CN108844555A - 一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法及系统 - Google Patents

一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法及系统，所述方法包括步骤：A、在电磁铁上施加驱动信号，激励出谐振子的固有模态振动，驱动信号的频率等于谐振子的固有频率；B、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值；C、将谐振子旋转不同的角度，并对测得对应的压电电极的输出幅值进行拟合，获得不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。只需要通过激励谐振子固有模态，测量在不同角度时支撑杆的振动幅值，然后对测量数据进行拟合分析，便可方便快捷的判别不平衡质量的方位和不平衡质量大小，成本极小。

Description

一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法及系统
技术领域
本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及的是一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法及系统。
背景技术
现有技术中，谐振子的制造误差使得谐振子在圆周方向上的刚度和阻尼分布不均匀，是造成陀螺输出零偏漂移的重要原因。刚度分布不均匀形成谐振子的频率裂解，可通过对谐振子进行频率修调并结合陀螺测控电路中的正交控制回路消除频率裂解引起的零偏漂移。阻尼不均匀引起的零偏漂移暂无法通过电路控制消除，一般采用提高谐振子Q值，即减小谐振子振动的能量损耗的方式来降低阻尼不均匀的影响。支撑损耗是谐振子振动过程中能量损耗的重要组成部分，谐振子的质量分布不均匀会增大支撑损耗，降低谐振子的Q值。因此，为了提高谐振子的Q值，必须对谐振子的不平衡质量进行修调，其前提就是确定不平衡质量的方位和大小。谐振子的不平衡质量可分解为多次谐波相叠加的形式，其中，四次谐波主要引起谐振子的频率裂解，可通过频率修调进行消除。对支撑损耗影响最大的是谐振子不平衡质量的低次谐波，也就是一次、二次和三次谐波。以往的方法是通过测量谐振子的几何误差，对谐振子的几何误差数据进行傅里叶变换得到各次谐波分量。但是该方法需要精密的几何误差测量设备，价格昂贵、操作复杂、效率较低。并且由于仅测量了几何误差，谐振子材料的不均匀引起的质量分布不均匀无法计算，使得计算结果误差较大。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法及系统，旨在解决现有技术中无法计算不平衡质量的方位和大小的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其中，包括步骤：
A、在电磁铁上施加驱动信号，激励出谐振子的固有模态振动，驱动信号的频率等于谐振子的固有频率；
B、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值；
C、将谐振子旋转不同的角度，并对测得对应的压电电极的输出幅值进行拟合，获得不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。
所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其中，所述步骤A之前还包括步骤：
S、用电磁铁激励，麦克风检测谐振子的振动信号，用频率响应分析仪测量谐振子的频率响应，得到谐振子的固有频率。
所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其中，所述压电电极的输出幅值为：
V(θ)＝V01cos(α+θ1)+V02cos2(α+θ2)+V03cos3(α+θ3)
其中，V(θ)为压电电极的输出幅值，V01为一次谐波不平衡质量的大小，V02为二次谐波不平衡质量的大小，V03为三次谐波不平衡质量的大小，α为谐振子转动角度，θ1为谐振子不平衡质量的一次谐波所在的方位角，θ2为谐振子不平衡质量的二次谐波所在的方位角，θ3为谐振子不平衡质量的三次谐波所在的方位角。
所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其中，所述步骤B具体包括步骤：
B1、将悬臂梁的一端固定，另一端与谐振子支撑杆接触，压电电极设置在悬臂梁上；
B2、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值。
所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其中，所述步骤C中，谐振子旋转不同的角度具体为谐振子从0度旋转至180度，谐振子每次旋转的角度为5度。
一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其中，包括处理器，以及与所述处理器连接的存储器，
