CN104677383B - 一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，主要应用于直接输出频率谐振式陀螺的理论与实验研究，包括磁致伸缩作动器、谐振子、信号激励单元、信号检测单元。信号激励单元根据谐振式陀螺质量块在科氏力作用下的力学特征产生正弦波驱动信号作用于磁致伸缩作动器，令其在轴向方向上施加交变的正弦力，并作用于谐振子的可动端，谐振子的固有谐振频率随之改变，从而实现了直接输出频率谐振式陀螺的原理和功能验证，可通过改变驱动单元的输出信号来模拟陀螺在不同结构模型、不同角速率输入、不同谐振子的工作特性，并且可通过输入非线性驱动信号来获得陀螺在非线性信号输入时的非线性动态特征，为陀螺的非线性研究提供有效的研究方法和实验平台。

Description

一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统

技术领域

本发明涉及一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，属于直接输出频率谐振式陀螺理论研究和实验验证领域。

背景技术

陀螺是实现在惯性空间测量旋转角速度或角位移的装置。在当今科学技术领域具有极其重要的地位，在国民经济发展和国防现代化建设中发挥着重要作用。陀螺技术及应用的水平很大程度上反映着信息技术的水平，也影响着科学技术的发展与进步。

对于谐振式陀螺，最早最简单的结构形式就是傅科摆(Foucault pendulum)。为了证明地球在自转，傅科于1851年在巴黎国葬院的大厅里做了一次成功的复合周期式摆动实验，从而有力地证明了地球是在自转，傅科摆由此而得名。

本发明研究的频率型微陀螺，基于被测旋转角速度改变了复合敏感结构的等效刚度，通过改变等效刚度实现对复合敏感结构频率的变化，即可以通过敏感结构自身的谐振频率与被测角速度的内在关系实现测量。因为频率信号是数字信号，抗干扰能力强，信号处理方便，无需A/D或V/F变换，这就从根本上解决了上面提到的自身抗干扰弱的问题，测量精度可望大大提高。因此，频率型微陀螺成为谐振式微机械陀螺的发展重点与热点。

频率型微陀螺的原理模型最早由加州大学伯克利分校的A.A.Seshia在2002年的IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems国际会议上提出的，报告中还给出实验样件和初步测试结果，但没有相关的较为深入的理论研究内容。随后一些高等院校和科研机构也对相关研究做了零星报道，多是陀螺结构与原理的简单定性描述，针对谐振子振动特性的深入研究一直未见公开报道。

直接输出频率陀螺的动力学方程可用mathieu方程表示，如公式(1)所示：

由方程可知，该方程包含两个函数q(t)和cosω_mt，可通过建立两个函数的工程模型，对陀螺的动力学方程进行研究，从而研究其特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对传统实验和测试方法的不足，提出了一种可实现频率输出型陀螺的整体实验模型和各部件实验研究模型，能够同时实现通过实验对陀螺的整体性能分析和内部部件的性能分析以及工作参数采集分析。同时利用该发明，能够对陀螺核心部件进行可控的激励研究，对于陀螺非线性实验研究提供了一种可行性的实验验证方案。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，包括信号激励单元、磁致伸缩作动器、谐振子、信号检测单元和底座；信号激励单元包括微控制单元、信号发生器、功率放大器；谐振子包括谐振音叉、连接杆、拉力弹簧、支撑架；信号检测单元包括示波器、频谱仪、计算机；信号激励单元根据实验目的，由微控制器生成目标信号至信号发生器，该目标信号为正弦驱动信号或者瞬变激励信号，经信号发生器输出对应的模拟信号，然后经过功率放大器输出可驱动磁致伸缩作动器的功率信号；信号激励单元产生的驱动信号输入至磁致伸缩作动器的激励线圈，同时给偏置线圈加载一定的偏置电流，产生偏置磁场，在激励磁场和偏置磁场共同作用下，磁致伸缩棒产生与驱动信号对应的形变，从而带动连接杆运动，从而作用于谐振子的可动端；谐振音叉在外力作用下，其固有谐振频率随着外作用力的改变而改变，磁致伸缩作动器、谐振子固定在底座，并保持磁致伸缩作动器的中心轴与谐振子轴中心在一条直线上。

