CN116907540A - 真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置及方法，涉及半球谐振陀螺技术领域，主要包括：信号激励单元、信号检测单元、真空测试单元和信号处理单元。信号激励单元用于产生激励信号并对谐振子施加激励。信号检测单元在半球谐振子在起振后，用于跟踪其任意时刻的振动状态。信号处理单元用于将数据自动采集并输送到计算机进行分析、处理，完成谐振子振动特性的检测。真空测试单元为半球谐振子的检测提供一个高度真空的测试环境。本发明通过信号激励单元向平面叉指电极施加激励信号，实现非接触激励从而使谐振子起振，完成谐振子振动特性的检测。本发明所提供的装置操作简便，可完成对谐振子振动特性的批量化测量。
Description
技术领域
本发明属于半球谐振陀螺技术领域，具体涉及真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置及方法。
背景技术
谐振子作为HRG的关键零部件，频率和频率裂解、品质因数Q值是谐振子最基本的振动特性，其数值反映了陀螺仪的基本性能、精度、研制的水平和应用范围，这些基本参数的精确测试将为陀螺仪自身以及由其搭建的惯性系统的性能分析、误差补偿和精度提高提供可靠的依据。在HRG整个生产、装配过程中，为了保证最终装成整表的谐振子具有较高的质量，需要在谐振子的加工、化学处理、调平、镀膜以及装配后的各个阶段对谐振子的振动特性进行精确测量。
现有技术涉及谐振子振动特性的测试方法存在以下不足：第一，由于半球谐振子材料脆，采用接触驱动对其进行激励时需要对其进行敲击，难免会损坏谐振子；第二，为了去除空气阻尼对振动特性的影响，谐振子测试时需要在真空中进行，但测试时每次只能装夹一个谐振子进行测量，操作不便且效率低。
发明内容
本发明提供一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置及方法，能够解决在真空环境下谐振子测试操作不便且效率低的问题，本发明能够在真空中批量化的精确测量半球谐振子的各项振动特性指标，为HRG后续生产制造过程提供可靠的数据支持。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置，包括：信号激励单元、信号检测单元、信号处理单元和真空测试单元；
信号检测单元，用于对所述信号激励单元的半球谐振子进行检测，得到谐振子振动信号，并向信息处理单元传输谐振子振动信号；
信号处理单元，用于对所述谐振子振动信号进行分析处理，完成谐振子振动特性测试；
信号激励单元，包括：公转转台，公转转台的上方设置安装架，安装架的上方周向均匀设置若干自转转台，自转转台的上方固定设置电极基座，且电极基座与自转转台同轴，自转转台上固定设置谐振子固定夹具，谐振子固定夹具上固定安装谐振子，谐振子位于电极基座上方，电极基座的上表面设置平面叉指电极，平板叉指电极电连接功率放大器，功率放大器电连接信号发生器；
真空测试单元，用于控制公转转台和自转转台的转动，同时为信号激励单元提供高度真空测试环境。
进一步地，所述真空测试单元包括：真空箱、中控台、真空泵组，真空箱内设置所述信号激励单元，真空箱外部设置中控台和真空泵组，中控台电连接公转转台、自转转台和真空泵组，真空箱的上表面设置观察窗口，真空箱的侧面设置测试窗口；
所述真空泵组由机械泵和分子泵组成。
进一步地，所述信号检测单元包括多普勒激光测振仪，多普勒激光测振仪固定对准设置在测试窗口前方。
进一步地，所述信号处理单元包括：数据采集卡和计算机，所述多普勒激光测振仪通过数据采集卡连接计算机。
一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，包括以下步骤：
S1：通过信号发生器向平面叉指电极施加不同频率的交流信号，使谐振子起振，然后通过信号检测单元对谐振子进行检测得到谐振子振动信号，并将谐振子振动信号传输至信号处理单元，得到不同激励频率的幅值；
S2：通过比较不同激励频率的幅值，得到幅值最大值，根据所述幅值最大值时的激励频率，得到谐振子的谐振频率；
S3：将所述谐振子的谐振频率通过信号发生器施加到平面叉指电极中，使谐振子起振，然后进行品质因数、固有刚性轴位置和频率裂解的测量，完成谐振子振动特性的测量。
进一步地，S3中，所述进行品质因数的测量包括以下步骤：
S3.1：对信号激励单元停止供电，通过信号检测单元对谐振子进行检测得到谐振子振动信号，并将谐振子振动信号传输至信号处理单元，得到衰减时间和初始振幅；
S3.2：根据所述衰减时间和所述谐振子的谐振频率得到品质因数。
进一步地，S3.2中，所述根据所述衰减时间和所述谐振子的谐振频率得到品质因数，还包括以下步骤：
S3.2.1：重复S3.1～S3.2的步骤若干次得到若干品质因数，所述若干品质因数取均值，得到对应刻度位置的品质因数；
