CN106568463B - 用于陀螺频率特性的角振动发生装置及陀螺频率测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于陀螺频率特性的及陀螺频率测量方法，角振动发生装置包括结构柔性体，在结构柔性体的两端设有与线振动台连接的机械安装接口，以及与被测陀螺连接的安装接口。测量时，将被测陀螺安装在装置的陀螺安装接口上，并将装置的机械安装接口安装在线振动台上；在线振动台发出的振动激励信号作用下，角振动发生装置的测陀螺安装接口将产生角振动；采用振动响应分析的方法，计算陀螺安装接口的角速度；读取陀螺显示的角速度读数，根据陀螺角速度读数与陀螺安装接口的角速度进行数据处理得出陀螺频率特性。本发明测量方法，能够在较宽的频率范围内对陀螺频率特性进行较为完整的测量，频率可达2000Hz以上，能够覆盖陀螺陀螺带宽的3倍以上。

Description

用于陀螺频率特性的角振动发生装置及陀螺频率测量方法
技术领域
本发明属于测量领域，涉及一种用于陀螺频率特性的角振动发生装置及陀螺频率测量方法，确切地说是涉及一种用于测量陀螺频率特性的角振动发生装置及一种陀螺频率特性测量方法。
背景技术
角速度输入信号频率不同时，陀螺的频率响应特性也不同。当输入信号频率远高于陀螺响应带宽时，陀螺几乎不响应，陀螺读数几乎为零；当输入信号频率在陀螺响应带宽内及陀螺响应带宽附近时，陀螺的读数与真实输入角速度之间也存在差异。
陀螺对输入角速度信号的响应特性直接关系到陀螺的测量精度。可以采用角振动台测量陀螺频率响应特性。陀螺带宽一般达到几百Hz，高性能的陀螺带宽能够达到上千Hz，输入的角振动信号频率范围至少需要达到陀螺带宽频率，最好需要达到陀螺带宽频率的3倍，才能完整地测量陀螺的频率响应特性。角振动台频率范围有限，大多只能达到几十Hz，采用角振动台只能测得很小频率范围的陀螺频率特性。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于陀螺频率特性的角振动发生装置及陀螺频率测量方法，利用结构柔性能够将线振动转化为角振动的原理，设计了一个角振动发生装置，提出了一种基于角振动发生装置的陀螺频率特性测量方法。
技术方案
一种用于陀螺频率特性测量的角振动发生装置，其特征在于
所述结构柔性体为悬臂梁、桁架或腔体；
采用振动响应分析方法采用有限元仿真的方法：首先，在有限元仿真软件中建立角振动发生装置的结构有限元模型；然后，根据有限元模型，进行振动响应分析，计算陀螺安装接口1-2输入角速度；
对计算的输入角速度进行修正。修正输入角速度的步骤如下：
步骤1:采用振动响应分析方法计算陀螺安装接口1-2的加速度；
步骤2:测量陀螺安装接口1-2的加速度；
步骤3:对结构有限元模型进行修正，使得步骤2与步骤1得到的加速度接近；
步骤4:利用修正后的结构有限元模型再次进行振动响应分析，计算螺陀安装接口1-2的角速度，即为陀螺输入角速度；
对结构有限元模型进行修正时，修改材料参数：密度或弹性模量；修改几何参数：厚度。
一种采用所述装置测量陀螺频率特性的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将被测陀螺1-3安装在角振动发生装置的陀螺安装接口1-2上，并将角振动发生装置的机械安装接口1-1安装在线振动台上；
步骤2：在线振动台发出的振动激励信号作用下，角振动发生装置的被测陀螺安装接口1-2将产生角振动；
步骤3：采用振动响应分析方法，计算陀螺安装接口1-2的输入角速度；
步骤4：读取陀螺显示的角速度，以陀螺显示的角速度与输入角速度之比得出陀螺频率特性。
所述振动激励信号为正弦扫频或随机振动。
所述有限元仿真软件采用HyperWorks、NX.Nastran、Msc.Nastran或Abaqus。
所述结构有限元模型的建立采用在UG、CATIA或Pro/E的CAD软件建立角振动发生装置的三维几何模型，然后将三维几何模型导入有限元仿真软件中得到角振动发生装置的结构有限元模型。
所述振动响应分析采用有限元仿真软件提供的任意一种振动响应仿真方法，包括模态叠加法、直接频率响应法或时域法。
有益效果
