CN115248051A - 一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置及方法，包括真空腔、测振夹具、激光测振仪和锁相放大器；所述真空腔的上端设有与Z轴垂直的玻璃窗口，所述真空腔上还设有电路接口，所述真空腔还连接有真空泵；所述测振夹具包括底座、转台、工装、支撑柱、PCB板、光阑和定位销，所述激光测振仪设于所述真空腔的外侧且该激光测振仪的激光光路依次通过所述玻璃窗口、弧顶测振通孔或边缘测振通孔后聚焦于谐振子上，所述激光测振仪与锁相放大器连接。本发明使用光阑即可快速确定激光测振仪聚焦位置，而无需专门为激光测振仪设计复杂的伺服控制机构和程序，且无需再采用解调滤波等后置电路和程序。

Description

一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置及方法

技术领域

本发明涉及陀螺谐振子技术领域，更具体地说，特别涉及一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置及方法。

背景技术

微半球谐振陀螺是一种新型的振动式陀螺，是受传统高性能半球谐振陀螺启发发展而成，采用与之类似的全对称的三维壳体结构设计。微半球谐振陀螺在有望继承传统半球谐振陀螺高性能的同时，又兼具微机电陀螺体积小、功耗低的特点，成本方面更是远远低于传统半球谐振陀螺，因此成为目前微陀螺领域研究的重点。

理想谐振子应为旋转对称结构，即圆周方向上质量分布处处均匀。而由于工艺误差和材料缺陷，谐振子难以实现完全旋转对称，其质量的不平衡分布导致谐振子工作于谐振状态时能量损耗增大、支撑阻尼分布不均匀、对环境振动噪声更加敏感，造成陀螺输出漂移，严重影响陀螺的精度。因此，谐振子质量不平衡的测量及修调是提升陀螺性能的重要技术。但现有的文献和专利大多数停留在四次谐波修调，即通过测量N＝2模态频率裂解来进行四次谐波的表征与修调，对于一次、二次、三次谐波仍然无法处理。仅有公开号为CN108844555A的发明专利公开一种(金属材料)圆柱壳体陀螺谐振子的不平衡质量的确定方法及系统，公开号为CN113686489A的发明专利公开一种半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置及方法，上述两种方案有望解决圆柱壳体陀螺和半球谐振陀螺谐振子的一次、二次、三次谐波的测量问题。但这两种方案难以直接运用于微半球陀螺谐振子不平衡质量的测量，这与谐振子几何结构的不同有关。

传统宏观的半球谐振陀螺和圆柱壳体陀螺的谐振子均采用精密车削、磨削等机械加工工艺制成，其几何结构包含旋转对称的三维壳体与中心支撑杆两部分，其中谐振子处于谐振状态时，三维壳体受载荷驱动产生弹性驻波，而支撑杆则与基座固定保持相对静止。而作为一种微陀螺，微半球谐振陀螺的谐振子当前主流的制备方法为高温吹制平面玻璃基板的热成型法，谐振子为整体大曲率薄壁状。即整个谐振子为三维曲面形态，谐振时整个三维曲面共同跟随弹性驻波振动，而没有静止的支撑杆结构。几何设计的区别，使得现有的不平衡质量测量装置和方法无法直接运用于微半球谐振子。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置，包括真空腔、测振夹具、激光测振仪和锁相放大器；

所述真空腔的上端设有与Z轴垂直的玻璃窗口，所述真空腔上还设有电路接口，所述真空腔还连接有真空泵；

所述测振夹具包括底座、转台、工装、支撑柱、PCB板、光阑和定位销，所述底座固定在真空腔内，所述支撑柱的下端与底座固定连接，所述支撑柱的上端用于支撑所述光阑，所述转台装配于底座上，旋转轴与Z轴平行；所述工装安装于转台上；所述PCB板通过电路接口与锁相放大器连接且用于激励谐振子，所述PCB板与谐振子一同放置于工装上；所述光阑设有一个中心通孔、多个均匀分布的弧顶测振通孔以及多个均匀分布的边缘测振通孔，所述定位销放置于中心通孔内并与谐振子中心凹陷处配合；

所述激光测振仪设于所述真空腔的外侧且该激光测振仪的激光光路依次通过所述玻璃窗口、弧顶测振通孔或边缘测振通孔后聚焦于谐振子上，所述激光测振仪与锁相放大器连接。

进一步地，所述定位销为活动件,该定位销通过与谐振子、光阑的装配确定谐振子与光阑的相对位置。

进一步地，所述弧顶测振通孔和边缘测振通孔均为8个，所述弧顶测振通孔与边缘测振通孔的对称中心均为中心通孔的圆心，且每条通过中心通孔的圆心与每个边缘测振通孔的圆心的直线都分别经过对应的弧顶测振通孔的圆心。