所述存储器存储有圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定程序，所述圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定程序被所述处理器执行时实现以下步骤：
A、在电磁铁上施加驱动信号，激励出谐振子的固有模态振动，驱动信号的频率等于谐振子的固有频率；
B、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值；
C、将谐振子旋转不同的角度，并对测得对应的压电电极的输出幅值进行拟合，获得不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。
所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其中，所述步骤A之前还包括步骤：
S、用电磁铁激励，麦克风检测谐振子的振动信号，用频率响应分析仪测量谐振子的频率响应，得到谐振子的固有频率。
所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其中，所述压电电极的输出幅值为：
V(θ)＝V01cos(α+θ1)+V02cos2(α+θ2)+V03cos3(α+θ3)
其中，V(θ)为压电电极的输出幅值，V01为一次谐波不平衡质量的大小，V02为二次谐波不平衡质量的大小，V03为三次谐波不平衡质量的大小，α为谐振子转动角度，θ1为谐振子不平衡质量的一次谐波所在的方位角，θ2为谐振子不平衡质量的二次谐波所在的方位角，θ3为谐振子不平衡质量的三次谐波所在的方位角。
所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其中，所述步骤B具体包括步骤：
B1、将悬臂梁的一端固定，另一端与谐振子支撑杆接触，压电电极设置在悬臂梁上；
B2、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值。
所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其中，所述步骤C中，谐振子旋转不同的角度具体为谐振子从0度旋转至180度，谐振子每次旋转的角度为5度。
有益效果：由于通过激励谐振子固有模态，测量在不同角度时支撑杆的振动幅值，然后对测量数据进行拟合分析，便可方便快捷的判别不平衡质量的方位和不平衡质量大小，成本极小。
附图说明
图1是本发明中所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法较佳实施例的流程图；
图2是本发明中所采用的陀螺的结构示意图；
图3是本发明中所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法的测试数据图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明所采用的陀螺包括：谐振子10，与所述谐振子10底端连接的支撑杆20，用于安装所述支撑杆20的转台30，与所述支撑杆20接触的悬臂梁40，设置在所述悬臂梁40上用于测量谐振子10支撑杆20的振动的压电电极50。所述谐振子10呈圆管状，采用铁镍合金制成，具有导磁性。本发明中采用电磁铁60施加的电磁力作为谐振子10的激励源，采用麦克风70检测谐振子10振动产生的声波信号来表征谐振子10的振动幅值。如图2所述，陀螺所在的水平面内，电磁铁60与麦克风70在X轴方向上，并分别位于谐振子10两侧，悬臂梁40和压电电极50在Y轴方向上，其中，X轴与Y轴相互垂直。当然，本发明中的陀螺为振动陀螺。
请同时参阅图1-图3，如图1所示的，本发明提供了一种圆柱壳体陀螺谐振子10不平衡质量的确定方法，包括步骤：
步骤S100、用电磁铁60激励，麦克风70检测谐振子10的振动信号，用频率响应分析仪测量谐振子10的频率响应，得到谐振子10的固有频率。
具体地，可利用电磁铁60施加电磁力激励谐振子10，用麦克风70检测谐振子10振动产生的声波信号来表征谐振子10的振动幅值，用频率响应分析仪对谐振子10进行扫频得到其幅频响应曲线从而得到其固有频率。当然，这里也可以采用其他方式获得谐振子10的固有频率。
步骤S200、在电磁铁60上施加驱动信号，激励出谐振子10的固有模态振动，驱动信号的频率等于谐振子10的固有频率。
具体地，采用电磁铁60对谐振子10进行驱动，利用麦克风70芯片对谐振子10的振动进行检测。交流电通过电磁铁60产生交变的电磁力作用于谐振子10，使谐振子发生共振，激励出驱动模态。所使用的电磁铁60具有横截面积较小的铁芯，其直径最好在2mm以下，保证了电磁力良好的指向性。电磁铁60所产生的电磁场具有良好的对称性，再结合转台30的调整作用，可以使驱动力准确对准振动刚性轴，确保在测试过程中不会由于驱动力的作用影响测量参数的数值，保证测试的准确性。
步骤S300、利用压电电极50测量谐振子10支撑杆20的振动信号，得到压电电极50的输出幅值。
具体地，所述步骤S300包括：
