CN112710869B - 基于附加静电刚度原理的谐振子刚性轴辨识装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于附加静电刚度原理的谐振子刚性轴辨识装置及方法，能够准确辨识出谐振子刚性轴的位置，以保证谐振子的调平效果，装置包括回转台、电极座、梳状电极、电极座支撑机构、信号源及控制器，所述电极座为环形结构，设于回转台上方，谐振子支撑杆能够穿过电极座，与回转台的回转轴连接，使得谐振子唇沿能够位于梳状电极上方，所述梳状电极包括梳状直流激励电极、梳状交流激励电极和梳状检测电极，在电极座上端面沿圆周方向分布，且均位于谐振子唇沿下方，所述电极座支撑机构设于回转台一侧，用于对电极座进行支撑，所述信号源与梳状直流激励电极连接，控制器与梳状交流激励电极连接。

Description

基于附加静电刚度原理的谐振子刚性轴辨识装置及方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，具体为一种基于附加静电刚度原理的谐振子刚性轴辨识装置及方法。

背景技术

半球谐振陀螺(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、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氏效应，而使其振型在环向相对壳体进动的物理机制。

当谐振子是完美的、无瑕疵的时，此时谐振子工作时只有一个刚性轴，且没有方向性，只与激励力的的方向相关，激励的方向即为刚性轴的方向。由于工艺水平的限制，谐振子存在诸如密度、球壳厚度、弹性模量等参数的不均匀性的傅里叶展开式的第四次谐波，偏差四次谐波的存在导致谐振子中出现两个相互间展成45°的两个固有轴系，谐振子能沿这两个轴以各自的固有频率振动。

半球谐振陀螺是依靠谐振子的驻波的进动效应来工作的，需要对驻波进行精准的控制，因此需要对谐振子进行调平处理，以保证谐振子完美的进动特性。调平的关键技术之一为辨识出固有刚性轴的位置，即调平时需要去除质量的位置，然后采用离子刻蚀、激光快修、机械去除及化学腐蚀等技术去除相应的质量，将谐振子的频率裂解修调到允许的范围。目前相关文献涉及给出了谐振子的刚性轴的辨识方法，基于相频特性的方法(扫频方法)、基于相角特性描绘方法、双激励电极双位移传感器的测试方案、幅频响应特性的方法。这些刚性轴辨识方式均要借助检测与激励电极来实现谐振子的激励及信号的提取，当频率裂解值很小时，辨识效果具有一定的局限性。因此如何准确辨识出谐振子的固有刚性轴，是亟需解决的。

发明内容

本发明提供了一种基于附加静电刚度原理的谐振子刚性轴辨识装置及方法，能够准确辨识出谐振子刚性轴的位置，以保证谐振子的调平效果。

本发明所述谐振子刚性轴辨识装置的技术方案在于：包括回转台、电极座、梳状电极、电极座支撑机构、信号源及控制器，所述电极座为环形结构，设于回转台上方，谐振子支撑杆能够穿过电极座，与回转台的回转轴连接，使得谐振子唇沿能够位于梳状电极上方，所述梳状电极包括梳状直流激励电极、梳状交流激励电极和梳状检测电极，在电极座上端面沿圆周方向分布，且均位于谐振子唇沿下方，所述电极座支撑机构设于回转台一侧，用于对电极座进行支撑，所述信号源与梳状交流激励电极连接，控制器与梳状直流激励电极和梳状检测电极连接。

作为上述方案的优选，所述回转台上设有夹持机构，所述夹持机构包括固定座、第一V形夹持座和第二V形夹持座、所述固定座与回转台的回转轴同轴固定连接，所述第一V形夹持座和第二V形夹持座均设于固定座上，第一V形夹持座和第二V形夹持座上相对的侧面各设有一V形夹持部，两V形夹持部开口相对，第一V形夹持座下端与固定座固定连接，第二V形夹持座在固定座上能够朝向和背离第一V形夹持座的方向移动，以对谐振子下部的支撑杆进行夹持和解除夹持。

