TWI723381B - 檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構及其方法，主要將一半球殼之中心支撐柱局部設置於一感測元件之中心孔結合部後，配合電極基座及感測元件掃頻偵測半球殼之分歧頻率，再輸入交流電使半球殼產生諧振，並使定電壓從相隔45度的第一、第二電極激發片處傳輸至半球殼之開口側緣，使半球殼產生第一位移量及第二位移量，而透過演算模組計算出一低頻慣性軸角度的二個解，然後轉動一次電極基座並重複上述動作，以將演算模組兩次運算出之慣性軸角度取其交集而得到唯一解，最後利用該慣性軸角度標示出相互垂直的低頻慣性軸及假想垂直線，進而在半球殼開口底部之交點位置上，定義出四個代表球殼質量燒蝕定位點的去質量位置，以利完成消除半球殼頻差之目的。

Description

檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構及其方法

本發明為提供一種檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構及其方法，尤指一種可配合演算模組，簡單透過兩次的檢測動作，計算出半球殼去除質量點的精確位置之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構及其方法。

按，半球殼諧振陀螺儀(Hemispherical Resonant Gyroscope，HRG)是一種基於半球殼的彎曲振動駐波(bending-mode standing wave)因受到旋轉哥氏力(Coriolis force)而變成進動旅波(precession traveling wave)的效應，來感測基座旋轉的一種哥式振動陀螺。它具有高測量精度、強穩定性、高可靠性、良好的抗衝擊振動性、優良溫度性能、以及獨特的關機抗輻射能力，是衛星、潛艦導航、戰術飛彈導航、或航太慣性測量單元、姿態穩定控制的關鍵零組件，在航太領域具有獨特的優勢和廣闊的前景。

理想無瑕疵石英半球殼的一對慣性軸可以是任意方向的，因不可避免的密度瑕疵限制該慣性軸為固定方向，而每個半球殼的不均勻密度分布是隨機的，故每個瑕疵半球殼的慣性軸方向都不一樣。這對慣性軸的夾角為45度，兩慣性軸代表兩共振模態的方位角，此二共振模態的共振頻率因密度瑕疵而分歧，是為頻差，要消除頻差，就先得找出這對慣性軸的位置，又不均勻阻尼瑕疵會造成這兩個原本固定方向的慣性軸產生來回振盪，所以無法使用頂端俯視拍照方式來決定慣性軸的固定方向。因此，為了消除頻差(frequency splitting)問題，就必須找到球殼上的精確定位點，以藉由燒蝕球殼質量，來平衡瑕疵達到消除頻差之目的。

如中國專利公布第CN108613686A號「一種振動陀螺儀自動化修調方法」，其為了尋找精確的球殼質量燒蝕定位點，係同時利用三個相機分別從三個方向對半球殼進行攝影，並使圓柱殼體的底部支撐於一平台上，利用壓電片通過交流電壓來使圓柱殼產生共振，進而透過影像辨識出圓柱殼共振模態反節點 (anti-node)的連線(模態軸線)，模態軸線與圓柱殼開口端的交點即為球殼質量燒蝕定位點。然而，請同參第一圖所示，係為阻尼瑕疵與密度瑕疵並存之二維質點、彈簧及阻尼的物理模型圖。

質點的二維位移量X與Y，代表在激發處與感測處的半球殼位移量，無瑕疵時它們也代表兩共振模態的振幅。理想無瑕疵半球殼的最低共振頻率的彎曲模態有兩個，它們有相同的共振頻率，稱為簡併頻率(degenerated frequency)，這兩模態的模態軸線恆成45度夾角。此時，以簡併頻率在垂直半球殼開口端的直徑方向激振半球殼，就能激起一個共振模態(另外一個共振模態不會被激起，除非球殼旋轉)，此直徑方向就是其中一個共振模態的模態軸線，另外一個模態軸線與它成45度夾角自然可求得。當半球殼在許多地方有不同的密度時，可等價於半球殼上的一個不同密度的點，通過此等價點的直徑即是最低頻率的共振模態的模態軸線。所以，有密度瑕疵的半球殼，其共振模態的模態軸線不是任意角度的，而是固定在某一角度。若將第一圖的二維質點之彈簧阻尼系統的運動方程式寫下來，其中2x2的勁度矩陣的兩個慣性軸(學理上稱為特徵向量)又稱為慣性軸，就是兩個共振模態的模態軸線，這兩慣性軸互相垂直如第一圖的x'軸與y'軸；而x'軸與激發軸(X軸)相距的角度為θ_ω，兩個半球殼不均勻密度的分布不同時，其θ_ω角度亦不相同。在實體上，激發軸(X軸)與感測軸(Y軸)是相隔45度，但在理論分析時，我們將這兩軸轉換成直角如第一圖中所示，故第一圖中的θ_ω，實體圖是θ_ω/2。

