CN115060293B - 一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法。石英谐振子的快速起振采用快速起振装置实现；振动信号的采集采用非接触式方式，对采集到振动信号进行滤波处理；滤波之后得到石英谐振子的工作模态振动信号；振动信号的解算首先对石英谐振子的工作模态振动信号进行解调以获得石英谐振子工作模态振动信号的幅值包络信息；根据幅值包络信息的特性提取两个信息点；最后根据两个信息点计算石英谐振子的衰减时间。本发明的优点和有益效果是：实现了石英谐振子的快速起振；减少了数据采集与处理量；实现了衰减时间的快速获取；测试重复性好。

Description

一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法

技术领域

本发明涉及惯性元件中的谐振陀螺测试技术，尤其是涉及一种石英谐振子衰减时间的快速获取方法，适用于低阻尼高Q值石英谐振子的测试。

背景技术

哥氏振动陀螺（Coriolis Vibratory Gyroscope, CVG）基于哥氏效应敏感角速度，通过利用谐振子振动时产生的驻波进动代替转子的高速转动，避免了机械摩擦，因而从根本上减小了漂移误差，具有较高精度。谐振子是壳体振动陀螺的核心部件，其性能好坏直接决定了陀螺的性能。谐振子的Q值（品质因数）是谐振陀螺的关键性能参数之一，表示为衰减时间常数τ、谐振子工作模态频率、常数π三者的乘积。衰减时间常数τ越大则Q值越高，表示谐振子的振动阻尼越小，陀螺的标度因数越大，分辨率越好。在陀螺生产的各个工艺环节均需要频繁测试谐振子的衰减时间常数τ，从而评价各工艺环节所引入的阻尼大小。因此准确并快速测试谐振子的衰减时间常数是十分有必要的。

传统的获取时间常数的方法是找到输出信号曲线的包络线，求出各频率点幅值数组的平均值，幅值数组每一项均减去这个平均值而得到一个新的数组，对新数组进行希尔伯特变换后在进行平方运算，然后减去未经过希尔伯特变换而直接进行平方运算的数组，又得到一个新的数组。对新数组进行开平方根运算，得到的数组记为Y。创建一个和新数组对应的时间间隔为dt的数组，记为X，例如0，dt，2dt，3dt…。通过最小绝对残差方法进行指数拟合，计算出衰减值即是时间常数。这种计算方法，在数据量较大时，存在计算速度慢，准确率较低的缺点，影响测试效率及准确性。

谐振子的振动模态是一种四波幅振动模态，由于材料、加工等因素对谐振子对称性的干扰，导致谐振子存在两个互相成45°的振动刚性轴，分别对应石英谐振子工作模态频率的极大值和极小值。在刚性轴方向的工作模态振动频率为极大或者极小频率，自由振动时呈现指数衰减，而非刚性轴方向的工作模态自由振动为两个衰减振动的叠加。采用拟合方法测试衰减时间时，需要准确找到刚性轴方位，而由于半球谐振子阻尼较小，衰减时间较长，想要准确找到刚性轴方位并不容易，再根据大量数据进行拟合更加耗费时间。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法。该方法包括石英谐振子的快速起振、振动信号的采集以及振动信号解算。该方法也是一种在任意位置均可测试石英谐振子衰减时间的计算方法，由此节省了判断刚性轴方位的时间。采用该方法减少了数据处理量，提高了测试效率，实现衰减时间又快又准测试。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法有如下步骤：

第一步、石英谐振子的快速起振

所述石英谐振子的快速起振采用快速起振装置，将所述石英谐振子通过所述快速起振装置的转接夹持工装固定在所述快速起振装置的转台上，通过所述转台调节石英谐振子转动至不同的测试位置，所述快速起振装置上的电控小型敲击锤快速撞击石英谐振子。

第二步、振动信号的采集

所述振动信号的采集采用非接触式方式，所采集到的原信号是所述石英谐振子在自由衰减状态下的振动信号，所述振动信号的幅值为采集并输出的电压值，电压大小与石英谐振子的振幅大小成正比，对采集到振动信号进行滤波处理；滤波之后得到石英谐振子的工作模态振动信号；

