杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统及方法

文档序号:8526591阅读:526来源:国知局
杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种陀螺仪的谐振子的检测方法,尤其涉及一种杯形波动陀螺杯形谐 振子的非接触驱动检测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 杯形波动陀螺是一种新型固体波动陀螺,利用杯形结构中弹性波的惯性效应实现 角速动测量。杯形波动陀螺具有固体波动陀螺特有的精度高、能耗小、准备时间短、工作温 度范围大、抗电离辐射能力强、抗冲击振动好、使用寿命长等优点,发展和应用前景极为广 阔。
[0003] 杯形波动陀螺的工作原理为:给其谐振子底面相互垂直的四个压电激励电极施加 交流电压,由逆压电效应产生的电极振动通过传振结构传递到谐振环,激励出如图1所示 的谐振子的驱动模态,由图1可见,谐振子的驱动模态为环向波数为2的驻波,其中波腹点 处的振幅最大,波节点处的振幅为零,波腹点连线构成固有刚性轴系;当有轴向角速度输入 时,谐振环在哥氏力的作用下产生如图2所示的另一固有刚性轴系的检测模态振动,谐振 环检测模态下的振动通过传振结构传递到相互垂直的四个压电敏感电极,由压电效应产生 的敏感信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。
[0004] 然而,在杯形波动陀螺的制造过程中,杯形波动陀螺谐振子的加工误差会导致谐 振子的振型偏移和固有频率裂解,这直接影响了杯形波动陀螺的精度及灵敏度。在现有条 件下,可以利用激光测振仪对谐振子的振型进行测量,其精度高但是成本高昂,操作不便; 也可粘贴压电电极对谐振子的性能进行测试,但如果出现问题,就需要将压电电极重新布 置,反复的粘贴压电电极操作复杂且容易对谐振子产生不利影响。