當陀螺儀同時具有阻尼瑕疵與密度瑕疵時，運動方程式中阻尼矩陣的兩個互相垂直的慣性軸如第一圖的x"與y"軸，其中x"軸與激發軸(X軸)相距的角度為θ_T。因為密度瑕疵與阻尼瑕疵的分布都是隨機的，所以一般情況下，阻尼慣性軸與勁度慣性軸不會重合，即θω≠θ_T。當阻尼瑕疵與密度瑕疵同時存在且θω≠θ_T，則耦合運動方程式的兩特徵向量為虛數值向量，無法經座標轉換將原本耦合的運動方程式解耦(decoupling)成兩個獨立的運動方程式，這表示頻率分歧的兩個到固定的模態軸線。只有在特殊情況下，即θ ω=θ τ時(如第二圖所示)，耦合運動方程式的特徵向量為實數值向量，可以利用此兩特徵向量將耦合運動方程式解耦成兩個獨立的運動方程式，才適合頂視攝影找出兩固定的模態軸線。因此，中國專利第CN108613686A號「一種振動陀螺儀自動化修調方法」，僅適用於彈簧力與阻尼力相互平行之特殊稀少案例。

前述中國專利說明書中可知，所檢測的陀螺儀恰巧為彈簧力與阻尼力相互平行之極少的特殊狀況，也必須透過多次的檢測及修正，才能漸漸縮小頻差值，雖然最終的確可找到球殼燒蝕定位點，但每一次的檢測都需花費約3000秒的時間，故須曠日廢時才能得到最終結果，即使如此，其精度也只有到10-3的水準，並不足以應付航太領域的標準。

然上述一種振動陀螺儀自動化修調方法於使用時，存在下列問題與缺失尚待改進：

一、僅適用於彈簧力與阻尼力相互平行之特殊案例，實用性太低。

二、檢測動作耗費時程甚鉅，過於浪費資源。

三、檢測結果位置精度太低，無法符合航太領域之標準。

是以，本發明之創作人與從事此行業之相關廠商亟欲研究克服不均勻密度與不均勻阻尼隨機並存的瑕疵石英半球殼之慣性軸檢測的攻關難題。

故，本發明之創作人有鑑於上述缺失，乃進行此發明項目之研發、實驗、試做、及改進，現今得以提出創新架構及演算方法，始設計出此種可配合演算模組，簡單透過兩次的檢測動作，計算出半球殼去除質量點的精確位置之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構及其方法的發明專利者。

本發明之主要目的在於：以單一種檢測方式，滿足各種瑕疵狀況的角速儀，並找出符合航太水準的高精度球殼質量燒蝕之定位點位置。

為達成上述目的，本發明之檢測慣性軸結構主要包括：一具有至少一種瑕疵狀態之半球殼，該半球殼上設有一中心支撐柱，並於該半球殼一側設有至少一感測元件，該感測元件上形成有一供局部設置該中心支撐柱之中心孔結合部，且於該感測元件上形成有一圓形滑軌溝槽，圓形滑軌溝槽內則轉動設置有一耦接於該半球殼開口側緣之電極基座，並於該電極基座上界定一位於該半球殼開口側緣之第一電極激發片、及一與該第一電極激發片間具有45度位差之第二電極激發片，再透過一電性連結該感測元件並供計算出一慣性角之演算模組，及四個界定於該半球殼開口端底部代表半球殼燒蝕定位點的之去質量位置。