进一步地，所述激光测振仪具有X-Y两轴位移自由度，该X-Y两轴位移自由度用于调整激光光路使激光可以聚焦于谐振子的不同位置。

本发明还提供一种根据上述的微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置的方法，包括以下步骤：

S1、将装置进行安装，并将待测谐振子与PCB板进行连接；

S2、取任一径向上的一对弧顶测振通孔和边缘测振通孔记为1号，按照角度相邻的规则其余各对分别为2-8号，调整激光测振仪的光路，使光路通过1号边缘测振通孔圆心聚焦至谐振子的边缘平面，使用锁相放大器进行扫频，获取谐振子的N＝2模态低频、高频两个模态固有频率ω₁和ω₂，并判断低频模态驻波波腹方位θ；

S3、控制转台带动谐振子旋转θ度，再进行扫频，扫频曲线仅包括一个谐振峰，且该谐振峰的谐振频率为低频模态固有频率ω₁，记录激振频率为ω₁时谐振子边缘的振幅A₁，调整激光测振仪位置，使光路通过1号弧顶测振通孔聚焦于谐振子弧顶，进行扫频，得到谐振峰振幅B₁；

S4、分别调整激光测振仪的位置，使光路依次通过2-4号边缘测振通孔和弧顶测振通孔圆心聚焦于谐振子边缘和弧顶并进行扫频，依次在2-4号边缘测振通孔处得到谐振峰振幅A₂、A₃、A₄以及弧顶测振通孔处得到谐振峰振幅B₂、B₃、B₄；或保持激光测振仪对准1号边缘测振通孔和弧顶测振通孔的方位，控制转台进行三次旋转，每次旋转45度，且每次旋转后，分别通过1号边缘测振通孔和弧顶测振通孔聚焦并扫频，三次分别得到谐振峰振幅A₂、A₃、A₄以及弧顶测振通孔处得到谐振峰振幅B₂、B₃、B₄；

S5、根据步骤S4测得激振频率为ω₂时谐振子边缘振幅A₂、A₄和谐振子弧顶的振幅B₂、B₄，以及激振频率为ω₁时谐振子边缘振幅A₁、A₃和谐振子弧顶的振幅B₁、B₃计算质量不平衡各阶谐波的幅值和方位。

进一步地，所述步骤S5的计算方法包括：

S51、将各组A_i和B_i代入：

得出a,b,c,d；

S52、将a,b,c,d代入以下公式得到质量不平衡一次谐波的幅值m₁、一次谐波的方位

以及三次谐波的幅值m₃、三次谐波的方位

S53、将A_i和B_i代入以下公式得到质量不平衡二次谐波的幅值m₂、二次谐波的方位

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置及方法，测量前无需对谐振子进行任何的频率修调预处理，可以实现对微半球陀螺谐振子不平衡质量的无损测量，设计了适用于微半球谐振子的测振夹具，借助光阑即可快速确定激光测振仪聚焦位置，本发明将谐振子弧顶的面外振动信号进行解耦，直接计算得到谐波分布信息，无需再采用解调滤波等后置电路和程序。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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是本发明微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置的结构示意图。

图2是本发明中测振夹具的结构示意图。

图中：真空腔1、测振夹具2、激光测振仪3、锁相放大器4、真空泵5、玻璃窗口10、电路接口11、底座20、支撑柱21、PCB板22、光阑23、定位销24、转台25、工装26。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1和图2所示，本实施例公开了一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置，包括真空腔1、测振夹具2、激光测振仪3和锁相放大器4。

所述真空腔1的上端设有与Z轴垂直的玻璃窗口10，真空腔1上还设有电路接口11，真空腔1还连接有真空泵5，真空泵5可以使真空腔内保持稳定真空度(5～10Pa)，真空腔1内设有用于固定测振夹具2。

所述测振夹具2包括底座20、转台25、工装26、支撑柱21、PCB板22、光阑23和定位销24，底座20固定在真空腔1内，支撑柱21的下端通过螺纹与底座20固定连接，支撑柱21的上端用于支撑光阑23，可以通过调节支撑柱21螺纹旋紧情况，保持光阑23与Z轴垂直，所述转台25装配于底座上20，旋转轴与Z轴平行；所述工装26安装于转台25上。

所述PCB板22与谐振子一同放置于工装26顶部端面并胶粘固定，PCB板22通过电路接口11与锁相放大器4连接，用于接收锁相放大器4的信号，为谐振子提供驱动载荷。

所述光阑23采用亚克力或玻璃等透明材质便于观察测振情况，光阑23设有1个中心通孔、8个均匀分布的弧顶测振通孔230以及8个均匀分布的边缘测振通孔231，其中弧顶测振通孔230与边缘测振通孔231的对称中心皆为中心通孔圆心，且其圆周方位角一一对应形成8对测振通孔，即每条过中心通孔圆心与每个边缘测振通孔圆心的直线都分别经过对应的弧顶测振通孔圆心。

