CN112577522B - 一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于半球谐振陀螺配套检测设备领域，并具体公开了一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其包括真空单元、运动单元、激励单元及数据采集与处理单元，真空单元包括真空腔体，真空腔体的侧壁设有玻璃观察窗口；运动单元和激励单元置于真空腔体中，运动单元用于调节石英半球谐振子的空间姿态与位置，激励单元用于产生瞬态激励以使石英半球谐振子振动；数据采集与处理单元设于真空腔体的玻璃观察窗口的旁侧，用于将测量激光发射至石英半球谐振子表面，并基于接收的反射光信息进行数据处理获得石英半球谐振子的性能参数。本发明可实现高真空环境下的石英半球谐振子性能参数的高精度测量，具有测量精度高、操作简单、可靠性高等优点。

Description

一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置

技术领域

本发明属于半球谐振陀螺配套检测设备领域，更具体地，涉及一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置。

背景技术

半球谐振陀螺是基于哥氏振动原理，利用半球壳的径向振动驻波进动效应测量基座旋转，并具有惯导级性能的高精度固体振动陀螺，同时也是通讯卫星、舰船、导弹等国防高端装备中惯导系统的核心器件，对航天器、战术武器的飞行精度和姿态稳定性起着决定性作用。半球谐振陀螺无运动部件，不产生机械损耗，对磁场不敏感，且具有体积小、抗冲击、精度高、寿命长、可靠性高等特点，在武器装备、深空探测、无人驾驶等多个领域具有广泛的应用前景。

半球谐振陀螺通常由半球谐振子、激励罩与检测基座组成，并进行真空封装，降低空气阻尼影响，提高测量精度。半球谐振陀螺的测角原理为：半球谐振子在外界激励下，产生四波腹稳态振动，当无外界角速度输入时，驻波的方位是不变的。当半球谐振子绕中心轴旋转时，由于节点区域的哥氏力作用而产生径向振动，其幅值与输入角速率成正比，即出现了一个相对于主驻波成45°的附加驻波，两个驻波的叠加等价于主驻波转动了一个与输入角速率成比例的角度，通过检测主驻波的旋转角度测量基座的旋转。

半球谐振陀螺的测角方案实质是通过对谐振子振型位置和振幅的测量来实现的，检测电极得到振型信息后再根据半球谐振陀螺的进动理论推算出角度和角速度。半球谐振子是半球谐振陀螺的关键部件，一般采用高品质因数的熔融石英精密加工而成，其品质因数与频差作为其主要性能参数，直接决定了半球谐振陀螺导航系统精度。品质因数也称Q值，是用来表征振动系统能量损耗特征的物理量，指振动系统的总能量与一个周期内损耗能量的比值。品质因数越高，半球谐振子在工作时能量损耗越少，有助于降低半球谐振陀螺输出误差、降低能耗，提高灵敏度。频率裂解是指半球谐振子驱动模态与检测模态之间的频率差。理想的半球谐振子不存在频率裂解，但谐振子在超精密加工过程中，由于加工误差与材料缺陷，诸如材料密度、壁厚与阻尼不均等因素，导致谐振子在工作模态产生互成45°的两个固有轴系，半球谐振子沿这两个轴向的固有频率并不相等，导致半球谐振陀螺出现正交误差，引起信号漂移。半球谐振子性能参数的测量是其高精度制造的基础，针对未镀膜石英谐振子，现有测量技术多为压电贴片式测量，影响测量精度，或只能在空气中进行半球谐振子的性能参数测量，无法模拟实际工作环境，因此，现有测量技术需要进一步完善与发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其通过整体结构的设计可实现实际工作环境下即高真空环境下的石英半球谐振子性能参数的高精度可靠测量，具体测量精度高、操作简单、可靠性高等优点。

为实现上述目的，本发明提出了一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其包括真空单元、运动单元、激励单元以及数据采集与处理单元，其中：

真空单元用于提供测量所需的高真空环境，其包括真空腔体，该真空腔体的侧壁设有玻璃观察窗口；

运动单元和激励单元置于真空腔体中，该运动单元用于调节其上的待测石英半球谐振子的空间姿态与位置，以调整测量激光光斑在石英半球谐振子表面的聚焦位置，进而使测量激光的反射光沿原光路返回，该激励单元用于在真空环境下产生瞬态激励以使石英半球谐振子振动；

