CN115752413A - 一种谐振子激励装置、q值测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种谐振子激励装置、Q值测试装置及方法。谐振子激励装置包括夹持装置和激励组件，夹持装置用于弹性夹持谐振子；激励组件包括激励信号发生器和压电激励材料，激励装置通过压电激励材料的振动来带动夹持装置振动，实现谐振子轴向振动。本发明提出的激励装置与粘贴压电电极的驱动方式不同，不需要布置测试电极，结构及实现过程简单；同时设置压电激励材料包裹在夹持座外圈，通过夹持装置振动使谐振子采用全振模式轴向振动，不需要直接敲击谐振子球面，极大程度降低激励过程对谐振子的损伤；保证谐振子在加工全流程可以有效激励和进行Q值测试，可以在同一装置实现静态、动态激励与检测。

Description

一种谐振子激励装置、Q值测试装置及方法

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，更具体地，涉及一种谐振子激励装置、Q值测试装置及方法。

背景技术

陀螺仪作为测量旋转物体角速度或角加速度的惯性测量元件，是惯性导航与组合导航系统中不可或缺的部分，被广泛应用于工业控制、航空航天、汽车自动驾驶、消费类电子和军事领域。其中半球谐振陀螺仪(Hemispherical Resonator Gyroscope,HRG)已被证明是惯性级的固体波动陀螺，拥有惯性级精度，和超高的稳定性与工作寿命，引起世界各国惯性导航界的高度重视。理论上HRG精度不受限于尺寸，具有很强的潜力实现高精度、小型化、自动化生产，因此，当前国际上以批量化生产HRG为目标的研发单位/企业逐年增多。

半球谐振陀螺的核心敏感部件是半球谐振子，其利用半球谐振子的振动特性来进行转速和转角的测量。半球谐振子的性能可以用品质因数(Quality factor，简称Q值)来衡量。Q值是关键指标，直接影响着HRG的精度；提高半球谐振子的Q值能够有效提高HRG的信噪比、灵敏度和衰减时间等。半球谐振子结构特征为硬脆薄壁结构，尺寸精密度要求高，工序繁多，从毛坯加工、研磨抛光、热处理、化学抛光及化学修形等工艺，每个工艺均会影响谐振子的Q值。

目前国内的Q值测量方法不多，测量装置不够成熟，属于技术空白领域。检测方法有采用静电测试的，通过检测谐振子与电极间的电容变化，得到谐振子的位移变化信息，主要测试的是谐振子的频域响应。静电测试的缺点是电容的耦合效应会影响测试结果，同时由于谐振子通常是绝缘材料，需对其表面进行金属化，这会引入一定的损耗和误差；采用压电测试的，属于机械驱动方式，需配合激光多普勒测振仪，主要测试的是谐振子的时域响应。压电测试方案没有电容耦合效应和金属化损耗，通常采用的粘贴压电电极的驱动方式，但需要布置测试电极，设备相对复杂；或者在水平方向设置激励头带动谐振子振动，但这样直接敲击谐振子球面，极大程度降低激励过程对谐振子的损伤，无法实现全振模式轴向振动。

HRG生产过程中，半球谐振子的Q值测试贯穿始终，针对现有技术，急需一种精密的Q值测试装置，能够适用于谐振子的全工艺流程，以提高测试精度，检验每个工艺完成后的效果，实现各处理工艺中半球谐振子的质量判定与筛选。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提供一种谐振子激励装置、Q值测试装置和测试方法，解决现有技术中激励方法及Q值测试装置存在的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种谐振子的激励装置，包括：夹持装置和激励组件，其中，

