CN109708666B - 一种用于惯性传感器交叉耦合系数测试的水平激振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于惯性传感器交叉耦合系数测试的水平激振装置，包括：悬挂结构、激振单元和调节机构；悬挂结构用于惯性传感器的固定连接，采用多个簧片式悬挂，具有水平刚度小，交叉抑制比大的优点；激振单元采用多组线圈和永磁体相互作用产生运动所需要的力，可以通过控制驱动线圈中电流的大小以及对非驱动线圈进行反馈控制来抑制垂向的角运动以及非敏感轴水平线运动；调节机构用于调节多个簧片的有效工作长度，保证整个装置在工作时簧片的有效长度一致。本发明采用的悬挂结构、激振单元以及调节机构的设计能够解决现有技术中由于各个自由度之间的运动耦合比较大导致无法使激振装置产生较纯净的水平振动的问题。

Description

一种用于惯性传感器交叉耦合系数测试的水平激振装置

技术领域

本发明属于惯性传感器测试技术领域，更具体地，涉及一种用于惯性传感器交叉耦合系数测试的水平激振装置。

背景技术

水平线加速度交叉耦合噪声是限制惯性传感器测量分辨率的主要因素，在惯性传感器的研制中需要测量水平线运动交叉耦合系数，运用的测量方法是通过水平激振装置驱使惯性传感器在水平方向做谐波振动，从仪器的输出信号中提取同频同相信号(水平线运动交叉耦合误差信号)，经过数据处理得到仪器在该自由度的交叉耦合系数。由于各个非敏感轴自由度的运动(垂向、旋转、倾斜)均会到惯性传感器的输出中，无法准确的测出水平线运动交叉耦合系数。为了能够独立精确的测出水平线运动交叉耦合系数，要求水平激振装置在水平线运动的同时，尽可能的不产生其他自由度的运动，即：需要一种振动较为纯净的水平激振装置。

现有的技术中，水平激振装置有机械式、液压式、气浮式等类型，这些虽已成功的实现商业化应用，但因各个自由度之间的运动耦合比较大，无法使激振装置产生较纯净的水平振动；此外，这些激振装置多是运用滑轨连接的方式限制装置的运动方向，其中气浮式滑轨不易控制，液压式滑轨比较复杂，普通机械式滑轨存在摩擦，无法满足惯性传感器交叉耦合系数的测试需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于惯性传感器交叉耦合系数测试的水平激振装置，旨在解决现有技术中由于各个自由度之间的运动耦合比较大导致无法使激振装置产生较纯净的水平振动的问题。

本发明提供了一种用于惯性传感器交叉耦合系数测试的水平激振装置，包括：悬挂结构、激振单元和调节机构；所述悬挂结构用于惯性传感器的固定连接，所述悬挂模块采用多个簧片连接；所述激振单元用于产生运动所需的激振力，激振单元包括四个激振模块，每个激振模块包括两个螺线管线圈与一个永磁体，四个激振模块左右、前后对称分布，每个激振模块中的两个螺线管线圈等距轴对称分布在永磁体的两边，左右和前后两组激振模块的线圈和永磁体的极性完全反对称分布；所述调节机构用于调节多个簧片的有效工作长度，保证整个装置在工作时簧片的有效长度一致，避免引入其他自由度振动。

其中，激振力是一种无接触式的作用力，通过控制线圈中的电流来控制力的大小和方向，同时能够补偿安装误差所引入的垂向角运动。

其中，激振单元中的四个激振模块左右、前后对称分布，左右和前后激振模块的驱动方向与两个水平方向一致，每个激振模块中的两个螺线管线圈等距轴对称分布在永磁体的两边，左右和前后两组激振模块的线圈和永磁体的极性完全反对称分布。四个激振模块的布局设计能在两个水平方向上提供比较大的激振力，实现两个水平方向线运动。四个激振模块的布局设计能够降低激励力的非线性和磁场对测试装置的干扰，同时可以对非激励线圈进行反馈控制，抑制非激励方向的水平线运动。