S3.2.2：使自转转台沿顺时针方向转动，在0刻度位置至180刻度位置中，每隔5°位置重复S3.2.1的步骤，最终得到谐振子的品质因数在圆周方向上的分布。
进一步地，S3.1中，所述衰减时间为初始振幅衰减至时的时间，其中，e为自然常数。
进一步地，所述进行固有刚性轴位置的测量包括以下步骤：
通过信号激励单元对处在自转转台的0刻度位置的谐振子的唇沿进行激励，并通过信号检测单元得到谐振子振动信号，将谐振子振动信号传输至信号处理单元，得到幅频曲线；
使自转转台沿顺时针方向转动，在0刻度位置至180刻度位置中，每隔5°位置重复S3.3的步骤，得到谐振子的径向各点的幅频曲线；
根据谐振子的径向各点的幅频曲线上单峰值对应的点，得到固有刚性轴位置。
进一步地，S3中，所述进行频率裂解的测量包括以下步骤：
转动自转转台，直到通过信号检测单元检测出拍振信号，此时，对信号激励单元停止供电，通过信号检测单元检测得到拍振信号，并将拍振信号传输至信号处理单元，得到拍振信号的周期；
根据拍振信号的周期，计算得到频率裂解；
所述计算的公式为：Δω＝1/，其中，Δω为频率裂解，ΔT为拍振信号的周期。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置，包括信号激励单元、信号检测单元、信号处理单元和真空测试单元，在信号激励单元中设置了公转转台和若干自转转台，真空测试单元能够控制公转转台和自转转台转动，并提供高度真空测试环境，本发明采用了单真空腔多工位的模式，能够一次检测多个待测谐振子，避免了多次装夹谐振子和抽真空的过程；并且该装置操作简便，只需要对自转转台和公转转台调整即可完成对谐振子振动特性测量。
本发明提供一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，通过信号激励单元向平面叉指电极施加激励信号，能够实现非接触激励从而使谐振子起振，信号检测单元对谐振子的振动信号进行采集并由信号处理单元进行记录计算，能够完成谐振子振动特性的检测，为HRG后续生产制造过程提供可靠的数据支持。
附图说明
图1为本发明所述的真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置的系统结构图；
图2为本发明所提供测试装置中谐振子状态位置图；
图3为本发明所提供测试装置中多普勒激光测振仪的状态位置图；
图4为本发明所提供测试装置中谐振子与电极基座示意图。
其中，1、信号发生器；2、功率放大器；3、平面叉指电极；4、谐振子；5、多普勒激光测振仪；6、数据采集卡；7、计算机；8、真空箱；8-1、测试窗口；8-2、观察窗口；9、中控台；10、机械泵；11、分子泵；12、公转转台；13、安装架；14、自转转台；15、谐振子固定夹具；16、电极基座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
参见图1，本发明公布了一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试平台，包括：信号激励单元、信号检测单元、真空测试单元和信号处理单元。
信号激励单元包括信号发生器1、功率放大器2、平面叉指电极3和谐振子4。所述平面叉指电极3和谐振子4位于真空箱8内，平面叉指电极3与信号发生器1和功率放大器2电性连接，所述信号发生器1可设置激励参数，通过功率放大器2将信号发生器1产生的激励信号放大并传递给平面叉指电极3，在静电力的作用下，谐振子4唇沿和平面叉指电极3组成的电容极板间距发生变化，使得谐振子4唇沿同频率的振动。
信号检测单元为多普勒激光测振仪5，在半球谐振子在起振后，用于跟踪其任意时刻的振动状态。所述多普勒激光测振仪5具体为自由空间单点激光多普勒测振仪(FNV-R1D-VD1)，具有极高的光线分辨率，可以实现自动和远程对焦。
信号处理单元包括数据采集卡6和计算机7。所述数据采集卡6用于将测得的谐振子振动信号，自动采集并输送到计算机7；所述计算机7用于对信号进行分析、处理，完成谐振子振动特性的检测。
真空测试单元包括真空箱8、中控台9、机械泵10和分子泵11，为半球谐振子的检测提供一个高度真空的测试环境。所述中控台9用于控制公转转台12和自转转台14的转动，除此还用于控制机械泵10及分子泵11的开关，并且可以对真空箱8内的压强进行实时显示；所述机械泵10和分子泵11组成真空泵组，用于对真空箱8进行抽真空操作。
参见图2，所述公转转台12和自转转台14水平布置且可由中控台9控制旋转；所述安装架13设置在公转转台12上方且可随公转转台12转动，安装架13上周向均匀分布四个自转转台14；所述电极基座16固定设置在自转转台14的上方且与自转转台14同轴，电极基座16为圆环状，由石英加工成型；所述电极基座16上表面设置有平面叉指电极3，所述平面叉指电极3与功率放大器2电性连接；所述自转转台14上部固定设置有谐振子固定夹具15，用于夹持谐振子4的支撑杆，谐振子固定夹具15可带动谐振子4随自转转台14一同旋转；所述自转转台14上面标有刻度，范围为0°-360°。
