CN115752518A - 基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置及方法，装置包括转台、叉指电极、锥面反射镜和激光测振仪，叉指电极固定安装，谐振子竖向设置在转台上，叉指电极与谐振子的唇沿相配合，向谐振子施加振动激励信号；锥面反射镜和谐振子同轴设置，且锥面反射镜的反射面环绕谐振子的被测端外表面设置；激光测振仪的检测端朝向锥面反射镜和谐振子，用于向谐振子的被测端端面施加扫描激光、并根据谐振子的被测端端面的反馈激光检测谐振子的2次谐波误差，还用于通过锥面反射镜向谐振子的被测端柱面垂直施加扫描激光、并根据锥面反射镜返回的反馈激光检测谐振子的1次谐波误差和3次谐波误差。本发明对谐振子无接触测试，且测试误差小。

Description

基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置及方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，更具体地，涉及一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置及方法。

背景技术

谐振子是半球谐振陀螺的惯性质量部分，用于产生陀螺效应，决定了半球谐振陀螺的主要振动特性。谐振子结构形式为“Ψ”型轴对称结构，由内外半球面及中心支撑杆组成，下支撑杆为固定约束面；采用熔融石英玻璃加工成型，内外球面抛光处理，并保证其趋于完美的对称性，半球谐振陀螺要求谐振子工作在n=2（环向波数）时的振型，其特征是球壳做四波腹四波节弹性振动，支撑杆保持相对静止，呈现一个驻波的状态。

由于半球谐振子在加工过程中不可避免存在工艺误差，因而实际制作成型的半球谐振子不可能是理想的轴对称形状。这些误差以谐振子的环向刚度不均匀、密度不均匀、环向形位尺寸不均匀等形式体现出来。将谐振子的壁厚误差按各次谐波分量展开，可以得到谐振子的几种壁厚类型。其中一次谐波误差壁厚近似偏心圆，二次谐波误差壁厚近似椭圆，三次谐波误差壁厚近似三棱圆，四次谐波误差壁厚近似四棱圆。1～4次谐波影响谐振子的频率裂解、支撑损耗及振动环境下陀螺仪的输出特性，尤其是1~3次谐波，是需要进行辨识与修调的。

目前，现有技术相关文献资料中涉及的1～3次谐波的辨识方法主要有两种：一种是基于接触型的压电方法进行测振辨识的，对于微弱振动的检测，接触测量会影响本征的振动，带来测试误差；另一种是利用单点的激光测振仪进行振动的检测，操作步骤较复杂，且不能对支撑杆的整体振动行为进行测试，影响测试结果准确性。

因此，有必要设计一种测试误差更小的测试装置及测试方法，以解决现有技术的测试步骤复杂、精度不高的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置及方法，其对被测谐振子进行无接触测试，测试步骤简单、测试误差小、精度高。

根据本发明的第一方面，提供了一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，包括转台、叉指电极、锥面反射镜和激光测振仪，所述叉指电极固定安装，被测的谐振子竖向设置在所述转台上，所述叉指电极与所述谐振子的唇沿相配合，用于向谐振子施加振动激励信号；所述锥面反射镜和谐振子同轴设置，且所述锥面反射镜的反射面环绕谐振子的被测端外表面设置；所述激光测振仪的检测端朝向所述锥面反射镜和谐振子，用于向谐振子的被测端端面施加扫描激光、并根据所述谐振子的被测端端面返回的反馈激光检测谐振子的2次谐波误差，还用于通过所述锥面反射镜向谐振子的被测端柱面垂直施加扫描激光、并根据所述锥面反射镜返回的反馈激光检测谐振子的1次谐波误差和3次谐波误差。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述谐振子包括同轴设置的半球罩与支撑杆，所述支撑杆贯穿所述半球罩并与半球罩一体式连接，所述支撑杆竖向设置，所述支撑杆的上端作为谐振子的被测端，所述半球罩的唇沿朝下设置，所述叉指电极通过电极座固定设置在所述半球罩的唇沿下方。