第三步、振动信号的解算

所述振动信号的解算首先对所述石英谐振子的工作模态振动信号进行正弦波幅度解调以获得所述石英谐振子工作模态振动信号的幅值包络信息；根据幅值包络信息的特性提取两个信息点；最后根据两个信息点计算石英谐振子的衰减时间。

本发明的优点和有益效果是：（1）实现了石英谐振子的快速起振；（2）减少了数据采集与处理量；（3）实现了衰减时间的快速获取；（4）测试重复性好。

附图说明

图1是本发明石英谐振子的快速起振装置结构图；

图2是本发明石英谐振子的快速起振时输入脉冲冲击信号图；

图3是本发明敲击石英谐振子频域信号图；

图4是本发明石英谐振子振动原信号图；

图5 是本发明石英谐振子工作模态振动频率图；

图6 是本发明石英谐振子工作模态振动信号及其幅值包络信息图；

图7 是本发明石英谐振子振动刚性轴方向工作模态振动信号图；

图8 是本发明石英谐振子振动刚性轴方向解调后的信号及测试点的选取图；

图9 是本发明石英谐振子非振动刚性轴方向工作模态振动信号图；

图10是本发明石英谐振子非刚性轴方向解调后的信号及测试点的选取图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例：如图1所示，本方法采用的快速起振装置包括电控小型敲击锤5、二轴平移台4，转台3及转接夹持工装2；电控小型敲击锤5固定在二轴平移台4上用于调节电控小型敲击锤与石英谐振子1的相对位置；石英谐振子1通过转接夹持工装2安装在转台3上。电控小型敲击锤5采用铝杆加工而成，与石英谐振子1接触的电控小型敲击锤端部加工成圆形小敲击头以避免敲击时对工件的损坏。电控小型敲击锤5的尺寸和材料由石英谐振子1的尺寸、材料、工作频率决定。

一种石英谐振子衰减时间的快速获取方法有如下步骤：

第一步、石英谐振子的快速起振

石英谐振子的快速起振通过快速起振装置实现。将石英谐振子1通过快速起振装置的转接夹持工装固定在快速起振装置的转台上，通过转台调节石英谐振子转动至不同的测试位置，快速起振装置上的电控小型敲击锤快速撞击石英谐振子。将快速起振装置放置在真空度高于1.0E-2Pa的真空环境中，石英谐振子处在电控小型敲击锤敲击行程的最大值处，通过信号发生器产生电路脉冲信号控制电控小型敲击锤端部的圆形小敲击头快速撞击石英谐振子并弹回，进一步通过调节输入脉冲电压的大小及持续时间来调节电控小型敲击锤敲击时的冲击力和石英谐振子振动幅值大小。

机械冲击在时域上表现为与输入电路脉冲信号相似的冲击脉冲信号如图2所示，敲击频域信号则表现为含有各频率的激励信号如图3所示。石英谐振子由于阻尼较小，具有很好的选频作用，石英谐振子各阶模态的振动均迅速被激励起来，石英谐振子在不和其它物体接触的情况下振动，振动信号中既包含快速衰减的低频模态信号和高频模态振动信号，也包含衰减较慢的工作模态振动信号，振动原信号的时域信号如图4所示。

第二步、振动信号的采集

振动信号的采集采用非接触式方式，信号采集在敲击信号给出之后进行，所采集到的原信号是石英谐振子在自由衰减状态下的振动信号，振动信号的幅值为采集并输出的电压值，电压大小与石英谐振子的振幅大小成正比，振动信号采集频率范围是20kHz-100kHz，振动信号采集频率随石英谐振子的工作模态频率变化而设定；对于石英谐振子位于非刚性轴处的测试，振动信号的连续采集时间至少大于信号中出现两个相邻的峰的时间；对于石英谐振子位于刚性轴处的测试，振动信号的连续采集时间大于1min。对采集到振动信号采用FIR带通滤波器进行滤波处理；石英谐振子的工作频率在带通滤波器的通带范围内，石英谐振子的除工作模态以外的其它模态频率在带通滤波器的通带范围外；滤波之后得到石英谐振子的工作模态振动信号。

