CN110940353B - 裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试装置和方法 - Google Patents

裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试装置和方法，改善石英谐振子激励方法，压电激励装置包括固定连接的激励头和激励头固定装置；激励头固定装置上设置有电气接口和压电材料，通过电气接口接收激励信号后，通过压电材料使激励头产生振动，激励头振动后带动待测石英振子振动。以保证谐振子在不同真空度下及金属化前有效激励，通过控制激励信号即可灵活调整振动的幅度和频率，可实现裸谐振子的大位移的初始激励，结构及实现过程简单并且可以进行定点激励。

Description

裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试装置和方法
技术领域
本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，具体涉及一种裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试装置和方法。
背景技术
半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro，HRG)是一种没有高速转子和活动支承的振动陀螺，具有精度高、质量小、体积小、启动时间短、高过载和高可靠性的特点。被誉为最具潜力的哥式振动陀螺。HRG的工作原理是基于半球壳谐振子绕中心轴旋转时产生的哥式效应，而使其振型在环向相对客体进动的物理机制。
石英振子机械品质因子(Q值)是振动陀螺重要性能参数之一，半球谐振子结构特征为硬脆薄壁结构，尺寸精密度要求高，工序繁多，从毛坯加工、研磨抛光、热处理、化学抛光及化学修形等工艺，每个工艺均会影响谐振子的Q值。石英振子完成毛坯加工后，需对各工艺阶段石英振子Q值的测量，实现对谐振子性能的初步评定与筛选，同时用于判定各阶段处理工艺执行质量，提高后续修形和产品良品率，因此在产品封装前要保证石英振子Q值的可测量，但是目前缺少对石英振子Q值进行直接测量计算的装置或方法。
现有激励方法存在如下缺点：声波激励时，在高真空环境下，传播效率低，振动幅度小甚至无法实现振子起振；且不能定点进行激励，无法确定准确激励方位；静电激励时，产生的激励力有限，不能提供足够的初始位移，因而振动信号信噪比低，给后续数据处理带来困难，且需要高压来维持。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试装置和方法，解决现有技术中激励方法存在的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种裸石英振子的压电激励装置，所述压电激励装置包括固定连接的激励头1和激励头固定装置2；
所述激励头固定装置2上设置有电气接口和压电材料，通过所述电气接口接收激励信号后，通过所述压电材料使所述激励头1产生振动，所述激励头1振动后带动待测石英振子3振动。
一种裸石英振子的品质因子测试装置，所述测试装置包括上述的压电激励装置，还包括激光测振仪4和石英振子夹持装置5；
所述石英振子夹持装置5用于弹性夹持所述石英振子3；
所述激光测振仪4用于测试所述石英振子3的振动情况。
一种如上述的裸石英振子的品质因子测试装置的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
步骤1，通过所述石英振子夹持装置加持待测石英振子，根据石英振子的位置调整激励头的位置，根据激励头的位置调整激光测振仪的位置；
步骤2，压电激励装置输入激励信号，通过激光测振仪测试石英振子四波腹谐振频率f′0；
步骤3，将所述激励信号频率设为f′0，对所述石英振子进行定频激励，当所述石英振子起振且稳定后，关闭所述激励信号，记录所述石英振子的激励及衰减过程并拟合为函数；