作为本发明的一个实施例，所述悬挂结构中的簧片可以为四个，四个簧片平行对称分布。

作为本发明的另一个实施例，悬挂结构中的簧片可以为八个，四个为一组，每一组中的四个簧片平行对称分布，两组簧片通过中间承接板垂直90°连接。八个簧片为待测试装置提供较大的垂向刚度和倾斜刚度，同时，又能保证待测试装置与簧片在两个水平方向组成的弹簧振子的刚度较小。八个簧片中的下面一组簧片直接与上固定板的簧片固定夹具固定连接，将上面一组簧片和中间承接板及其上面的簧片固定夹具拆掉，其他设计不变，能够实现振动较为纯净的单自由度水平线运动。

其中，簧片的形状为矩形条状，所述簧片的厚度为0.1mm～2mm。

更进一步地，悬挂结构还包括：第一夹具，上固定板，中间承接板，永磁体支架，底部悬挂板，安装螺丝，加速计，支撑板，第二夹具和第三夹具；第一夹具，所述第二夹具和第三夹具用于固定连接簧片；上固定板和中间承接板用于上下簧片的转接；底部悬挂板用于固定连接永磁体支架；安装螺丝用于将底部悬挂板和支撑板固定连接；加速计用于测量待测试装置的加速度；支撑板用于固定连接所述待测试装置。

更进一步地，激振单元还包括：吊杆，下固定板，螺线管线圈支架，螺线管线圈骨架和永磁体支架；吊杆用于刚性固定连接所述下固定板；下固定板用于固定连接螺线管线圈支架；所述螺线管线圈支架用于支撑连接螺线管线圈骨架；所述螺线管线圈骨架用于绕制螺线管线圈；所述永磁体支架用于固定永磁体。

更进一步地，调节机构包括：簧片调节夹具和三个调节杆；三个调节杆均匀的连接在上固定板和中间承接板之间，用于调节中间承接板的高度和水平；簧片调节夹具连接在每个簧片的底端，用于调节簧片的有效工作长度和中间承接板和底部悬挂板的水平。

所述的调节机构中的中间承接板、底部悬挂板和待测试装置上安装有倾斜仪，依据倾斜仪所测量的数据，通过权利要求1中所述的调节机构对簧片的有效工作长度以及待测试装置的姿态进行调整。

本发明的技术效果：

(1)八个簧片的设计结构为振动测试装置提供较小的水平刚度的同时，保持较大的垂向、旋转、倾斜刚度，能够使待测试装置在水平运动的同时有效限制其他自由度上的振动。

(2)可以通过控制驱动线圈中电流的大小以及对非驱动线圈进行反馈控制来抑制垂向的角运动以及非敏感轴水平线运动。

(3)振动测试装置所产生的激振力是一种无接触式的作用力，作用力沿簧片厚度(尺寸最小)方向，与其他类型的驱动力相比具无摩擦、易控制等优点。

在上述三个技术的综合作用下，本发明可以激励测试装置做较纯净的水平线振动。

附图说明

图1为两自由度水平激振装置主视图；

图2为单自由度水平激振装置主视图；

图3为激振单元设计平面图。

1是第一夹具，2是上固定板，3是吊杆，4是簧片，5是调节杆，6是中间承接板，7是簧片调节夹具，8是下固定板，9是螺线管线圈支架，10是螺线管线圈骨架，11是永磁体支架，12是底部悬挂板，13是安装螺丝，14是待测试装置，15是加速计，16测是试装置支撑板，17是第二夹具，18是第三夹具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明实施例提供的水平激振装置主要用于惯性传感器水平线运动交叉耦合系数的测试，可以使待测试装置产生较为纯净的水平线振动，更加精确的测出惯性传感器的交叉耦合系数。

本发明实施例提供的水平激振装置的结构示意图如图1、图2和图3所示：水平激振装置包括：悬挂结构、激振单元和调节机构，悬挂结构用于惯性传感器的固定连接，悬挂模块采用八个(或四个)较薄的矩形条状簧片连接，与现有技术中常用的弹簧或钢丝绳悬挂结构相比，具有交叉抑制比大，水平运动过程中不会产生倾斜等优点；激振单元用于产生运动所需要的激振力，与现有技术不同的是激振单元包括四个激振模块，每个激振模块包括两个螺线管线圈与一个永磁体，四个激振模块左右、前后对称分布，每个激振模块中的两个螺线管线圈等距轴对称分布在永磁体的两边，左右和前后两组激振模块的线圈和永磁体的极性完全反对称分布，这种设计的优点是：(1)作用力是非接触力不存在摩擦；(2)同时磁场干扰以及激励力的非线性效应小，降低波形的失真；(3)可以调节线圈中电流的大小补偿安装误差引入的垂向角运动；(4)可用非敏感轴水平方向的线圈进行反馈控制以此来抑制非敏感轴水平方向的线运动；调节机构用于调节八个(或四个)簧片的有效工作长度，保证整个装置在工作时簧片的有效长度一致，避免引入其他自由度振动，充分体现簧片悬挂结构的优势，同时通过调节簧片的有效长度一致是确保激振单元产生单方向作用力的前提。