當使用者利用本發明進行瑕疵石英半球殼慣性軸位置之檢測時，乃先將半球殼之中心支撐柱局部設置於感測元件之中心孔結合部中，再使該半球殼轉動 設於一電極基座上。準備完成後，先由電極基座輸入一交流電壓至半球殼上，該交流電壓的頻率等於半球殼兩個共振模態中頻率較低者，以使半球殼產生諧振，並偵測其分歧頻率。之後關閉該交流電，並使定電壓分別從位差45度的第一電極激發片及第二電極激發片處，傳輸至半球殼開口側緣，而透過電場力造成半球殼的形變位移，進而於第一電極激發片及第二電極激發片處分別測得一第一位移量及一第二位移量，於此同時，透過演算模組根據該該分歧頻率、該定電壓、該第一位移量及該第二位移量等參數值計算出一低頻慣性軸角度的兩個解，然後轉動一次電極基座並重複上述動作，以將演算模組兩次運算出之慣性軸角度取其交集者而得唯一的角度解，最後利用該慣性軸角度標示出相互垂直的低頻慣性軸及假想垂直線，進而在半球殼開口底部之交點位置定義出四個代表球殼質量燒蝕定位點的去質量位置。藉此，簡單快速的透過兩次的檢測動作，找出半球殼上的高精度去質量位置，以利後續針對半球殼的消除頻差進行質量燒蝕動作。

藉由上述技術，可針對習用振動陀螺儀自動化修調方法所存在之僅適用於特殊案例實用性太低、檢測動作時程太長、及檢測結果精度太低等問題點加以突破，達到上述優點之實用進步性。