作为上述方案的优选，所述夹持机构还包括第一夹持调节机构，所述第一夹持调节机构包括导向杆、预紧螺母、预紧弹簧及挡环，所述第一V形夹持座和第二V形夹持座下部各开设有一水平通孔，两水平通孔同轴设置，所述导向杆包括光杆区段和螺纹杆区段，光杆区段穿过第二V形夹持座的水平通孔，并与第一V形夹持座的水平通孔固定连接，螺纹杆区段上套设有预紧螺母、预紧弹簧和挡环，所述挡环位于导向杆上靠近第二V形夹持座一侧，预紧弹簧位于预紧螺母和挡环之间，通过拧动预紧螺母，能够使第二V形夹持座朝向或背离第一V形夹持座的方向移动。

作为上述方案的优选，所述夹持机构还包括第二夹持调节机构，所述第二夹持调节机构为球头柱塞，所述第二V形夹持座的两V形侧面各设有多个螺纹通孔，所述螺纹通孔的轴线垂直于所在的V形面，所述球头柱塞设于所述螺纹通孔内，球头柱塞的钢珠位于第二V形夹持座的V形面一侧。

作为上述方案的优选，所述梳状直流激励电极、梳状交流激励电极和梳状检测电极均采用掩膜方式成型在电极座上，所述梳状直流激励电极和梳状交流激励电极错开特定角度，梳状交流激励电极和梳状检测电极在梳状电极上呈180°分布。

作为上述方案的优选，所述电极座支撑机构包括固定环及安装支架，所述安装支架固定在回转台一侧，固定环内孔为阶梯孔，电极座设于固定环内孔的台阶面上，所述固定环外侧固定有一连接轴，所述连接轴与所述安装支架固定连接，所述固定环外圆设有多个径向螺纹通孔，所述通孔内设有球头柱塞，球头柱塞的钢珠朝向电极座一侧，用于对电极座进行固定。

采用上述装置进行谐振子刚性轴辨识的方法如下：

S1、将谐振子固定在夹持机构上，将谐振子唇沿上位于梳状直流电极正上方的点与梳状直流电极的夹角作为0°初始位置，谐振子唇沿上的该点为初始点；

S2、通过梳状直流激励电极将特定的电刚度施加在存在两刚性轴的谐振子上；

S3、然后对梳状交流激励电极施加与谐振子谐振频率相近的正弦交流信号，使谐振子起振；

S4、然后通过梳状检测电极检测并记录谐振子自由衰减的振动特性及频率裂解值；

S5、旋转回转台，使回转台依次转过1°、2°、3°、……、180°角度，然后重复上述步骤S1-S4，测试每个角度位置下谐振子的频率裂解值Δf1、Δf2、Δf3、……、Δf180，根据检测结果描绘出0°～180°转角范围附加电刚度后谐振子的频率裂解的关系曲线，当频率裂解值为最大值Δf_max时，转台转过角度

梳状直流激励电极所对应的位置为谐振子的刚性轴，完成谐振子刚性轴的辨识。

在步骤S1中，需要先松开夹持机构上的预紧螺母，将谐振子支撑杆置于夹持机构的第一V形夹持座和第二V形夹持座之间，调整谐振子唇沿与梳状直流激励电极的距离为0.01～0.05mm，锁紧预紧螺母，将谐振子固定。

在步骤S2中，通过控制器对梳状直流激励电极施加直流信号，通过静电力作用，调整该位置下谐振子的刚度；

在步骤S3中，通过信号源对梳状交流激励电极施加与谐振子谐振频率相近的正弦交流信号，使谐振子起振后断电，使谐振子处于自由衰减状态；

在步骤S4中，由于谐振子频率裂解的存在，两个频率的振动波会叠加形成“拍”的图像，由“拍”的图像周期的倒数计算出频率裂解值Δf₀。

在上述步骤中，可以通过调节第二V形夹持座上的球头柱塞以调节夹持机构对谐振子支撑杆的夹持度，通过调节固定环上的球头柱塞以调节固定环对电极座的固定效果，以保证谐振子旋转过程中的稳定性。