悬挂结构还包括：第一夹具1，第二夹具17，第三夹具18，用于固定连接簧片4；上固定板2，簧片4，中间承接板6，用于上下簧片的转接；底部悬挂板12，用于固定连接永磁体支架11；安装螺丝13，用于将底部悬挂板12和测试装置支撑板16固定连接；加速计15，用于测量待测试装置的加速度；测试装置支撑板16，用于固定连接待测试装置14。实际组装时，第一夹具1(四个等距对称分布)固定在上固定板2上面，第二夹具17(四个等距对称分布)固定在中间承接板6上面，第三夹具18(四个等距对称分布)固定在下固定板8上面，三种夹具的大小完全相同，不同之处在于第三夹具17竖直的两面(空间上相互垂直)均开有凹槽，第一夹具1、下18只有一面开有凹，且是不同方向的面，簧片4通过压块固定在第一夹具1、中17和下18的凹槽内，第一夹具1和第二夹具18之间的四个簧片等距平行对称分布，第二夹具17和第三夹具19之间的四个簧片同样也是等距平行对称分布，不同的是下面四个簧片与上面四个簧片通过中间承接板6垂直90°连接，上固定板2与中间承接板6均留有簧片连接口，测试装置支撑板16通过安装螺丝13固定在悬挂底板12上，待测试装置14通过螺丝固定在测试装置支撑板16上。

在本发明实施例种，悬挂结构中的簧片4可为完全相同的四个(保证整个装置的对称性与稳定性)，四个簧片平行对称分布，这种设计的优点是簧片厚度方向的水平刚度小，其他自由度刚度与敏感轴水平运动方向刚度的比值大(大于两个量级)，能够很好的实现一个自由度水平激振(如图2所示)。

作为本发明另一个实施例，本发明中簧片4可为完全相同的八个，四个为一组，每一组中的四个簧片平行对称分布，两组簧片通过中间承接板垂直90°连接，八个簧片悬挂于四个簧片相比具有两个水平自由度的刚度小，同时又可确保其他自由度刚度与水平运动方向刚度的比值大(大于两个量级)，能够同时实现两自由度水平激振(如图1所示)。

关于簧片的形状可以为矩形条状，厚度根据实际设计可选0.1-2mm，若厚度太大会导致水平方向的刚度比较大，很难实现大幅度的激振，厚度太小，容易变形且固定连接相对比较困难。

激振单元还包括：吊杆3，用于刚性固定连接下固定板8；下固定板8，用于固定连接螺线管线圈支架9；螺线管线圈支架9，用于支撑连接螺线管线圈骨架10；螺线管线圈骨架10，用于绕制螺线管线圈；永磁体支架11用于固定永磁体。吊杆3上下两端有螺纹，用螺母将上固定板2以及下固定板8固定连接，保证激振单元驱动待测装置运动时，螺线管线圈是固定的。四个螺线管线圈支架9两两平行等距的固定在下固定板8下方(如图3所示)，八个螺线管线圈骨架10(线圈绕制完成)用螺丝固定在螺线管线圈支架9上，每个螺线管线圈支架9固定两个螺线管线圈骨架10，四个永磁体支架11(固定永磁体)通过螺丝固连在底部悬挂板12上，永磁体支架11位于两螺线管线圈骨架的中间，且两螺线骨架管线圈骨架10与永磁体支架11轴线沿着簧片4的厚度方向。

调节机构包括：调节杆5，用于调节中间承接板的高度和水平；簧片调节夹具7(中间承接板2和底部悬挂板12底部各四个)，用于调节簧片的有效工作长度和中间承接板2和底部悬挂板12的水平。三个调节杆5(均布图中只显示1个)均匀的连接在上固定板2和中间承接板8之间，簧片调节夹具7连接在每个簧片的底端，倾斜仪接口在中间承接板、底部悬挂板上和待测试装置14上均有设计，用于连接倾斜仪，通过观察倾斜仪的数据确定调节的方向与最终位置。

