CN112964242A - 一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法，该误差测试系统包括石英音叉陀螺表头、安装支架、至少一个机械振动单元、信号采集单元和控制单元，石英音叉陀螺表头与机械振动单元均设置在安装支架上，机械振动单元用于产生机械振动并通过安装支架将机械振动传递给石英音叉陀螺表头，以使石英音叉陀螺表头产生振动并输出驱动模态响应信号和检测模态响应信号。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中机械耦合误差测试系统的测试设备昂贵、存在电信号干扰、测量精度低的技术问题。

Description

一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及石英音叉陀螺敏感结构误差信号测试技术领域，尤其涉及一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法。

背景技术

由于石英材料本身所固有的各向异性以及加工工艺误差的存在，石英音叉敏感结构总是不完全对称的，当石英音叉敏感结构作为角速率传感器如陀螺表头时，这种不对称性就会作为误差信号输出。也就是说，在敏感结构为对称结构的理想状态下，当外界沿角速率传感器输入轴的角速度为零时，敏感结构的两个驱动叉指在平面内做反相差模运动，不会存在面外运动。但现实情况下，敏感结构的不对称性导致两个驱动叉指在做面内反相差模运动的同时，也在面外存在一个反相的差模运动，这种运动通过结构耦合至检测叉指，形成虚假的角速率输出信号，这个虚假的角速率输出信号就是机械耦合误差信号。由于这个机械耦合误差信号同真实的角速率输出信号在相位上相差90°，因此也叫做正交误差信号。

机械耦合误差信号是角速率传感器的主要误差信号。当机械耦合误差较大时，有时甚至会引起电路饱和，对角速率传感器的精度会产生较大的影响。抑制机械耦合误差的方式有多种，例如在电路上采取措施进行一定程度的抑制，但更为有效的措施是通过结构修调工艺，精密调整敏感结构的质心，改善敏感结构的对称性，达到抑制机械耦合误差的目的。精确测量机械耦合误差，并将其作为输入信息提供给结构修调装置，是实现按修调策略进行定点、定量调整，抑制机械耦合误差的重要前提。

当前，国内外机械耦合误差的测试方法主要包括在光学测量方法和电信号测试方法。一方面，机械耦合误差在物理上的主要表现为检测叉指在面外的运动信息。因此，光学测量方法以此为理论基础，即采用激光干涉仪测量检测叉指的位移信息，位移幅值的大小同机械耦合误差的大小成正相关。另一方面，在敏感结构自身表面制备电极后，叉指的位移信号可转化为电荷或电容，通过外部检测电路将其转换为电压信号即可进行检测。因此，电信号测试方法以此为理论基础，即采用外部供电直接激励驱动叉指工作，通过电荷放大器等外围电路，采用电检测的方式即可测量驱动叉指因加工误差耦合到检测叉指上的运动信息，也即机械耦合误差。但是，以上两种测试方法目前均存在一些问题，在光学测量方法中，采用的测试设备较为昂贵，同时测试过程中必须保持探头同敏感结构的检测叉指垂直，垂度度直接影响信号强度，在激光修调过程中，激光头也同敏感结构表面垂直，修调设备不易将两者集成。在电信号测试方法中，驱动叉指的振动由外部电信号激励产生，驱动叉指电极表面为强信号，由于驱动和检测电极之间间距较小，驱动电极上的电压信号会干扰耦合至检测电极，叠加测量误差信号，最终影响机械耦合误差的准确测量。

发明内容

本发明提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法，能够解决现有技术中机械耦合误差测试系统的测试设备昂贵、存在电信号干扰、测量精度低的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统，误差测试系统包括：石英音叉陀螺表头、安装支架、至少一个机械振动单元、信号采集单元和控制单元，石英音叉陀螺表头与机械振动单元均设置在安装支架上；

机械振动单元用于产生机械振动并通过安装支架将机械振动传递给石英音叉陀螺表头，以使石英音叉陀螺表头产生振动并输出驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

信号采集单元与石英音叉陀螺表头连接，用于实时采集驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

控制单元与信号采集单元连接，用于根据驱动模态响应信号和检测模态响应信号，获取驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动单元的机械振动频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js，根据同一时刻下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，并根据机械耦合误差系数计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差。