步骤S301、将悬臂梁40的一端固定，另一端与谐振子10支撑杆20接触，压电电极50设置在悬臂梁40上。
具体地，悬臂梁40一端固定，另一端通过弹性力与谐振子10支撑杆20接触。
步骤S302、利用压电电极50测量谐振子10支撑杆20的振动信号，得到压电电极50的输出幅值。
具体地，利用粘贴在悬臂梁40上的压电电极50测量谐振子10支撑杆20的振动。
所述压电电极50的输出幅值为：
V(θ)＝V01cos(α+θ1)+V02cos2(α+θ2)+V03cos3(α+θ3)
其中，V(θ)为压电电极50的输出幅值，V01为一次谐波不平衡质量的大小，V02为二次谐波不平衡质量的大小，V03为三次谐波不平衡质量的大小，α为谐振子10转动角度，θ1为谐振子10不平衡质量的一次谐波所在的方位角，θ2为谐振子10不平衡质量的二次谐波所在的方位角，θ3为谐振子10不平衡质量的三次谐波所在的方位角。
谐振子10支撑杆20的振动表征了谐振子10不平衡质量引起的支撑损耗，包含了不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。
步骤S400、将谐振子10旋转不同的角度，并对测得对应的压电电极50的输出幅值进行拟合，获得不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。具体地，谐振子10旋转不同的角度具体为谐振子10从0度旋转至180度，谐振子10每次旋转的角度为5度。
在上述过程中，定义初始测量点的角度为0，谐振子10每次旋转的角度为5度，谐振子10从0度旋转至180度，于是可得到以下方程组：
根据方程组(1)，用最小二乘法对方程中的参数进行优化可得到θ1、θ2、θ3以及V01、V02、V03的最优值。
图3为在具体应用实例中的一组测试数据，根据上述方法，可求得谐振子10一次、二次、三次不平衡质量的方位角分别为：76.95度、94.23度、158.56度，其大小分别为：472.99、113.77、-69.62。再将这六个数值(一次、二次、三次不平衡质量的方位角及其大小)代入到方程组(1)中可得到各角度及其对应的压电电极的输出幅值，即获得拟合值的曲线。需要注意的是，这里计算出的不平衡质量的大小反应的是各阶次不平衡质量的比例关系，具体对应的质量的大小与谐振子10结构和压电电极50等参数有关，可通过实验测得。
由上可见，本发明的圆柱壳体陀螺谐振子10不平衡质量的确定方法，原理简单、操作简便、效率高，只需要通过激励谐振子10固有模态，测量在不同角度时支撑杆20的振动幅值，然后对测量数据进行拟合分析，便可方便快捷的判别不平衡质量的方位和大小，成本极小。
本发明实施例还提供了一种圆柱壳体陀螺谐振子10不平衡质量的确定系统，包括处理器，以及与所述处理器连接的存储器，
所述存储器存储有圆柱壳体陀螺谐振子10不平衡质量的确定程序，所述圆柱壳体陀螺谐振子10不平衡质量的确定程序被所述处理器执行时实现以下步骤：
步骤S100、用电磁铁60激励，麦克风70检测谐振子10的振动信号，用频率响应分析仪测量谐振子10的频率响应，得到谐振子10的固有频率，具体如上所述。
步骤S200、在电磁铁60上施加驱动信号，激励出谐振子10的固有模态振动，驱动信号的频率等于谐振子10的固有频率，具体如上所述。
步骤S300、利用压电电极50测量谐振子10支撑杆20的振动信号，得到压电电极50的输出幅值，具体如上所述。
具体地，所述步骤S300包括：
步骤S301、将悬臂梁40的一端固定，另一端与谐振子10支撑杆20接触，压电电极50设置在悬臂梁40上，具体如上所述。
步骤S302、利用压电电极50测量谐振子10支撑杆20的振动信号，得到压电电极50的输出幅值，具体如上所述。
所述压电电极50的输出幅值为：
V(θ)＝V01cos(α+θ1)+V02cos2(α+θ2)+V03cos3(α+θ3)
其中，V(θ)为压电电极50的输出幅值，V01为一次谐波不平衡质量的大小，V02为二次谐波不平衡质量的大小，V03为三次谐波不平衡质量的大小，α为谐振子10转动角度，θ1为谐振子10不平衡质量的一次谐波所在的方位角，θ2为谐振子10不平衡质量的二次谐波所在的方位角，θ3为谐振子10不平衡质量的三次谐波所在的方位角，具体如上所述。
步骤S400、将谐振子10旋转不同的角度，并对测得对应的压电电极50的输出幅值进行拟合，获得不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。具体地，谐振子10旋转不同的角度具体为谐振子10从0度旋转至180度，谐振子10每次旋转的角度为5度，具体如上所述。
综上所述，本发明提供了一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法及系统，所述方法包括步骤：A、在电磁铁上施加驱动信号，激励出谐振子的固有模态振动，驱动信号的频率等于谐振子的固有频率；B、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值；C、将谐振子旋转不同的角度，并对测得对应的压电电极的输出幅值进行拟合，获得不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。本发明的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，原理简单、操作简便、效率高，只需要通过激励谐振子固有模态，测量在不同角度时支撑杆的振动幅值，然后对测量数据进行拟合分析，便可方便快捷的判别不平衡质量的方位和大小，成本极小。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其特征在于，包括步骤：