本发明提出的一种用于陀螺频率特性的角振动发生装置及陀螺频率测量方法，具有与线振动台的机械安装接口1-1及与被测陀螺的安装接口1-2。由于结构柔性的存在，线振动条件下，结构不仅有线振动响应(例如位移、速度、加速度)，还有角振动响应(例如角位移、角速度、角加速度)。角振动发生装置利用结构柔性的结构形式多种多样，例如：悬臂梁、桁架、腔体，只要具有结构柔性，就可以将线振动转换为角振动。通过线振动台，给角振动发生装置施加线振动，角振动发生装置的被测陀螺安装接口1-2将产生角振动。采用振动响应分析的方法，计算陀螺安装接口1-2的角速度；读取陀螺显示的角速度读数，根据陀螺角速度读数与陀螺安装接口1-2的角速度进行数据处理得出陀螺频率特性。
本发明的角振动发生装置，可以选择的结构形式多样，可以产生具有足够宽的频率范围的角振动，可达2000Hz以上，能够覆盖陀螺陀螺带宽的3倍以上。
本发明的陀螺频率特性测量方法，能够在较宽的频率范围内对陀螺频率特性进行较为完整的测量，频率可达2000Hz以上，能够覆盖陀螺陀螺带宽的3倍以上。
附图说明
图1：角振动发生装置的示意图
图2：角振动发生装置的有限元模型
图3：输入线振动正弦扫频信号
图4：陀螺安装位置垂向加速度曲线(未修正)
图5：陀螺安装位置垂向加速度曲线(测试值)
图6：陀螺安装位置角加速度曲线
图7：陀螺读数曲线
图8：陀螺频率响应曲线
1-1～线振动台的安装接口，1-2～被测陀螺的安装接口，1-3～被测陀螺。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
用于陀螺频率特性测量的角振动发生装置的实施例，如附图1所示，具有与线振动台的机械安装接口1-1及与被测陀螺的安装接口1-2。由于结构柔性的存在，线振动条件下，结构不仅有线振动响应(例如位移、速度、加速度)，还有角振动响应(例如角位移、角速度、角加速度)。角振动发生装置利用结构柔性的结构形式多种多样，例如：悬臂梁、桁架、腔体，只要具有结构柔性，就可以将线振动转换为角振动。通过线振动台，给角振动发生装置施加线振动，角振动发生装置的被测陀螺安装接口1-2将产生角振动。
角振动发生装置，其角振动频率范围由线振动台所能提供的振动频率范围决定。由于线振动台的频率范围宽，一般都高于2000Hz以上，最高可以达到10000Hz以上，因此角振动发生装置产生的角振动具有足够宽的频率范围，可达2000Hz以上，能够覆盖陀螺陀螺带宽的3倍以上。
基于角振动发生装置的陀螺频率特性测量方法，主要步骤为：
(1)将被测陀螺安装在前述角振动发生装置的陀螺安装接口1-2上，并将角振动发生装置安装在线振动台上；
(2)在线振动台激励作用下，前述角振动发生装置的测陀螺安装接口1-2将产生角振动；
(3)采用振动响应分析的方法，计算陀螺安装接口1-2的角速度；
(4)读取陀螺显示的角速度读数，根据陀螺角速度读数与陀螺安装接口1-2的角速度进行数据处理得出陀螺频率特性。
其中，振动响应分析采用有限元仿真的方法，首先在有限元仿真软件中建立角振动发生装置的结构有限元模型；然后，根据有限元模型，进行振动响应分析，计算陀螺安装接口1-2角速度。振动响应分析可以采用HyperWorks、NX.Nastran、Msc.Nastran、Abaqus等支持振动响应分析的有限元仿真软件；可以直接在有限元仿真软件中建立结构有限元模型，也可以先可借助UG、CATIA、Pro/E等CAD软件建立角振动发生装置的三维几何模型，然后将三维几何模型导入有限元仿真软件中；可采用模态叠加法、直接频率响应法、时域法等振动响应仿真分析方法。
此外，还可对振动响应分析得到陀螺安装接口1-2的角速度进行修正，提高测量的准确度，角速度修正方法如下：
(1)采用前述振动响应分析方法，计算陀螺安装接口1-2的加速度；
(2)采用加速度传感器测量陀螺安装接口1-2的加速度；
(3)根据测得的加速度，对结构有限元模型进行修正，使得计算得到的加速度与测得的加速度接近；
(4)结构有限元模型修正，可以修改材料参数，例如密度、弹性模量，可以修改几何参数，例如厚度。
(5)使用修正后的有限元模型，采用前述振动响应分析方法，重新计算角速度。
进行陀螺频率特性测量时，可以选择多种类型的振动激励信号，例如正弦扫频、随机振动。陀螺频率特性的数据处理的原则为，陀螺角速度读数与陀螺安装接口1-2的角速度之比。