进一步地，通过下式根据同一时刻下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数：

k＝A_js/A_qs，

其中，k是机械耦合误差系数。

进一步地，通过下式计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差：

A＝kA₁，

其中，A是机械耦合误差，A₁是石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的驱动模态的幅值。

进一步地，误差测试系统还包括信号发生装置，用于为机械振动单元加载激励信号以使机械振动单元产生机械振动。

进一步地，机械振动单元为压电陶瓷片。

进一步地，误差测试系统还包括测控电路，测控电路设置在石英音叉陀螺表头和信号采集单元之间，用于将驱动模态响应信号和检测模态响应信号放大和调理后传输至信号采集单元。

根据本发明的另一方面，提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试方法，误差测试方法包括：

利用安装支架上设置的机械振动单元产生机械振动并通过安装支架将机械振动传递给安装支架上设置的石英音叉陀螺表头，使石英音叉陀螺表头产生振动并输出驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

利用信号采集单元实时采集石英音叉陀螺表头输出的驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

利用控制单元根据驱动模态响应信号和检测模态响应信号，获取驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动单元的机械振动频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js，根据同一时刻下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，并根据机械耦合误差系数计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差。

进一步地，通过下式根据同一时刻下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数：

k＝A_js/A_qs，

其中，k是机械耦合误差系数；

通过下式计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差：

A＝kA₁，

其中，A是机械耦合误差，A₁是石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的驱动模态的幅值。

进一步地，机械振动单元为压电陶瓷片，利用信号发生装置为压电陶瓷片加载激励信号以使机械振动单元产生机械振动。

进一步地，该方法还包括：利用测控电路将驱动模态响应信号和检测模态响应信号放大和调理后传输至信号采集单元。

应用本发明的技术方案，提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法，该石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统通过在石英音叉陀螺表头的安装支架上设置机械振动单元，带动石英音叉陀螺表头振动，并利用信号采集单元获取石英音叉陀螺表头输出的驱动模态响应信号和检测模态响应信号，通过控制单元获取驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动频率，并利用同一时刻该机械振动频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，进而根据该机械耦合误差系数计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差。此测试系统利用机械激励装置代替了传统的电激励装置，改进了表头的外部振动激励方式，避免了电激励装置产生的电信号耦合干扰，能够显著提高机械耦合误差测量的精确度，同时，该测试系统结构简单，成本较低，易操作，能够实现机械耦合误差的低成本、精确测量。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中机械耦合误差测试系统的测试设备昂贵、存在电信号干扰、测量精度低的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、石英音叉陀螺表头；20、安装支架；30、机械振动单元；40、信号采集单元；50、信号发生装置；60、测控电路；70、激励信号。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统，误差测试系统包括：石英音叉陀螺表头10、安装支架20、至少一个机械振动单元30、信号采集单元40和控制单元，石英音叉陀螺表头10与机械振动单元30均设置在安装支架20上；

机械振动单元30用于产生机械振动并通过安装支架20将机械振动传递给石英音叉陀螺表头10，以使石英音叉陀螺表头10产生振动并输出驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

信号采集单元40与石英音叉陀螺表头10连接，用于实时采集驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

控制单元与信号采集单元40连接，用于根据驱动模态响应信号和检测模态响应信号，获取驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动单元30的机械振动频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js，根据同一时刻下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，并根据机械耦合误差系数计算石英音叉陀螺表头10在实际工作状态下的机械耦合误差。

本发明中，理想状态下，驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动单元30的机械振动频率等于石英音叉陀螺表头10的驱动模态谐振频率，在此频率下，石英音叉陀螺表头10处于驱动模态谐振状态。

应用此种配置方式，提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统，该石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统通过在石英音叉陀螺表头10的安装支架20上设置机械振动单元30，带动石英音叉陀螺表头10振动，并利用信号采集单元40获取石英音叉陀螺表头10输出的驱动模态响应信号和检测模态响应信号，通过控制单元获取驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动频率，并利用同一时刻该机械振动频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，进而根据该机械耦合误差系数计算石英音叉陀螺表头10在实际工作状态下的机械耦合误差。此测试系统利用机械激励装置代替了传统的电激励装置，改进了表头的外部振动激励方式，避免了电激励装置产生的电信号耦合干扰，能够显著提高机械耦合误差测量的精确度，同时，该测试系统结构简单，成本较低，易操作，能够实现机械耦合误差的低成本、精确测量。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中机械耦合误差测试系统的测试设备昂贵、存在电信号干扰、测量精度低的技术问题。

