一种谐振子质量缺陷误差的辨识装置及方法

1.本发明涉及振动陀螺技术领域，更具体地说，特别涉及一种谐振子质量缺陷误差的辨识装置及方法。


背景技术：

2.圆柱谐振陀螺是是一种通过回转壳体驻波振动的科里奥利效应实现角速度检测的固态陀螺仪，具有体积小、精度高、稳定性好、成本低、使用寿命长等优点，在中高精度的惯性领域具有广泛的应用范围，是当前谐振陀螺的热点研究方向之一。圆柱谐振陀螺的基本工作原理为：圆柱谐振子受激发生驻波振动，当存在角速度输入时，谐振子在科里奥利力作用下沿与驻波成45
°
方向发生新的驻波振动，该驻波振动幅值与输入角速度成正比，通过电路解调实现输入角速度的测量。
3.圆柱谐振子是圆柱谐振陀螺的主要元件，其品质因数会直接影响陀螺的最终性能。由于圆柱谐振子复杂的三维结构、硬脆的材料性质和有限的加工精度，使得实际加工出来的谐振子存在不同程度的几何非均匀性和结构损伤，这些缺陷会破坏谐振子的对称性，导致谐振子质量不均匀。质量分布不均匀会影响谐振子的振动状态，增大振动过程中的能量损耗，降低谐振子的品质因数。由于谐振子的非对称性导致的质量分布不均匀可以表示为傅里叶级数形式，其中的前三次谐波会导致谐振子对外界振动的抗干扰能力下降，增大陀螺的角随机游走和零偏漂移，导致陀螺的精度大幅下降，最终影响陀螺的工作性能。因此，必须去除圆柱谐振子不平衡质量以此来降低前三次谐波误差，而对前三次谐波误差的辨识是精确去除圆柱谐振子不平衡质量的前提。
4.谐振子的非对称性导致的谐振子质量不均匀分布可以用傅里叶级数表示，各次谐波分布与其对应傅里叶级数展开形式相同。谐振子壳体内外中心不一致会产生前三次谐波质量缺陷，导致振动时产生新的分量，影响谐振子性能参数。纵向振动使驻波定位在二次谐波上，横向振动的作用等效于第一、三次谐波方向激励。基于二阶振动模式下具有质量缺陷谐振子的运动方程，可以识别谐振子前三次谐波误差的大小和方位，目前国内外的前三次谐波误差研究主要是关于半球谐振子，针对圆柱谐振子的研究还有待完善。因此，确有必要开发一种谐振子质量缺陷误差的辨识装置及方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种谐振子质量缺陷误差的辨识装置及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种谐振子质量缺陷误差的辨识装置，包括声波激励装置、激光测振仪、圆柱谐振子、谐振子夹具、压电传感器、电动转台和信号处理系统，所述声波激励装置设于圆柱谐振子的一侧，所述激光测振仪设于圆柱谐振子的上方，所述圆柱谐振子固定在所述谐振子夹具上，所述谐振子夹具上安装有压电传感器，所述谐振子夹具安装在电动转台上，所述信号
处理系统与压电传感器连接。
8.进一步地，所述声波激励装置的中轴线与圆柱谐振子的中轴线共面，所述声波激励装置用于向所述圆柱谐振子加载激励使圆柱谐振子振动。
9.进一步地，所述激光测振仪发出的激光与圆柱谐振子的轴向平行，所述激光测振仪用于采集圆柱谐振子的振动信息。
10.进一步地，所述压电传感器包含一片平面压电陶瓷和八片弧面压电陶瓷，所述平面压电陶瓷和弧面压电陶瓷均安装在谐振子夹具上。
11.进一步地，所述平面压电陶瓷与圆柱谐振子支撑柱的底面接触，八片所述弧面压电陶瓷以基于二象限的分布方式安装在谐振子夹具的内部圆柱面上并沿谐振子夹具的圆柱壳体圆周方向均布四列，且每列均布两片弧面压电陶瓷
12.进一步地，所述圆柱谐振子的开口端朝向所述电动转台。
13.本发明还提供一种根据上述谐振子质量缺陷误差的辨识装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
14.s1、将待测的圆柱谐振子固定在安装有压电传感器的谐振子夹具上，并使所述圆柱谐振子支撑柱底面和侧面与所述压电传感器接触；
15.s2、将所述谐振子夹具安装在电动转台上；
16.s3、利用声波激励装置激励谐振子振动，使用激光测振仪通过扫频方法获得圆柱谐振子的本征频率、振幅比；
17.s4、通过压电传感器测量圆柱谐振子支撑柱的振动信号以得到压电传感器的输出幅值，旋转圆柱谐振子得到圆周上各激励角度下的输出幅值；
18.s5、利用信号处理系统将不同方位对应压电传感器的输出幅值进行拟合分析，获得前三次谐波不平衡质量的大小和方位角：
[0019][0020][0021][0022]
其中，f
x,y,z
是存在质量不平衡的圆柱谐振子在振动时对压电传感器接触点的作用力，a和ω是存在质量不平衡的圆柱谐振子振动时的振幅和角频率，m
1,2,3
为不平衡质量的幅值，为不平衡质量的方位角。
[0023]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种谐振子质量缺陷误差的辨识装置及方法，结构简单、使用方便，能够实现前三次谐波不平衡质量大小和方位的测量；并且测量支撑柱横向振动位移的压电传感器，采用了基于二象限的测量方法，提高了质量缺陷存在方位测量的准确性。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1为本发明谐振子质量缺陷误差的辨识装置的结构示意图；
[0026]
图2为本发明中夹持测量部分装置示意图；
[0027]
图3为本发明中的弧面压电陶瓷基于二象限的分布示意图；
[0028]
图4为本发明中的圆柱谐振子前三次谐波误差辨识方法流程图；
[0029]