本发明的有益效果在于：

1、无需多个电极实现谐振子振动特性的激励与检测，其检测方法及算法模型较为简单，根据检测的数据能够快速解算辨识出谐振子的刚性轴位置，以保证谐振子的调平效果。

2、可适用于不同品质因数谐振子刚性轴的辨识。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的局部结构示意图。

图3为本发明中夹持机构的结构示意图。

图4为本发明中电极座支撑机构的固定环的结构示意图。

图5为本发明中电极座的结构及梳状直流激励电极、梳状交流激励电极和梳状检测电极的分布示意图。

图6为本发明所述谐振子的结构示意图。

图7是本发明中附加静电刚度后谐振子频率裂解与静电刚度附加位置关系图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施例。

谐振子刚性轴辨识装置

首先对谐振子的结构进行简要介绍，如图6所示，为待辨识刚性轴的谐振子4，两刚性轴ω1，ω2，空间上相差45°，需辨识刚性轴的位置分别为41、42；

其结构包括回转台8、电极座5、梳状电极、电极座支撑机构、信号源1及控制器6，所述电极座5为环形结构，设于回转台8上方，谐振子4支撑杆能够穿过电极座5，与回转台8的回转轴连接，使得谐振子4唇沿能够位于梳状电极上方，所述梳状电极包括梳状直流激励电极52、梳状交流激励电极51和梳状检测电极53，在电极座5上端面沿圆周方向分布，且均位于谐振子4唇沿下方，所述电极座支撑机构设于回转台8一侧，用于对电极座5进行支撑，所述信号源1与梳状交流激励电极51连接，给梳妆交流激励电极提供一定频率及振幅的正弦信号，控制器6与梳状直流激励电极52和梳状检测电极53连接，产生大小可调节的直流信号。

在本实施例中，所述回转台8上设有夹持机构7，所述夹持机构7包括固定座77、第一V形夹持座71和第二V形夹持座72、所述固定座77与回转台8的回转轴同轴固定连接，所述第一V形夹持座71和第二V形夹持座72均设于固定座77上，第一V形夹持座71和第二V形夹持座72上相对的侧面各设有一V形夹持部，两V形夹持部开口相对，第一V形夹持座71下端与固定座77固定连接，第二V形夹持座72在固定座77上能够朝向和背离第一V形夹持座71的方向移动，以对谐振子4下部的支撑杆进行夹持和解除夹持。

在本实施例中，所述夹持机构7还包括第一夹持调节机构，所述第一夹持调节机构包括导向杆76、预紧螺母75、预紧弹簧74及挡环73，所述第一V形夹持座71和第二V形夹持座72下部各开设有一水平通孔，两水平通孔同轴设置，所述导向杆76包括光杆区段和螺纹杆区段，光杆区段穿过第二V形夹持座72的水平通孔，并与第一V形夹持座71的水平通孔固定连接，螺纹杆区段上套设有预紧螺母75、预紧弹簧74和挡环73，所述挡环73位于导向杆76上靠近第二V形夹持座72一侧，预紧弹簧74位于预紧螺母75和挡环73之间，通过拧动预紧螺母75，能够使第二V形夹持座72朝向或背离第一V形夹持座71的方向移动。

在本实施例中，所述夹持机构7还包括第二夹持调节机构，所述第二夹持调节机构为球头柱塞78，所述第二V形夹持座72的两V形侧面各设有多个螺纹通孔，所述螺纹通孔的轴线垂直于所在的V形面，所述球头柱塞78设于所述螺纹通孔内，球头柱塞78的钢珠位于第二V形夹持座72的V形面一侧。

在本实施例中，所述梳状直流激励电极52、梳状交流激励电极51和梳状检测电极53均采用掩膜方式成型在电极座5上，所述梳状直流激励电极52和梳状交流激励电极51错开特定角度，梳状交流激励电极51和梳状检测电极53在梳状电极上呈180°分布。