可选的，所述锥面反射镜的反射面与谐振子的轴线之间夹角为45°。

可选的，该装置还包括三维可调平台和反射镜支架，所述反射镜支架固定安装在三维可调平台上，所述反射镜支架用于安装所述锥面反射镜。

可选的，所述转台的旋转平面水平设置，所述转台的轴心处设有夹具，所述夹具用于夹持被测谐振子。

根据本发明的第二方面，基于上述的装置，还提供一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法，包括：

将被测谐振子竖向安装，向谐振子的唇沿上某一激励点施加振动激励信号，直到谐振子起振；

垂直向谐振子的支撑杆柱面施加第一扫描激光、直到完成谐振子的全周向扫描，根据谐振子的支撑杆柱面反馈激光得到谐振子的径向振动信号；沿谐振子的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的径向振动信号；根据多个径向振动信号解算谐振子的1次谐波误差和3次谐波误差；

垂直向谐振子的支撑杆端面施加第二扫描激光、直到形成环形扫描轨迹，根据谐振子的支撑杆端面反馈激光得到谐振子的轴向振动信号；沿谐振子的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的轴向振动信号；根据多个轴向振动信号解算谐振子的2次谐波误差。

可选的，所述垂直向谐振子的支撑杆柱面施加第一扫描激光、直到完成谐振子的全周向扫描，根据谐振子的支撑杆柱面反馈激光得到谐振子的径向振动信号；沿谐振子的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的径向振动信号；根据多个径向振动信号解算谐振子的1次谐波误差和3次谐波误差；包括：

向锥面反射镜输出第一扫描激光，使得第一扫描激光的环形扫描轨迹半径大于谐 振子支撑杆的端面半径；第一扫描激光经锥面反射镜反射后，垂直施加到谐振子的支撑杆 柱面形成柱面环形扫描轨迹，谐振子的支撑杆柱面反馈激光原路返回、形成谐振子的径向 振动信号

；

沿谐振子的周向依次更新唇沿上的激励点，得到n个激励点对应的径向振动信号

、

、…、

，

为每个特定激励点的角度位 置，取

；

假设柱面环形扫描轨迹所在的平面为x轴和y轴正交形成的平面，根据公式（1）~（2）进行1次谐波以及3次谐波相对误差及位置的解算：

（1），

（2），

公式（1）~（2）中，A为谐振子四波腹振型的振幅，

为谐振子的角谐振频率，

为径向振动信号在x轴的振动分量，

为径向振动信号在y轴的振动 分量，

为谐振子第1次谐波分量的位置，

为第3次谐波分量的位置，

为谐振子第 1次谐波分量的相对误差，

为谐振子第3次谐波分量的相对误差，

为谐振子支撑杆 振幅

与x轴的夹角，n≥4。

可选的，所述垂直向谐振子的支撑杆端面施加第二扫描激光、直到形成端面环形扫描轨迹，根据谐振子的支撑杆端面反馈激光得到谐振子的轴向振动信号；沿谐振子的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的轴向振动信号；根据多个轴向振动信号解算谐振子的2次谐波误差；包括：

向谐振子的支撑杆端面输出第二扫描激光，使得第二扫描激光形成的端面环形扫 描轨迹半径小于谐振子支撑杆的端面半径，且端面环形扫描轨迹相对于谐振子支撑杆的轴 心对称；支撑杆端面的反馈激光原路返回、形成谐振子的轴向振幅信号