图5为根据本发明实施例的圆柱谐振子的质量缺陷误差的分布图，其中(a)为第一次谐波误差质量缺陷的质量与其分布方位角，(b)为第二次谐波误差质量缺陷的质量与其分布方位角，(c)为第三次谐波误差质量缺陷的质量与其分布方位角；
[0030]
图6为通过最小二乘法处理后的本发明实施例的圆柱谐振子的质量缺陷分布结果示意图。
[0031]
图中：声波激励装置101、激光测振仪102、圆柱谐振子103、谐振子夹具104、压电传感器105、电动转台106、信号处理系统107、弧面压电陶瓷201、平面压电陶瓷202。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0033]
参阅图1-图2所示，本实施例公开了一种谐振子质量缺陷误差的辨识装置，包括声波激励装置101、激光测振仪102、圆柱谐振子103、谐振子夹具104、压电传感器105、电动转台106和信号处理系统107，声波激励装置101设于圆柱谐振子103的一侧(本实施例为左侧)，激光测振仪102设于圆柱谐振子103的上方(本实施例为正上方)，圆柱谐振子103固定在谐振子夹具104上，谐振子夹具104上安装有压电传感器105，谐振子夹具104安装在电动转台106上，信号处理系统107与压电传感器105连接。
[0034]
本实施例中，所述声波激励装置101的中轴线与圆柱谐振子103的中轴线共面，所述声波激励装置101用于向所述圆柱谐振子103加载激励使圆柱谐振子103振动。
[0035]
本实施例中，所述激光测振仪102发出的激光与圆柱谐振子103的轴向平行，所述激光测振仪102用于采集圆柱谐振子103的振动信息。
[0036]
本实施例中，所述压电传感器105用于测量圆柱谐振子103支撑柱的振动信息。
[0037]
本实施例中，所述信号处理系统107用于接收圆柱谐振子103支撑柱振动信号，通过对压电传感器105输出信号进行分析，获得不平衡质量的前三次谐波的大小和方位角。
[0038]
本实施例中，所述压电传感器105包含一片平面压电陶瓷202和八片弧面压电陶瓷201，所述平面压电陶瓷202和弧面压电陶瓷201均安装在谐振子夹具104上。所述平面压电陶瓷用于测量圆柱谐振子支撑柱的纵向振动，所述弧面压电陶瓷201用于测量圆柱谐振子支撑柱的横向振动。
[0039]
具体的，所述平面压电陶瓷202与圆柱谐振子103支撑柱的底面接触，八片所述弧面压电陶瓷201以基于二象限的分布方式安装在谐振子夹具104的内部圆柱面上并沿谐振子夹具104的圆柱壳体圆周方向均布四列，且每列均布两片弧面压电陶瓷201，通过从两个方位象限测量振动，提高谐振子支撑柱横向测量的精度。
[0040]
本实施例中，所述圆柱谐振子103的开口端朝向所述电动转台106。
[0041]
本实施例中通过该圆柱谐振子前三次谐波误差辨识装置，对外径为15mm的圆柱谐振子进行检测，如图3和图4所示，该圆柱谐振子前三次谐波误差辨识方法具体实现步骤如
下：
[0042]
步骤s1、将待测的圆柱谐振子103固定在安装有压电传感器105的谐振子夹具104上，并通过调节夹具螺钉使圆柱谐振子保持固定，使圆柱谐振子103支撑柱底面和侧面与所述压电传感器105接触，确保压电传感器有信号输入。
[0043]
步骤s2、将所述谐振子夹具104安装在电动转台106上，圆柱谐振子开口端朝向电动转台，圆柱谐振子与声波激励装置101中心轴在同一平面上。
[0044]
步骤s3、利用声波激励装置101激励谐振子振动，安装激光测振仪102在固定好的圆柱谐振子103正上方，使用激光测振仪102通过扫频方法获得圆柱谐振子103的本征频率、振幅比。
[0045]
步骤s4、设置声波激励装置101的激励频率，其数值为通过步骤s3测得的圆柱谐振子本征频率，打开声波激励装置101对圆柱谐振子103进行激励。
[0046]
步骤s5、通过压电传感器105测量圆柱谐振子103支撑柱的振动信号以得到压电传感器105的输出幅值，旋转电动转台106，每18
°
进行一次取样，得到圆柱谐振子103圆周20个位置下的输出幅值。
[0047]
步骤s6、利用信号处理系统107将通过步骤s5得到的对应压电传感器105的输出幅值进行数据处理。基于存在质量缺陷的圆柱谐振子在振动时对压电传感器接触点的作用规律，信号处理系统将通过步骤s5得到的各组数据进行拟合分析得到谐波表达式，从而可以得到前三次谐波误差的分布方位，其大小与对应谐波阶数的系数成正比。
[0048]
存在质量缺陷的圆柱谐振子在振动时对压电传感器接触点的作用可以近似写为以下形式：
[0049][0050][0051][0052]
其中，f
x,y,z
是存在质量不平衡的圆柱谐振子在振动时对压电传感器接触点的作用力，a和ω是存在质量不平衡的圆柱谐振子振动时的振幅和角频率，m
1,2,3
为不平衡质量的幅值，为不平衡质量的方位角。
[0053]
本实施例中的圆柱谐振子利用该前三次谐波误差辨识装置得到的测量结果如图5所示，通过拟合分析得到的波形图峰值为不平衡质量的幅值，峰值所在的位置为不平衡质量的分布方位角。
[0054]
步骤s7、对通过步骤s5得到的对应压电传感器105的输出幅值和通过步骤s6得到的拟合结果进行非线性回归拟合，得到的拟合结果如图6所示，其方差r为0.97525，可以认为模型拟合较好。
[0055]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。