其中，所述谐振子包括谐振音叉、压力弹簧、固定支架、调节螺母组成；谐振音叉一端固定在底座上，另一端由压力弹簧固定在固定支架上，通过压力弹簧加载一定的轴向预紧力在音叉可动端，实现谐振音叉的初始应力设置。

其中，所述的磁致伸缩作动器中的磁致伸缩棒应为磁致伸缩材料或者超磁致伸缩材料制备。

本发明的原理：

频率输出型陀螺结构包括两部分：质量块振动结构和谐振子结构。本发明中采用磁致伸缩作动器模拟陀螺质量块科氏效应输出正弦力激励和瞬态力激励，满足谐振子动态特性研究所需要的激励源；谐振子设计采用等比例音叉结构，可通过改变谐振子结构来实现不同谐振子的实验研究。

本发明采用新技术结合频率型输出陀螺的工作原理，将研究中遇到的设计验证瓶颈通过拆解的方式进行分析，关注关键技术，通过等价方式采用模拟手段，实现在原本陀螺无法进行的参数测量。超磁致伸缩材料是一种能够有效的感应环境磁场变化，并与之具有较好的线性度，且具有输出力矩大、控制方便、精度高等优点，能够很好的模拟质量块结构在科氏力作用的动力学行为。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明采用分离式可拆卸结构，在同一平台上可进行多种谐振子、多种质量块、多种不同输入的可控实验，能够较好的实现平台的高效利用和实验数据的一致性；

(2)本发明采用新型材料-磁致伸缩材料，能够实现一般机械结构无法达到的高频率、高线性度、高精度力输出，为在给定输入状态下的谐振子谐振性能测试提供了很好的一致性验证和高稳定测试平台；

(3)本发明通过简单的机械结构模拟出完整的复杂频率输出型谐振式陀螺，有效地降低了研究成本，同时开创了一种基于常规机械结构进行复杂MEMS结构的研究方法。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明磁致伸缩作动器与谐振子结构图；

图3为本发明谐振子输出波形图。

图1中，1为激励单元，2为磁致伸缩作动器，3为谐振子，4为信号检测单元，5为底座，11为微控制单元，12为信号发生器，13为功率放大器，31为谐振音叉，32为连接杆，33为拉力弹簧，34为支撑架，41为示波器，42为频谱仪，43为计算机。

图2中,5为固定底座(未全画出)，31为谐振子谐振梁，32为谐振子侧板，33为紧缩弹簧，34为固定螺栓。

具体实施方式

本发明针对直接输出频率谐振式陀螺进行结构设计，通过采用新技术和新结构实现陀螺样件。本发明设计的一种频率输出陀螺研究模型包括信号激励单元、磁致伸缩作动器、谐振子和信号检测单元。其中信号激励单元采用成熟的数字控制技术，通过控制器计算得出所需要的激励信号，然后通过信号发生器输出模拟信号，再通过功率放大器实现驱动信号输出，音叉激励采用较为广泛认可的压电片激励/拾振方式，通过闭环技术实现自激驱动，此两项技术不在此赘述。

如图1、图2所示，一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，包括信号激励单元1、磁致伸缩作动器2、谐振子3、信号检测单元4和底座5；信号激励单元1包括微控制单元11、信号发生器12、功率放大器13；谐振子3包括谐振音叉31、连接杆32、拉力弹簧33、支撑架34；信号检测单元4包括示波器41、频谱仪42、计算机43。信号激励单元1根据实验目的，由微控制器11生成目标信号(正弦驱动信号或者瞬变激励信号)至信号发生器12，经信号发生器12输出对应的模拟信号，然后经过功率放大器13输出可驱动磁致伸缩作动器2的功率信号；信号激励单元1产生的驱动信号输入至磁致伸缩作动器2的激励线圈，同时给偏置线圈加载一定的偏置电流，产生偏置磁场，在激励磁场和偏置磁场共同作用下，磁致伸缩棒产生与驱动信号对应的形变，从而带动连接杆32运动，从而作用于谐振子3的可动端；谐振音叉3在外力作用下，其固有谐振频率随着外作用力的改变而改变。磁致伸缩作动器2、谐振子3固定在底座5，并保持磁致伸缩作动器2的中心轴与谐振子3轴中心在一条直线上。