参见图3，所述真空箱8开有测试窗口8-1和观察窗口8-2，测试窗口8-1用于测量谐振子4振动信号，观察窗口8-2用于观察真空箱8内谐振子4的状态；所述多普勒激光测振仪5固定于所述测试窗口8-1前，发射的激光经测试窗口8-1照射在谐振子4唇沿。
参见图4，所述谐振子4的唇沿朝向电极基座16的上表面，到所述电极基座16的距离为0.05-0.5mm，所述平面叉指电极3与谐振子4之间形成电容；所述平面叉指电极3为对向平行插入的梳齿状电极对，且两个导体间相互绝缘，其中一个梳齿状电极与功率放大器电性相连；所述平面叉指电极为设置在电极基座上的2-5μm的金属膜层。
基于上述装置，本发明还公布了一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，所述方法包括以下步骤：
S1、通过谐振子固定夹具15将多个谐振子4固定在真空箱8中，关闭舱门开启真空泵组使真空箱8达到测试需要的真空度，真空度要求不大于1×10-3Pa；
S2、将多普勒激光测振仪5对准自转转台14的0刻度位置的谐振子4唇沿，调整多普勒激光测振仪5焦距，使其能够测出有效的信号；
S3、谐振频率的测量：
S31、通过信号激励单元向平面叉指电极3施加不同频率的交流信号，使谐振子4起振，通过信号处理单元对多普勒激光测振仪5检测到的信号记录如下参数：
不同激励频率下的幅值最大值；
S32、通过比较不同激励频率下的幅值，当幅值达到最大时的激振频率即为谐振子的谐振频率；
S4、品质因数的测量：
S41、通过信号激励单元向平面叉指电极3施加步骤S3测量得到的谐振频率信号，使谐振子4起振；
S42、对信号激励单元停止供电，谐振子4振动信号处于自动衰减的状态，通过信号处理单元对多普勒激光测振仪5检测到的信号记录如下参数：
谐振子的初始振幅A；
衰减时间τ，τ为振幅衰减至A/e的时间，e为自然常数；
S43、根据谐振子的谐振频率f、衰减时间τ计算得到谐振子的品质因数，计算公式为：
Q＝πτf
S44、重复测3次Q值取均值，最终得到0刻度位置的Q值；
S45、取谐振子4顺时针方向为递增，在0°至180°之间每隔5°位置进行Q值测试，从而得到谐振子Q值在圆周方向的分布，根据该分布可以在半球谐振子加工过程中起到参考作用，例如镀膜和调平。
S5、固有刚性轴的测量：
S51、通过信号激励单元向平面叉指电极3施加步骤S3测量得到的谐振频率信号，激励位置在自转转台14的0刻度位置的谐振子4唇沿，使谐振子4起振，通过信号处理单元对多普勒激光测振仪5检测到的信号记录其响应曲线；
S52、取谐振子4顺时针方向为递增，在0°至180°之间每隔5°位置重复进行步骤S51操作，得到谐振子径向各点的幅频曲线；
S53、幅频特性曲线上只有单峰值所对应的点即为固有刚性轴位置。
S6、频率裂解的测量：
S61、通过信号激励单元向平面叉指电极3施加步骤S3测量得到的谐振频率信号，使谐振子4起振，通过信号处理单元对多普勒激光测振仪5检测到的信号记录其响应曲线；
S62、转动自转转台14直到检测出拍振信号，谐振子4此时被激发出驱动模态和敏感模态的振型；
S63、停止激励，谐振子振动信号处于自动衰减的状态，通过信号处理单元对多普勒激光测振仪5检测到的信号计算拍振信号的周期ΔT,根据拍振信号的周期计算频率裂解，计算公式为：
Δω＝1/
由技术常识可知，本发明可以通过其它不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的，所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置，其特征在于，包括：信号激励单元、信号检测单元、信号处理单元和真空测试单元；
信号检测单元，用于对所述信号激励单元的半球谐振子进行检测，得到谐振子振动信号，并向信息处理单元传输谐振子振动信号；
信号处理单元，用于对所述谐振子振动信号进行分析处理，完成谐振子振动特性测试；
信号激励单元，包括：公转转台(12)，公转转台(12)的上方设置安装架(13)，安装架(13)的上方周向均匀设置若干自转转台(14)，自转转台(14)的上方固定设置电极基座(16)，且电极基座(16)与自转转台(14)同轴，自转转台(14)上固定设置谐振子固定夹具(15)，谐振子固定夹具(15)上固定安装谐振子(4)，谐振子(4)位于电极基座(16)上方，电极基座(16)的上表面设置平面叉指电极(3)，平板叉指电极(3)电连接功率放大器(2)，功率放大器(2)电连接信号发生器(1)；
真空测试单元，用于控制公转转台(12)和自转转台(14)的转动，同时为信号激励单元提供高度真空测试环境。