所述夹持装置用于弹性夹持谐振子；

所述激励组件包括激励信号发生器和压电激励材料，其中，

所述激励信号发生器为所述压电激励材料提供用于带动所述压电激励材料振动的激励信号，所述压电激励材料设置在所述夹持装置上，与所述夹持装置相接触。

优选的，所述压电激励材料为压电陶瓷材料。

优选的，所述夹持装置包括夹持头、夹持座和夹持固定器，

所述夹持头为中空柱体，其内部空腔用于夹持谐振子的中心轴杆，其外侧设有所述夹持固定器，用于对其和谐振子进行夹持固定，其底侧与所述夹持座上端相连，

所述夹持座外侧用于设置所述压电激励材料，

其中，所述夹持头采用弹性材料制作。

优选的，所述激励装置还包括旋转平台，所述旋转平台用于放置所述夹持装置，带动所述夹持装置旋转。

更优选的，所述旋转平台上加装有导电滑环。

优选的，所述激励装置还包括真空装置，用于调节谐振子所处环境的真空度。

一种谐振子的Q值测试装置，所述测试装置包括上述任一方案所述的激励装置，还包括激光发生器、信号采集器，

所述激光发生器用于发出打向谐振子的激光信号，所述信号采集器用于采集谐振子反射的激光信号。

优选的，所述测试装置还装有具有调试光斑聚焦功能的光学镜头。

一种谐振子的Q值测试方法，采用上述任一方案所述的Q值测试装置进行谐振子的Q值测试，所述测试方法包括步骤：

步骤S1，所述夹持装置夹持待测谐振子；

步骤S2，所述激励信号发生器发出激励信号，通过所述压电激励材料以及所述夹持装置带动谐振子轴向振动；

步骤S3，所述激光发生器发出激光信号打向谐振子；

步骤S4，所述信号采集器采集谐振子反射的激光信号；

步骤S5，根据所述激光信号，获得谐振子的Q值。

优选的，所述激励信号为振动信号，

还包括步骤：通过步骤S4中的激光信号采集谐振子的时域振动频率、振幅信息，测试频差。

本发明的有益效果为：

1)提出谐振子压电激励方法，设置压电激励材料包裹在夹持座外圈，通过夹持装置振动使谐振子采用全振模式轴向振动，以保证谐振子在加工全流程可以有效激励和进行Q值测试；

2)本装置不需要布置测试电极，结构及实现过程简单；

3)本装置不需要敲击谐振子球面，极大程度降低激励过程对谐振子的损伤；

4)通过控制激励信号即可灵活调整振动的幅度和频率；

5)可以实现不同真空度下谐振子的Q值测试；

6)可以在同一装置实现静态、动态激励与检测；

7)本装置还可以测试谐振子的频率裂解。

附图说明

为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的一种实施方式中谐振子激励装置主视图；

图2为本发明的一种实施方式中谐振子激励装置侧视图；

图3为本发明的一种实施方式中的夹持装置结构示意图；

图4为采用本发明的一种实施方式的谐振子Q值测试装置结构示意图；

图5为采用本发明的一种实施方式获得的谐振子Q值测试结果图；

图6为采用本发明的一种实施方式获得的Q值测试数据处理图；

图7为采用本发明的一种实施方式获得的谐振子频率裂解图。

附图标记如下：1、谐振子；2、夹持装置；2-1、夹持头；2-2、夹持固定器；2-3、夹持座；3、拧紧螺丝；4、固定轴；5、导电滑环；6、旋转平台；7、旋转平台控制器；8、压电陶瓷；9、电气连接装置；10、旋钮；11、真空罐；12、测振仪；13、控制中心。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，以便于本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所列举的实施例不作为本发明的限定，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，其中相同的部件用相同的附图标记表示。

在一种具体实施方式中，本发明的谐振子激励装置包括夹持装置、激励组件，夹持装置用于弹性夹持谐振子，激励组件包括激励信号发生器和压电激励材料。激励装置用于输出振动信号，激励谐振子启振，例如：引起压电激励材料振动，带动整个谐振子轴向振动，完成谐振子的激励。

优选的，夹持装置包括夹持头、夹持座和夹持固定器，夹持头为中空柱体，其内部空腔用于夹持谐振子的中心轴杆，其外侧设有夹持固定器，用于对其和谐振子进行夹持固定，其底侧与夹持座上端相连，夹持座外侧用于设置压电激励材料，其中，夹持头采用弹性材料制作。

下面结合图1-4，说明本发明几种更为优选的实施例。

在一种实施例中，本发明的谐振子激励装置包括夹持装置2、激励组件。

夹持装置2用于弹性夹持谐振子1，夹持装置2包括上部的夹持头2-1，下部的夹持座2-3；夹持头弹性夹住谐振子的中心轴杆。优选的，夹持装置2还包括夹持固定器2-2，夹持固定器2-2为拧紧螺丝3。

激励组件包括激励信号发生器和压电激励材料8，激励信号发生器可以设置激励信号振动频率与幅度。

优选的，压电激励材料8包裹在夹持座2-3的外圈，激励信号发生器和压电激励材料通过线路连接。

优选的，压电激励材料8采用压电陶瓷材料。

优选的，激励装置底座设置旋转平台6；更优选的，激励装置底座通过固定轴4设置旋转平台6，旋转平台6配有旋转平台控制器7，旋转平台控制器7包括旋钮10、电气连接装置9，可以通过手动调节旋转旋钮10或者通过旋转平台控制器7的控制器控制旋转平台6旋转或自转，用于实现Q值得动态测量。更优选的，旋转平台6上面加装一圈导电滑环5，用于实现谐振子的动态测量。

