CN112815964B - 一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置及方法，包括转台、电极基座、信号发生单元、信号检测单元，转台水平设置，电极基座通过安装架固定设置在转台的上方，电极基座为圆环状，电极基座的上表面设有平面叉指激励电极与平面叉指检测电极，信号发生单元与平面叉指激励电极电性连接，信号检测单元与平面叉指检测电极电性连接；转台上固定设置有谐振子固定夹具，谐振子固定夹具用于夹持谐振子的支撑杆，电极基座的上表面与谐振子的唇沿相配合。通过该装置及方法可以测量半球谐振子的品质因素及频率裂解等振动特性。该检测装置及检测方法适用性强，装置结构简单，检测操作简便，极大地优化了谐振子振动特性的检测。

Description

一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置及方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，具体涉及一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置及方法。

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。

谐振子是半球谐振陀螺核心零件之一，其特征为半球形薄壁结构，工作是作为一个弹性体，在激励电极的激励下，维持四波腹的振动，其性能的好坏决定半球谐振陀螺的最终指标。半球谐振陀螺是依靠谐振子的驻波的进动效应来工作的，本质是根据谐振子的振动特性，来精确设计各个控制参量，实现对驻波进行精准的控制。振动特性主要包括品质因子及频差的检测。在半球谐振陀螺谐振子的加工过程中，需要一边加工，一边测量振动参数。根据品质因数的测量结果，来判断加工损伤裂纹层的情况，从而指导调整后续加工工艺。在调平过程中，根据频差的变化情况，来调整调平相关工艺参数；在装配过程中，根据检测装配前后振动特性参数的变化，来判断装配的质量，提高最终产品的良品率。因此对谐振子的各个阶段进行振动特性的测试进行测试是必需的。

目前，现有技术涉及谐振子振动特性的测试方法存在如下不足：

1)受谐振状态的限制，如是否金属化，不能完成全流程的振动特性的检测；

2)采用光纤激光或球面叉指电极的形式，系统复杂，装配困难，不利于检测设备的集成化。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置及方法，可用于不同工艺阶段的谐振子振动特性的检测。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置，包括转台、电极基座、信号发生单元、信号检测单元，所述转台水平设置，所述电极基座通过安装架固定设置在所述转台的上方，所述电极基座为圆环状，所述电极基座的上表面设有平面叉指激励电极与平面叉指检测电极，所述信号发生单元与所述平面叉指激励电极电性连接，所述信号检测单元与所述平面叉指检测电极电性连接；所述转台上固定设置有谐振子固定夹具，所述谐振子固定夹具用于夹持谐振子的支撑杆，所述电极基座的上表面与所述谐振子的唇沿相配合。

进一步，所述谐振子呈倒“Ψ”状，包括球面罩以及穿过所述球面罩的球心的支撑杆，所述球面罩与所述支撑杆为一体式连接，所述支撑杆与所述谐振子固定夹具可拆卸地连接，所述球面罩的下沿设置在所述电极基座上方、且到所述电极基座的距离为0.05～0.5mm。

进一步，所述平面叉指激励电极与所述平面叉指检测电极均为对向平行插入的梳齿状电极对，所述平面叉指激励电极与所述平面叉指检测电极为设置在所述电极基座上表面的金属膜层，其厚度为2～5μm。

进一步，所述平面叉指激励电极、所述平面叉指检测电极与所述电极基座的圆心形成的夹角呈90度。

进一步，所述安装架包括横臂与竖臂，所述横臂与所述竖臂呈L形设置且固定连接，所述转台的固定部固定安装在所述安装架的横臂上，所述电极基座通过电极基座固定座固定安装在所述安装架的竖臂上端。

进一步，该装置还包括光学平台，所述光学平台水平设置，所述安装架、所述信号发生单元、所述信号检测单元分别固定安装在所述光学平台上。

另一方面，基于上述装置，本发明还提供一种谐振子振动特性检测方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过谐振子固定夹具将谐振子固定，并保证谐振子唇沿与电极基座表面的距离为0.05～0.5mm；

S2、品质因数的测量：

S21、通过信号发生单元向平面叉指激励电极施加与谐振子谐振频率相近的交流信号，使谐振子起振；

S22、对信号发生单元断电，此时谐振子中的振动信号处于自由衰减的状态，通过信号检测单元对平面叉指检测电极检测到的信号记录如下参数：

1)谐振子的初始振幅A₀；

2)衰减的时间τ，τ为振幅衰减至A₀/e时间，e为自然常数；

S23、根据谐振子的谐振频率为f、衰减时间τ计算得到谐振子的品质因数Q，计算公式如下：Q＝πfτ；

S3、频率裂解的测量：

S31、通过信号发生单元向平面叉指激励电极施加与谐振子谐振频率相近的交流信号，使谐振子起振；通过旋转转台调整平面叉指激励电极与谐振子的相对周向位置，谐振子被激发出频率分别为ω1、ω2的两个模态的振动信号，两个模态的振动信号叠加形成拍振信号时停止旋转转台；

