平行四边形的图形时的示意图；

图6是根据本发明的示波器在壳体强迫振动得到的李萨如图的椭圆图形相对于x轴的倾角不是0度或90度时的示意图；

图7是根据本发明的示波器在壳体强迫振动得到的李萨如图的椭圆图形相对于x轴的倾角是0度时的示意图。

主要附图标记说明：

1-驱动座，2-pcb板，3-激励电极，4-x感测电极，5-y感测电极，6-固定台，7-示波器，8-壳体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

实施例1

图1至图3显示了根据本发明优选实施方式的一种谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置的结构示意图，该谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置包括驱动座1、电源装置、激励电极3、x感测电极4、y感测电极5、固定台6、电容位移转换装置(图未视)以及示波器7，参考图1和图2，驱动座1能够转动，其可以是由电机驱动进行转动。电源装置能够提供直流电压、交流电压以及脉冲电压，其可以是由直流电压源、交流电压源以及脉冲电压源三个模块组成，而本发明优选地，电源装置包含型号为wa3-220s05a3的ac-dc电源模块。两个激励电极3相对分布地设置于驱动座1上，两个激励电极3通过电源装置提供交流电压和脉冲电压。两个x感测电极4相对分布地设置于驱动座上1，且两个x感测电极4位于两个激励电极3之间，两个x感测电极4和两个激励电极3位于同一直线上。两个x感测电极4通过电源装置提供直流电压。两个y感测电极5相对分布地设置于驱动座1上，且两个y感测电极5所在的直线与两个x感测电极4所在的直线之间的夹角为45°，两个该y感测电极5通过电源装置提供直流电压。可以在驱动座1上设置两个同轴分布的圆环座，两个激励电极3固定于较大的圆环座上，两个x感测电极4和两个y感测电极5固定于较小的圆环座上。另外，可以在驱动座1上设置pcb板2，电源装置通过pcb板2为各个电极提供相应的电压。

继续参考图1和图2，固定台6用于安装谐振陀螺仪的壳体8，壳体8的内外表面均以能够拆卸的方式设置有一层作为极板的金属层，优选地，金属层为金属贴层或金属膜。金属层为检测过程所需要而附加上去的，检测完成后能够去除。驱动座1能够相对于固定台1进行转动；可以在驱动座1的中间设置一个通孔，固定台6位于通孔内，壳体8安装于固定台6上后不会转动，而驱动座1能够相对固定台6和壳体8进行转动。参考图3，当壳体8安装于固定台6上时，两个激励电极3位于壳体的外面，两个x感测电极4和两个y感测电极5位于壳体8的里面，即壳体8的侧壁位于同侧的x感测电极4和y感测电极5之间的空隙内。驱动座1转动时，各个电极便相对壳体8进行转动，从而可以改变使各个电极与壳体8的侧壁对正的角度。各个电极的下端固定，且上端为自由端，且各个电极可以呈与壳体8的侧壁母线相应的形状。

继续参考图1和图2，两个x感测电极4和两述y感测电极5均与电容位移转换装置连接，电容位移转换装置用于把每个x感测电极4与壳体8的内表面的金属层之间的电容信号和每个y感测电极5与壳体8的内表面的金属层之间的电容信号转换为位移信号。电容位移转换装置可以是型号为pcap02ae的amcm测量芯片。示波器7与电容位移转换装置连接，电容位移转换装置主要是将感测电极上测到的模拟信号(电容)转换为数字信号(位移)输出在示波器7上。示波器7把电容位移转换装置转换得到的两个x感测电极4与壳体8的内表面的金属层之间的位移信号作为李萨如图的x方向的位移输入，并把电容位移转换装置转换得到的两个y感测电极5与壳体8的内表面的金属层之间的位移信号作为李萨如图的y方向的位移输入，从而能够把四个位移信号的变化通过李萨如图进行显示。