；

沿谐振子的周向依次更新唇沿上的激励点，得到n个激励点对应的径向振动信号

、

、…、

，

为每个特定激励点的角 度位置，取

；

定义谐振子的轴向为z向，根据公式（3）进行2次谐波相对误差及位置的解算：

（3），

公式（3）中，A为谐振子四波腹振型的振幅，

为谐振子的角谐振频率，

为轴向振幅信号在z向的振幅，

为谐振子第2次谐波分量的位置，

为谐振子第2次谐 波分量的相对误差。

本发明提供的基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置及方法，实现了谐振子支撑杆微振动的非接触测量，实时进行支撑杆整体振动行为的测量，有效进行1～3次谐波误差的辨识，提升了测量精度，测量步骤简单，可简化1～3次谐波误差辨识流程，满足后续1～3次谐波误差修调工艺要求。相比于现有技术，本发明的装置结构简单，便于工艺流程化；采用锥面反射镜将谐振子径向的振动转化为设定的检测平面内的振动，便于二维扫描激光测振仪的检测，也可直接对谐振子轴向的振动进行检测，只需调整激光扫描路径即可一次完成三维方向的振动特性检测，测试简便易操作、测试效率高；采用二维扫描式激光测振仪对谐振子支撑杆的振动进行扫描测量，可以得到支撑杆的整体振动行为，测试方便，引入的测试误差小、测量精度高。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置测试场景示意图；

图2（a）为本发明提供的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置的测试场景中激光扫描路径示意图；图2（b）为本发明提供的锥面反射镜角度示意图；

图3为本发明提供的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法流程图；

图4为本发明提供的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法中基于谐振子的三维坐标构建示意图；

图5为本发明测试过程中谐振子支撑杆振动状态示意图；

图6为本发明测试过程中二维扫描式激光测振仪进行1、3次谐波辨识的扫描轨迹设置与2次谐波辨识的扫描轨迹设置对比示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光测振仪，2、谐振子，201、支撑杆，202、半球罩，3、叉指电极，4、转台，5、锥面反射镜，6、反射镜支架，7、三维可调平台，701、手柄，8、电极座，9、夹具，2-1、支撑杆端面，2-2、支撑杆柱面，2-3、柱面环形扫描轨迹，2-4、端面环形扫描轨迹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明提供的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置的结构以及测试场景示意图。如图1所示，本实施例提供的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，包括转台4、叉指电极3、锥面反射镜5和激光测振仪1，所述叉指电极3固定安装，被测的谐振子2竖向设置在所述转台4上，所述叉指电极3与所述谐振子2的唇沿相配合，用于向谐振子2施加振动激励信号；所述锥面反射镜5和谐振子2同轴设置，且所述锥面反射镜5的反射面环绕谐振子2的被测端外表面设置；所述激光测振仪1的检测端朝向所述锥面反射镜5和谐振子2，用于向谐振子2的被测端端面施加扫描激光、并根据所述谐振子2的被测端端面返回的反馈激光检测谐振子2的2次谐波误差，还用于通过所述锥面反射镜5向谐振子2的被测端柱面垂直施加扫描激光、并根据所述锥面反射镜5返回的反馈激光检测谐振子2的1次谐波误差和3次谐波误差。

可以理解的是，基于背景技术中的缺陷，本发明实施例提出了一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，通过对待测半球谐振子2的支撑杆201微振动的径向以及轴向的非接触测量，实现1~3次谐波误差的辨识。其中，叉指电极3用于向被测的谐振子2发出振动激励信号，使谐振子2起振；激光测振仪1用于发出用于检测振动特性的二维扫描激光，并根据反馈激光解算谐振子2的振动特性；由于对于2次谐波的检测，可使用扫描激光直接垂直入射到谐振子2的被测端端面即可，但是对于1次谐波和3次谐波的检测，需要将扫描激光垂直入射到谐振子2的被测端柱面，此时可通过锥面反射镜5的反射作用，将扫描激光反射并垂直入射到谐振子2的被测端柱面进行检测；反馈激光原路返回，由于锥面反射镜5的反射作用，将谐振子2的径向振动行为转化为平面振动的形式供激光测振仪1检测，简化了检测步骤，使得通过一台设备只需调整激光扫描路径即可一次完成三维方向的振动特性检测；转台4则用于搭载被测的谐振子2，以及对其调节相对周向位置，当完成某一角度的激励点测试后，通过转台4调整谐振子2的相对周向位置，使下一激励点与叉指电极3相配合，从而实现对谐振子2周向各激励点的检测。