步骤4，根据所述拟合的函数计算出衰减系数τ，得出所述石英振子的品质因数Q＝2πf′0τ，其中，τ为振幅衰减至
Figure BDA0002272263710000021
的时间，e表示自然常数，A0表示自由衰减时的初始振幅。
本发明的有益效果是：改善石英谐振子激励方法，以保证谐振子在不同真空度下及金属化前有效激励，通过控制激励信号即可灵活调整振动的幅度和频率，可实现裸谐振子的大位移的初始激励，结构及实现过程简单并且可以进行定点激励。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述激励头固定装置2包括条形支架2-1和施力杆2-2；
所述施力杆2-2的一端设置有与所述条形支架2-1形状匹配的安装孔；
所述条形支架2-1的一端活动插接在所述安装孔中，另一端固定连接所述激励头1。
进一步，所述激励头固定装置2包括环状结构的调频环2-3，所述调频环2-3活动套装在所述施力杆2-2的外柱面上。
进一步，所述激励头固定装置2包括压电材料安装座2-4和激励座2-5；所述施力杆2-2、压电材料安装座2-4和激励座2-5在同一中心轴线上依次连接；
所述压电材料安装座2-4的上端为带有通孔的扇形结构，下端为用于安装固定在所述激励座2-5上的柱形结构；所述扇形结构的通孔以及外壁上设置有压电陶瓷；
所述激励座2-5为对称结构，两端设置有安装孔。
进一步，所述激励头1的球头部分对准所述石英振子3的唇沿部分，所述激励头1的球头外表面与所述石英振子3唇沿外表面距离的范围为0.01～0.05mm。
进一步，所述石英振子夹持装置5包括定V形座5-6、动V形座5-4、预紧弹簧5-1、预紧螺母5-2和导轨5-7；
所述定V形座5-6与所述动V形座5-4均包括V形槽，两个所述V形槽相对设置组成开口，支撑杆垂直于地面设置，一端固定所述石英振子3，另一端放置在所述开口中；
所述导轨5-7一端为与所述V形槽匹配的双V形导向结构，另一端为与所述预紧螺母5-2匹配的螺杆结构，贯通设置在所述动V形座5-4和所述定V形座5-6的下端；
所述预紧螺母5-2和所述动V形座5-4在所述导轨5-7内活动；
所述预紧弹簧5-1围绕所述预紧螺母5-2设置，一端接触所述预紧螺母5-2的螺帽的内面，另一端与所述动V形座5-4接触。
进一步，所述石英振子夹持装置5还包括围绕所述预紧螺母5-2设置的环形结构的挡环5-3，所述挡环5-3设置在所述弹簧5-1和所述动V形座5-4之间；
所述测试装置还包括安装底板6，所述激励头固定装置2、激光测振仪4和石英振子夹持器5均设置在所述安装底板6上。
进一步，所述激光测振仪4发出的测试激光的方向与所述石英振子3所在球形的切面以及所述激励头21的轴向均垂直。
采用上述进一步方案的有益效果是：设置弹性固定待测石英振子的夹持装置，并通过压电激励装置使待测石英振子振动，通过激光测振仪测量待测石英振子的振动情况，获取计算石英振子的品质因子的数据，实现石英振子机械品质因子的准确测量，可以直接判定石英振子各阶段处理工艺执行质量，提高后续修形和产品良品率。
附图说明
图1为本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试装置的实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的一种裸石英振子的压电激励装置的实施例的部分截面图；
图3为本发明提供的一种石英振子夹持装置的实施例沿垂直地面方向的截面示意图；
图4为本发明提供的一种石英振子夹持装置的实施例沿平行地面方向的截面示意图；