在检测过程中，把壳体8安装于固定台1上，先由电源装置为两个x感测电极4和两个y感测电极5提供直流电压，直流电压可以为恒定的5v直流电压；再由电源装置为激励电极3提供一个短暂的瞬时脉冲电压，脉冲电压施加短暂的时间可以为0.1～0.2秒。由于壳体8的外表面也设置有金属层，从而在两个激励电极3被施加脉冲电压后，激励电极3与壳体8外表面上的金属层产生一个电场激振力，以使壳体8自由振动；改变激励电极3与壳体8对正的位置，当示波器7上出现的李萨如图的图形为近似平行四边形的图形时，再把近似平行四边形的圆滑的对角所在的区间划分为若干个等角度的强迫振动角，使激励电极3与各个强迫振动角对正，并通过电源装置对激励电极3持续施加交流电压，使壳体8进行强迫振动；当示波器7上出现一个封闭的椭圆图形，并且椭圆图形的长轴相对于x轴的倾角为0度或90度时，两个激励电极3所在的方位角即为壳体8的其中一个固有刚性轴所在的精确角度，再通过任意两个相邻的固有刚性轴相差45度的位置关系，便能找到所有的固有刚性轴的位置，由于相互垂直的固有刚性轴的振型是一样的，一般在得到其中一个固有刚性轴后，只需再找到另一个与其相差45度的固有刚性轴进行分析即可。

实施例2

图1至图7显示了一种谐振陀螺仪固有刚性轴的检测方法，其采用上述的谐振陀螺仪固有刚性轴的检测装置进行检测，参考图4，其为整个检测过程的简单的流程示意图，而具体步骤则包括：

步骤一，把谐振陀螺仪的壳体安装于固定台1上，壳体8通过固定台1接地。壳体8的内外表面以能够拆卸的方式设置有金属层，使两个激励电极3位于壳体8之外，两个x感测电极4和两个y感测电极5位于壳体8内，但壳体8与各个电极并不接触，而是具有同等的间隙大小。壳体8安装好后，两个激励电极3便与壳体8的侧壁的一个方位角对正。

步骤二，通过电源装置为两个x感测电极4和两个y感测电极5提供直流电压，直流电压可以为恒定的5v直流电压，从而在壳体8不振动时，各个感测电极5与壳体8的内表面的金属层之间具有恒定的电动势。

步骤三，通过电源装置对两个激励电极3施加短暂的脉冲电压，施加时间可以为0.1～0.2秒，短暂通电后的两个激励电极3与壳体8外表面上的金属层产生一个电场激振力，以使壳体8自由振动，且由于壳体8存在阻尼，自由振动会逐渐衰减至静止。在壳体8振动的过程中，由于电压不变，壳体8的内表面的金属层与各个感测电极之间的间距会发生变化，从而导致各个感测电极与壳体8的内表面的金属层之间电场强度发生变化，电场强度变化会使感测电极的电荷量发生改变，从而使得各个感测电极与壳体8的内表面的金属层之间的电容会发生变化，而感测到电容变化与壳体8振动时的位移变化形成对应的关系。因此，在壳体8的自由振动而发生位移变化的过程中，每个x感测电极4与壳体8的内表面的金属层之间的电容会发生变化，且每个y感测电极5与壳体8的内表面的金属层之间的电容也会发生变化。

步骤四，电容位移转换装置把检测到的两个x感测电极4与壳体8的内表面的金属层之间的电容转换为x方向的位移；并把检测到的两个y感测电极5与壳体8的内表面的金属层之间的电容转换为y方向的位移；在壳体8自由振动时，两个x感测电极4与壳体8的内表面的金属层之间的电容变化和两个y感测电极5与壳体8的内表面的金属层之间的电容变化便能通过电容位移转换装置转换为x方向的位移变化和y方向的位移变化；