本实施例提供的基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，实现了谐振子2被测端（例如支撑杆201）微振动的非接触测量，实时进行谐振子2整体振动行为的测量，有效进行1～3次谐波误差的辨识，提升了测量精度，测量步骤简单，可简化1～3次谐波误差辨识流程，满足后续1～3次谐波误差修调工艺要求。相比于现有技术，本实施例的装置结构简单，便于工艺流程化；采用锥面反射镜5将谐振子2径向的振动转化为设定的检测平面内的振动，便于二维扫描激光测振仪1的检测，也可直接对谐振子2轴向的振动进行检测，只需调整激光扫描路径即可一次完成三维方向的振动特性检测，测试简便易操作、测试效率高；采用二维扫描式激光测振仪1对谐振子支撑杆201的振动进行扫描测量，可以得到支撑杆201的整体振动行为，测试方便，引入的测试误差小、测量精度高。

在一种可能的实施例方式中，如图2（a）所示，所述谐振子2包括同轴设置的半球罩202与支撑杆201，所述支撑杆201贯穿所述半球罩202并与半球罩202一体式连接，所述支撑杆201竖向设置，所述支撑杆201的上端作为谐振子2的被测端，所述半球罩202的唇沿朝下设置，所述叉指电极3通过电极座8固定设置在所述半球罩202的唇沿下方。

可以理解的是，如图1及图2（a）所示，本实施例涉及的谐振子2为半球谐振子2结构。将叉指电极3设置于谐振子2的半球罩202唇沿下方，并使叉指电极3与谐振子2唇沿之间保持较佳的间隙，例如0.05mm~0.5mm。当信号源向叉指电极3施加额定频率的交流信号时，该交流信号作为振动激励信号被谐振子2的半球罩202感应到，谐振子2起振。在这个状态下，激光测振仪1对谐振子2的支撑杆201进行激光扫描，即可检测到谐振子2的振动信号。

在一种可能的实施例方式中，如图2（b）所示，所述锥面反射镜5的反射面与谐振子2的轴线之间夹角为45°。

可以理解的是，激光测振仪1发出的扫描激光平行于谐振子支撑杆201的轴向，为了使反馈激光原路返回激光测振仪1，需使扫描激光垂直入射到谐振子支撑杆201的柱面。设置锥面反射镜5的反射面与谐振子2的轴向之间夹角为45°，可使得扫描激光在锥面反射镜5的反射面的入射光与反射光垂直，从而使扫描激光垂直入射到谐振子支撑杆201的柱面。

在一种可能的实施例方式中，如图1所示，该装置还包括三维可调平台7和反射镜支架6，所述反射镜支架6固定安装在三维可调平台7上，所述反射镜支架6用于安装所述锥面反射镜5。

可以理解的是，反射镜支架6的一端用于安装锥面反射镜5，反射镜支架6的另一端固定安装在三维可调平台7的被调端，通过调节三维可调平台7的手柄701，可对反射镜支架6的三维位置进行调节，从而调节锥面反射镜5相对于被测谐振子2的三维空间距离。例如，在测试前，调节三维可调平台7的手柄701，使锥面反射镜5远离谐振子2的安装位，防止在谐振子2安装过程中与锥面反射镜5发生干涉；谐振子2安装就位后，调节三维可调平台7的手柄701，使锥面反射镜5到达与谐振子2相配合的较佳位置，例如与谐振子2同轴且环绕谐振子2的支撑杆201端部；当测试完成后，可通过调节三维可调平台7，使锥面反射镜5远离谐振子2，取下测试完成的谐振子2。三维可调平台7的具体结构采用现有技术，此处不再赘述。