S32、对信号发生单元断电，此时谐振子中的拍振信号处于自由衰减的状态，平面叉指检测电极检测拍振信号，信号检测单元计算拍振信号的周期ΔT，则1/ΔT为谐振子的频率裂解Δω。

本发明的有益效果是：通过优化设计平面叉指激励电极及平面叉指检测电极的结构参数，信号发生单元对平面叉指激励电极施加与谐振子工作频率一致的激励信号，使谐振子起振；信号检测单元对平面叉指检测电极采集到的谐振子振动信息进行记录计算，完成谐振子振动特性的检测。该检测装置及检测方法适用性强，不受谐振子状态的影响，可以完成谐振子金属化或非金属化后振动特性的检测；装置结构简单，便于系统集成及小型化；操作简便，只需要缓慢旋转转台即可寻找到适合检测的两个模态振动信号的叠加波形，极大地优化了谐振子振动特性的检测。

附图说明

图1为本发明结构组成示意图；

图2为本发明谐振子与电极基座位置关系示意图；

图3为本发明平面叉指激励电极、平面叉指检测电极在电极基座上的排布位置示意图；

图4为本发明实施例谐振子自由衰减示意图；

图5为本发明实施例谐振子自由衰减时拍振示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、谐振子，2、电极基座，3、信号发生单元，4、信号检测单元，5、谐振子固定夹具，6、转台，7、安装架，8、电极基座固定座，9、光学平台，2-1、平面叉指激励电极，2-2、平面叉指检测电极。

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。

如图1所示的一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置，包括转台6、电极基座2、信号发生单元3、信号检测单元4。所述转台6水平设置，且可平行水平面旋转。所述电极基座2通过安装架7固定设置在所述转台6的上方，所述电极基座2为圆环状，也可以是中间开孔的柱形结构，由陶瓷或石英加工成型。所述电极基座2与所述转台6同轴设置，即所述转台6的旋转轴与所述电极基座2的圆心同轴。所述电极基座2的上表面设有平面叉指激励电极2-1与平面叉指检测电极2-2，所述信号发生单元3与所述平面叉指激励电极2-1通过导线进行电性连接，所述信号检测单元4与所述平面叉指检测电极2-2通过导线进行电性连接。所述转台6的活动部上固定设置有谐振子固定夹具5，谐振子固定夹具5可随转台6进行同步同轴转动。当对谐振子1进行检测时，所述谐振子固定夹具5用于夹持谐振子1的支撑杆，带动谐振子1进行同步旋转；如图2的谐振子1与电极基座2位置关系示意图所示，所述电极基座2的上表面与所述谐振子1的唇沿相配合，谐振子1与平面叉指激励电极2-1、平面叉指检测电极2-2之间分别形成电容。

在进行检测时，当信号发生单元3向平面叉指激励电极2-1施加一个与谐振子1的谐振频率相近的正弦信号，对谐振子1唇沿施加交变的电场力，使谐振子1起振，平面叉指检测电极2-2感应到谐振子1的振动信号(即检测谐振子1与平面叉指检测电极2-2之间的电容变化)，并传导至信号检测单元4，信号检测单元4对谐振子1的振动信号进行分析，以得到谐振子1的振动特性。通过对转台6的旋转操作，可以操控谐振子1进行同轴旋转。在检测谐振子1频率裂解时，可通过操控谐振子1旋转来调整谐振子1与平面叉指激励电极2-1相对周向位置，激发谐振子1发出两个模态的振动信号，使谐振子1的振动图像形成拍振，从而实现对频率裂解值的检测。