本实施例中的振动信号的采集采用基于激光多普勒效应的激光测振系统进行，可以避免影响真实信号，有利于获得更准确的衰减时间值。当敲击石英谐振子起振后开始测试，测试时激光对准石英谐振子振幅较大的位置，并在测试采集信号时保持激光与石英谐振子上的测试点相对位置不变，激光测振仪的输出电压信号与石英谐振子的振幅信号成正比。本实施例中，#01石英谐振子的工作模态频率为5273.5Hz；#02石英谐振子的工作模态频率为4763Hz；因此设定振动信号采集频率为40.96kHz。

将激光测振系统采集到的原信号进行滤波，滤波器设置为FIR带通滤波器，频带设置为2500Hz-6400Hz，得到石英谐振子的工作模态振动信号。由于石英谐振子的测试位置为随机选取，因此，最终得到的工作模态振动信号有可能是幅值包络信息单调衰减的信号，这表明激光测振仪测试点与石英谐振子的刚性轴重合。石英谐振子#01的工作模态振动信号如图7所示。

石英谐振子的工作模态振动信号也有可能是幅值包络信息在高低起伏中衰减的信号, 这表明测试点与石英谐振子的振动刚性轴不重合。石英谐振子#02的工作模态振动信号如图9所示。石英谐振子#02的工作模态振动信号进行FFT变换所得到的工作模态振动频率如图5所示。

第三步、振动信号的解算

振动信号的解算首先对石英谐振子的工作模态振动信号进行正弦波幅度解调，以获得所述石英谐振子工作模态振动信号的幅值包络信息；根据包络信息的特性提取两个信息点；最后根据两个信息点计算石英谐振子的衰减时间。

对于石英谐振子非刚性轴处的测试得到石英谐振子工作模态振动信号的两个特殊的信息点，也叫做极值点；最后根据石英谐振子工作模态振动信号的两个极值点计算石英谐振子的衰减时间；对于石英谐振子刚性轴处的测试得到石英谐振子任意两个幅值包络信息点，最后根据两个幅值包络信息点计算石英谐振子的衰减时间。

幅值包络信息点的横坐标设为采样时间点数组，纵坐标设为幅值包络数组。若石英谐振子的安装测试位置为非刚性轴位置，则通过软件程序采用数值比较方法在幅值包络信息中提取两个极大值点，两个极大值点的坐标分别为 (t1，A1)和(t2，A2)；若石英谐振子的安装测试位置恰好为刚性轴位置，则任意选取两个幅值包络信息点坐标分别为(t1，A1)和(t2，A2)，根据以下公式计算石英谐振子的衰减时间τ：

式中：t为信号采集时间点，A为幅值包络信息中的振动幅值。

对得到石英谐振子的工作模态振动信号进行正弦波幅度解调，得到工作模态振动信号的幅值包络信息并以坐标的形式展示出来，石英谐振子的工作模态振动信号及其幅值包络信息如图6所示。#01石英谐振子振动刚性轴方向的工作模态振动信号解调后的信号如图8所示。选取#01石英谐振子工作模态振动信号的任意两个信息点分别为(1.15,3.725)和(3.68,3.184)，信号采集时间为5min；依照以上衰减时间τ的计算公式计算得到#01石英谐振子的工作模态振动信号衰减时间为967.3s。

#02石英谐振子非振动刚性轴方向的工作模态振动信号解调后的信号如图10所示。本实施例通过Matlab程序提取出信号中的极大值点，选取#02石英谐振子工作模态振动信号的任意两个极大值的坐标分别为(1.65,7.393)和(3.97,6.744)，信号采集时间为5min；依照以上衰减时间τ的计算公式计算得到#02石英谐振子的工作模态振动信号衰减时间为1515s。