1、1a、1b‧‧‧半球殼

11‧‧‧中心支撐柱

2、2a‧‧‧感測元件

21‧‧‧中心孔結合部

221、221a、221b‧‧‧第一電極感測片

222、222a、222b‧‧‧第二電極感測片

23‧‧‧圓形滑軌溝槽

3‧‧‧電極基座

31、31a、31b‧‧‧第一電極激發片

32、32a、32b‧‧‧第二電極激發片

4‧‧‧演算模組

41‧‧‧低頻慣性軸

42‧‧‧假想垂直線

51、52、53、54‧‧‧去質量位置

6a‧‧‧間隙部

7b‧‧‧阻尼慣性軸

θ_ω‧‧‧慣性角

△₀‧‧‧電極片間距

第一圖 係為阻尼瑕疵與密度瑕疵並存之二維質點、彈簧及阻尼的物理模型圖。

第二圖 係為阻尼力與彈簧力平行之二維質點、彈簧及阻尼的物理模型圖。

第三圖 係為本發明較佳實施例之立體圖。

第四圖 係為本發明較佳實施例之隱藏感測元件及電極基座之仰角示意圖。

第五圖 係為本發明較佳實施例之第三圖A-A線剖視圖。

第六圖 係為本發明較佳實施例之去質量結構方塊圖。

第七圖 係為本發明較佳實施例之慣性軸位置檢測及演算步驟流程圖。

第八圖 係為本發明較佳實施例之電極位置實體示意圖。

第九圖 係為本發明較佳實施例之演算模組動作方塊圖。

第十圖 係為本發明較佳實施例之瑕疵慣性軸定位示意圖。

第十一圖 係為本發明較佳實施例之半球殼開口底部去質量示意圖。

第十二圖 係為本發明再一較佳實施例之立體透視圖。

第十三圖 係為本發明又一較佳實施例之阻尼慣性軸檢測示意圖。

第十四圖 係為本發明又一較佳實施例之第二時間位移量示意圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱第三圖至第七圖所示，係為本發明較佳實施例之立體圖至慣性軸位置檢測及演算步驟流程圖，由圖中可清楚看出本發明係包括：一半球殼1，係具有至少一種瑕疵狀態，該半球殼1係為熔融石英(fused quartz)材質；一設於該半球殼1上之中心支撐柱11；至少一設於該半球殼1一側之感測元件2，係於該半球殼1受力形變時，感測其分歧頻率(ω _H=ω ₁，ω _L=ω ₂)，該感測元件2上具有一位置對應下述第一電極激發片31之第一電極感測片221、及一位置對應該第二電極激發片32之第二電極感測片222。；一形成於該感測元件2上之中心孔結合部21，係供局部設置該中心支撐柱11；一形成於該感測元件2上之圓形滑軌溝槽23；一耦接於該半球殼1開口上且轉動設置於該圓形滑軌溝槽23內之電極基座3，係供輸入交流壓，使該半球殼1產生形變；一界定於該半球殼1開口側緣且電性連結該電極基座3之第一電極激發片31，係供輸入交流電使該半球殼1產生諧振，並輸入定電壓，以於該半球殼1上產生一第一位移量；一界定於該半球殼1開口側緣且電性連結該電極基座3之第二電極激發片32，並與該第一電極激發片31間具有45度位差，係供同時輸入該定電壓，以於該半球殼1上產生一第二位移量；一電性連結該感測元件2之演算模組4，係根據該該分歧頻率(ω _H=ω ₁，ω _L=ω ₂)、該定電壓、該第一位移量及該第二位移量，以計算出一低頻慣性軸(ωL=ω2)角度的兩個解；及四個界定於該半球殼1開口端底部之去質量位置51、52、53、54 ，係由該低頻慣性軸配合界定於該半球殼之球心上且與該低頻慣性軸相互垂直之假想垂直線，於該半球殼1開口端底部之交點位置定義而成。

而本發明之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之方法，其步驟包括：(a)半球殼結合感測元件：將一半球殼之中心支撐柱局部設置於至少一感測元件之中心孔結合部中；(b)分歧頻率檢測：利用一電極基座輸出交流電至該半球殼，以由該感測元件掃頻偵測該半球殼之分歧頻率(ωH=ω1，ωL=ω2)；(c)半球殼結合電極基座：將該電極基座轉動設置於該感測元件之圓形滑軌溝槽內，並使該電極基座耦接於該半球殼；(d)電極基座通電：利用該電極基座輸出交流電使半球殼產生諧振，並關閉該交流電，再由該電極基座輸出定電壓；(e)定電壓輸出：將該定電壓同時由兩者間具有45度位差的一第一電極激發片及一第二電極激發片處傳輸至一半球殼開口側緣；(f)半球殼形變位移：該半球殼受該定電壓影響，使該感測元件分別於該第一電極激發片處及該第二電極激發片處偵測取得一第一位移量及一第二位移量；(g)慣性角計算：根據該分歧頻率、該定電壓、該第一位移量、及該第二位移量，以利用一演算模組進行運算，計算出一低頻慣性軸角度的二個解；(h)是否轉動：若該半球殼與該電極基座未經旋轉，則使該半球殼與該電極基座進行任一角度之相對旋轉後，回到步驟(e)，若該半球殼與該電極基座已旋轉，即進入步驟(i)；(i)標示低頻慣性軸：將該演算模組兩次運算出之慣性軸角度取其交集者而得唯一解，並以該第一電極激發片與該半球殼球心之連線為基準邊、及以該慣性軸為夾角定義出該慣性軸之位置；(j)標示假想垂直線：定義一與該低頻慣性軸相互垂直且貫穿該半球殼球心之假想垂直線；及(k)找出去質量位置：透過該低頻慣性軸及該假想垂直線與該半球殼開口底部之交點位置，界定出四個去質量位置，以供該半球殼消除頻差。

藉由上述之說明，已可了解本技術之結構，而依據這個結構之對應配合，更可配合演算模組4，簡單透過兩次的檢測動作，計算出半球殼1去除質量點的精確位置等優勢，而詳細之解說將於下述說明。