数据采集与处理单元设于真空腔体的玻璃观察窗口的旁侧，用于透过该玻璃观察窗口将测量激光发射至待测的石英半球谐振子表面，并基于接收的反射光信息获取石英半球谐振子的振动数据，然后通过振动数据的处理获得石英半球谐振子的性能参数，以此实现高真空下石英半球谐振子性能参数的测量。

作为进一步优选的，运动单元包括θ_z向转动台、x向微位移台、y向微位移台、θ_y旋转轴和z向微位移台，其中θ_z向转动台用于带动待测石英半球谐振子绕竖直轴即z轴旋转，x向微位移台设于θ_z向转动台的下方，用于带动待测石英半球谐振子及激励单元沿前后方向即x轴水平移动，以微量调整测量光斑在石英半球谐振子表面的聚焦程度，y向微位移台设于x向微位移台的下方，用于带动x向微位移台及其上的石英半球谐振子与激励单元沿左右方向即y轴水平移动，以微量调整测量激光光斑在半球谐振子表面的左右位置，使测量激光光束能与石英半球谐振子纵向对称轴共面，y向微位移台下方设置有L形托板；θ_y旋转轴的一端与L形托板相连，用于带动L形托板绕y轴旋转，以调整石英半球谐振子的空间姿态，该θ_y旋转轴的另一端安装在z向微位移台上，该z向微位移台安装在真空腔体的侧壁上，用于带动θ_y旋转轴及L形托板沿上下方向即z轴上下运动，以调整激光光斑在石英半球谐振子上的纵向位置。

作为进一步优选的，石英半球谐振子通过夹具安装在θ_z向转动台上，石英半球谐振子的轴线、夹具的轴线及θ_z向转动台的回转轴重合。

作为进一步优选的，θ_z向转动台的旋转控制精度≤0.001°；x向微位移台、y向微位移台和z向微位移台的运动行程均≥50mm，运动精度均≤0.001mm；y向微位移台的旋转行程为±15°，旋转精度≤0.001°；优选的，真空腔体的真空度≤10^-3Pa。

作为进一步优选的，激励单元包括位置调整组件和瞬态激励组件，位置调整组件用于安装瞬态激励组件并调整其相对于石英半球谐振子的位置，其包括依次装配的底座、支撑杆和滑动座，其中支撑杆可相对于底座上下滑动，以调节瞬态激励组件与石英半球谐振子的相对高度，滑动座可相对于支撑杆左右滑动，以调节瞬态激励组件与石英半球谐振子的相对距离。

作为进一步优选的，瞬态激励组件包括衔铁、电磁铁和金属球，其中电磁铁固定安装在滑动座上，衔铁设于电磁铁的旁侧，并与滑动座可枢转连接，该衔铁的上端在电磁铁通电后被电磁铁吸引，该衔铁的下端与滑动座底部之间设置有弹簧，该弹簧在电磁铁断电后使衔铁回位，金属球位于石英半球谐振子的旁侧，其通过弹性杆与衔铁相连。

作为进一步优选的，数据采集与处理单元包括激光测振仪和数据处理模块，激光测振仪用于发射测量激光至待测的石英半球谐振子表面，并实现石英半球谐振子振动信号的测量，数据处理模块用于基于振动信号信息进行数据处理以计算获得石英半球谐振子性能参数；优选的，激光测振仪为非接触式激光多普勒测振仪。

作为进一步优选的，性能参数包括品质因数和频率裂解。

作为进一步优选的，石英半球谐振子为未镀膜的石英半球谐振子或已镀膜的石英半球谐振子。

作为进一步优选的，玻璃观察窗口倾斜设置，使得测量时数据采集与处理单元发射的测量激光与玻璃观察窗口表面不垂直。

作为进一步优选的，真空腔体顶部还设有玻璃观察窗口。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过对测量装置整体结构的设计，可实现高真空环境下的未镀膜石英半球谐振子性能参数的测量，相比现有的压电贴片式测量，其测量精度更高，相比在空气中的测量，本发明的设计可模拟石英半球谐振子实际工作环境，测量结果更可靠。