图5本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试方法的实施例的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激励头，2、激励头固定装置，2-1、条形支架，2-2、施力杆，2-3、调频环，2-4、压电材料安装座，2-5、激励座，3、石英振子，4、激光测振仪，5、石英振子夹持装置，5-1、预紧弹簧，5-2、预紧螺母，5-3、挡环，5-4、动V形座，5-5、弹性止螺，5-6、定V形座，5-7、导轨，5-8、固定座，6、安装底板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供的一种裸石英振子的压电激励装置，包括固定连接的激励头1和激励头固定装置2。
激励头固定装置2上设置有电气接口和压电材料，通过该电气接口接收激励信号后，通过压电材料使激励头1产生振动，激励头1振动后带动待测石英振子3振动。
该压电激励装置可用于如下状态的石英谐振子品质因子测试：石英谐振子毛坯加工、研磨抛光、退火处理、化学抛光及化学修形等各阶段；石英振子无需金属化；高真空度。
本发明提供的一种裸石英振子的压电激励装置，改善石英谐振子激励方法，以保证谐振子在不同真空度下及金属化前有效激励，通过控制激励信号即可灵活调整振动的幅度和频率，可实现裸谐振子的大位移的初始激励，结构及实现过程简单并且可以进行定点激励。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种裸石英振子的压电激励装置的结构框图，如图1所示为本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试装置的实施例的结构示意图。
本发明提供的一种裸石英振子的压电激励装置，包括固定连接的激励头1和激励头固定装置2。
激励头固定装置2上设置有电气接口和压电材料，通过该电气接口接收激励信号后，通过压电材料使激励头1产生振动，激励头1振动后带动待测石英振子3振动。
如图2所示为本发明提供的一种裸石英振子的压电激励装置的部分截面图，由图1和图2可知，激励头固定装置2包括条形支架2-1、施力杆2-2、调频环2-3、压电材料安装座2-4和激励座2-5。
其中施力杆2-2、调频环2-3、压电材料安装座2-4和激励座2-5在同一中心轴线上。该施力杆2-2可以为圆柱形金属。调频环2-3为环状结构，可以采用黄铜H62加工而成，套装在施力杆2-2的外柱面上，且可以沿施力杆2-2轴向方向上下滑动，滑动到预定位置后可紧固。其中调频环2-3上下滑动目的在于改变压电激励器的一阶谐振频率，以便适应石英振子3的频率变化。
施力杆2-2的一端设置有与条形支架2-1形状匹配的安装孔，条形支架2-1的一端活动插接在安装孔中，条形支架2-1与施礼杆2-2相互垂直，条形支架2-1的另一端固定激励头1。条形支架2-1可以沿施力杆2-2安装孔的轴向滑动，以便调整激励头1的球头端与石英振子3间的距离。激励头1可以采用聚甲醛(POM)加工而成。
压电材料安装座2-4上用于设置压电陶瓷。图1和图2给出的实施例中压电材料安装座2-4的上端为带有通孔的扇形结构，下端为用于安装固定在激励座2-5上的柱形结构。扇形结构的通孔以及外壁上均可以根据需要安装压电陶瓷。压电陶瓷为长方形，例如可以为条形PZT(piezoelectric ceramic transducer，锆钛酸铅压电陶瓷)，其尺寸与扇形结构对应，采用环氧树脂胶粘接于扇形结构的两侧，粘接时保证扇形结构的同一侧到扇形结构的中心线交点的距离要一致，同一方向(如顺时针)的压电陶瓷的极性相同，所有压电陶瓷通过电气连接并联在一起。压电激励器的电气连接点位于压电陶瓷上，通过导线以及电气接口引出。
激励座2-5为对称结构，两端设置有安装孔，安装孔可以通过螺钉进行安装固定在外部的底座或其它位置，压电材料安装座2-4固定在激励座2-5的中间。
进一步的，具体实施过程中，通过3个安装孔用螺钉将压电激励器进行固定，固定好后调整激励头1的位置，使激励头1的球头部分对准石英振子3的唇沿部分，且激励头1的球头外表面与石英振子3唇沿外表面距离的范围为0.01～0.05mm。
信号发生器作为压电激励装置的驱动单元，压电激励装置通过两级电气连接点与信号发生器的两极相连，根据石英振子3的工作频率，调节信号发生的频率及合适的驱动电压，产生激励信号发送给压电激励器，驱动信号为正弦波或方波，使压电激励器处于工作状态。