水平激振装置的激振工作原理是弹簧振子的受迫振动，通过激振单元产生的周期性的激励力驱动待测试装置产生同频振动。实验时，先调节图1中的调节杆5使中间承接板6处于水平状态，并使簧片处于有效工作长度，然后通过第二夹具17用压块和螺丝将上面四个簧片固定夹紧，接着调节簧片调节夹具7使底部悬挂板12水平状态，并使下面四个簧片处于有效工作长度，以同样的方法用第三夹具18将下面四个簧片固定夹紧，加紧后将簧片调节夹具以及调节杆开卸掉，接下来微调吊杆3和待测试装置14的固定螺丝使下固定板8和待测试装置14处于水平状态。最后给左右(或前后)螺线管线圈骨架10中的线圈通入周期性的交变电流，驱动待测试装置沿一个水平方向同周期的运动，通过加速计15可以测出待测试装置沿三个自由度的运动加速度。

此外，可以将中间承接板6以及簧片调节夹具中17以及调节杆5去掉，让下面四个簧片4直接与上固定板2上的第一夹具1固定连接，这里的簧片4根据实际需要可改变尺寸参数，其他设计部分不变，实现单自由度水平激振，如图2所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于惯性传感器交叉耦合系数测试的水平激振装置，其特征在于，包括：悬挂结构、激振单元和调节机构；

所述悬挂结构用于惯性传感器的固定连接，所述悬挂结构采用多个簧片连接；

当所述多个簧片为四个时，四个簧片平行对称分布；或者

当所述多个簧片为八个时，四个为一组，每一组中的四个簧片平行对称分布，两组簧片通过中间承接板垂直90°连接；

所述激振单元用于产生运动所需的激振力，激振单元包括四个激振模块，每个激振模块包括两个螺线管线圈与一个永磁体，四个激振模块左右、前后对称分布，每个激振模块中的两个螺线管线圈等距轴对称分布在永磁体的两边，左右和前后两组激振模块的线圈和永磁体的极性完全反对称分布；

所述调节机构用于调节多个簧片的有效工作长度，保证整个装置在工作时簧片的有效长度一致，避免引入其他自由度振动。

2.如权利要求1所述的水平激振装置，其特征在于，所述簧片的形状为矩形条状，所述簧片的厚度为0.1mm~2mm。

3.如权利要求1或2所述的水平激振装置，其特征在于，所述悬挂结构还包括：第一夹具（1），上固定板（2），中间承接板（6），永磁体支架（11），底部悬挂板（12），安装螺丝（13），加速计（15），支撑板（16），第二夹具（17）和第三夹具（18）；

所述第一夹具（1），所述第二夹具（17）和所述第三夹具（18）用于固定连接簧片（4）；

所述上固定板（2）和所述中间承接板（6）用于上下簧片的转接；

所述底部悬挂板（12）用于固定连接永磁体支架（11）；

所述安装螺丝（13）用于将底部悬挂板（12）和所述支撑板（16）固定连接；

所述加速计（15）用于测量待测试装置的加速度；

所述支撑板（16）用于固定连接所述待测试装置（14）。

4.如权利要求1或2所述的水平激振装置，其特征在于，所述激振单元还包括：吊杆（3），下固定板（8），螺线管线圈支架（9），螺线管线圈骨架（10）和永磁体支架（11）；

所述吊杆（3）用于刚性固定连接所述下固定板（8）；

所述下固定板（8）用于固定连接螺线管线圈支架（9）；

所述螺线管线圈支架（9）用于支撑连接螺线管线圈骨架（10）；

所述螺线管线圈骨架（10）用于绕制螺线管线圈；

所述永磁体支架（11）用于固定永磁体。

5.如权利要求1或2所述的水平激振装置，其特征在于，所述调节机构包括：簧片调节夹具（7）和三个调节杆（5）；

所述三个调节杆（5）均匀的连接在上固定板（2）和中间承接板（6）之间，用于调节中间承接板的高度和水平；

所述簧片调节夹具（7）连接在每个簧片的底端，用于调节簧片的有效工作长度和中间承接板（6）和底部悬挂板（12）的水平。

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