2.本发明通过运动单元的结构设计，可实现待测石英半球谐振子沿x向、y向和z向的直线运动以及绕z轴及y轴的旋转运动，以实现待测石英半球谐振子空间姿态与位置的精确调整，进而实现测量激光光斑在石英半球谐振子表面的聚焦位置的调整，以保证测量激光的反射光沿原光路返回，保证测量的准确性和可靠性。

3.本发明通过激励单元的设计，可实现真空环境下瞬态激励以使石英半球谐振子振动，相比静电力激励方法，本发明不需要石英半球谐振子镀膜处理，相比压电贴片式激励方法，本发明不会改变石英半球谐振子的振动特性。

4.本发明通过激光测振仪和玻璃窗口的设计，可利用非接触式激光多普勒测振原理进行测量，使得测量激光穿透玻璃窗，测量玻璃窗后的石英半球谐振子，测量过程中不与半球谐振子接触，不会影响半球谐振子的振动状态，性能参数测量准确度更高。

5.本发明可实现真空环境下的石英半球谐振子镀膜前(即未镀膜的石英半球谐振子)的品质因数与频率裂解的测量，在半球谐振子未镀膜前测量其性能参数，可提前获得产品缺陷信息，节省后续工艺成本，此外，本发明还可实现真空环境下石英半球谐振子镀膜后(即已镀膜的石英半球谐振子)的品质因数与频率裂解的测量，适用性强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置的原理框图；

图3是本发明实施例提供的激励单元与石英半球谐振子的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的激励单元中的瞬态激励组件的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的未镀膜石英半球谐振子的形状示意图；

图6是本发明实施例提供的光路调节时的俯视图；

图7是本发明实施例提供的光路调节时的侧视图；

图8是本发明实施例提供的激励单元与光路布局的俯视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-真空腔体，2-z向微位移台，3-θ_y旋转轴，4-y向微位移驱动电机，5-y向微位移台，6-x向微位移驱动电机，7-x向微位移台，8-第二玻璃观察窗口，9-第一玻璃观察窗口，10-激光测振仪，11-测量激光，12-激励单元，13-石英半球谐振子，14-夹具，15-θ_z向转动台，16-L形托板，27-反射光，30-滑动座，31-衔铁，32-电磁铁，33-弹性杆，34-第二紧定螺钉，35-支撑杆，36-弹簧，37-底座，38-第一紧定螺钉，39-金属球，40-金属杆固定座。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其包括真空单元、运动单元、激励单元12及数据采集与处理单元，其中，真空单元用于为测量装置提供测量所需的高真空环境，其包括真空腔体1，该真空腔体1的侧壁设有第一玻璃观察窗口9；运动单元和激励单元置于真空腔体1中，该运动单元用于调节其上待测的石英半球谐振子13的空间姿态与位置，以调整测量激光光斑在石英半球谐振子表面的聚焦位置，进而使测量激光的反射光沿原光路返回，便于石英半球谐振子原始振动信号的监测，激励单元用于产生瞬态激励以使石英半球谐振子振动；数据采集与处理单元设于真空腔体的第一玻璃观察窗口的旁侧，用于经过该第一玻璃观察窗口将测量激光发射至待测的石英半球谐振子表面并接收反射光，然后基于接收的反射光信息获取振动数据，再通过数据处理以获得石英半球谐振子的性能参数，以此实现高真空下石英半球谐振子性能参数的测量，测量装置的原理图如图2所示。

下面对各单元逐一进行详细说明。

具体的，真空单元为测量提供所需的高真空环境，优选的将真空腔体内气体压强降到10^-3Pa以下，即真空腔体的真空度≤10^-3Pa，以降低空气阻尼对半球谐振子振动的影响。真空单元主要包括真空腔体，还包括真空计和真空泵，其中真空计用于测量真空腔体内的压强，真空泵用于对真空腔体抽真空，使其达到所需真空度。进一步的，真空腔体除在侧壁设置玻璃观察窗口外，还可在顶部设计第二玻璃观察窗口8，通过在侧壁设置玻璃观察窗口，可确保测量激光可以穿透侧面玻璃窗口聚焦到石英半球谐振子的外球面，通过在顶部设置玻璃观察窗口，一方面便于观察光斑位置，另一方面可确保测量激光可以穿透顶部玻璃窗口聚焦到石英半球谐振子的唇缘端面，两个观察窗口均设计为石英玻璃窗口。具体的，玻璃观察窗口倾斜设置，使得测量时数据采集与处理单元发射的测量激光与玻璃观察窗口表面不垂直，使玻璃窗口表面反射光27偏离原光路，从而提高测量信号信噪比。