压电激励装置工作时，激励信号的频率为其一阶谐振频率，压电激励装置工作在一阶谐振频率附近，以保证压电陶瓷的驱动效率能够产生足够的振幅，且该阶谐振频率要保持与石英振子3的工作频率一致。具体的，压电激励装置的一阶模态为压电材料安装座2-4的扇形结构绕中心轴的转动，通过控制扇形结构的厚度与施力杆2-2的长度，使一阶模态的谐振频率在设计值范围之内。
实施例2
本发明提供的实施例2为本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试装置的结构示意图，由图1可知，本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试装置的实施例中，包括：压电激励装置、激光测振仪4和石英振子夹持装置5。其中，压电激励装置为上述实施例1提供的一种压电激励装置。
压电激励装置包括固定连接的激励头1和激励头固定装置2。
激励头固定装置2上设置有电气接口和压电材料，通过该电气接口接收驱动信号后，通过压电材料使激励头1产生振动，激励头1振动后带动待测石英振子3振动。
该石英振子夹持装置5用于弹性夹持石英振子3。对石英振子3进行稳定充分夹持，保证其振动过程中支撑杆处于静止稳定的状态，减少由于夹持带来的损耗。
激光测振仪4用于测试石英振子3的振动情况。
优选的，如图3和图4所示分别为本发明提供的一种石英振子夹持装置沿垂直和平行地面方向的截面示意图。由图1、图3和图4可知，该石英振子夹持装置5包括预紧弹簧5-1、预紧螺母5-2、动V形座5-4、定V形座5-6、导轨5-7及固定座5-8。
定V形座5-6与动V形座5-4均包括V形槽，两个V形槽相对设置组成开口，支撑杆垂直于地面设置，一端固定石英振子3，另一端放置在该开口中，开口大小与石英振子支撑杆直径相适应。
定V形座5-6与动V形座5-4设置在固定座5-8上，导轨5-7垂直于开口设置，该导轨5-7一端为与V形槽匹配的双V形导向结构，另一端为与预紧螺母5-2匹配的螺杆结构，贯通设置在动V形座5-4和定V形座5-6的下端，预紧螺母5-2和动V形座5-4可以在导轨5-7内活动。预紧弹簧5-1围绕预紧螺母5-2设置，一端接触预紧螺母5-2的螺帽的内面，另一端与动V形座5-4接触。
支撑杆的一侧靠紧定V形座5-6，旋转预紧螺母5-2调整预紧弹簧5-1的压缩量，使动V形座5-4进行靠近或者远离定V形座5-6的运动，使两个V形槽组成的开口变大或者变小，使石英振子3的支撑杆固定或松开，依靠预紧弹簧5-1的预紧力固定石英振子3，保证施加在石英振子3上的力合适，既充分稳定夹持，又不施力过大，夹持应力不影响石英振子3振动性能，
具体的，动V形座5-4包括与导轨5-7匹配的导槽，动V形座5-4通过该导槽在导轨5-7上自由滑动；定V形座5-6包括与导轨5-7匹配的安装槽，通过该安装槽实现安装固定。
优选的，本发明提供的石英振子夹持装置5的实施例中还包括围绕预紧螺母5-2设置的环形结构的挡环5-3，该挡环5-3设置在弹簧5-1和动V形座5-4之间，用于对动V形座5-4弹簧力的传递。
优选的，本发明提供的石英振子夹持装置5的实施例中还包括设置在动V形座5-4的V形槽上的弹性止螺5-5，该弹性止螺5-5一端为球状，另一端连接有弹簧，旋转预紧螺母5-2调整预紧弹簧5-1的到合适的压缩量后，轻轻旋紧弹性止螺5-5，使该弹性止螺5-5的球头与石英振子3的侧壁紧密接触，消除动V形座、定V形座由于加工误差引起的最终夹持间隙，保证夹持的稳定。
进一步的，激光测振仪4为振动信号的检测仪器，用于振子起振及衰减过程的振动信号的检测，激光测振仪4发出的测试激光的方向与待测石英振子3所在球形的切面以及激励头21的轴向均垂直。
进一步的，本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试装置的实施例中，该测试装置还包括安装底板6，安装底板6为激励头1、激励头固定装置2、石英振子3、激光测振仪4、石英振子夹持器5的承载件，保证所述器件设备的稳定支撑。