在一种可能的实施例方式中，所述转台4的旋转平面水平设置，所述转台4的轴心处设有夹具9，所述夹具9用于夹持被测谐振子2。

可以理解的是，转台4用于驱动被测的谐振子2进行周向旋转，从而更新起振激励点。例如在谐振子2的唇沿周向均匀设置4个激励点，令第一个激励点的角度为0°，则测试完第一个激励点后，通过转台4将谐振子2水平旋转90°，使第二个激励点与叉指电极3相配合，继续进行测试，以此类推，直到完成谐振子2周向的全部激励点的测试。夹具9用于将谐振子支撑杆201的底部进行可靠夹持。需注意的是，为了保证谐振子2绕自身轴线旋转，需使得谐振子2、夹具9、转台4的旋转轴同轴。

基于上述各实施例的装置，如图3的流程图所示，本实施例提供一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法。该方法包括：

S1，驱动谐振子2起振：将被测谐振子2竖向安装，向谐振子2的唇沿上某一激励点施加振动激励信号，直到谐振子2起振；

S2，1次、3次谐波误差检测：垂直向谐振子2的支撑杆柱面2-2施加第一扫描激光、直到完成谐振子2的全周向扫描，根据谐振子2的支撑杆柱面2-2反馈激光得到谐振子2的径向振动信号；沿谐振子2的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的径向振动信号；根据多个径向振动信号解算谐振子2的1次谐波误差和3次谐波误差；

S3，2次谐波误差检测：垂直向谐振子2的支撑杆端面2-1施加第二扫描激光、直到形成环形扫描轨迹，根据谐振子2的支撑杆端面2-1反馈激光得到谐振子2的轴向振动信号；沿谐振子2的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的轴向振动信号；根据多个轴向振动信号解算谐振子2的2次谐波误差。

可以理解的是，上述步骤中，步骤S2与步骤S3不分先后，可调换顺序进行，也可同步进行，具体需根据激光测振仪1的结构特点进行设置。例如，激光测振仪1可同时发出两路不相干涉的扫描激光，则可以同步进行步骤S2和步骤S3的测试；若激光测振仪1只能发出一路扫描激光，则可以先后进行步骤S2和步骤S3的测试。在步骤S1中，通过信号源向叉指电极3发送交流信号，叉指电极3向谐振子2的唇沿提供振动激励信号，驱动谐振子2起振。当谐振子2形成稳定的振动规律后即可进行1~3次谐波的检测。通过激光测振仪1直接向谐振子2的支撑杆端面2-1进行环形扫描，可测得谐振子2的轴向振动信号，根据对多个激励点进行激励获得的多组轴向振动信号，可以解算出谐振子2的2次谐波误差；扩大激光测振仪1的环向扫描半径，使扫描激光经过锥面反射镜5的反射作用后垂直入射到谐振子2的支撑杆柱面2-2、并对支撑杆柱面2-2进行全周向的扫描，锥面反射镜5将谐振子支撑杆201的径向振动转化为在某一垂直于轴向的平面内的振动，以此可以得到支撑杆201的径向振动信号，根据对多个激励点进行激励获得的多组径向振动信号，可以解算出谐振子2的1次谐波误差和3次谐波误差。

如图4所示为本发明提供的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法中基于谐振子2的三维坐标构建示意图。定义谐振子2径向振动平面为x轴和y轴正交组成的xy平面，在测试过程中，xy平面与水平面平行；以谐振子2的轴线作为z轴，则z轴、x轴和y轴两两垂直。本实施例的方法采用锥面反射镜5将谐振子2的径向振动转化为在xy平面的振动，便于二维扫描激光测振仪1的检测，在激光测振仪1的配置满足要求的前提下，一次扫描可同时完成x、y、z方向的振动检测；采用二维扫描式激光测振仪1对谐振子支撑杆201的振动进行测量，可以得到支撑杆201的整体振动行为，测试方便，引入的测试误差小，测试精度更高。