請同時配合參閱第三圖至第十一圖所示，係為本發明較佳實施例之立體圖至半球殼開口底部去質量示意圖，藉由上述構件組構時，由圖中可清楚看出，本發明之半球殼1係為哥式振動陀螺，故其轉動動作係發生於一感測元件2上，但本發明為了在檢測過程中消除阻尼瑕疵造成的阻尼力，乃將半球殼1透過中心支撐柱11局部插置固定於感測元件2的中心孔結合部21中(步驟a)，以利用不會旋轉的半球殼1進行檢測，接著透過一電性連結該半球殼1之電極基座3先行透過輸入交流電來執行簡併頻率附近範圍的掃頻分析，進而找出第一彎曲共振模態的分歧頻率ω H=(ω 1)及ω L(=ω 2)(步驟b)。

激振半球殼的力量與感測半球殼振幅的物件，可以是使用壓電(piezoelectirc)片或使用電容電極方式。先說明壓電片的使用操作，再說明電容電極。

實際操作時，如第七圖及步驟(c)至步驟(d)在通電前乃將電極基座3可轉動的設置於感測元件2的圓形滑軌溝槽23內，並選定半球殼1之開口側緣的任意位置作為第一壓電(piezoelectric)激發片31，並同樣於半球殼1的開口側緣上，選定一個與第一壓電激發片31具有45度位差的位置作為第二壓電激發片32，並由第一壓電激發片31輸入交流電，以使半球殼1產生諧振，其中該交流電之頻率為ω，且

接著，關閉該交流電，並同時由第一壓電激發片31及第二壓電激發片32處通以一定電壓，使位於電極基座3內側的半球殼1，受到該定電壓產生的徑向力而產生形變，以利用感測元件2分別於第一壓電激發片31及第二壓電激發片32處偵測取得一第一位移量及一第二位移量(如第八圖標示之x、y)(步驟e~f)。然後，將上述分歧頻率、定電壓、第一位移量及第二位移量等參數輸入一演算模組4(本實施例係以運算程式或微處理器作為舉例)，並套用下述數學公式：

其中△=ω ₁ ² ω ₂ ²，

並且，ω₁、ω₂分歧頻率、A為定電壓下壓電所產生的徑向力、x為第一位移量、y為第二位移量、而θ ω為低頻慣性軸之慣性角，但此處所計算出的慣性角有兩個解(如步驟g，第九圖)。

為過濾出正確的慣性角θ ω需使半球殼1與電極基座3進行任意角度的相對旋轉後(本實施例係利用電極基座3在圓形滑軌溝槽23內進行轉動，而半球殼1、第一壓電激發片31及第二壓電激發片32不動)，重複步驟(e)至步驟(g)，此時因半球殼1密度瑕疵與第一壓電激發片31及第二壓電激發片32的相對位置改變，造成第一位移量及第二位移量參數改變，藉此，使演算模組4可計算出另一組低頻慣性軸角度的兩個解，然後將演算模組兩次運算出之慣性角度取其交集而得到唯一解，即可確認該慣性角θ ω為物理模型(第一圖)的慣性軸角度。

然後，如步驟i及第九圖所示，可根據該物理模型的慣性軸角度值的一半，轉換為實體半球殼1的低頻慣性軸41之慣性角θ ω/2，具體而言，係以第一電極激發片31與半球殼1球心的連線作為基準邊(本實施例即為X軸)，並以該基準邊偏轉該慣性角θ ω/2之角度值，而定義出一低頻慣性軸41，再以該半球殼1的球心為中心，往與該低頻慣性軸41相互垂直的方向延伸，而定義出一假想垂直線42(步驟j)。就最後透過低頻慣性軸41及假想垂直線42與該半球殼1開口底部之交點位置，界定出四個去質量位置51、52、53、54(如第十圖及第十一圖所示)，而這四個去質量位置51、52、53、54即為該半球殼1消除頻差用之燒結點(步驟k)。

如此一來，便可簡單透過兩次的檢測，找出精確的球殼質量燒蝕定位點，接著在根據頻差值決定燒蝕的質量大小，即可快速的完成半球殼1的瑕疵平衡，且因每一回合微質量的燒蝕其慣性軸角度不會改變、又無阻尼力干擾，故可期望慣性角θ ω的精確度達到10-6或更小之水準。