2.根据权利要求1所述的一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置，其特征在于，所述真空测试单元包括：真空箱(8)、中控台(9)、真空泵组，真空箱(8)内设置所述信号激励单元，真空箱(8)外部设置中控台(9)和真空泵组，中控台(9)电连接公转转台(12)、自转转台(14)和真空泵组，真空箱(8)的上表面设置观察窗口(8-2)，真空箱(8)的侧面设置测试窗口(8-1)；
所述真空泵组由机械泵(10)和分子泵(11)组成。
3.根据权利要求2所述的一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置，其特征在于，所述信号检测单元包括多普勒激光测振仪(5)，多普勒激光测振仪(5)固定对准设置在测试窗口(8-1)前方。
4.根据权利要求3所述的一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试装置，其特征在于，所述信号处理单元包括：数据采集卡(6)和计算机(7)，所述多普勒激光测振仪(5)通过数据采集卡(6)连接计算机(7)。
5.一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，基于权利要求1～4任意一项所述的测试装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过信号发生器(1)向平面叉指电极(3)施加不同频率的交流信号，使谐振子(4)起振，然后通过信号检测单元对谐振子(4)进行检测得到谐振子振动信号，并将谐振子振动信号传输至信号处理单元，得到不同激励频率的幅值；
S2：通过比较不同激励频率的幅值，得到幅值最大值，根据所述幅值最大值时的激励频率，得到谐振子的谐振频率；
S3：将所述谐振子的谐振频率通过信号发生器(1)施加到平面叉指电极(3)中，使谐振子(4)起振，然后进行品质因数、固有刚性轴位置和频率裂解的测量，完成谐振子振动特性的测量。
6.根据权利要求5所述的一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，其特征在于，S3中，所述进行品质因数的测量包括以下步骤：
S3.1：对信号激励单元停止供电，通过信号检测单元对谐振子(4)进行检测得到谐振子振动信号，并将谐振子振动信号传输至信号处理单元，得到衰减时间和初始振幅；
S3.2：根据所述衰减时间和所述谐振子的谐振频率得到品质因数。
7.根据权利要求6所述的一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，其特征在于，S3.2中，所述根据所述衰减时间和所述谐振子的谐振频率得到品质因数，还包括以下步骤：
S3.2.1：重复S3.1～S3.2的步骤若干次得到若干品质因数，所述若干品质因数取均值，得到对应刻度位置的品质因数；
S3.2.2：使自转转台(14)沿顺时针方向转动，在0刻度位置至180刻度位置中，每隔5°位置重复S3.2.1的步骤，最终得到谐振子(4)的品质因数在圆周方向上的分布。
8.根据权利要求6所述的一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，其特征在于，S3.1中，所述衰减时间为初始振幅衰减至时的时间，其中，e为自然常数。
9.根据权利要求5所述的一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，其特征在于，所述进行固有刚性轴位置的测量包括以下步骤：
通过信号激励单元对处在自转转台(14)的0刻度位置的谐振子(4)的唇沿进行激励，并通过信号检测单元得到谐振子振动信号，将谐振子振动信号传输至信号处理单元，得到幅频曲线；
使自转转台(14)沿顺时针方向转动，在0刻度位置至180刻度位置中，每隔5°位置重复S3.3的步骤，得到谐振子(4)的径向各点的幅频曲线；
根据谐振子(4)的径向各点的幅频曲线上单峰值对应的点，得到固有刚性轴位置。
10.根据权利要求5所述的一种真空环境下半球谐振子振动特性批量化测试方法，其特征在于，S3中，所述进行频率裂解的测量包括以下步骤：
转动自转转台(14)，直到通过信号检测单元检测出拍振信号，此时，对信号激励单元停止供电，通过信号检测单元检测得到拍振信号，并将拍振信号传输至信号处理单元，得到拍振信号的周期；
根据拍振信号的周期，计算得到频率裂解；
所述计算的公式为：Δω＝1/ΔT，其中，Δω为频率裂解，ΔT为拍振信号的周期。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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