参见图1，运动单元为五轴运动台，其包括θ_z向转动台15、x向微位移台7、y向微位移台5、θ_y旋转轴3和z向微位移台2，其中θ_z向转动台15用于带动其上的待测石英半球谐振子绕竖直轴即z轴旋转，θ_z向转动台15可由驱动电机带动旋转。x向微位移台7设于θ_z向转动台15的下方，用于带动θ_z向转动台、待测石英半球谐振子及激励单元沿前后方向即x轴水平移动，调整石英半球谐振子与激光测振仪的距离，并微量调整测量光斑在石英半球谐振子表面的聚焦程度，确保测量光束的反射能量阈值达到测量要求，x向微位移台7通过x向微位移驱动电机6驱动。y向微位移台5设于x向微位移台7的下方，用于带动x向微位移台7及其上的石英半球谐振子与激励单元沿左右方向即y轴水平移动，以微量调整测量激光光斑在半球谐振子表面的左右位置，使测量激光光束能与石英半球谐振子纵向对称轴共面。具体的，y向微位移台5通过y向微位移驱动电机4驱动，y向微位移台5下方设置有L形托板16，该L形托板16连接θ_y旋转轴3的一端，θ_y旋转轴3用于带动L形托板16绕y轴旋转，以调整石英半球谐振子的空间姿态，使得半球谐振子绕y轴倾斜一个角度，如图7所示。具体的通过内置驱动电机驱动θ_y旋转轴3绕y轴旋转进而带动L形托板16绕y轴旋转。θ_y旋转轴3的另一端安装在z向微位移台2上，该z向微位移台2安装在真空腔体的侧壁上，用于带动θ_y旋转轴3及L形托板16沿上下方向即z轴上下运动，以调整激光光斑在石英半球谐振子上的纵向位置，z向微位移台2可通过驱动电机驱动，以相对真空腔体的侧壁上下移动。运动单元中涉及的各驱动电机可由外部的运动控制器控制，通过该运动单元可实现石英半球谐振子的旋转及空间姿态的调整，以调整石英半球谐振子的测量位置，保证测量的有效性和精准性。

具体的，石英半球谐振子通过夹具14安装在θ_z向转动台15上，具体通过下支撑柱将石英半球谐振子固定到夹具14上，然后将夹具14安装到θ_z向转动台上，并使石英半球谐振子的竖直轴线、夹具的竖直轴线及θ_z向转动台的回转轴重合，偏差≤0.05mm。进一步的，θ_z向转动台15可360°旋转，其旋转控制精度≤0.001°，用于石英半球谐振子的圆周方向的调整。x向微位移台7、y向微位移台5和z向微位移台2的运动行程均≥50mm，运动精度均≤0.001mm，y向微位移台5的旋转行程为±15°，旋转精度≤0.001°，通过上述参数的设计，可实现测量激光光斑在石英半球谐振子外球面上的准确定位，保证反射光强满足测量要求，同时可获得较高的频率裂解轴的定位精度。

参见图3，激励单元包括位置调整组件和瞬态激励组件，其中位置调整组件用于安装瞬态激励组件并调整瞬态激励组件相对于石英半球谐振子的位置，其包括依次装配的底座37、支撑杆35和滑动座30，其中，底座37安装在x向微位移台7上，支撑杆35可相对于底座37上下滑动，以调节瞬态激励组件(具体为瞬态激励组件中的金属球39)与石英半球谐振子的相对高度，支撑杆移动到位后，可利用第一紧定螺钉38进行固定。滑动座30可相对于支撑杆35左右滑动，以调节瞬态激励组件(具体为瞬态激励组件中的金属球39)与石英半球谐振子的相对距离，滑动座30移动到位后，可利用第二紧定螺钉34进行固定。石英半球谐振子仅可与激励单元产生相对自转运动，如图3所示。