再請同時配合參閱第十二圖所示，係為本發明再一較佳實施例之立體透視圖，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，僅改變檢測方法為電容式檢測，以令該第一電極激發片31a及該第二電極激發片32a與該半球殼1a間分別具有一間隙部6a，並於該感測元件2a上具有一位置對應該第一電極激發片31a之第一電極感測片221a、及一位置對應該第二電a及第一電極感測片221a時，測量出靜止狀態下第一電極激發片31a與第一電極感測片221a之間距，並定義為電極片間距△0(步驟e1)。故演算模組在計算時，乃套用下述公式：

其中

，

，A為定電壓的幅值，x為第一 振幅，y為第二位移量，θ ω為慣性角，S為電極片面積，m為半球殼1的質量，△0為電極片間距，ε ₀為真空中的介電常數(ε ₀=8.85×10^-12 F/m)。

如此同樣可計算出慣性軸角度θ ω，進而找出去質量位置的精確位置。

又請同時配合參閱第十三圖所示，係為本發明再一較佳實施例之立體透視圖，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，僅更包含以下步驟：(l)於該些去質量位置處消去預定質量，以消除該半球殼之頻差；(m)由該第一電極激發片處輸入一第二交流電，使該半球殼產生完整諧振，且該第二交流電之頻率與該半球殼之簡併頻率相同；(n)關閉該第二交流電，並利用該第一電極感測片及該第二電極感測片，分別感測及記錄該半球殼開口端側緣的第一時間位移量及第二時間位移量；(o)以該第一時間位移量及該第二時間位移量為直角坐標平面之兩參數，繪製形成一軌跡圖，其中該直角坐標平面之原點係為該半球殼球心；(p)若該軌跡圖與該第一電極激發片及該半球殼球心之連線為重疊狀態，即將該第一電極激發片與該半球殼球心之連線位置定義為一阻尼慣性軸，而後步驟結束，若該軌跡圖與該第一電極激發片及該半球殼球心之連線為非重疊狀態，則使該半球殼與該電極基座進行任一角度之相對旋轉後，重複步驟(m)至步驟(p)。

具體而言，本實施例主要在於檢測阻尼瑕疵石英半球殼之阻尼慣性軸7b(第十三圖)位置的判斷準則，以做為爾後透過電極電容電力來平衡不均勻阻尼力的控制器之設計。

當半球殼1b的頻差消除後，密度不均勻的瑕疵影響已不復存在，而只剩下阻尼不均勻的瑕疵，故慣性軸可以是任意角度方向。一般而言，石英半球殼諧振陀螺儀裝置在載具上，用來量測載具的旋轉角速率，陀螺儀內的半球殼1b是以第一彎曲共振模態做諧振，此固定模態是駐波型式；當載具以角速率Ω旋轉時，旋轉哥氏力(Coriolis force)造成駐波變成旅波，即半球殼1b上的共振模態會有相對於半球殼1b為等速倒退的旅波，其波速dΦ/dt為dΦ/dt=-GΩ，故量取旅波的波速dΦ/dt即可獲利載具轉速Ω，此種量測載具轉速的方法稱為全角度(whole angle)量測法。當存在不均勻阻尼時，倒退的旅波不再是等速，而有阻尼瑕疵引起的振盪波重疊在等速的旅波上，造成該陀螺儀的量測失誤。其解決方法可以是在阻尼的兩個互相垂直的慣性軸上實施電極電容力來平衡兩阻尼慣性軸7b上不相等的阻尼力，消除不均勻阻尼力效應，使全角度量測法為可行。

實際操作時，本實施例之檢測方法所需的結構與前述實施例相同，僅檢測原理與檢測方法不同，而其檢測對象的半球殼1b，必須是已做過頻差消除處理，使得半球殼1b第一彎曲的兩個共振模態有相同的共振頻率，稱為簡併頻率，定義為ω _D(即步驟l)。