进一步地，通过下式根据同一时刻下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数：

k＝A_js/A_qs，

其中，k是机械耦合误差系数。

本发明中，机械耦合误差系数k是通过该机械耦合误差测试系统利用石英音叉陀螺表头10在谐振状态下同一时刻输出的驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算得到的数值。由于石英音叉陀螺表头10的驱动模态幅值与检测模态幅值的比值始终为k，因此根据实际工作状态下的驱动模态幅值，即可计算得到对应的检测模态幅值，也就是机械耦合误差。即通过下式计算石英音叉陀螺表头10在实际工作状态下的机械耦合误差：

A＝kA₁，

其中，A是机械耦合误差，A₁是石英音叉陀螺表头10在实际工作状态下的驱动模态的幅值。

作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，误差测试系统还包括信号发生装置50，用于为机械振动单元30加载激励信号70以使机械振动单元30产生机械振动。

进一步地，机械振动单元30为压电陶瓷片。压电陶瓷片能够将信号发生装置50提供的电信号转变为机械振动，并通过机械振动传递的方式，将石英音叉陀螺表头10的驱动模态谐振放大。测试时，信号发生装置50将激励信号70加载在压电陶瓷片上，使压电陶瓷片产生机械振动，并带动安装支架20振动，进而带动石英音叉陀螺表头10振动，当压电陶瓷片的机械振动频率等于石英音叉陀螺表头10的驱动模态谐振频率时，引起石英音叉陀螺表头10的驱动模态谐振，此时，如果石英音叉陀螺表头10存在机械耦合误差，会引起石英音叉陀螺表头10的输出检测模态的虚假角速率信息，通过外部的信号采集单元40，即可检测出谐振频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js，计算出机械耦合误差系数k，从而得到石英音叉陀螺表头10在实际工作状态下的机械耦合误差。为了获得驱动模态响应信号的最大幅值A_max1，调整激励信号70的频率，从而改变当压电陶瓷片的机械振动频率，当压电陶瓷片的机械振动频率等于石英音叉陀螺表头10的谐振频率时，石英音叉陀螺表头10产生驱动模态谐振，输出驱动模态响应信号的最大幅值A_max1。压电陶瓷片的数量根据实际需要进行选择，例如如图1所示，压电陶瓷片的数量为两个。考虑到压电陶瓷片的振动原理，激励信号70选用正弦交流信号，正弦交流信号的幅值根据实际需要进行选择，例如本发明中选用幅值为0.1～2V的正弦交流信号。

测试时，压电陶瓷片的机械振动频率越接近石英音叉陀螺表头10的谐振频率，测试精度越高。作为本发明的一个具体实施例，根据被测试石英音叉陀螺表头10的基本初始参数，选定初始频率筛选范围，通过采用频率扫描的方式，逐步缩小频率范围，最终得到与石英音叉陀螺表头10的谐振频率相等的振动频率。具体如下：

S1，以f_S0为第1轮频率扫描起始振动频率，以f₁为频率步长，以[f_S0，f_S0+f_max1]为频率调节范围，调节机械振动单元30的振动频率，得到驱动模态响应信号的第1轮最大幅值，对应的振动频率为第1轮频率扫描值f_s1；

S2，以第n-1轮频率扫描值f_S(n-1)为第n轮频率扫描起始振动频率，以f_n为频率步长，以[f_s(n-1)-f_maxn，f_s(n-1)+f_maxn]为频率调节机械振动单元30的振动频率，得到驱动模态响应信号的第n轮最大幅值，对应的振动频率为第n轮频率扫描值f_sn；