参见图3和图4，瞬态激励组件包括衔铁31、电磁铁32和金属球39，其中，电磁铁32固定安装在滑动座30上，衔铁31设于电磁铁32的旁侧，并与滑动座30可枢转连接，具体的通过枢轴与滑动座可枢转连接。该衔铁31的上端在电磁铁32通电后可被电磁铁32吸引，该衔铁31的下端与滑动座30底部之间还设置有弹簧36，该弹簧36在电磁铁32断电后使衔铁31回位，金属球39位于石英半球谐振子的旁侧，其通过弹性杆33与衔铁31相连，弹性杆33的上端通过金属杆固定座40安装在衔铁31上，另一端连接金属球39。工作时，通过向电磁铁32通入脉冲驱动信号，电磁铁32吸引衔铁31克服弹簧36产生的拉力从而瞬间转动，脉冲振动信号由外部的脉冲信号发生器提供，其为现有技术，在此不赘述。具体的衔铁31的上端被电磁铁32吸引，由于衔铁31与滑动座30可枢转连接，衔铁31上端被吸引后，其绕枢轴转动，其下端带动弹性杆33与金属球39运动，对石英半球谐振子施加瞬态激励，电磁铁32脉冲信号消失后，通过弹簧36的回复力使衔铁31复位。

具体的，数据采集与处理单元包括激光测振仪10和数据处理模块，激光测振仪10用于发射测量激光至待测的石英半球谐振子表面，并实现石英半球谐振子振动信号的测量，即接收测量激光的反射光，数据处理模块用于基于振动信号信息进行数据处理以计算获得石英半球谐振子性能参数。进一步的，激光测振仪10具体为非接触式激光多普勒测振仪，其使用非接触式激光多普勒测振原理进行测量，激光测振仪10与激励单元呈90°分布，即激光测振仪10发射的测量激光沿x轴方向，激励单元撞击石英半球谐振子的方向沿y轴方向，如图6所示。数据处理模块包括数据采集卡及数据处理软件，通过数据采集卡采集激光测振仪测得的数据，然后利用数据处理软件进行数据处理即可。具体的，检测半球谐振子振动信号并进行数据后处理，计算半球谐振子的频差及品质因数，根据振动原始信号数据可计算谐振子的振动信息，包括振动位移、振动速度、振动频率、振动衰减时间等，具体如何计算获得各信息，其为现有技术，在此不赘述，计算获得各振动信息后可用于计算半球谐振子的品质因数及频率裂解，具体如何通过各振动信息计算获得品质因数及频率裂解，其同样为现有技术，采用现有的计算方法进行数据处理即可，在此不赘述。本发明的重点在于提供可在真空环境下实现石英半球谐振子性能参数测量的装置，重在结构设计，而具体的数据处理方法并非为本发明的重点，其采用现有的常规方法即可。

具体的，激光测振仪10检测振动信号，其发射的测量激光11穿过真空腔体侧壁的第一玻璃观察窗口9聚焦到半球谐振子表面，其中激光束11与玻璃观察窗口表面呈一小的夹角，使玻璃窗口表面反射的光束偏离原光路，如图7中光路2所示，入射光束i₂经石英观察窗反射的光束r₂偏离原光路，从而提高测量信号信噪比。

本发明所述的性能参数优选为品质因素和频率裂解，即本发明设计的测量装置可实现高真空下石英半球谐振子的品质因素和频率裂解的单独测量，也可实现两者的同时测量。本发明中待测对象为石英半球谐振子，其可以为未镀膜的石英半球谐振子，通过本发明设计的装置可实现未镀膜的石英半球谐振子性能参数的有效测量。

如图5所示，石英半球谐振子包括半球形球壳，球壳直径约为30mm，在球壳对称轴一侧连接有下支柱，在另一侧连接有上支柱，石英半球谐振子由石英玻璃通过精密加工而成。通常石英半球谐振子外壁还要镀上一层金属薄膜，而本发明是专门针对未镀金属薄膜的石英半球谐振子而设计的测量装置，当然本发明同样也适用于已镀膜的石英半球谐振子。