基于上述各实施例，现通过具体的测试场景进行说明。

在一种可能的实施例方式中，对谐振子2的1次谐波误差和3次谐波误差测试的过程，包括：

将谐振子2唇沿朝下竖向设置，固定谐振子支撑杆201，使谐振子2唇沿上的激励点与叉指电极3相配合；

调整锥面反射镜5的位置，使其与谐振子2同轴设置、且谐振子支撑杆201的上端延伸到锥面反射镜5的中心位置；

启动叉指电极3，激励谐振子2起振，直到谐振子2形成稳定的振动；

启动激光测振仪1向锥面反射镜5输出第一扫描激光，使得第一扫描激光的环形扫 描轨迹半径大于谐振子支撑杆201的端面半径；第一扫描激光经锥面反射镜5反射后，垂直 施加到谐振子2的支撑杆柱面2-2形成柱面环形扫描轨迹2-3，谐振子支撑杆柱面2-2的反馈 激光原路返回、形成谐振子2的径向振动信号

；

沿谐振子2的周向依次更新唇沿上的激励点，得到n个激励点对应的径向振动信号

、

、…、

，

为每个特定激励点的角度位 置，即转台4旋转的角度，取第一个激励点的角度位置

；

假设柱面环形扫描轨迹2-3所在的平面为x轴和y轴正交形成的平面，图5展示了本实施例测试过程中谐振子支撑杆201振动状态示意图，根据公式（1）~（2）进行1次谐波以及3次谐波相对误差及位置的解算：

（1），

（2），

公式（1）~（2）中，A为谐振子2四波腹振型的振幅，可通过振动信号获得，

为谐振 子2的角谐振频率，

为径向振动信号在x轴的振动分量，

为径向振 动信号在y轴的振动分量，

为谐振子2第1次谐波分量的位置，

为第3次谐波分量的 位置，

为谐振子2第1次谐波分量的相对误差，

为谐振子2第3次谐波分量的相对误 差，如图5所示，

为谐振子支撑杆201振幅

与x轴的夹角，n≥4。

可以理解的是，本实施例中由叉指电极3激励谐振子2起振，锥面反射镜5将谐振子 支撑杆201的径向的振动转变为xy平面上的振动，便于二维扫描激光测振仪1测量，转台4改 变谐振子2的激励点位置，得到每个预设激励位置下的谐振子支撑杆201的振幅

,根据一组

值（即谐振子支撑杆201全周向全部激励点的测试数 据），完成1次谐波误差和3次谐波误差的辨识。

在一种可能的实施例方式中，对谐振子2的2次谐波误差进行测试的过程，包括：

将谐振子2唇沿朝下竖向设置，固定谐振子支撑杆201，使谐振子2唇沿上的激励点与叉指电极3相配合；

启动叉指电极3，激励谐振子2起振，直到谐振子2形成稳定的振动；

激光测距仪向谐振子2的支撑杆端面2-1输出第二扫描激光，使得第二扫描激光形 成的端面环形扫描轨迹2-4半径小于谐振子支撑杆201的端面半径，且端面环形扫描轨迹2- 4相对于谐振子支撑杆201的轴心对称；支撑杆端面2-1的反馈激光原路返回、形成谐振子2 的轴向振幅信号

；

沿谐振子2的周向依次更新唇沿上的激励点，得到n个激励点对应的径向振动信号

、

、…、

，

为每个特定激励点的角 度位置，即转台4驱动谐振子2旋转的角度，取

；

如图4所示，定义谐振子2的轴向为z向，根据公式（3）进行2次谐波相对误差及位置的解算：

（3），

公式（3）中，A为谐振子2四波腹振型的振幅，可通过振动信号获得，

为谐振子2 的角谐振频率，

为轴向振幅信号在z向的振幅，

为谐振子2第2次谐波分量 的位置，

为谐振子2第2次谐波分量的相对误差。

可以理解的是，本实施例中由叉指电极3激励谐振子2起振，扫描激光直接对谐振 子2的支撑杆端面2-1进行扫描，得到关于谐振子2轴心对称的端面环形扫描轨迹2-4。通过 对端面环形扫描轨迹2-4的反馈激光进行测量，得到每个预设激励位置下的谐振子支撑杆 201的振幅