S3，判断第n轮最大幅值是否大于第n-1轮最大幅值，如果是，则转至S2，如果否，则第n-1轮频率扫描值f_n-1即为石英音叉陀螺表头10的谐振频率。

其中，n≥2，f_maxn为相对第n轮频率扫描起始振动频率的频率跨度，f_S0≥0，f_S(n-1)＞f_maxn＞0，0＜f_n＜f_n-1。

为了使振动频率无限趋近于石英音叉陀螺表头10的驱动模态谐振频率，提高机械耦合误差的测试精度，频率扫描轮数越多越好，扫描步长f_n越小越好。但在实际应用中，根据精度测量要求决定频率扫描轮数和扫描步长f_n的值。例如，作为本发明的一个具体实施例，通过两轮频率扫描获得驱动模态响应信号的最大幅值，对应的振动频率作为石英音叉陀螺表头10的谐振频率。首先，以5～30KHz为初始频率扫描范围，即以5KHz为第1轮频率扫描起始振动频率，以25KHz为相对第1轮频率扫描起始振动频率的频率跨度，以一定频率步长进行第1轮频率扫描，获得驱动模态响应信号的第1轮最大幅值，对应的振动频率为第1轮频率扫描值f_s1，然后以第1轮频率扫描值f_s1为第2轮频率扫描起始振动频率，以不大于25KHz的值作为相对第2轮频率扫描起始振动频率的频率跨度，如5Hz，以小于第1轮频率步长的值作为第2轮频率步长，进行第2轮频率扫描，获得驱动模态响应信号的第2轮最大幅值，对应的振动频率为第2轮频率扫描值f_s2，以两轮中驱动模态响应信号最大幅值对应的振动频率作为石英音叉陀螺表头10的谐振频率。

进一步地，误差测试系统还包括测控电路60，测控电路60设置在石英音叉陀螺表头10和信号采集单元40之间，用于将驱动模态响应信号和检测模态响应信号放大和调理后传输至信号采集单元40，同时信号采集单元40为测控电路60提供工作直流电压。

此外，作为本发明的一个具体实施例，信号发生装置50采用高精度数字/模拟采集卡。

根据本发明的另一方面，提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试方法，误差测试方法包括：

利用安装支架上设置的机械振动单元产生机械振动并通过安装支架将机械振动传递给安装支架上设置的石英音叉陀螺表头，使石英音叉陀螺表头产生振动并输出驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

利用信号采集单元实时采集石英音叉陀螺表头输出的驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

利用控制单元根据驱动模态响应信号和检测模态响应信号，获取驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动单元的机械振动频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js，根据同一时刻下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，并根据机械耦合误差系数计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差。

本发明中，理想状态下，驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动单元的机械振动频率等于石英音叉陀螺表头的驱动模态谐振频率，在此频率下，石英音叉陀螺表头处于驱动模态谐振状态。

应用此种方式，提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试方法，该测试方法利用机械振动单元带动石英音叉陀螺表头振动，并利用信号采集单元获取石英音叉陀螺表头输出的驱动模态响应信号和检测模态响应信号，通过控制单元获取驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动频率，并利用同一时刻该机械振动频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，进而根据该机械耦合误差系数计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差。此测试方法利用机械激励装置代替了传统的电激励装置，改进了表头的外部振动激励方式，避免了电激励装置产生的电信号耦合干扰，因此，能够显著提高机械耦合误差测量的精确度。

进一步地，通过下式根据同一时刻下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数：

k＝A_js/A_qs，

其中，k是机械耦合误差系数；

本发明中，机械耦合误差系数k是利用石英音叉陀螺表头在谐振状态下同一时刻输出的驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算得到的数值。由于石英音叉陀螺表头的驱动模态幅值与检测模态幅值的比值始终为k，因此根据实际工作状态下的驱动模态幅值，即可计算得到对应的检测模态幅值，也就是机械耦合误差。即通过下式计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差：

A＝kA₁，

其中，A是机械耦合误差，A₁是石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的驱动模态的幅值。

作为本发明的一个具体实施例，机械振动单元为压电陶瓷片，利用信号发生装置为压电陶瓷片加载激励信号以使机械振动单元产生机械振动。压电陶瓷片能够将信号发生装置提供的电信号转变为机械振动，并通过机械振动传递的方式，将石英音叉陀螺表头的驱动模态谐振放大。测试时，信号发生装置将激励信号加载在压电陶瓷片上，使压电陶瓷片产生机械振动，并带动安装支架振动，进而带动石英音叉陀螺表头振动，当压电陶瓷片的机械振动频率等于石英音叉陀螺表头的驱动模态谐振频率时，引起石英音叉陀螺表头的驱动模态谐振，此时，如果石英音叉陀螺表头存在机械耦合误差，会引起石英音叉陀螺表头的输出检测模态的虚假角速率信息，通过外部的信号采集单元，即可检测出谐振频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js，计算出机械耦合误差系数k，从而得到石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差。为了获得驱动模态响应信号的最大幅值A_max1，调整激励信号的频率，从而改变当压电陶瓷片的机械振动频率，当压电陶瓷片的机械振动频率等于石英音叉陀螺表头的谐振频率时，石英音叉陀螺表头10产生驱动模态谐振，输出驱动模态响应信号的最大幅值A_max1。压电陶瓷片的数量根据实际需要进行选择，作为本发明的一个具体实施例，压电陶瓷片的数量为两个。考虑到压电陶瓷片的振动原理，激励信号选用正弦交流信号，正弦交流信号的幅值根据实际需要进行选择，例如本发明中选用幅值为0.1～2V的正弦交流信号。