本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试装置，设置弹性固定待测石英振子的夹持装置，并通过压电激励装置使待测石英振子振动，通过激光测振仪测量待测石英振子的振动情况，获取计算石英振子的品质因子的数据，实现石英振子机械品质因子的准确测量，可以直接判定石英振子各阶段处理工艺执行质量，提高后续修形和产品良品率。
实施例3
本发明提供的实施例3为本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试方法的实施例，该方法基于实施例2提供的一种裸石英振子的品质因子测试装置，品质因子Q值的定义为：振荡系统储存的能量与每个周期内损耗的能量之比的2π倍。半球谐振子的Q值越高，意味着能量的损耗越小，只需很小的能量补充即可维持谐振子的稳定驻波振动为准确测试出石英振子的品质因数，必须实现如下计算要素：
(1)测试出谐振子的谐振子谐振频率；
(2)谐振子起振，且具备足够的振动幅度，足够高的信噪比；
(3)根据自由衰减曲线，计算出衰减时间τ。
如图5所示为本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试方法的实施例的流程图，由图5可知，本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试方法的实施例包括：
步骤1，通过石英振子夹持装置5加持待测石英振子3，根据石英振子3的位置调整激励头1的位置，根据激励头1的位置调整激光测振仪4的位置。
步骤2，压电激励装置输入激励信号，通过激光测振仪4测试石英振子四波腹谐振频率f′0。
由于环境等影响，实际谐振频率与计算值有小范围的误差，需精确测试出谐振频率f0。
具体测试过程中，设置信号发生器的扫频范围(f0-10)Hz～(f0+10)Hz；扫频频率间隔为0.01Hz，启动信号发生器，交变激励信号施加在压电陶瓷上，使施力杆2-2来回运动，带动激励头1围绕激励头固定装置2中心来回敲击，激励头1作用在石英振子3的唇沿上，实现谐振子的驱动，该激励方法驱动量大，可以或得高的信噪比，且根据实际情况通过调节驱动电压的大小控制驱动两的大小，同时该激励方法不受真空度影响，即在大气环境或高真空度下均可实现大位移量的驱动。通过测振仪记录扫频过程中石英振子唇沿的振动幅值。最大幅值对应的频率即为石英振子的谐振频率，记为f′0。
步骤3，将激励信号频率设为f′0，对石英振子3进行定频激励，当石英振子起振且稳定后，关闭激励信号，记录石英振子3的激励及衰减过程并拟合为函数。
具体的，进行定频激励时，调整激励电压设为V，保证该电压激励下，唇沿的振动幅值大于10μm，同时有足够的信噪比。
步骤4，根据拟合的函数计算出衰减系数τ，得出石英振子机械品质因数Q＝2πf′0τ，其中，τ为振幅衰减至
Figure BDA0002272263710000111
的时间，e表示自然常数，A0表示自由衰减时的初始振幅。
本发明提供的一种裸石英振子的品质因子测试方法，通过激光测振仪测量待测石英振子的振动情况，获取计算石英振子的品质因子的数据，实现石英振子机械品质因子的准确测量，可以直接判定石英振子各阶段处理工艺执行质量，提高后续修形和产品良品率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种裸石英振子的压电激励装置，其特征在于，所述压电激励装置包括固定连接的激励头(1)和激励头固定装置(2)；
所述激励头固定装置(2)上设置有电气接口和压电材料，通过所述电气接口接收激励信号后，通过所述压电材料使所述激励头(1)产生振动，所述激励头(1)振动后带动待测石英振子(3)振动；
所述激励头固定装置(2)包括条形支架(2-1)和施力杆(2-2)；
所述施力杆(2-2)的一端设置有与所述条形支架(2-1)形状匹配的安装孔；