【发明内容】

[0005] 本发明要解决的技术问题是,克服现有技术的不足,提供一种杯形波动陀螺杯形 谐振子的非接触驱动检测系统及方法,成本低廉、操作简便、检测精度高且不会对谐振子的 性能造成影响。
[0006] 本发明的技术方案为:
[0007] 杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统,包括谐振子6、转台11、支撑平 台10、转台电机1、封闭罩4和两个封闭罩支承座3 ;
[0008] 所述谐振子6通过其底部的安装基座固连在所述转台11上,所述转台11设置于 所述支撑平台10上;所述转台电机1用于驱动所述转台11旋转;
[0009] 所述支撑平台10上两侧各竖直设有一个封闭罩支承座3 ;
[0010] 所述封闭罩4通过一矩形杆架设在两个封闭罩支承座3上;所述封闭罩4采用底 部设有开口的空心圆柱形结构,封闭罩4通过其底部的开口罩在所述谐振子6上;
[0011] 所述封闭罩4的罩壁的下部周向设有六个开孔;其中两个开孔设于封闭罩4的下 部第一直径的两端,该两个开孔处各布置有一块电磁铁9 ;
[0012] 剩余四个开孔中,两个开孔设于封闭罩4的下部与第一直径相垂直的第二直径的 两端;另两个开孔设于封闭罩的下部与第一直径夹角为45°的第三直径的两端;所述剩余 四个开孔处各布置有一块麦克风芯片5 ;
[0013] 所述电磁铁9用于使谐振子6发生共振,激励出驱动模态;
[0014] 所述麦克风芯片5用于检测谐振子6的波节点与波腹点的振动。
[0015] 所述两个封闭罩支承座3与支撑平台10分别通过两个高度调整螺钉7连接,所 述高度调整螺钉7用于调整封闭罩支承座相对于支撑平台的高度,从而调整封闭罩4的高 度;
[0016] 两个封闭罩支承座3的上端相应位置设有水平通孔,所述矩形杆的两端分别与所 述两个水平通孔的内侧形成间隙配合;所述两个水平通孔的外侧各设有一个对中调整螺钉 2 ;所述对中调整螺钉用于推动所述矩形杆水平移动,从而调整封闭罩在两个封闭罩支承座 之间的横向位置,使得封闭罩的中心线与谐振子的中心线重合;
[0017] 所述两个封闭罩支承座的顶部各设有一个紧固螺钉8,防止矩形杆和封闭罩横向 移动。
[0018] 对所述两个电磁铁9中有施加交流电压,交流电压的频率为谐振子的谐振频率, 交流电压的有效值为电磁铁的额定工作电压。
[0019] 所述两块电磁铁9由铁镍合金材料制成。
[0020] 所述两块电磁铁9的铁芯横截面直径小于2mm。
[0021] 一种杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测方法,采用上述的杯形波动陀螺 杯形谐振子的非接触驱动检测系统;
[0022] 所述非接触驱动检测方法为:
[0023] 向两个电磁铁9中施加交流电压,其电压频率为谐振子的谐振频率,电压有效值 为电磁铁的额定工作电压;检测各个麦克风芯片5输出的音频信号电压大小,从而确定谐 振子的振幅分布情况,即振型。
[0024] 在检测之前,先松开紧固螺钉8,然后通过对中调整螺钉2调整封闭罩在两个封闭 罩支承座之间的横向位置,使得封闭罩的中心线与谐振子的中心线重合,最后拧紧紧固螺 钉,固定封闭罩在两个封闭罩支承座连线方向的位置。
[0025] 通过高度调整螺钉7调整封闭罩支承座相对于支撑平台的高度,从而调整封闭罩 相对于谐振子的高度,改变检测位置的高度。
[0026] 通过旋转转台,使得电磁铁所产生的驱动力的方向对准谐振子的振动刚性轴,当 波节点位置的麦克风芯片5输出的信号为0时即说明驱动力的方向对准了谐振子的振动刚 性轴。
[0027] 有益效果:
[0028] 1)本发明利用电磁铁对谐振子进行驱动,利用麦克风芯片对谐振子的振动进行检 测;谐振子在谐振状态时,会产生明显的声波,且声波幅值与振动幅值成正比,因此麦克风 芯片输出的信号大小与检测到的谐振子振幅成正比,于是可以通过检测谐振子在圆周方向 多个点的振幅大小,确定谐振子的振幅分布情况,即振型,检测精度高。
[0029] 2)利用转台的旋转即机械调节机构实现在谐振子周向和轴向不同位置的驱动和 检测,可以快速得到更为全面的谐振子振动数据,并对谐振子的性能进行评估。
[0030] 3)与传统的压电电极检测方法相比,本发明以非接触的方式对谐振子进行激振, 并以非接触的方式对谐振子的振动进行检测,以减小接触式测量过程中使用的粘接剂给敏 感元件本身带来的振动阻尼或温度性能变化对谐振子造成的影响,能够更为精确的反映谐 振子本身的性能,为谐振子性能的进一步提高提供基础。
[0031]与激光测振仪等非接触测试手段相比,本发明成本低廉、操作简便,可长时间可靠 的连续工作,实现谐振子性能和振型的快速测试。结合恒温箱等温控设备,本发明还可以实 现谐振子性能的全温区检测实验。
【附图说明】
[0032] 图1为杯形波动陀螺的杯形谐振子的驱动模态示意图。
[0033] 图2为杯形波动陀螺的杯形谐振子的检测模态示意图。
[0034] 图3为本发明的整体示意图。
[0035] 图4为本发明的谐振子及封闭罩局部视图;
[0036] 图5为压电电极与麦克风检测的对比拟合曲线;
[0037]图6为麦克风芯片和激光谐振仪检测到的谐振子振型对比图;其中图6(a)为麦克 风芯片检测到的谐振子振型图;图6(b)为激光谐振仪检测到的谐振子振型图。
[0038] 附图标记说明:
[0039]1 一转台电机,2-对中调整螺钉,3-封闭罩支承座,4一封闭罩,5-麦克风芯片, 6-谐振子,7-高度调整螺钉,8-紧固螺钉,9一电磁铁,10、支撑平台,11、转台。
【具体实施方式】
[0040] 以下结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步具体说明。
[0041]本发明针对杯形波动陀螺谐振子的结构和材料特点,设计了以电磁驱动技术及声 波检测技术为核心的杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统及方法。
[0042]杯形谐振子包括一侧壁和固接于侧壁底部的底盘,侧壁包括上部的谐振环和下部 的导振环,底盘中心设有一安装底座;谐振子安装基座用于将谐振子固连在转台上;电控 转台作为谐振子位置变换的驱动装置;封闭罩加在谐振子上以保证在测量过程中谐振子周 边的阻尼分布均匀,如图3所示。在封闭罩的开孔位置布置有驱动电磁铁和检测用麦克风 芯片,其布置方式为谐振子周向布置,电磁铁共两个,布置于谐振子某一直径的两端,麦克 风芯片共四个,分别布置于与两电磁铁所决定直径相垂直的另一直径的两端,以及与两电 磁铁所决定直径夹角为45°的直径的两端,如图4所示。可以利用夹具机构保证电磁铁和 麦克风的相对位置。所述麦克风芯片用于检测谐振子波节点与波腹点的振动,因此在波腹 与波节点位置分别布置一个麦克风芯片即可实现功能,为了降低麦克风芯片位置误差对测 量结果的影响,本发明采用轴向对称布置的方式,共布置4个麦克风芯片。
[0043]基于上述杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统的驱动检测方法为:通
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