,根据一组

值（即谐振子支撑杆201全周向全部激励点的 测试数据），完成2次谐波误差的辨识。

为了便于对端面环形扫描轨迹2-4以及柱面环形扫描轨迹2-3的位置进一步理解，如图6所示，采用俯视角展示了支撑杆端面2-1、端面环形扫描轨迹2-4以及柱面环形扫描轨迹2-3的相对位置关系。端面环形扫描轨迹2-4位于支撑杆端面2-1内，端面环形扫描轨迹2-4半径小于支撑杆端面2-1半径；柱面环形扫描轨迹2-3半径与支撑杆端面2-1半径相等。

可以理解的是，本发明提供的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法与前述各实施例提供的基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置相对应，基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法的相关技术特征可参考基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置的相关技术特征，在此不再赘述。

本发明各实施例提供的基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置及方法，实现了谐振子支撑杆201微振动的非接触测量，实时进行谐振子支撑杆201整体振动行为的测量，有效进行1～3次谐波误差的辨识，提升了测量精度，测量步骤简单，可简化1～3次谐波误差辨识流程，满足后续1～3次谐波误差修调工艺要求。相比于现有技术，本发明的装置结构简单，便于工艺流程化；采用锥面反射镜5将谐振子2径向的振动转化为设定的检测平面内的振动，便于二维扫描激光测振仪1的检测，也可直接对谐振子2轴向的振动进行检测，只需调整激光扫描路径即可一次完成三维方向的振动特性检测，测试简便易操作、测试效率高；采用二维扫描式激光测振仪1对谐振子支撑杆201的振动进行扫描测量，可以得到支撑杆201的整体振动行为，测试方便，引入的测试误差小、测量精度高。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，其特征在于，包括转台（4）、叉指电极（3）、锥面反射镜（5）和激光测振仪（1），所述叉指电极（3）固定安装，被测的谐振子（2）竖向设置在所述转台（4）上，所述叉指电极（3）与所述谐振子（2）的唇沿相配合，用于向谐振子（2）施加振动激励信号；所述锥面反射镜（5）和谐振子（2）同轴设置，且所述锥面反射镜（5）的反射面环绕谐振子（2）的被测端外表面设置；所述激光测振仪（1）的检测端朝向所述锥面反射镜（5）和谐振子（2），用于向谐振子（2）的被测端端面施加扫描激光、并根据所述谐振子（2）的被测端端面返回的反馈激光检测谐振子（2）的2次谐波误差，还用于通过所述锥面反射镜（5）向谐振子（2）的被测端柱面垂直施加扫描激光、并根据所述锥面反射镜（5）返回的反馈激光检测谐振子（2）的1次谐波误差和3次谐波误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，其特征在于，所述谐振子（2）包括同轴设置的半球罩（202）与支撑杆（201），所述支撑杆（201）贯穿所述半球罩（202）并与半球罩（202）一体式连接，所述支撑杆（201）竖向设置，所述支撑杆（201）的上端作为谐振子（2）的被测端，所述半球罩（202）的唇沿朝下设置，所述叉指电极（3）通过电极座（8）固定设置在所述半球罩（202）的唇沿下方。

3.根据权利要求1所述的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，其特征在于，所述锥面反射镜（5）的反射面与谐振子（2）的轴线之间夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，其特征在于，还包括三维可调平台（7）和反射镜支架（6），所述反射镜支架（6）固定安装在三维可调平台（7）上，所述反射镜支架（6）用于安装所述锥面反射镜（5）。

5.根据权利要求1~4任一项所述的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，其特征在于，所述转台（4）的旋转平面水平设置，所述转台（4）的轴心处设有夹具（9），所述夹具（9）用于夹持被测谐振子（2）。

6.一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法，基于权利要求1~5任一项所述的基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识装置，其特征在于，包括：