具体的，石英半球谐振子外表面为半球形，测量激光11经半球外表面反射后极易发生偏斜，下面简述光路调节过程：首先将激光光束聚焦到石英半球谐振子外表面，当光束未能照射在石英半球谐振子对称轴上时，反射光束发射偏射，未能按原光路返回到测振仪中，参阅图8光路3所示；此时调节y向微位移台5，使激光光束照射在半球谐振子对称轴上，此时入射光束与反射光束在同一纵向对称面上，参阅图8光路4所示；调节θ_y旋转轴3，使石英半球谐振子绕y轴旋转微小倾角，使得当水平测量激光束照射到石英半球谐振子唇缘上时光束仍可以水平反射；然后调节z向微位移台2，使半球谐振子上下运动，将聚焦光斑调整到半球谐振子唇缘位置处，若入射光束i₁未能与石英半球谐振子外球面法线重合时，反射光束r₁将会偏离原光路，如图7中光路1所示，最后再进行y、z位置的微调，直至反射光束能量达到测量要求值，针对表面质量较差的石英半球谐振子可通过x微位移台进行离焦微调，保证反射光束具有足够的能量。

下面对本发明的测量装置的工作过程进行说明，具体的在测量过程中，使用者首先将石英谐振子安装在专用夹具14上，再将夹具固定在θ_z向转动台15上，然后打开激光测振仪10，调节测振仪使测量激光束聚焦到半球谐振子唇缘附近的外表面上，按着进行光路调节，直至测振仪接收信号强度达到测量要求；然后安装激励单元12，调节滑动座34相对于半球谐振子的高度与前后位置，使激励单元接收脉冲驱动信号时，金属球39恰好可以触碰到半球谐振子的唇缘位置；然后关闭真空腔体的舱门，打开真空单元直至腔室的压强达到测量要求，一般真空度≤10^-3Pa；最后，给激励单元通脉冲驱动信号，使电磁铁吸引衔铁运动，金属球撞击半球谐振子唇缘位置，以激励半球谐振子振动，通过激光测振仪测量半球谐振子的振动信号。

在某一位置采集一组半球谐振子振动衰减数据，然后在90°范围内，通过旋转θ_z轴每隔5°采集一组数据，采样频率应大于半球谐振子工作频率的5倍以上，通过对数据进行频域分析，获得石英半球谐振子的频率裂解信息，根据不同频率所占能量的大小计算出石英半球谐振子固有轴的方位，具体如何计算频率裂解信息及固有轴方位是现有技术再此不赘述；然后通过θ_z轴旋转固有轴位置使其与激励单元对齐，再次进行激励获得另一组振动数据，计算衰减时间常数与工作频率值，根据半球谐振子品质因数计算公式Q＝π·f·τ可获得半球谐振子的品质因数，式中，f表示石英半球谐振子的工作频率，τ代表石英半球谐振子自由衰减振动的时间常数。

总之，本发明可实现石英半球谐振子在高真空环境下的性能参数测量，即模拟半球谐振子实际工作环境下的参数检测，测量结果更加真实可靠，本发明不仅适用于未镀膜石英半球谐振子的性能测量，同时适用于已镀膜石英半球谐振子的性能测量。

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 (11)

1.一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，包括真空单元、运动单元、激励单元以及数据采集与处理单元，其中：

所述真空单元用于提供测量所需的高真空环境，其包括真空腔体，该真空腔体的侧壁设有玻璃观察窗口；

所述运动单元和激励单元置于真空腔体中，该运动单元用于调节其上的待测石英半球谐振子的空间姿态与位置，以调整测量激光光斑在石英半球谐振子表面的聚焦位置，进而使测量激光的反射光沿原光路返回，该激励单元用于在真空环境下产生瞬态激励以使石英半球谐振子振动；

所述激励单元包括位置调整组件和瞬态激励组件，所述位置调整组件用于安装瞬态激励组件并调整其相对于石英半球谐振子的位置，其包括依次装配的底座(37)、支撑杆(35)和滑动座(30)，其中支撑杆(35)可相对于底座(37)上下滑动，以调节瞬态激励组件与石英半球谐振子的相对高度，所述滑动座(30)可相对于支撑杆(35)左右滑动，以调节瞬态激励组件与石英半球谐振子的相对距离；

