CN115615463B - 一种半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于哥氏振动陀螺技术领域，具体涉及一种半球谐振陀螺质量‑刚度联合修调方法，包括如下步骤：通过去除质量的方式，进行谐振子频率裂解修调；测试谐振子轴向刚度分布，并计算刚度均匀度；通过划槽的方式，在测试的刚度分布最大位置进行材料去除，并使谐振子刚度均匀；测试谐振子的频率裂解，若满足频率裂解要求，则质量‑刚度联合修调结束，若不满足频率裂解要求，则返回重复执行第一步骤。本发明通过质量‑刚度联合修调，使得质量与刚度解耦，并提高了半球谐振陀螺质量与刚度均匀性，从而提高半球谐振陀螺阻尼分布均匀性。

Description

一种半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法

技术领域

本发明属于哥氏振动陀螺技术领域，具体涉及一种半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法。

背景技术

半球谐振陀螺仪是一种高精度、高可靠和长寿命的新型固态陀螺仪，其核心器件为熔石英材料半球谐振子。由于材料不均匀和加工误差的存在，半球谐振子结构存在质量、刚度不均匀分布，具体表现为多阶模态的频率裂解和品质因数不对称，从而使半球谐振陀螺产生进动漂移，严重制约半球谐振陀螺性能提升。因此，需要对加工后的半球谐振子进行去量修调，实现两模态频率匹配。

根据频率与质量刚度的关系，频率修调可采用质量扰动与刚度扰动的方式实现。现有技术中CN108613686B，一种振动陀螺自动化修调方法，文中给出求得谐振子频率裂解的方法，但文中修调半球谐振子频率裂解，采用质量去除方案，通过减小局部质量实现频率改变，进而实现模态匹配。该方案，仅考虑了频率的修调效果，忽略了刚度分布的均匀性。现有技术中CN114894173A，一种质量刚度解耦环式MEMS谐振器结构及修调方法，文中给出了求得低频刚性轴位置的方法，虽然提及了质量刚度解耦，但并未给出在完成相应刚度的修调后，其如何去除质量的扰动，其属于刚度的修调范畴。而通过大量的试验研究表明，质量及刚度分布均匀性对半球谐振陀螺阻尼分布均匀性有重要影响，因此不可忽略。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种质量-刚度联合修调方案，实现模态匹配的同时，兼顾刚度分布均匀性。

本发明提供了一种半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，包括如下步骤：

S1.通过去除质量的方式，进行谐振子频率裂解修调；

S2.测试步骤S1所得谐振子轴向刚度分布，并计算刚度均匀度；

S3.通过划槽的方式，在步骤S2测试的刚度分布最大位置进行材料去除，并测试谐振子的刚度均匀度，若满足刚度均匀度要求，则执行S4，若不满足刚度均匀度要求，则返回执行S2；