接著，由該第一電極激發片31b處輸入一第二交流電，使該半球殼1b產生完整諧振，且該第二交流電之頻率與該半球殼之簡併頻率相同，並如第十三圖所示，通過圓心與第一電極激發片31b的線定義為X軸，而通過圓心與第二電極激發片32b的線定義為Y軸(圖中X₀及Y₀為直角參考座標)。待半球殼1b的振動發展成完整的諧振後，關掉交流電壓使半球殼1b呈現無外力的自由振動狀態(如步驟n)。同時開啟第一電極感測片221b與第二電極感測片222b，來量測半球殼1b的第一位移量x與第二位移量y(如第十三圖所標示的x、y)，並分別記錄為第一時間位移量及第二時間位移量(如第十三圖所標示的x(t)及y(t))。

再者，將該第一時間位移量及第二時間位移量設定為直角坐標平面的兩參數，繪製形成一隨時間變化的軌跡圖，最後若軌跡圖與X軸重合，則可判定X軸 即等同於阻尼慣性軸7b之位置；反之，若軌跡圖不與X軸重合，則使半球殼1b與電極基座進行任一角度(如第十三圖所標示的Φ)的相對旋轉後，重複步驟(m)至步驟(p)，直至阻尼慣性軸7b的角度θ_T/2=Φ。

另外，亦可單獨檢視第二時間位移量，由於半球殼1b在呈自由振動狀態後，第二時間位移量會逐漸趨於零，如第十四圖所示，若第二時間位移量恆為零，則當下X軸所在的角度位置，即等同於阻尼慣性軸之位置。換言之，在此檢測原則下，其操作步驟(n)至步驟(p)變更為：(n)關閉該第二交流電，並利用該第二電極感測片感測及記錄該半球殼開口端側緣的第二時間位移量；(o)若該第二時間位移量恆為零，即將該第一電極激發片與該半球殼球心之連線位置定義為一阻尼慣性軸，則步驟結束，若該第二時間位移量不等於零，則使該半球殼與該電極基座進行任一角度之相對旋轉後，重複步驟(m)至步驟(o)。

惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本發明之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構及其方法於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本發明，以保障創作人之辛苦創作，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，創作人定當竭力配合，實感德便。

1:半球殼

11:中心支撐柱

2:感測元件

3:電極基座

31:第一電極激發片

32:第二電極激發片

Claims (10)

