CN109238308B - 一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试系统及测试方法，其装置主要包括电控转台、谐振子支座、激励单元、电容头、微分头以及支承板。本发明方法通过在真空环境测试谐振子多个周向位置的频率裂解，根据小频率裂解时谐振子周向频率分布理论，进行拟合解算谐振子的刚性轴位置和频率裂解。可排除测试环境因素干扰，在小频率裂解的情况下仍能精确测出谐振子刚性轴位置以及频率裂解值。
Description
技术领域
本发明涉及哥氏振动陀螺技术领域，尤其是一种金属筒形谐振陀螺的真空环境下频率裂解和刚性轴位置的测试系统和测试方法。
背景技术
金属筒形陀螺是一种新型的固体波动陀螺，其采用压电电极进行驱动和检测，由于陀螺原理来自哥氏振动力，陀螺没有活动部件，可以在非常苛刻的环境中应用，是目前商用，航空应用以及军事应用中一个理想的产品。它的主要特点是：体积小、重量轻、寿命长、稳定性强、高性能漂移稳定性、卓越的振动性能、价格优惠等。
金属筒形谐振陀螺的加工制造会引起谐振子两固有四波腹模态的频率差，即频率裂解和刚性轴偏移，需要精密的频率修调减小频率裂解，矫正振型。金属筒形谐振陀螺的精度一般可达1°/h左右，经理论推导与实验研究表明，达到该精度的陀螺需谐振子的频率裂解被修调至小于0.05Hz的水平。频率修调的关键在于精确的测出谐振子的刚性轴周向位置和频率裂解。目前，谐振子模态参数(频率裂解、刚性轴位置)的测试大多在空气环境下采用扫频法，即通过频率响应分析设备给激励器交变的扫频信号，通过微麦克风等传感器检测谐振子波腹位置的振动信号，并传回频率响应分析设备，进行频率响应分析即可得到谐振子的幅频特性曲线。根据频率裂解的原理可知，当激励器恰好对准高频或低频刚性轴位置时，只有一个模态被激励起来，得到的幅频特性曲线只有一个峰值。反之，两个高低频模态会被顺次激励起来，则幅频特性曲线会出现两个峰值，较高的峰值对应离激励器较近的模态频率。进而通过转动谐振子，激励谐振子的不同周向位置，找到只有一个峰值的位置，即可判断谐振子的刚性轴位置，算得频率裂解，该种方法在谐振子的频率裂解大于1Hz时，能够简便快捷的判断谐振子的模态参数，进而确定修调位置。而随着修调过程进行，谐振子的频率裂解被修调至小于1Hz时，该方法存在如下弊端：
1)当两模态频率差值较小时，峰值难以区分开，刚性轴位置判断精度下降，当频率裂解小于0.2Hz时，甚至难以测出两个峰值的曲线，进而刚性轴位置难以判定。
2)上述检测谐振子振动信号的方式大多是在大气环境通过麦克等传感器检测谐振子的振动声波信号，受大气环境温度、气流波动等因素影响，该方法测试的频率的稳定性和一致性均较差，因此得出的频率裂解值的精度较差。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，为提高金属筒形谐振子的频率修调精度，更精确的测试谐振子的刚性轴位置和频率裂解信息，提出一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试系统及测试方法。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试系统，其特征在于：包括电控转台、谐振子支座、激励单元、电容头、微分头以及支承板，支承板的上表面安装电控转台，该电控转台上安装谐振子支座，在电控转台外侧的支承板上安装两个微分头固定工装，每个微分头固定工装上均安装一个微分头，每个微分头的前端均连接一个电容头，该两个电容头的中线相互垂直；在电控转台外侧的支承板上安装一个激励单元，该激励单元的中线与其中一个电容头的中线在同一直线。
而且，所述的两个电容头的中线对准谐振子的中心，且两个电容头的上端面与谐振子上端面平齐。
而且，所述的电容头为导电金属材质，与谐振子正对的电极面的长宽尺寸一般不超过谐振子周长的1/8。
而且，所述的激励单元的中线与谐振子中心对准，且其上端面与谐振子上端面平齐。