S4.测试S3所得谐振子的频率裂解，若满足频率裂解要求，则质量-刚度联合修调结束，若不满足频率裂解要求，则返回重复执行S1。

根据本发明提供的步骤S1中的去除质量的方式为通过侧壁开设去除材料的槽。

根据本发明提供的步骤S1中进行谐振子频率裂解修调的方法包括如下步骤：

S11.测试谐振子的频率裂解及刚性轴位置；

S12.在步骤S11所得谐振子低频刚性轴位置，通过侧壁开设去除材料的槽去除质量；

S13.测试谐振子的频率裂解，若满足质量均匀要求，则谐振子频率裂解修调结束，若不满足质量均匀要求，则返回重复执行S11。

根据本发明提供的步骤S2中测试谐振子轴向刚度分布，并计算刚度均匀度的方法包括如下步骤：

S21.在谐振子的一周内上划分间隔N度多个均匀的测试点i，i=1,2,3,...,n；

S22.在步骤S21所得测试点i利用静电激励方式，给定激励力F，激励谐振子使其稳 定振动在谐振频率，检测谐振子的振幅

；

S23.切断步骤S22的静电激励方式，采用衰减法测试

值，

为谐振子品质因数；

S24.计算测试点i的刚度：

其中：i=1,2,3,...,n，

为测试点i的刚度。

S25.计算刚度均匀度：

其中

为刚度最大测试点的刚度值，

为刚度最小测试点的刚度值。

根据本发明提供的步骤S21中间隔N为3~5。

根据本发明提供的步骤S22中检测谐振子的振幅

是采用电容检测方式。

根据本发明提供的步骤S3中划槽的方式为在谐振子唇沿处开半豁口。

根据本发明提供的所述半豁口为开放式槽。

根据本发明提供的步骤S3中去除材料的大小为

去除材料的长度h ₂ 为0.5~2mm，去除材料的宽度l ₂ 为0.1~0.5mm，去除材料的深度为：

其中：

为刚度敏感系数。

根据本发明提供的刚度敏感系数

通过仿真求得。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明通过质量-刚度联合修调，使得质量与刚度解耦，并提高了半球谐振陀螺质量与刚度均匀性，从而提高半球谐振陀螺阻尼分布均匀性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明方式一的材料去除方式示意图，h ₁ 、l ₁ 、t ₁ 分别代表去除方式一所示形状的长宽深；

图2是本发明方式二的材料去除方式示意图，h ₂ 、l ₂ 、t ₂ 分别代表去除方式二所示形状的长宽深。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本发明修调方案采用两种去除方式进行修调，如图1所示方式一通过在谐振子侧壁去除材料，也就是通过侧壁开设去除质量的槽的方式去除质量，此种情况谐振子的局域质量减小且与去除尺寸（h ₁ /l ₁ /t ₁ ）成线性关系，局域刚度变化可忽略不计，该去除方式用于实现谐振子频率裂解修调。如图2方式二通过在谐振子唇沿处开半豁口（即划槽）的形式去除材料，也就是在通过端部开设质量刚度解耦的开放式槽的方式解耦刚度，此种情况谐振子的局域质量与刚度均会减小且与去除尺寸（h ₂ /l ₂ /t ₂ ）成正相关，该去除方式用于实现谐振子的刚度修调，利用方式一修掉方式二引起的质量变化，进而实现质量-刚度解耦修调。

本修调方案，首先需测试谐振子的频率裂解以及低频刚性轴位置，利用方式一在低频刚性轴位置去量修调频率裂解，使之满足预定指标。

测试谐振子周向刚度分布。根据谐振子稳态下激励力与振幅对应关系有：

(1)

其中：A为谐振子稳态振幅，F为激励力，Q为谐振子品质因数（Q值），k谐振子激励位置等效刚度。

那么，在给定激励情况下，通过测试谐振子一周的振幅以及Q值，即可计算出谐振子周向刚度分布。

利用方式二在刚度分布最大位置进行材料去除，去除形状尺寸根据以下公式合理规划：

(2)

其中：

为谐振子周向最大刚度与最小刚度差，代表刚度均匀度；h ₂ 、l ₂ 、t ₂ 分别代 表去除方式二所示形状的长宽深；

代表刚度敏感系数，可通过仿真与实验求得，

为刚 度最大测试点的刚度值，

为刚度最小测试点的刚度值。

此时频率裂解值会一定程度变差，重复上述过程，直至频率裂解值及刚度均匀度

满足预定指标。

实施例：

本发明提出的质量-刚度联合修调方案具体可按如下步骤实施：

S1. 测试谐振子的频率裂解及刚性轴位置，在谐振子低频刚性轴位置，通过侧壁开设去除质量的槽的方式，进行谐振子频率裂解修调，使之满足指标要求，并去除了质量的扰动。本例中应用现有技术中去除质量的方式完成修调频率裂解的方法，计算并确定h ₁ 、l ₁ 、 t ₁ ，其中h ₁ 、l ₁ 、t ₁ 分别代表去除方式一所示形状的长宽深，按照相应的形状尺寸及位置将材料去除（如图1所示）。