振动响应分析可以得到的结果类型包括但不限于：位移、速度、加速度、角速度、角速度、角加速度、应力等。
具体实施例：
一个用于陀螺频率特性测量的角振动发生装置，如附图1所示，其中1-1为线振动台的安装接口1-1，1-2为被测陀螺的安装接口。
一种陀螺频率特性测量方法的具体实施例如下：
(1)将被测陀螺1-3安装在前述角振动发生装置的陀螺安装接口1-2上，将角振动发生装置安装在线振动台上；
(2)采用UG软件的结构有限元分析模块中建立角振动发生装置的有限元模型，如附图2所示；
(3)采用NX.Nastran软件的模态叠加分析法，仿真计算得到给定正弦扫频振动条件下(正弦扫频曲线如附图3所示)，陀螺安装点的加速度响应曲线(如附图4)；
(4)采用加速度传感器测量角振动发生装置的陀螺安装接口1-2的加速度响应曲线，如附图5所示；
(5)对照计算和测定的加速度响应曲线，对角振动发生装置的有限元模型的弹性模量进行修改，使得修正的有限元模型计算得到的加速度响应曲线与测得的加速度响应曲线一致；
(6)使用修正后的有限元模型，采用NX.Nastran软件的模态叠加分析法仿真计算得到陀螺安装接口1-2的角速度，如附图6所示；
(7)通过线振动台，对角振动发生装置进行正弦扫频振动，正弦扫频曲线如附图3所示；
(8)读取陀螺的的角速度响应曲线，如附图7所示；
(9)陀螺的角速度响应曲线与陀螺安装接口1-2的角速度曲线相除，得到陀螺的频率响应曲线，如附图8所示。
由于给定的正向扫频振动曲线的频率范围为20Hz～2000Hz，本次测量得到了被测陀螺在20Hz～2000Hz范围内的频率响应曲线。

Claims (7)

1.一种用于陀螺频率特性测量的角振动发生装置，其特征在于包括结构柔性体，在结构柔性体的两端设有与线振动台连接的机械安装接口(1-1)，以及与被测陀螺连接的安装接口(1-2)；
采用有限元仿真的方法进行振动响应分析：首先，在有限元仿真软件中建立角振动发生装置的结构有限元模型；然后，根据有限元模型，进行振动响应分析，计算陀螺安装接口(1-2)输入角速度；
对计算的输入角速度进行修正，修正输入角速度的步骤如下：
步骤1:采用振动响应分析方法计算陀螺安装接口(1-2)的加速度；
步骤2:测量陀螺安装接口(1-2)的加速度；
步骤3:对结构有限元模型进行修正，使得步骤2与步骤1得到的加速度接近；
步骤4:利用修正后的结构有限元模型再次进行振动响应分析，计算螺陀安装接口(1-2)的角速度，即为陀螺输入角速度；
对结构有限元模型进行修正时，修改材料参数：密度或弹性模量；修改几何参数：厚度。
2.根据权利要求1所述用于陀螺频率特性测量的角振动发生装置，其特征在于：所述结构柔性体为悬臂梁、桁架或腔体。
3.一种采用权利要求1或2所述装置测量陀螺频率特性的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将被测陀螺(1-3)安装在角振动发生装置的陀螺安装接口(1-2)上，并将角振动发生装置的机械安装接口(1-1)安装在线振动台上；
步骤2：在线振动台发出的振动激励信号作用下，角振动发生装置的被测陀螺安装接口(1-2)将产生角振动；
步骤3：采用振动响应分析方法，计算陀螺安装接口(1-2)的输入角速度；
步骤4：读取陀螺显示的角速度，以陀螺显示的角速度与输入角速度之比得出陀螺频率特性。
4.根据权利要求3所述测量陀螺频率特性的方法，其特征在于：所述振动激励信号为正弦扫频或随机振动。
5.根据权利要求3所述测量陀螺频率特性的方法，其特征在于：所述有限元仿真软件采用HyperWorks、NX.Nastran、Msc.Nastran或Abaqus。
6.根据权利要求3所述测量陀螺频率特性的方法，其特征在于：所述结构有限元模型的建立采用在UG、CATIA或Pro/E的CAD软件建立角振动发生装置的三维几何模型，然后将三维几何模型导入有限元仿真软件中得到角振动发生装置的结构有限元模型。
7.根据权利要求3所述测量陀螺频率特性的方法，其特征在于：所述振动响应分析采用有限元仿真软件提供的任意一种振动响应仿真方法，包括模态叠加法、直接频率响应法或时域法。
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