而且，所述的激励单元用于激励实现谐振子的振动，可选用电容头，利用静电激励，或者电磁头，利用电磁激励。
一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.通过上述系统测试谐振子真空环境下的多个周向位置θn(n＝1,2,3…)的幅频特性曲线；
S2.获取幅频特性曲线的极值点对应频率值fn，n＝1,2,3…，即各个位置的谐振频率；
S3.将上述所测的各个周向角度位置θn(n＝1,2,3…)以及对应频率值曲线，利用最小二乘法向其理论曲线拟合，理论曲线如下：
fn＝△cos(4(θn+ψ))+f0
拟合后参数△即为频率裂解，ψ即为低频刚性轴位置，ψ+π/4即为高频刚性轴位置。
而且，本方法适用于谐振子的频率裂解小于0.5Hz的情况。
本发明的优点和积极效果是：
本发明金属筒形谐振陀螺的真空环境模态测试系统，能够实现谐振子真空环境的频率测试，排除大气环境不稳定因素的干扰，提高了测试精度和可信度。同时，本发明所述的谐振子模态测试方法区别于传统的看峰找轴法，采用多点频率拟合法，在谐振子频率裂解较小时仍能够精确测出谐振子刚性轴位置和频率裂解。
附图说明
图1是本发明所述的测试系统的主视图；
图2是本发明所述的测试系统的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试系统，包括电控转台1、谐振子支座2、激励单元3、两个电容头4和5、微分头6以及支承板9等固定工装，支承板的上表面安装电控转台1，该电控转台上安装谐振子支座2，谐振子8安装在谐振子支座2上，电控转台1用于实现谐振子的周向转动。
在电控转台外侧的支承板上安装两个微分头固定工装7和11，每个微分头固定工装上均安装一个微分头(即：微分头6和10)，所述的微分头6和10选用伸长杆为固定式，即伸长杆不随微调螺旋的转动而转动。每个微分头的前端均采用绝缘胶粘接一个电容头，电容头4和5为导电金属材质，与谐振子正对的电极面的长宽尺寸一般不超过谐振子周长的1/8。通过微分头固定工装7和11保证该两个电容头4和5的中线相互垂直并且对准谐振子的中心，同时保证两个电容头4和5的上端面与谐振子8上端面平齐。所述的电容头4和5配合电容检测电路，实现真空环境谐振子8振幅的测试。
在电控转台外侧的支承板上安装一个激励单元3，激励单元3通过安装工装保证其中线与谐振子8中心对准，且其中线与其中一个电容头5的中线在同一直线，同时保证其上端面与谐振子8上端面平齐。所述的激励单元3用于激励实现谐振子的振动，可选用电容头，利用静电激励，或者电磁头，利用电磁激励。所述的激励单元3和电容头4和5配合电容检测电路以及频率响应分析系统可得到谐振子8的幅频特性曲线。
上述整套系统放置于真空环境，即可测得谐振子真空环境下的幅频特性曲线。
一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试方法，包括以下步骤：
S1.通过上述系统测试谐振子真空环境下的多个周向位置θn(n＝1,2,3…)的幅频特性曲线；
S2.获取幅频特性曲线的极值点对应频率值fn，n＝1,2,3…，即各个位置的谐振频率；
S3.将上述所测的各个周向角度位置θn(n＝1,2,3…)以及对应频率值曲线，利用最小二乘法向其理论曲线拟合，理论曲线如下：
fn＝△cos(4(θn+ψ))+f0
拟合后参数△即为频率裂解，ψ即为低频刚性轴位置，ψ+π/4即为高频刚性轴位置。
本方法适用于谐振子的频率裂解小于0.5Hz的情况。
下面详细描述本发明的实施例：
本发明所述金属筒形谐振陀螺的真空环境模态测试系统和测试方法，下面结合一实际测试过程描述系统操作以及测试方法：
S1.测试系统装调；
将需要测试谐振子安装至电控转台1，利用跳动表将谐振子相对于转台的跳动调整至5um内；调整微分头6和10，使电容头4和5与谐振子的间隙为合适值，一般为0.1mm左右；调整激励单元3与谐振子间隙至合适值。
S2.转入真空测试环境；
将整套系统放置真空环境，引出必要测试线和转台控制线。