S2. 测试谐振子轴向刚度分布，在谐振子的一周每隔3~5°进行如下测试：

利用静电激励方式，给定激励力F，激励谐振子使之稳定振动在谐振频率，采用电 容检测方式检测谐振子的振幅

；切断激励，采用衰减法测试

值，并按如下公式计算每 个位置刚度：

(3)

其中：i=1,2,3,...,n。

并计算刚度均匀度：

(4)

S3. 通过端部开设质量刚度解耦槽的方式，在刚度分布最大位置进行材料去除（如图2所示），去除形状尺寸根据以下原则规划：

根据

值大小，h ₂ 一般取0.5~2mm，l ₂ 一般取0.1~0.5mm，然后按根据式(2)有：

(5)

其中：刚度敏感系数

通过仿真求得。

修调完成后测试谐振子的刚度均匀度，若满足刚度均匀度要求，则执行S4，若不满足刚度均匀度要求，则返回执行S2；

S4. 重复步骤S1~S3，直至频率裂解值及刚度均匀度

满足指标要求即可认为修 调结束。

通过质量-刚度联合修调，使得质量与刚度解耦，并提高了半球谐振陀螺质量与刚度均匀性，从而提高半球谐振陀螺阻尼分布均匀性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1. 通过去除质量的方式，进行谐振子频率裂解修调；

S2. 测试步骤S1所得谐振子轴向刚度分布，并计算刚度均匀度，其包括如下步骤：

S21.在谐振子的一周内上划分间隔N度多个均匀的测试点i，i=1,2,3,...,n；

S22.在步骤S21所得测试点i利用静电激励方式，给定激励力F，激励谐振子使其稳定振动在谐振频率，检测谐振子的振幅

；

S23.切断步骤S22的静电激励方式，采用衰减法测试

值，/>

为谐振子品质因数；

S24.计算测试点i的刚度，

其中：i=1,2,3,...,n，

为测试点i的刚度；

S25.计算刚度均匀度：

其中

为刚度最大测试点的刚度值，/>

为刚度最小测试点的刚度值；

S3. 通过划槽的方式，在步骤S2测试的刚度分布最大位置进行材料去除，并测试谐振子的刚度均匀度，若满足刚度均匀度要求，则执行S4，若不满足刚度均匀度要求，则返回执行S2，其中去除材料的大小为：

去除材料的长度h ₂ 为0.5~2mm，去除材料的宽度l ₂ 为0.1~0.5mm，去除材料的深度

为:

其中：

为刚度敏感系数；

S4. 测试S3所得谐振子的频率裂解，若满足频率裂解要求，则质量-刚度联合修调结束，若不满足频率裂解要求，则返回重复执行S1。

2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，其特征在于，步骤S1中的去除质量的方式为通过侧壁开设去除材料的槽。

3.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，其特征在于，步骤S1中进行谐振子频率裂解修调的方法包括如下步骤：

S11.测试谐振子的频率裂解及刚性轴位置；

S12.在步骤S11所得谐振子低频刚性轴位置，通过侧壁开设去除材料的槽去除质量；

S13. 测试谐振子的频率裂解，若满足质量均匀要求，则谐振子频率裂解修调结束，若不满足质量均匀要求，则返回重复执行S11。

4.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，其特征在于，步骤S21中间隔N为3~5。

5.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，其特征在于，步骤S22中检测谐振子的振幅

是采用电容检测方式。

6.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，其特征在于，刚度敏感系数

通过仿真求得。

7.根据权利要求1-6任一项所述的半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，其特征在于，步骤S3中划槽的方式为在谐振子唇沿处开半豁口。

8.根据权利要求7所述的半球谐振陀螺质量-刚度联合修调方法，其特征在于，所述半豁口为开放式槽。

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