本实施例分别对#01石英谐振子和#02石英谐振子进行反复敲击测试10次，测试重复性均在5%以内，重复性较好，验证了本方法的可靠性。在实际操作过程中可测试2-3个结果并取平均值来确定石英谐振子的衰减时间值。

Claims (6)

1.一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法，其特征在于，所述快速获取方法有如下步骤：

第一步、石英谐振子的快速起振

所述石英谐振子的快速起振采用快速起振装置，将所述石英谐振子通过所述快速起振装置的转接夹持工装固定在所述快速起振装置的转台上，通过所述转台调节石英谐振子转动至不同的测试位置，所述快速起振装置上的电控小型敲击锤快速撞击石英谐振子；

第二步、振动信号的采集

所述振动信号的采集采用非接触式方式，所采集到的原信号是所述石英谐振子在自由衰减状态下的振动信号，所述振动信号的幅值为采集并输出的电压值，电压大小与石英谐振子的振幅大小成正比，对采集到振动信号进行滤波处理；滤波之后得到石英谐振子的工作模态振动信号；

第三步、振动信号的解算

所述振动信号的解算首先对所述石英谐振子的工作模态振动信号进行正弦波幅度解调以获得所述石英谐振子工作模态振动信号的幅值包络信息；根据幅值包络信息的特性提取两个信息点；最后根据两个信息点计算石英谐振子的衰减时间；

在第三步的振动信号的解算中，所述幅值包络信息点的横坐标设为采样时间点数组，纵坐标设为幅值包络数组，若石英谐振子的安装测试位置为非刚性轴位置，则通过软件程序采用数值比较方法在幅值包络信息中提取两个极大值点，两个极大值点的坐标分别为(t1，A1)和(t2，A2)；若石英谐振子的安装测试位置恰好为刚性轴位置，则任意选取两个信息点坐标分别为(t1，A1)和(t2，A2)，根据以下公式计算石英谐振子的衰减时间τ：

式中：t为信号采集时间点，A为幅值包络信息中的振动幅值。

2.根据权利要求1所述的一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法，其特征在于，所述快速起振装置包括电控小型敲击锤、二轴平移台，转台及转接夹持工装；所述电控小型敲击锤固定在所述二轴平移台上用于调节电控小型敲击锤与所述石英谐振子的相对位置；石英谐振子通过所述转接夹持工装安装在所述转台上。

3.据权利要求2所述的一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法，其特征在于，所述电控小型敲击锤采用铝杆加工而成，与石英谐振子接触的电控小型敲击锤端部加工成圆形小敲击头以避免敲击时对工件的损坏。

4.根据权利要求2所述的一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法，其特征在于，将所述快速起振装置放置在真空度高于1.0E-2Pa的真空环境中，所述石英谐振子处在电控小型敲击锤敲击行程的最大值处，通过信号发生器产生电路脉冲信号控制所述电控小型敲击锤端部的圆形小敲击头快速撞击所述石英谐振子并弹回，进一步通过调节输入脉冲电压的大小及持续时间来调节所述电控小型敲击锤敲击时的冲击力和所述石英谐振子振动幅值大小。

5.根据权利要求1所述的一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法，其特征在于，在第二步的振动信号的采集中，对所述采集到振动信号采用FIR带通滤波器进行滤波处理，所述石英谐振子的工作频率在带通滤波器的通带范围内，石英谐振子的除工作模态以外的其它模态频率在带通滤波器的通带范围外。

6.根据权利要求5所述的一种石英谐振子衰减时间常数的快速获取方法，其特征在于，所述振动信号采集频率范围是20kHz-100kHz，所述振动信号采集频率随石英谐振子的工作模态频率变化而设定；对于石英谐振子位于非刚性轴处的测试，所述振动信号的连续采集时间至少大于信号中出现两个相邻的峰的时间；对于石英谐振子位于刚性轴处的测试，所述振动信号的连续采集时间大于1min。

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