优选的，激励装置内置于可调真空度的装置，用于降低Q值测量过程中的空气阻尼损耗，实现不同真空度的测试。更优选的，可调真空度的装置为真空罐11。

优选的，激励装置还包括控制中心13，用于对激励组件进行信号控制。

下面结合图1-4，说明本发明几种更为优选的实施例。

在一种实施例中，本发明的谐振子Q值测试装置，包括本发明的激励装置以及激光发生器、信号采集器。

激励装置用于激励谐振子启振，激光发生器用于发出激光打向谐振子某个部位，信号采集器采集谐振子反射的激光信号。

在一种实施方式中，优选的，激励信号发生器和/或信号采集器内置于测振仪12。

更优选的，Q值测试装置加装一组光学镜头，能够调试光斑聚焦，加强信号特征。

在采用上述激励装置或者Q值测试装置对测试谐振子的Q值时，可以通过下面优选的实施方式进行实现。

在一种具体的实施方式中，激励装置输出振动信号，引起压电激励材料振动，带动整个谐振子轴向振动，从而完成谐振子的激励。谐振子振动时，激光发生器发出激光打向谐振子某个部位，激励装置采集到谐振子表面反射的激光信号，通过该激光信号采集谐振子的时域振动频率、振幅，测试其频差，获得谐振子的Q值。优选的，所述激励装置可为内置激励信号发生器和/或信号采集器的测振仪。更优选的，所述测振仪为激光测振仪。

在一种更为具体的实施方式中，可以采用如下步骤对谐振子进行Q值测试：

S11：通过夹持装置夹持待测谐振子，连接激励材料与压电激励装置；

S22：关闭真空罐，抽真空至测试所需要的真空度；

S33：打开激光发生器，射向谐振子表面，调整激光光斑至最小；

S44：压电激励装置输出激励信号，通过激光测振仪测试谐振子四波腹谐振频率f'；

S55：将所述激励信号频率设为f'，对谐振子激励，当谐振子起振稳定后，关闭激励信号，激光测振仪采集激励前、中、后谐振子的激励及衰减过程，输出衰减时间下的幅值和振动频率对应的幅值拟合曲线；

S66：根据Q值计算公式获得该测试谐振子Q值。

更为优选的一种实施方式中，测试动态Q值时，启动旋转平台，激光在谐振子不同表面反射，从而测试谐振子动态状态下的Q值。

图5-7则为采用本发明的谐振子激励装置、Q值测试装置或者方法，得到的Q值测试结果，图5展示了激励过程的幅值变化曲线。激励前，谐振子呈静止状态，幅值为0，激励后，谐振子的幅值迅速加大，达到最高；激励后，谐振子的幅值逐渐下降。通过幅值变化，即可得到谐振子的Q值。图7展示了该测试谐振子的频率裂解情况，图中有2个明显的峰，两个峰的差值即谐振子的频差。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种谐振子的激励装置，其特征在于，包括：夹持装置和激励组件，其中，

所述夹持装置用于弹性夹持谐振子；

所述激励组件包括激励信号发生器和压电激励材料，其中，

所述激励信号发生器为所述压电激励材料提供用于带动所述压电激励材料振动的激励信号，所述压电激励材料设置在所述夹持装置上，与所述夹持装置相接触。

2.根据权利要求1所述的谐振子的激励装置，其特征在于，所述压电激励材料为压电陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的谐振子的激励装置，其特征在于，所述夹持装置包括夹持头、夹持座和夹持固定器，

所述夹持头为中空柱体，其内部空腔用于夹持谐振子的中心轴杆，其外侧设有所述夹持固定器，用于对其和谐振子进行夹持固定，其底侧与所述夹持座上端相连，

所述夹持座外侧用于设置所述压电激励材料，

其中，所述夹持头采用弹性材料制作。

4.根据权利要求1所述的谐振子的激励装置，其特征在于，还包括旋转平台，所述旋转平台用于放置所述夹持装置，带动所述夹持装置旋转。

5.根据权利要求4所述的谐振子的激励装置，其特征在于，所述旋转平台上加装有导电滑环。

6.根据权利要求1所述的谐振子的激励装置，其特征在于，所述激励装置还包括真空装置，用于调节谐振子所处环境的真空度。

7.一种谐振子的Q值测试装置，其特征在于，所述测试装置包括如权利要求1-6任一项所述的激励装置，还包括激光发生器、信号采集器，

所述激光发生器用于发出打向谐振子的激光信号，所述信号采集器用于采集谐振子反射的激光信号。

8.根据权利要求7所述的谐振子的Q值测试装置，其特征在于，所述测试装置还装有具有调试光斑聚焦功能的光学镜头。

9.一种谐振子的Q值测试方法，其特征在于，采用权利要求7中所述的Q值测试装置进行谐振子的Q值测试，其特征在于，所述测试方法包括步骤：

步骤S1，所述夹持装置夹持待测谐振子；

步骤S2，所述激励信号发生器发出激励信号，通过所述压电激励材料以及所述夹持装置带动谐振子轴向振动；

步骤S3，所述激光发生器发出激光信号打向谐振子；

步骤S4，所述信号采集器采集谐振子反射的激光信号；

步骤S5，根据所述激光信号，获得谐振子的Q值。

10.根据权利要求9所述的谐振子的Q值测试方法，其特征在于，

所述激励信号为振动信号，

还包括步骤：通过步骤S4中的激光信号采集谐振子的时域振动频率、振幅信息，测试频差。

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