所述条形支架(2-1)的一端活动插接在所述安装孔中，另一端固定连接所述激励头(1)；
所述激励头固定装置(2)包括压电材料安装座(2-4)和激励座(2-5)；所述施力杆(2-2)、压电材料安装座(2-4)和激励座(2-5)在同一中心轴线上依次连接；
所述压电材料安装座(2-4)的上端为带有通孔的扇形结构，下端为用于安装固定在所述激励座(2-5)上的柱形结构；所述扇形结构的通孔以及外壁上设置有压电陶瓷；
所述激励座(2-5)为对称结构，两端设置有安装孔。
2.根据权利要求1所述的压电激励装置，其特征在于，所述激励头固定装置(2)包括环状结构的调频环(2-3)，所述调频环(2-3)活动套装在所述施力杆(2-2)的外柱面上。
3.根据权利要求1所述的压电激励装置，其特征在于，所述激励头(1)的球头部分对准所述石英振子(3)的唇沿部分，所述激励头(1)的球头外表面与所述石英振子(3)唇沿外表面距离的范围为0.01～0.05mm。
4.一种裸石英振子的品质因子测试装置，其特征在于，所述测试装置包括如权利要求1-3任一项所述的压电激励装置，还包括激光测振仪(4)和石英振子夹持装置(5)；
所述石英振子夹持装置(5)用于弹性夹持所述石英振子(3)；
所述激光测振仪(4)用于测试所述石英振子(3)的振动情况。
5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于，所述石英振子夹持装置(5)包括定V形座(5-6)、动V形座(5-4)、预紧弹簧(5-1)、预紧螺母(5-2)和导轨(5-7)；
所述定V形座(5-6)与所述动V形座(5-4)均包括V形槽，两个所述V形槽相对设置组成开口，支撑杆垂直于地面设置，一端固定所述石英振子(3)，另一端放置在所述开口中；
所述导轨(5-7)一端为与所述V形槽匹配的双V形导向结构，另一端为与所述预紧螺母(5-2)匹配的螺杆结构，贯通设置在所述动V形座(5-4)和所述定V形座(5-6)的下端；
所述预紧螺母(5-2)和所述动V形座(5-4)在所述导轨(5-7)内活动；
所述预紧弹簧(5-1)围绕所述预紧螺母(5-2)设置，一端接触所述预紧螺母(5-2)的螺帽的内面，另一端与所述动V形座(5-4)接触。
6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述石英振子夹持装置(5)还包括围绕所述预紧螺母(5-2)设置的环形结构的挡环(5-3)，所述挡环(5-3)设置在所述预紧弹簧(5-1)和所述动V形座(5-4)之间；
所述测试装置还包括安装底板(6)，所述激励头固定装置(2)、激光测振仪(4)和石英振子夹持装置(5)均设置在所述安装底板(6)上。
7.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述激光测振仪(4)发出的测试激光的方向与所述石英振子(3)所在球形的切面以及所述激励头(21)的轴向均垂直。
8.一种如权利要求4-7任一项所述的裸石英振子的品质因子测试装置的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
步骤1，通过所述石英振子夹持装置加持待测石英振子，根据石英振子的位置调整激励头的位置，根据激励头的位置调整激光测振仪的位置；
步骤2，压电激励装置输入激励信号，通过激光测振仪测试石英振子四波腹谐振频率f0'；
步骤3，将所述激励信号频率设为f0'，对所述石英振子进行定频激励，当所述石英振子起振且稳定后，关闭所述激励信号，记录所述石英振子的激励及衰减过程并拟合为函数；
步骤4，根据所述拟合的函数计算出衰减系数τ，得出所述石英振子的品质因数Q＝2πf0'τ，其中，τ为振幅衰减至
Figure FDA0002997476790000031
的时间，e表示自然常数，A0表示自由衰减时的初始振幅。
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