所述数据采集与处理单元设于真空腔体的玻璃观察窗口的旁侧，用于透过该玻璃观察窗口将测量激光发射至待测的石英半球谐振子表面，并基于接收的反射光信息获取石英半球谐振子的振动数据，然后进行数据处理获得石英半球谐振子的性能参数，以此实现高真空下石英半球谐振子性能参数的测量。

2.如权利要求1所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述运动单元包括θ_z向转动台(15)、x向微位移台(7)、y向微位移台(5)、θ_y旋转轴(3)和z向微位移台(2)，其中所述θ_z向转动台(15)用于带动所述待测石英半球谐振子绕竖直轴即z轴旋转，所述x向微位移台(7)设于θ_z向转动台(15)的下方，用于带动所述待测石英半球谐振子及激励单元沿前后方向即x轴水平移动，以微量调整测量光斑在石英半球谐振子表面的聚焦程度，所述y向微位移台(5)设于x向微位移台(7)的下方，用于带动x向微位移台(7)及其上的石英半球谐振子与激励单元沿左右方向即y轴水平移动，以微量调整测量激光光斑在半球谐振子表面的左右位置，使测量激光光束能与石英半球谐振子纵向对称轴共面，所述y向微位移台(5)下方设置有L形托板(16)；所述θ_y旋转轴(3)的一端与所述L形托板(16)相连，用于带动L形托板(16)绕y轴旋转，以调整石英半球谐振子的空间姿态，该θ_y旋转轴(3)的另一端安装在所述z向微位移台(2)上，该z向微位移台(2)安装在真空腔体的侧壁上，用于带动θ_y旋转轴(3)及L形托板(16)沿上下方向即z轴上下运动，以调整激光光斑在石英半球谐振子上的纵向位置。

3.如权利要求2所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述石英半球谐振子通过夹具(14)安装在所述θ_z向转动台(15)上，所述石英半球谐振子的轴线、夹具的轴线及θ_z向转动台的回转轴重合；所述x向微位移台(7)、y向微位移台(5)和z向微位移台(2)的运动行程均≥50mm，运动精度均≤0.001mm；y向微位移台(5)的旋转行程为±15°，旋转精度≤0.001°。

4.如权利要求3所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述θ_z向转动台(15)的旋转控制精度≤0.001°；所述真空腔体的真空度≤10^-3Pa。

5.如权利要求1所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述瞬态激励组件包括衔铁(31)、电磁铁(32)和金属球(39)，其中所述电磁铁(32)固定安装在滑动座(30)上，所述衔铁(31)设于所述电磁铁(32)的旁侧，并与所述滑动座(30)可枢转连接，该衔铁(31)的上端在电磁铁(32)通电后被电磁铁(32)吸引，该衔铁(31)的下端与滑动座(30)底部之间设置有弹簧(36)，该弹簧(36)在电磁铁(32)断电后使衔铁(31)回位，所述金属球(39)位于石英半球谐振子的旁侧，其通过弹性杆(33)与所述衔铁(31)相连。

6.如权利要求1所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述数据采集与处理单元包括激光测振仪(10)和数据处理模块，所述激光测振仪(10)用于发射测量激光至待测的石英半球谐振子表面，并实现石英半球谐振子振动信号的测量，所述数据处理模块用于基于振动信号信息进行数据处理以计算获得石英半球谐振子性能参数。

7.如权利要求6所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，所述激光测振仪(10)为非接触式激光多普勒测振仪。

8.如权利要求1所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述性能参数包括品质因数和频率裂解。

9.如权利要求1所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述石英半球谐振子为未镀膜的石英半球谐振子或已镀膜的石英半球谐振子。

10.如权利要求1所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述玻璃观察窗口倾斜设置，使得测量时数据采集与处理单元发射的测量激光与玻璃观察窗口表面不垂直。

11.如权利要求1-10任一项所述的高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其特征在于，所述真空腔体顶部还设有玻璃观察窗口。