S3.谐振子多个周向位置频率测试；
定义谐振子8零度周向位置，通过电控转台1控制器控制转台依次转至0-90°间隔10°的各个位置，每个位置进行频率测试：
通过频率响应分析设备给激励单元一定频率范围的正弦信号，使谐振子依次接受不同频率激励，同时谐振子的响应振动通过电容头4和5以及电容检测电路转换为电信号传回频率响应分析设备，通过设备分析得到幅频特性曲线。
并获取曲线极值频率，所得各个位置频率值为(5178.453,5178.381,5178.321,5178.247,5178.239,5178.288,5178.355,5178.411,5178.451,5178.440)Hz
S4.拟合解算频率裂解和刚性轴位置。
将数据θn＝(0,10,20 30,40,50,60,70,80,90)，fn＝(5178.453,5178.381,5178.321,5178.247,5178.239,5178.288,5178.355,5178.411,5178.451,5178.440)导入MATLAB软件，利用拟合工具箱进行拟合，拟合形式输入：
fn＝△cos(4(θn+ψ))+f0
得到拟合结果，其中频率裂解△为0.109Hz；低频刚性轴位置ψ为20.55°。
本发明提出了一套真空环境下基于电容检测技术的模态测试系统和测试方法。该系统适用于在真空环境下的谐振子的模态测试，排除大气环境温度、气流波动等因素的影响；同时由于真空环境下声波信号较微弱，采用了电容检测方式检测谐振子的振动。同时，针对频率裂解较小时，传统方法难以准确测出模态信息的情况，本发明基于上述真空测试系统提出了一套多点拟合测试方法。该方法通过测试谐振子多个周向位置的频率裂解，根据小频率裂解时谐振子周向频率分布理论，进行拟合解算谐振子的刚性轴位置和频率裂解。
Claims (4)
1.一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试系统，其特征在于：包括电控转台、谐振子支座、激励单元、电容头、微分头以及支承板，支承板的上表面安装电控转台，该电控转台上安装谐振子支座，在电控转台外侧的支承板上安装两个微分头固定工装，每个微分头固定工装上均安装一个微分头，每个微分头的前端均连接一个电容头，该两个电容头的中线相互垂直；在电控转台外侧的支承板上安装一个激励单元，该激励单元的中线与其中一个电容头的中线在同一直线；
所述的两个电容头的中线对准谐振子的中心，且两个电容头的上端面与谐振子上端面平齐；所述的电容头为导电金属材质，与谐振子正对的电极面的长宽尺寸不超过谐振子周长的1/8。
2.根据权利要求1所述的一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试系统，其特征在于：所述的激励单元的中线与谐振子中心对准，且其上端面与谐振子上端面平齐。
3.根据权利要求1所述的一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试系统，其特征在于：所述的激励单元用于激励实现谐振子的振动，选用电容头，利用静电激励；或者电磁头，利用电磁激励。
4.一种使用如权利要求1所述系统的金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.通过上述系统测试谐振子真空环境下的多个周向角度 位置θn的幅频特性曲线，n＝1,2,3…；
S2.获取幅频特性曲线的极值点对应频率值fn，n＝1,2,3…，即各个位置的谐振频率；
S3.将上述所测的各个周向角度位置θn以及对应频率值曲线，利用最小二乘法向其理论曲线拟合，理论曲线如下：
fn＝△cos(4(θn+ψ))+f0
拟合后参数△即为频率裂解，ψ即为低频刚性轴位置，ψ+π/4即为高频刚性轴位置；
本方法适用于谐振子的频率裂解小于0.5Hz的情况。
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