测试时，压电陶瓷片的机械振动频率越接近石英音叉陀螺表头的谐振频率，测试精度越高。作为本发明的一个具体实施例，根据被测试石英音叉陀螺表头的基本初始参数，选定初始频率筛选范围，通过采用频率扫描的方式，逐步缩小频率范围，最终得到与石英音叉陀螺表头的谐振频率相等的振动频率。具体如下：

S1，以f_S0为第1轮频率扫描起始振动频率，以f₁为频率步长，以[f_S0，f_S0+f_max1]为频率调节范围，调节机械振动单元的振动频率，得到驱动模态响应信号的第1轮最大幅值，对应的振动频率为第1轮频率扫描值f_s1；

S2，以第n-1轮频率扫描值f_S(n-1)为第n轮频率扫描起始振动频率，以f_n为频率步长，以[f_s(n-1)-f_maxn，f_s(n-1)+f_maxn]为频率调节机械振动单元的振动频率，得到驱动模态响应信号的第n轮最大幅值，对应的振动频率为第n轮频率扫描值f_sn；

S3，判断第n轮最大幅值是否大于第n-1轮最大幅值，如果是，则转至S2，如果否，则第n-1轮频率扫描值f_n-1即为石英音叉陀螺表头的谐振频率。

其中，n≥2，f_maxn为相对第n轮频率扫描起始振动频率的频率跨度，f_S0≥0，f_S(n-1)＞f_maxn＞0，0＜f_n＜f_n-1。

为了使振动频率无限趋近于石英音叉陀螺表头的驱动模态谐振频率，提高机械耦合误差的测试精度，频率扫描轮数越多越好，扫描步长f_n越小越好。但在实际应用中，根据实际情况决定频率扫描轮数和扫描步长f_n的值。例如，作为本发明的一个具体实施例，通过两轮频率扫描获得驱动模态响应信号的最大幅值，对应的振动频率作为石英音叉陀螺表头的谐振频率。首先，以5～30KHz为初始频率扫描范围，即以5KHz为第1轮频率扫描起始振动频率，以25KHz为相对第1轮频率扫描起始振动频率的频率跨度，以一定频率步长进行第1轮频率扫描，获得驱动模态响应信号的第1轮最大幅值，对应的振动频率为第1轮频率扫描值f_s1，然后以第1轮频率扫描值f_s1为第2轮频率扫描起始振动频率，以不大于25KHz的值作为相对第2轮频率扫描起始振动频率的频率跨度，如5Hz，以小于第1轮频率步长的值作为第2轮频率步长，进行第2轮频率扫描，获得驱动模态响应信号的第2轮最大幅值，对应的振动频率为第2轮频率扫描值f_s2，以两轮中驱动模态响应信号最大幅值对应的振动频率作为石英音叉陀螺表头的谐振频率。

此外，该方法还包括：利用测控电路将驱动模态响应信号和检测模态响应信号放大和调理后传输至信号采集单元，同时，利用信号采集单元为测控电路提供工作直流电压。

作为本发明的一个具体实施例，信号发生装置采用高精度数字/模拟采集卡。

综上所述，本发明提供了一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统及测试方法，该石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统通过在石英音叉陀螺表头的安装支架上设置机械振动单元，带动石英音叉陀螺表头振动，并利用信号采集单元获取石英音叉陀螺表头输出的驱动模态响应信号和检测模态响应信号，通过控制单元获取驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的机械振动频率，并利用同一时刻该机械振动频率下驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，进而根据该机械耦合误差系数计算石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差。此测试系统利用机械激励装置代替了传统的电激励装置，改进了表头的外部振动激励方式，避免了电激励装置产生的电信号耦合干扰，能够显著提高机械耦合误差测量的精确度，同时，该测试系统结构简单，成本较低，易操作，能够实现机械耦合误差的低成本、精确测量。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中机械耦合误差测试系统的测试设备昂贵、存在电信号干扰、测量精度低的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述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 (10)