本实施例中，所述谐振子1呈倒“Ψ”状，其包括球面罩以及穿过所述球面罩的球心的支撑杆，使得整个谐振子1呈撑开的伞状。所述球面罩与所述支撑杆的一端为一体式连接，其中球面罩的内外球面组成球壳，此为振动部分，支撑杆的远离球面罩的一端为谐振子1的固定部分。该谐振子1可以是金属化状态或非金属化状态，即谐振子1可以是只由石英晶体构成(即非金属状态)，也可以是在球面罩的外球面(即石英晶体的表面)涂覆金属层的状态(即金属化状态)，适用于谐振子1制造的多个工艺过程中对谐振子1的检测。当对谐振子1进行检测时，支撑杆被谐振子固定夹具5充分地夹持，保证谐振子1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，减小测量误差。支撑杆与谐振子固定夹具5可拆卸地连接，当检测完当前的谐振子1需要更换下一个谐振子1时，拆卸下支撑杆与谐振子固定夹具5的连接，即可安装下一个谐振子1。所述球面罩的下沿设置在所述电极基座2上方、且其到所述电极基座2的距离为0.05～0.5mm。球面罩的下边沿即谐振子1的唇沿，如图2所示，谐振子1的唇沿朝向电极基座2的上表面，使得谐振子1的唇沿与电极基座2上的平面叉指激励电极2-1、平面叉指检测电极2-2之间保持在一个较小的距离，该距离使得谐振子1的唇沿能感应到平面叉指激励电极2-1的激励信号并产生振动，且平面叉指检测电极2-2能感应到谐振子1与平面叉指检测电极2-2之间形成的电容的大小变化。

本实施例中，如图3所示，所述平面叉指激励电极2-1与所述平面叉指检测电极2-2均为对向平行插入的梳齿状电极对，该梳齿状电极对即两个呈梳齿状的导体对向平行插入对方的梳齿间隙处、且两个导体之间相互绝缘。其中一个梳齿状的导体靠近所述谐振子1的轴心、另一个梳齿状的导体背离所述谐振子1的轴心，背离所述谐振子1的轴心的导体通过导线与信号发生单元3或者信号检测单元4连接。所述平面叉指激励电极2-1与所述平面叉指检测电极2-2均为设置在所述电极基座2上表面的金属膜层，其厚度为2～5μm。所述平面叉指激励电极2-1与所述平面叉指检测电极2-2均为通过磁控溅射的方式在电极基座2上形成的金属膜层，该金属膜层为Cr层叠加Au层。

本实施例中，如图3所示，所述平面叉指激励电极2-1、所述平面叉指检测电极2-2与所述电极基座2的圆心形成的夹角呈90°，即所述平面叉指激励电极2-1、所述平面叉指检测电极2-2分别与所述电极基座2的圆心的连线相互垂直。

本实施例中，所述安装架7包括横臂与竖臂，从侧面看，所述横臂与所述竖臂呈L形设置且固定连接或一体式连接，根据使用需求设置所述安装架7横臂与竖臂的形状。所述转台6的固定部固定安装在所述安装架7的横臂上，所述电极基座2通过电极基座固定座8固定安装在所述安装架7的竖臂上端。转台6与电极基座2固定安装在同一个安装架7上，可以加强装置的稳定性，防止转台6与电极基座2之间发生相对位置偏移，影响测试结果。

如图1所示，该装置还包括光学平台9，所述光学平台9水平设置，所述安装架7、所述信号发生单元3、所述信号检测单元4分别固定安装在所述光学平台9上。光学平台9将整个装置集成为一个整体，便于整体拆装；同时保证检测过程中转台6与电机基座的水平度，防止因为设备水平度有误造成谐振子1过程中振动信号不准确，产生误差。

基于上述装置，本发明还提供一种谐振子振动特性检测方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过谐振子固定夹具5将谐振子1的支撑杆固定，并保证谐振子1的唇沿与电极基座2表面的距离为0.05～0.5mm之间；

S2、品质因数的测量：

S21、通过信号发生单元3向平面叉指激励电极2-1施加与谐振子1谐振频率相近的交流信号，使谐振子1起振；

S22、对信号发生单元3断电，如图4的波形图所示，此时谐振子1中的振动信号处于自由衰减的状态，通过信号检测单元4对平面叉指检测电极2-2检测到的信号记录如下参数：

1)谐振子1的初始振幅A₀；

2)衰减的时间τ，τ为振幅衰减至A₀/e时间，e为自然常数；

S23、根据谐振子1的谐振频率为f、衰减时间τ计算得到谐振子1的品质因数Q，计算公式如下：Q＝πfτ；

S3、频率裂解的测量：

S31、通过信号发生单元3向平面叉指激励电极2-1施加与谐振子1谐振频率相近的交流信号，使谐振子1起振；通过旋转转台6调整平面叉指激励电极2-1与谐振子1的相对周向位置，谐振子1被激发出频率分别为ω1、ω2的两个模态的振动信号，两个模态的振动信号叠加形成拍振信号时停止旋转转台6；

S32、对信号发生单元3断电，如图5的波形图所示，此时谐振子1中的拍振信号处于自由衰减的状态，平面叉指检测电极2-2检测拍振信号，信号检测单元4计算拍振信号的周期ΔT，则1/ΔT为谐振子1的频率裂解Δω。