步骤五，示波器7接收到电容位移转换装置转换得到的x方向的位移变化和y方向的位移变化后，通过李萨如图进行显示。参考图5，如果李萨如图呈现一个近似平行四边形的图形，这个近似平行四边形的圆滑的对角所在的区间即为壳体8的其中一个固有刚性轴的方位角所在的区间，在图5中圆滑的对角是指两个钝角，由于其是有圆滑的过渡，而不是尖角，故整个圆滑的过渡所在的角度范围，即为壳体8的其中一个固有刚性轴的方位角所在的区间范围。在壳体8上进步把这个区间划分为若干个等角度的强迫振动角，并把两个激励电极3转动至与某个强迫振动角对正，再进行步骤六。近似平行四边形的圆滑的弧形角度区间的出现，是由于阻尼瑕疵的量级和频率分歧的量级差别不大时所产生的。这个圆弧形的大小一定程度上取决于阻尼瑕疵的大小相比于频率分歧的大小，当阻尼瑕疵较小时，可以忽略不计时，李萨如图的平行四边形的对角就全部是尖角，那么就可以直接通过自由振动的方式找到固有刚性轴位置。但只要阻尼分歧不能忽略，那么呈现的圆弧角就是一个区间，因此只靠自由振动往往是不能准确地找到具体的固有刚性轴的位置，从而需要用后续通过强迫振动的方式来进一步准确地找到固有刚性轴的位置。另外，如果李萨如图呈现的是一条和x轴重合的直线，说明此时两个激励电极3所在的方位角即为壳体8的其中一个固有刚性轴所在的角度，再通过任意两个相邻的固有刚性轴相差45度的位置关系，便能找到所有的固有刚性轴的位置，检测过程结束，在实际检测过程中，这种情况也是很难直接出现的。

步骤六，把两个激励电极3转动至与某个强迫振动角对正，然后通过电源装置对两个激励电极3施加持续的交流电压，在壳体8的外表面的金属层的作用下，使壳体8进行强迫振动；同样，壳体8进行强迫振动的过程中，在电容位移转换装置把两个x感测电极4与壳体8的内表面的金属层之间的电容变化和两个y感测电极5与壳体8的内表面的金属层之间的电容变化分别转换为x方向的位移变化和y方向的位移变化后，由示波器7通过李萨如图进行显示。

步骤七，如果在步骤六中示波器7得到的李萨如图趋于稳定后，得到的图形并不是相对于x轴的倾角为0度或90度的封闭的椭圆图形，参考图6，说明此时两个激励电极3所在的方位角不是其中一个固有刚性轴所在的位置，便需要使两个激励电极3与另一个强迫振动角对正，并返回步骤六；如果在步骤六中示波器7得到的李萨如图趋于稳定后的轨迹呈一个封闭的椭圆图形，并且椭圆图形相对于x轴的倾角为0度或90度，参考图7，说明此时两个激励电极3所在的方位角即为壳体8的其中一个固有刚性轴所在的精确角度，通过任意两个相邻的固有刚性轴相差45度的位置关系，便能找到所有的固有刚性轴的位置。

本发明先通过电源装置对激励电极3提供短暂的脉冲电压，使壳体8自由振动，从而通过示波器7显示的李萨如图来确定固有刚性轴所在方位角度的小区间范围，再在这个区间范围内的各个位置通过电源装置对激励电极3提供交流电压，使壳体8强迫振动，通过强迫振动时李萨如图形成的与x轴成0度或90度的倾角的椭圆来判断含密度瑕疵和阻尼瑕疵的壳体8的固有刚性轴所在方位角度，以得到在前面的区间范围内的固有刚性轴精确角度，本发明能够严谨、标准、精确和高效的地检测出半球谐振陀螺仪以及与半球谐振陀螺仪具有类似结构的其他谐振陀螺仪的壳体8的固有刚性轴的位置，方便后续对壳体8的频率裂解进行频率差别的调平，从而能够大大地提高揩振陀螺仪的制造成功率。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。