所述定位销24为活动件，定位销24放置于中心通孔内并与谐振子中心凹陷处配合，以保持谐振子与光阑23同轴。该定位销24通过与谐振子、光阑23的装配确定谐振子与光阑23的相对位置。

激光测振仪3包括X-Y两轴位移自由度，该X-Y两轴位移自由度用于调整激光光路使激光可以聚焦于谐振子的不同位置。

所述激光测振仪3设于所述真空腔1的外侧，激光光路与Z轴平行，激光测振仪3的激光光路依次所述玻璃窗口10、弧顶测振通孔或边缘测振通孔后聚焦于谐振子上，以获取谐振子的振动信号，激光测振仪3与锁相放大器4连接，以采集谐振子的振动信号。采集到的电压幅值(V)乘以激光测振仪位移灵敏度(nm/V)，即可得出激光焦点处振幅(nm)。

所述锁相放大器4放置于真空腔外，用以向PCB板输出频率、载荷等激振信号，并输入采集的激光测振仪测量的振动信息。

本发明还提供一种根据上述的微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置的方法，包括以下步骤：

步骤S1、将装置进行安装，并将待测谐振子与PCB板22进行连接。

具体的，将待测谐振子与PCB板22进行引线，使两者电路连通。将光阑23放置于待测谐振子及PCB板22上方，使用定位销24从光阑23中心通孔放入并与谐振子中心凹陷处配合，实现光阑于谐振子的同轴定位。将PCB板22与工装26顶端面胶粘固连。在真空腔1内固定测振夹具底座20。将PCB板22的电路接口通过真空腔电路接口11与锁相放大器4输出端连通，将激光测振仪3与锁相放大器4输入端连通。

步骤S2、取任一径向上的一对弧顶测振通孔和边缘测振通孔记为1号，按照角度相邻的规则其余各对分别为2-8号，调整激光测振仪3的光路，使光路通过1号边缘测振通孔圆心聚焦至谐振子的边缘平面，使用锁相放大器4进行扫频，获取谐振子的N＝2模态低频、高频两个模态固有频率ω₁和ω₂，并判断低频模态驻波波腹方位θ。

步骤S3、控制转台25带动谐振子旋转θ度，再进行扫频，扫频曲线仅包括一个谐振峰，且该谐振峰的谐振频率为低频模态固有频率ω₁，记录激振频率为ω₁时谐振子边缘的振幅A₁。调整激光测振仪位置，使光路通过1号弧顶测振通孔聚焦于谐振子弧顶，进行扫频，得到谐振峰振幅B₁。

步骤S4、分别调整激光测振仪3的位置，使光路依次通过2-4号边缘测振通孔和弧顶测振通孔圆心聚焦于谐振子边缘和弧顶并进行扫频，依次在2-4号边缘测振通孔处得到谐振峰振幅A₂、A₃、A₄以及弧顶测振通孔处得到谐振峰振幅B₂、B₃、B₄；或保持激光测振仪3对准1号边缘测振通孔和弧顶测振通孔的方位，控制转台25进行三次旋转，每次旋转45度，且每次旋转后，分别通过1号边缘测振通孔和弧顶测振通孔聚焦并扫频，三次分别得到谐振峰振幅A₂、A₃、A₄以及弧顶测振通孔处得到谐振峰振幅B₂、B₃、B₄。

步骤S5、根据步骤S4测得激振频率为ω₂时谐振子边缘振幅A₂、A₄和谐振子弧顶的振幅B₂、B₄，以及激振频率为ω₁时谐振子边缘振幅A₁、A₃和谐振子弧顶的振幅B₁、B₃计算质量不平衡各阶谐波幅值和方位。

所述计算方法具体包括：

步骤S51、将各组A_i和B_i代入：

得出a,b,c,d；

步骤S52、将a,b,c,d代入以下公式得到质量不平衡一次谐波的幅值m₁、一次谐波的方位

以及三次谐波的幅值m₃、三次谐波的方位

步骤S53、将A_i和B_i代入以下公式得到质量不平衡二次谐波的幅值m₂、二次谐波的方位

本发明解决了没有支撑杆的情况下谐振子不平衡质量的确定问题。测量前无需对谐振子进行任何的频率修调预处理，可以实现对微半球陀螺谐振子不平衡质量的无损测量。

本发明设计了适用于微半球谐振子的测振夹具，使用光阑即可快速确定激光测振仪聚焦位置，后续修调工艺采用激光烧蚀或离子束刻蚀工艺等，也可以直接用该测振夹具进行加工，而无需取出谐振子并另行设计修调加工夹具。