所述谐振子3包括谐振音叉31、压力弹簧32、固定支架33、调节螺母34组成；谐振音叉31一端固定在底座上，另一端由压力弹簧32固定在固定支架33上，通过压力弹簧32加载一定的轴向预紧力在音叉可动端，实现谐振音叉31的初始应力设置；

所述的磁致伸缩作动器2中的磁致伸缩棒应为磁致伸缩材料或者超磁致伸缩材料制备。

本发明的核心单元如图2所示，包括固定端(未全画出)、磁致伸缩作动器、压力弹簧、谐振子、可动螺丝棒等组成。图2中固定端均为与支架连接部分，不能发生相对移动。磁致伸缩棒在轴向方向上一端挤压在作动器固定壳体上，另一端可自由移动，同时增加其在y轴方向上的约束，令其y轴方向不能移动；谐振音叉可动端左侧挡板与固定在底板上的挡板之间放置压力弹簧，使之产生沿轴向的拉力，令音叉始终处在拉力状态下，能够提高其谐振频率和机械品质因素，其力的大小根据实验要求进行确定；

考虑到需要对不同的音叉进行测试，设计了可满足音叉拆卸的结构。音叉固定端与底板固定端采用同直径过孔，并通过调节音叉的上下位置令四过孔圆心在同一直线上，保证谐振音叉在轴向力方向上可自由伸缩。

本发明工作流程举例说明如下：

将信号发生器的输出频率设定为5Hz，峰峰值1V，输入至功率放大器输入端，，开启驱动器电源，设定参数令磁致伸缩作动器工作在力交变输出模式；同时采用闭环音叉激励方式令谐振音叉工作在谐振状态下，并通过示波器对音叉频率进行检测，通过频谱仪进行频谱分析，可得陀螺输出信号和信号动态特性，如图3所示。图3为本发明谐振子输出波形图。可以简要说明图3。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，其特征在于：包括信号激励单元(1)、磁致伸缩作动器(2)、谐振子(3)、信号检测单元(4)和底座(5)；信号激励单元(1)包括微控制单元(11)、信号发生器(12)、功率放大器(13)；谐振子(3)包括谐振音叉(31)、连接杆(32)、拉力弹簧(33)、支撑架(34)；信号检测单元(4)包括示波器(41)、频谱仪(42)、计算机(43)；信号激励单元(1)根据实验目的，由微控制单元(11)生成目标信号至信号发生器(12)，该目标信号为正弦驱动信号或者瞬变激励信号，经信号发生器(12)输出对应的模拟信号，然后经过功率放大器(13)输出可驱动磁致伸缩作动器(2)的功率信号；信号激励单元(1)产生的驱动信号输入至磁致伸缩作动器(2)的激励线圈，同时给偏置线圈加载一定的偏置电流，产生偏置磁场，在激励磁场和偏置磁场共同作用下，磁致伸缩棒产生与驱动信号对应的形变，从而带动连接杆(32)运动，从而作用于谐振子(3)的可动端；谐振音叉(31)在外力作用下，其固有谐振频率随着外作用力的改变而改变，磁致伸缩作动器(2)、谐振子(3)固定在底座(5)，并保持磁致伸缩作动器(2)的中心轴与谐振子(3)轴中心在一条直线上。

2.根据权利要求1所述的一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，其特征在于：谐振音叉(31)一端固定在底座上，另一端由压力弹簧固定在固定支架上，通过压力弹簧加载一定的轴向预紧力在音叉可动端，实现谐振音叉(31)的初始应力设置。

3.根据权利要求1所述的一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，其特征在于：所述的磁致伸缩作动器(2)中的磁致伸缩棒应为磁致伸缩材料或者超磁致伸缩材料制备。