在本实施例中，所述电极座支撑机构包括固定环3及安装支架2，所述安装支架2固定在回转台8一侧，固定环3内孔为阶梯孔，电极座5设于固定环3内孔的台阶面上，所述固定环3外侧固定有一连接轴31，所述连接轴31与所述安装支架2固定连接，所述固定环3外圆设有多个径向螺纹通孔，所述通孔内设有球头柱塞9，球头柱塞9的钢珠朝向电极座5一侧，用于对电极座5进行固定。

采用上述装置进行谐振子刚性轴辨识的方法

步骤如下：

S1、先松开夹持机构上的预紧螺母，将谐振子支撑杆置于夹持机构的第一V形夹持座和第二V形夹持座之间，调整谐振子唇沿与梳状直流激励电极的距离为0.01～0.05mm，锁紧预紧螺母，将谐振子固定在夹持机构上，将谐振子唇沿上位于梳状直流电极正上方的点与梳状直流电极的夹角作为0°初始位置，谐振子唇沿上的该点为初始点；

S2、通过控制器对梳状直流激励电极施加直流信号，通过静电力作用，调整该位置下谐振子的刚度；

S3、通过信号源对梳状交流激励电极施加与谐振子谐振频率相近的正弦交流信号，使谐振子起振后断电，使谐振子处于自由衰减状态；

S4、然后通过梳状检测电极检测并记录谐振子自由衰减的振动特性及频率裂解值；由于谐振子频率裂解的存在，两个频率ω1、ω2的振动波会叠加形成“拍”的图像，由“拍”的图像周期的倒数计算出频率裂解值Δf₀；

S5、旋转回转台，使回转台依次转过1°、2°、3°、……、180°角度，然后重复上述步骤S1-S4，测试每个角度位置下谐振子的频率裂解值Δf1、Δf2、Δf3、……、Δf180，根据检测结果描绘出0°～180°转角范围附加电刚度后谐振子的频率裂解的关系曲线，当频率裂解值为最大值Δf_max时，转台转过角度

梳状直流激励电极所对应的位置为谐振子的刚性轴，完成谐振子刚性轴的辨识。

在上述步骤中，可以通过调节第二V形夹持座上的球头柱塞以调节夹持机构对谐振子支撑杆的夹持度，通过调节固定环上的球头柱塞以调节固定环对电极座的固定效果，消除由于加工误差带来的固定间隙，从而保证谐振子旋转过程中的稳定性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种基于附加静电刚度原理的谐振子刚性轴辨识装置，其特征在于：包括回转台、电极座、梳状电极、电极座支撑机构、信号源及控制器，所述电极座为环形结构，设于回转台上方，谐振子支撑杆能够穿过电极座，与回转台的回转轴连接，使得谐振子唇沿能够位于梳状电极上方，所述梳状电极包括梳状直流激励电极、梳状交流激励电极和梳状检测电极，在电极座上端面沿圆周方向分布，且均位于谐振子唇沿下方，所述电极座支撑机构设于回转台一侧，用于对电极座进行支撑，所述信号源与梳状交流激励电极连接，控制器与梳状直流激励电极和梳状检测电极连接。

2.根据权利要求1所述的谐振子刚性轴辨识装置，其特征在于：所述回转台上设有夹持机构，所述夹持机构包括固定座、第一V形夹持座和第二V形夹持座、所述固定座与回转台的回转轴同轴固定连接，所述第一V形夹持座和第二V形夹持座均设于固定座上，第一V形夹持座和第二V形夹持座上相对的侧面各设有一V形夹持部，两V形夹持部开口相对，第一V形夹持座下端与固定座固定连接，第二V形夹持座在固定座上能够朝向和背离第一V形夹持座的方向移动，以对谐振子下部的支撑杆进行夹持和解除夹持。