本实施例通过优化设计平面叉指激励电极2-1及平面叉指检测电极2-2的结构参数，信号发生单元3对平面叉指激励电极2-1施加与谐振子1工作频率一致的激励信号，使谐振子1起振；信号检测单元4对平面叉指检测电极2-2采集到的谐振子1振动信息进行记录计算，完成谐振子1振动特性的检测。该检测装置及检测方法适用性强，不受谐振子1状态的影响，可以完成谐振子1金属化或非金属化后振动特性的检测；装置结构简单，便于系统集成及小型化；操作简便，只需要缓慢旋转转台6即可寻找到适合检测的两个模态振动信号的叠加波形，极大地优化了谐振子1振动特性的检测。

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 (6)

1.一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置，其特征在于，包括转台（6）、电极基座（2）、信号发生单元（3）、信号检测单元（4），所述转台（6）水平设置，所述电极基座（2）通过安装架（7）固定设置在所述转台（6）的上方，所述电极基座（2）为圆环状，所述电极基座（2）的上表面设有平面叉指激励电极（2-1）与平面叉指检测电极（2-2），所述平面叉指激励电极（2-1）与所述平面叉指检测电极（2-2）均为对向平行插入的梳齿状电极对，所述平面叉指激励电极（2-1）与所述平面叉指检测电极（2-2）为设置在所述电极基座（2）上表面的金属膜层，所述平面叉指激励电极（2-1）、所述平面叉指检测电极（2-2）与所述电极基座（2）的圆心形成的夹角呈90度；

所述信号发生单元（3）与所述平面叉指激励电极（2-1）电性连接，所述信号检测单元（4）与所述平面叉指检测电极（2-2）电性连接；所述转台（6）上固定设置有谐振子固定夹具（5），所述谐振子固定夹具（5）用于夹持谐振子（1）的支撑杆，所述电极基座（2）的上表面与所述谐振子（1）的唇沿相配合。

2.根据权利要求1所述一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置，其特征在于，所述谐振子（1）呈倒“Ψ”状，包括球面罩以及穿过所述球面罩的球心的支撑杆，所述球面罩与所述支撑杆为一体式连接，所述支撑杆与所述谐振子固定夹具（5）可拆卸地连接，所述球面罩的下沿设置在所述电极基座（2）上方、且到所述电极基座（2）的距离为0.05～0.5mm。

3.根据权利要求1所述一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置，其特征在于，所述平面叉指激励电极（2-1）与所述平面叉指检测电极（2-2）的厚度为2～5μm。

4.根据权利要求1所述一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置，其特征在于，所述安装架（7）包括横臂与竖臂，所述横臂与所述竖臂呈L形设置且固定连接，所述转台（6）的固定部固定安装在所述安装架（7）的横臂上，所述电极基座（2）通过电极基座固定座（8）固定安装在所述安装架（7）的竖臂上端。

5.根据权利要求4所述一种基于平面叉指电极的谐振子振动特性检测装置，其特征在于，该装置还包括光学平台（9），所述光学平台（9）水平设置，所述安装架（7）、所述信号发生单元（3）、所述信号检测单元（4）分别固定安装在所述光学平台（9）上。

6.根据权利要求1~5任一项所述装置的谐振子振动特性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过谐振子固定夹具（5）将谐振子（1）固定，并保证谐振子（1）唇沿与电极基座（2）表面的距离为0.05～0.5mm；

S2、品质因数的测量：

S21、通过信号发生单元（3）向平面叉指激励电极（2-1）施加与谐振子（1）谐振频率相近的交流信号，使谐振子（1）起振；

S22、对信号发生单元（3）断电，此时谐振子（1）中的振动信号处于自由衰减的状态，通过信号检测单元（4）对平面叉指检测电极（2-2）检测到的信号记录如下参数：

1）谐振子（1）的初始振幅A₀；

2）衰减的时间，/>为振幅衰减至/>时间，e为自然常数；

S23、根据谐振子（1）的谐振频率为f、衰减时间计算得到谐振子（1）的品质因数Q，计算公式如下：/>；

S3、频率裂解的测量：

S31、通过信号发生单元（3）向平面叉指激励电极（2-1）施加与谐振子（1）谐振频率相近的交流信号，使谐振子（1）起振；通过旋转转台（6）调整平面叉指激励电极（2-1）与谐振子（1）的相对周向位置，谐振子（1）被激发出频率分别为、/>的两个模态的振动信号，两个模态的振动信号叠加形成拍振信号时停止旋转转台（6）；

S32、对信号发生单元（3）断电，此时谐振子（1）中的拍振信号处于自由衰减的状态，平面叉指检测电极（2-2）检测拍振信号，信号检测单元（4）计算拍振信号的周期，则/>为谐振子（1）的频率裂解/>。