本发明基于运动解耦方法，将谐振子弧顶的面外振动信号进行解耦，直接计算得到谐波分布信息，无需再采用解调滤波等后置电路和程序。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置，其特征在于，包括真空腔、测振夹具、激光测振仪和锁相放大器；

所述真空腔的上端设有与Z轴垂直的玻璃窗口，所述真空腔上还设有电路接口，所述真空腔还连接有真空泵；

所述测振夹具包括底座、转台、工装、支撑柱、PCB板、光阑和定位销，所述底座固定在真空腔内，所述支撑柱的下端与底座固定连接，所述支撑柱的上端用于支撑所述光阑，所述转台装配于底座上，旋转轴与Z轴平行；所述工装安装于转台上；所述PCB板通过电路接口与锁相放大器连接并用于激励谐振子，所述PCB板与谐振子一同放置于工装上；所述光阑设有一个中心通孔、多个均匀分布的弧顶测振通孔以及多个均匀分布的边缘测振通孔，所述定位销放置于中心通孔内并与谐振子中心凹陷处配合；

所述激光测振仪设于所述真空腔的外侧且该激光测振仪的激光光路依次通过所述玻璃窗口、弧顶测振通孔或边缘测振通孔后聚焦于谐振子上，所述激光测振仪与锁相放大器连接。

2.根据权利要求1所述的微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置，其特征在于，所述定位销为活动件，该定位销通过与谐振子、光阑的装配确定谐振子与光阑的相对位置。

3.根据权利要求1所述的微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置，其特征在于，所述弧顶测振通孔和边缘测振通孔均为8个，所述弧顶测振通孔与边缘测振通孔的对称中心均为中心通孔的圆心，且每条通过中心通孔的圆心与每个边缘测振通孔的圆心的直线都分别经过对应的弧顶测振通孔的圆心。

4.根据权利要求1所述的微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置，其特征在于，所述激光测振仪具有X-Y两轴位移自由度，该X-Y两轴位移自由度用于调整激光光路使激光可以聚焦于谐振子的不同位置。

5.一种根据权利要求2-4任意一项所述的微半球陀螺谐振子不平衡质量确定装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将装置进行安装，并将待测谐振子与PCB板进行连接；

S2、取任一径向上的一对弧顶测振通孔和边缘测振通孔记为1号，按照角度相邻的规则其余各对分别为2-8号，调整激光测振仪的光路，使光路通过1号边缘测振通孔圆心聚焦至谐振子的边缘平面，使用锁相放大器进行扫频，获取谐振子的N＝2模态低频、高频两个模态固有频率ω₁和ω₂，并判断低频模态驻波波腹方位θ；

S3、控制转台带动谐振子旋转θ度，再进行扫频，扫频曲线仅包括一个谐振峰，且该谐振峰的谐振频率为低频模态固有频率ω₁，记录激振频率为ω₁时谐振子边缘的振幅A₁,调整激光测振仪位置，使光路通过1号弧顶测振通孔聚焦于谐振子弧顶，进行扫频，得到谐振峰振幅B₁；

S4、分别调整激光测振仪的位置，使光路依次通过2-4号边缘测振通孔和弧顶测振通孔圆心聚焦于谐振子边缘和弧顶并进行扫频，依次在2-4号边缘测振通孔处得到谐振峰振幅A₂、A₃、A₄以及弧顶测振通孔处得到谐振峰振幅B₂、B₃、B₄；或保持激光测振仪对准1号边缘测振通孔和弧顶测振通孔的方位，控制转台进行三次旋转，每次旋转45度，且每次旋转后，分别通过1号边缘测振通孔和弧顶测振通孔聚焦并扫频，三次分别得到谐振峰振幅A₂、A₃、A₄以及弧顶测振通孔处得到谐振峰振幅B₂、B₃、B₄；

S5、根据步骤S4测得激振频率为ω₂时谐振子边缘振幅A₂、A₄和谐振子弧顶的振幅B₂、B₄，以及激振频率为ω₁时谐振子边缘振幅A₁、A₃和谐振子弧顶的振幅B₁、B₃计算质量不平衡各阶谐波的幅值和方位。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S5的计算方法包括：

S51、将各组A_i和B_i代入：

得出a,b,c,d；

S52、将a,b,c,d代入以下公式得到质量不平衡一次谐波的幅值m₁、一次谐波的方位

以及三次谐波的幅值m₃、三次谐波的方位

S53、将A_i和B_i代入以下公式得到质量不平衡二次谐波的幅值m₂、二次谐波的方位

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