3.根据权利要求2所述的谐振子刚性轴辨识装置，其特征在于：所述夹持机构还包括第一夹持调节机构，所述第一夹持调节机构包括导向杆、预紧螺母、预紧弹簧及挡环，所述第一V形夹持座和第二V形夹持座下部各开设有一水平通孔，两水平通孔同轴设置，所述导向杆包括光杆区段和螺纹杆区段，光杆区段穿过第二V形夹持座的水平通孔，并与第一V形夹持座的水平通孔固定连接，螺纹杆区段上套设有预紧螺母、预紧弹簧和挡环，所述挡环位于导向杆上靠近第二V形夹持座一侧，预紧弹簧位于预紧螺母和挡环之间，通过拧动预紧螺母，能够使第二V形夹持座朝向或背离第一V形夹持座的方向移动。

4.根据权利要求3所述的谐振子刚性轴辨识装置，其特征在于：所述夹持机构还包括第二夹持调节机构，所述第二夹持调节机构为球头柱塞，所述第二V形夹持座的两V形侧面各设有多个螺纹通孔，所述螺纹通孔的轴线垂直于所在的V形面，所述球头柱塞设于所述螺纹通孔内，球头柱塞的钢珠位于第二V形夹持座的V形面一侧。

5.根据权利要求1所述的谐振子刚性轴辨识装置，其特征在于：所述梳状直流激励电极、梳状交流激励电极和梳状检测电极均采用掩膜方式成型在电极座上，所述梳状交流激励电极和梳状检测电极在梳状电极上呈180°分布。

6.根据权利要求1所述的谐振子刚性轴辨识装置，其特征在于：所述电极座支撑机构包括固定环及安装支架，所述安装支架固定在回转台一侧，固定环内孔为阶梯孔，电极座设于固定环内孔的台阶面上，所述固定环外侧固定有一连接轴，所述连接轴与所述安装支架固定连接，所述固定环外圆设有多个径向螺纹通孔，所述通孔内设有球头柱塞，球头柱塞的钢珠朝向电极座一侧，用于对电极座进行固定。

7.一种采用权利要求1-6中任一项所述的谐振子刚性轴辨识装置的谐振子刚性轴辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将谐振子固定在夹持机构上，将谐振子唇沿上位于梳状直流电极正上方的点与梳状直流电极的夹角作为0°初始位置，谐振子唇沿上的该点为初始点；

S2、通过梳状直流激励电极将特定的电刚度施加在存在两刚性轴的谐振子上；

S3、然后对梳状交流激励电极施加与谐振子谐振频率相近的正弦交流信号，使谐振子起振；

S4、然后通过梳状检测电极检测并记录谐振子自由衰减的振动特性及频率裂解值；

S5、旋转回转台，使回转台依次转过1°、2°、3°、……、180°角度，然后重复上述步骤S1-S4，测试每个角度位置下谐振子的频率裂解值Δf1、Δf2、Δf3、……、Δf180，根据检测结果描绘出0°～180°转角范围附加电刚度后谐振子的频率裂解的关系曲线，当频率裂解值为最大值Δf_max时，转台转过角度梳状直流激励电极所对应的位置为谐振子的刚性轴，完成谐振子刚性轴的辨识。

8.根据权利要求7所述的谐振子刚性轴辨识方法，其特征在于：在步骤S1中，需要先松开夹持机构上的预紧螺母，将谐振子支撑杆置于夹持机构的第一V形夹持座和第二V形夹持座之间，调整谐振子唇沿与梳状直流激励电极的距离为0.01～0.05mm，锁紧预紧螺母，将谐振子固定。

9.根据权利要求8所述的谐振子刚性轴辨识方法，其特征在于：在步骤S2中，通过控制器对梳状直流激励电极施加直流信号，通过静电力作用，调整该位置下谐振子的刚度；

在步骤S3中，通过信号源对梳状交流激励电极施加与谐振子谐振频率相近的正弦交流信号，使谐振子起振后断电，使谐振子处于自由衰减状态；

在步骤S4中，由于谐振子频率裂解的存在，两个频率的振动波会叠加形成“拍”的图像，由“拍”的图像周期的倒数计算出频率裂解值Δf₀。

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