1. 一種檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構，其主要包括：一半球殼，係具有至少一種瑕疵狀態；一設於該半球殼上之中心支撐柱；至少一設於該半球殼一側之感測元件，係於該半球殼受力形變時，感測其分歧頻率；一形成於該感測元件上之中心孔結合部，係供局部設置該中心支撐柱；一形成於該感測元件上之圓形滑軌溝槽；一耦接於該半球殼開口上且轉動設置於該圓形滑軌溝槽內之電極基座，係供輸入交流電，以使該半球殼產生形變；一界定於該半球殼開口側緣且電性連結該電極基座之第一電極激發片，係供輸入交流電使該半球殼產生諧振，並輸入定電壓以於該半球殼上產生一第一位移量；一界定於該電極基座上且位於該半球殼開口側緣之第二電極激發片，並與該第一電極激發片間具有45度位差，係供同時輸入該定電壓，以於該半球殼上產生一第二位移量；一電性連結該感測元件之演算模組，係根據該分歧頻率、該定電壓、該第一位移量及該第二位移量，以計算出一低頻慣性軸之慣性角；及四個界定於該半球殼開口端底部之去質量位置，係由該低頻慣性軸配合界定於該半球殼之球心上且與該低頻慣性軸相互垂直之假想垂直線，於該半球殼開口端底部之交點位置定義而成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構，其中該第一電極激發片及該第二電極激發片與該半球殼間分別具有一間隙部。
3. 如申請專利範圍第1項所述之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之結構，其中該感測元件上具有一位置對應該第一電極激發片之第一電極感測片、及一位置對應該第二電極激發片之第二電極感測片。
4. 一種檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之方法，其步驟包括：(a)將一半球殼之中心支撐柱局部設置於至少一感測元件之中心孔結合部中； (b)利用一電極基座輸出交流電至該半球殼，以由該感測元件掃頻偵測該半球殼之分歧頻率；(c)將該電極基座轉動設置於該感測元件之圓形滑軌溝槽內，並使該電極基座耦接於該半球殼；(d)利用該電極基座輸出交流電使半球殼產生諧振，並關閉該交流電，再由該電極基座輸出定電壓；(e)將該定電壓同時輸入至相隔45度之一第一電極激發片及一第二電極激發片，以傳輸至該半球殼開口側緣；(f)該半球殼受該定電壓影響，使該感測元件分別於該第一電極激發片處及該第二電極激發片處偵測取得一第一位移量及一第二位移量；(g)根據該分歧頻率、該定電壓、該第一位移量、及該第二位移量，以利用一演算模組進行運算，計算出一低頻慣性軸角度的二個解；(h)若該半球殼與該電極基座未經旋轉，則使該半球殼與該電極基座進行任一角度之相對旋轉後，回到步驟(e)，若該半球殼與該電極基座已旋轉，即進入步驟(i)；(i)將該演算模組兩次運算出之慣性軸角度取其交集者而得唯一解，並以該第一電極激發片與該半球殼球心之連線為基準邊、及以該慣性角為夾角定義出該低頻慣性軸之位置；(j)定義一與該低頻慣性軸相互垂直且貫穿該半球殼球心之假想垂直線；及(k)透過該低頻慣性軸及該假想垂直線與該半球殼開口底部之交點位置，界定出四個去質量位置，以供該半球殼消除頻差。
5. 如申請專利範圍第4項所述之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之方法，其中該第一電極激發片及該第二電極激發片與該半球殼間分別具有一間隙部。
6. 如申請專利範圍第4項所述之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之方法，其中該感測元件上具有一位置對應該第一電極激發片之第一電極感測片，並包含步驟(e1)根據該第一電極激發片與該第一電極感測片之間距定義一電極片間距。
7. 如申請專利範圍第6項所述之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之方法，其中該步驟(g)根據該分歧頻率、該定電壓、該第一位移量、該第二位移量、 該電極片間距、該第一電極激發片之面積、及該第二電極激發片之面積，以利用該演算模組內之數學公式，計算出該低頻慣性軸之二慣性角。
8. 如申請專利範圍第4項所述之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之方法，其中該感測元件上具有一位置對應該第一電極激發片之第一電極感測片、及一位置對應該第二電極激發片之第二電極感測片。
9. 如申請專利範圍第8項所述之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之方法，其中更包以下步驟：(l)於該些去質量位置處消去預定質量，以消除該半球殼之頻差；(m)由該第一電極激發片處輸入一第二交流電，使該半球殼產生完整諧振，且該第二交流電之頻率與該半球殼之簡併頻率相同；(n)關閉該第二交流電，並利用該第一電極感測片及該第二電極感測片，分別感測及記錄該半球殼開口端側緣的第一時間位移量及第二時間位移量；(o)以該第一時間位移量及該第二時間位移量為直角坐標平面之兩參數，繪製形成一軌跡圖，其中該直角坐標平面之原點係為該半球殼球心；(p)若該軌跡圖與該第一電極激發片及該半球殼球心之連線為重疊狀態，即將該第一電極激發片與該半球殼球心之連線位置定義為一阻尼慣性軸，而後步驟結束，若該軌跡圖與該第一電極激發片及該半球殼球心之連線為非重疊狀態，則使該半球殼與該電極基座進行任一角度之相對旋轉後，重複步驟(m)至步驟(p)。
10. 如申請專利範圍第8項所述之檢測瑕疵石英半球殼慣性軸位置之方法，其中更包以下步驟：(l)於該些去質量位置處消去預定質量，以消除該半球殼之頻差；(m)由該第一電極激發片處輸入一第二交流電，使該半球殼產生完整諧振，且該第二交流電之頻率與該半球殼之簡併頻率相同；(n)關閉該第二交流電，並利用該第二電極感測片感測及記錄該半球殼開口端側緣的第二時間位移量；(o)若該第二時間位移量恆為零，即將該第一電極激發片與該半球殼球心之連線位置定義為一阻尼慣性軸，則步驟結束，若該第二時間位移量不等於零，則使該半球殼與該電極基座進行任一角度之相對旋轉後，重複步 驟(m)至步驟(o)。

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