A、在电磁铁上施加驱动信号，激励出谐振子的固有模态振动，驱动信号的频率等于谐振子的固有频率；
B、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值；
C、将谐振子旋转不同的角度，并对测得对应的压电电极的输出幅值进行拟合，获得不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。
2.根据权利要求1所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括步骤：
S、用电磁铁激励，麦克风检测谐振子的振动信号，用频率响应分析仪测量谐振子的频率响应，得到谐振子的固有频率。
3.根据权利要求1所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其特征在于，所述压电电极的输出幅值为：
V(θ)＝V01cos(α+θ1)+V02cos2(α+θ2)+V03cos3(α+θ3)
其中，V(θ)为压电电极的输出幅值，V01为一次谐波不平衡质量的大小，V02为二次谐波不平衡质量的大小，V03为三次谐波不平衡质量的大小，α为谐振子转动角度，θ1为谐振子不平衡质量的一次谐波所在的方位角，θ2为谐振子不平衡质量的二次谐波所在的方位角，θ3为谐振子不平衡质量的三次谐波所在的方位角。
4.根据权利要求1所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其特征在于，所述步骤B具体包括步骤：
B1、将悬臂梁的一端固定，另一端与谐振子支撑杆接触，压电电极设置在悬臂梁上；
B2、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值。
5.根据权利要求1所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定方法，其特征在于，所述步骤C中，谐振子旋转不同的角度具体为谐振子从0度旋转至180度，谐振子每次旋转的角度为5度。
6.一种圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其特征在于，包括处理器，以及与所述处理器连接的存储器，
所述存储器存储有圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定程序，所述圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定程序被所述处理器执行时实现以下步骤：
A、在电磁铁上施加驱动信号，激励出谐振子的固有模态振动，驱动信号的频率等于谐振子的固有频率；
B、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值；
C、将谐振子旋转不同的角度，并对测得对应的压电电极的输出幅值进行拟合，获得不平衡质量的方位角和不平衡质量的大小。
7.根据权利要求6所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其特征在于，所述步骤A之前还包括步骤：
S、用电磁铁激励，麦克风检测谐振子的振动信号，用频率响应分析仪测量谐振子的频率响应，得到谐振子的固有频率。
8.根据权利要求6所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其特征在于，所述压电电极的输出幅值为：
V(θ)＝V01cos(α+θ1)+V02cos2(α+θ2)+V03cos3(α+θ3)
其中，V(θ)为压电电极的输出幅值，V01为一次谐波不平衡质量的大小，V02为二次谐波不平衡质量的大小，V03为三次谐波不平衡质量的大小，α为谐振子转动角度，θ1为谐振子不平衡质量的一次谐波所在的方位角，θ2为谐振子不平衡质量的二次谐波所在的方位角，θ3为谐振子不平衡质量的三次谐波所在的方位角。
9.根据权利要求6所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其特征在于，所述步骤B具体包括步骤：
B1、将悬臂梁的一端固定，另一端与谐振子支撑杆接触，压电电极设置在悬臂梁上；
B2、利用压电电极测量谐振子支撑杆的振动信号，得到压电电极的输出幅值。
10.根据权利要求6所述的圆柱壳体陀螺谐振子不平衡质量的确定系统，其特征在于，所述步骤C中，谐振子旋转不同的角度具体为谐振子从0度旋转至180度，谐振子每次旋转的角度为5度。
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