将被测谐振子（2）竖向安装，向谐振子（2）的唇沿上某一激励点施加振动激励信号，直到谐振子（2）起振；

垂直向谐振子（2）的支撑杆柱面（2-2）施加第一扫描激光、直到完成谐振子（2）的全周向扫描，根据谐振子（2）的支撑杆柱面（2-2）反馈激光得到谐振子（2）的径向振动信号；沿谐振子（2）的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的径向振动信号；根据多个径向振动信号解算谐振子（2）的1次谐波误差和3次谐波误差；

垂直向谐振子（2）的支撑杆端面（2-1）施加第二扫描激光、直到形成环形扫描轨迹，根据谐振子（2）的支撑杆端面（2-1）反馈激光得到谐振子（2）的轴向振动信号；沿谐振子（2）的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的轴向振动信号；根据多个轴向振动信号解算谐振子（2）的2次谐波误差。

7.根据权利要求6所述的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法，其特征在于，所述垂直向谐振子（2）的支撑杆柱面（2-2）施加第一扫描激光、直到完成谐振子（2）的全周向扫描，根据谐振子（2）的支撑杆柱面（2-2）反馈激光得到谐振子（2）的径向振动信号；沿谐振子2的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的径向振动信号；根据多个径向振动信号解算谐振子（2）的1次谐波误差和3次谐波误差；包括：

输出第一扫描激光，使得第一扫描激光的环形扫描轨迹半径大于谐振子支撑杆（201） 的端面半径；第一扫描激光经锥面反射镜（5）反射后，垂直施加到谐振子（2）的支撑杆柱面 （2-2）形成柱面环形扫描轨迹（2-3），谐振子（2）的支撑杆柱面（2-2）反馈激光原路返回、形 成谐振子（2）的径向振动信号

；

沿谐振子（2）的周向依次更新唇沿上的激励点，得到n个激励点对应的径向振动信号

、

、…、

，

为每个特定激励点的角度位 置，取

；

假设柱面环形扫描轨迹（2-3）所在的平面为x轴和y轴正交形成的平面，根据公式（1）~（2）进行1次谐波以及3次谐波相对误差及位置的解算：

（1），

（2），

公式（1）~（2）中，A为谐振子四波腹振型的振幅，

为谐振子的角谐振频率，

为径向振动信号在x轴的振动分量，

为径向振动信号在y轴的振动 分量，

为谐振子第1次谐波分量的位置，

为第3次谐波分量的位置，

为谐振子第 1次谐波分量的相对误差，

为谐振子第3次谐波分量的相对误差，

为谐振子支撑杆 振幅

与x轴的夹角，n≥4。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于扫描激光测振的谐振子1～3次谐波辨识方法，其特征在于，所述垂直向谐振子（2）的支撑杆端面（2-1）施加第二扫描激光、直到形成端面环形扫描轨迹（2-4），根据谐振子（2）的支撑杆端面（2-1）反馈激光得到谐振子（2）的轴向振动信号；沿谐振子（2）的周向依次更新唇沿上的激励点，得到多个激励点对应的轴向振动信号；根据多个轴向振动信号解算谐振子（2）的2次谐波误差；包括：

向谐振子（2）的支撑杆端面（2-1）输出第二扫描激光，使得第二扫描激光形成的端面环 形扫描轨迹（2-4）半径小于谐振子支撑杆（201）的端面半径，且端面环形扫描轨迹（2-4）相 对于谐振子支撑杆（201）的轴心对称；支撑杆端面（2-1）的反馈激光原路返回、形成谐振子 （2）的轴向振幅信号

；

沿谐振子（2）的周向依次更新唇沿上的激励点，得到n个激励点对应的径向振动信号

、

、…、

，

为每个特定激励点的角 度位置，取

；

定义谐振子（2）的轴向为z向，根据公式（3）进行2次谐波相对误差及位置的解算：

（3），

公式（3）中，A为谐振子四波腹振型的振幅，

为轴向振幅信号在z向的振幅，

为谐振子的角谐振频率，

为谐振子第2次谐波分量的位置，

为谐振子第2次谐 波分量的相对误差。

Images