1.一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试系统，其特征在于，所述误差测试系统包括：石英音叉陀螺表头(10)、安装支架(20)、至少一个机械振动单元(30)、信号采集单元(40)和控制单元，所述石英音叉陀螺表头(10)与所述机械振动单元(30)均设置在所述安装支架(20)上；

所述机械振动单元(30)用于产生机械振动并通过所述安装支架(20)将机械振动传递给所述石英音叉陀螺表头(10)，以使所述石英音叉陀螺表头(10)产生振动并输出驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

所述信号采集单元(40)与所述石英音叉陀螺表头(10)连接，用于实时采集所述驱动模态响应信号和所述检测模态响应信号；

所述控制单元与所述信号采集单元(40)连接，用于根据所述驱动模态响应信号和所述检测模态响应信号，获取所述驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的所述机械振动单元(30)的机械振动频率下所述驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和所述检测模态响应信号的实时幅值A_js，根据同一时刻下所述驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和所述检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，并根据所述机械耦合误差系数计算所述石英音叉陀螺表头(10)在实际工作状态下的机械耦合误差。

2.根据权利要求1所述的误差测试系统，其特征在于，通过下式根据同一时刻下所述驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和所述检测模态响应信号的实时幅值A_js计算所述机械耦合误差系数：

k＝A_js/A_qs，

其中，k是所述机械耦合误差系数。

3.根据权利要求2所述的误差测试系统，其特征在于，通过下式计算所述石英音叉陀螺表头(10)在实际工作状态下的机械耦合误差：

A＝kA₁，

其中，A是所述机械耦合误差，A₁是所述石英音叉陀螺表头(10)在实际工作状态下的驱动模态的幅值。

4.根据权利要求3所述的误差测试系统，其特征在于，所述误差测试系统还包括信号发生装置(50)，用于为所述机械振动单元(30)加载激励信号(70)以使所述机械振动单元(30)产生机械振动。

5.根据权利要求4所述的误差测试系统，其特征在于，所述机械振动单元(30)为压电陶瓷片。

6.根据权利要求5所述的误差测试系统，其特征在于，所述误差测试系统还包括测控电路(60)，所述测控电路(60)设置在所述石英音叉陀螺表头(10)和所述信号采集单元(40)之间，用于将所述驱动模态响应信号和所述检测模态响应信号放大和调理后传输至所述信号采集单元(40)。

7.一种石英音叉陀螺表头机械耦合误差测试方法，其特征在于，所述误差测试方法包括：

利用安装支架上设置的机械振动单元产生机械振动并通过所述安装支架将机械振动传递给所述安装支架上设置的石英音叉陀螺表头，使所述石英音叉陀螺表头产生振动并输出驱动模态响应信号和检测模态响应信号；

利用信号采集单元实时采集所述石英音叉陀螺表头输出的所述驱动模态响应信号和所述检测模态响应信号；

利用控制单元根据所述驱动模态响应信号和所述检测模态响应信号，获取所述驱动模态响应信号的最大幅值A_max1对应的所述机械振动单元的机械振动频率下所述驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和所述检测模态响应信号的实时幅值A_js，根据同一时刻下所述驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和所述检测模态响应信号的实时幅值A_js计算机械耦合误差系数，并根据所述机械耦合误差系数计算所述石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差。

8.根据权利要求7所述的误差测试方法，其特征在于，通过下式根据同一时刻下所述驱动模态响应信号的实时幅值A_qs和所述检测模态响应信号的实时幅值A_js计算所述机械耦合误差系数：

k＝A_js/A_qs，

其中，k是所述机械耦合误差系数；

通过下式计算所述石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的机械耦合误差：

A＝kA₁，

其中，A是所述机械耦合误差，A₁是所述石英音叉陀螺表头在实际工作状态下的驱动模态的幅值。

9.根据权利要求8所述的误差测试方法，其特征在于，所述机械振动单元为压电陶瓷片，利用信号发生装置为所述压电陶瓷片加载激励信号以使所述机械振动单元产生机械振动。

10.根据权利要求9所述的误差测试方法，其特征在于，该方法还包括：利用测控电路将所述驱动模态响应信号和所述检测模态响应信号放大和调理后传输至所述信号采集单元。

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