基于激光三角法的石英摆片扭频测量方法与装置

摘要

本发明公开了一种基于激光三角法的石英摆片扭频测量方法，包括以下步骤：(1)通过两路激光三角光传感器对称照射石英摆片中轴的两侧；(2)依据瞬态激励测量法，由瞬态激励源对石英摆片进行激励，摆片在激励源的激励下产生振动，两路激光三角光传感器测量摆片的振动过程分别获得振动信号y

说明书

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，特别涉及一种基于激光三角法的 石英摆片扭频测量方法与装置。

背景技术

石英摆片作为石英加速度计的核心敏感器件，广泛应用于航空、 航天飞行器以及舰船的惯性导航系统中。在石英摆片加工过程中，对 于其悬臂梁的加工和检测是保证整个器件加工质量的关键。对于悬臂 梁的动力学参数长期以来一直采用检测其刚度来判别质量，而检测刚 度一般采取静态加载的方法。但由于悬臂梁的刚度极小，采用此种方 法对测试条件的要求非常苛刻，难以满足测试条件，进而导致检测结 果误差很大。为了更好地获得石英摆片的动力学参数，采用测量其摆 频的方法来获得其动力学参数，成为目前测量方法的主要研究方向。 石英摆片的振动是包含自振和扭振的复合振动，其中自振信号幅度较 大，因此对于自振信号的测量分析较为简单，而对于淹没于自振信号 中的扭振信号的测量分析，对于获得石英摆片更加完善的动力学参数 具有重要意义。

袁峰等[袁峰,施平,蒋祖军,白军才,杨乐民.石英摆片综合 参数测试系统.哈尔滨科学技术大学学报.1994,18(3):26-28]提出 采用光电位置敏感元件PSD作为传感器测试石英摆片的摆频和扭频等 参数，但在测试过程中，需将石英摆片倾斜放置，同时由于石英摆片 的自身振动，导致光路调节复杂，测量精度低，并对操作者提出了较 高的要求，进而导致测量效率低。

马洪文,谭久彬等[马洪文,谭久彬,杨文国,尹静.薄片式挠 弹性器件漫反射激光三角法频率测量.光电子.激光.2004,15(7): 849-852]提出了采用激光三角法实现对石英摆片进行非接触瞬态激励 测量，该方法具有调节方便、测量精度高及易于实现生产现场自动测 试等优点，但该方法只实现了摆频的测量，而在实际工程中，因为加 工误差的存在，两个悬臂梁很难保证精确一致，因此摆片在摆动过程 通常伴随扭动，进而导致石英摆片存在扭频（扭振频率）。

有鉴于上述现有的石英摆片动力学参数测量方法存在的诸多问题 和缺陷，本发明人积极加以研究和创新，最终发明了一种新颖的基于 激光三角法的石英摆片扭频测量方法与装置，使其更加具有实用性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于激 光三角法的石英摆片扭频测量方法，本发明方法提高了测量精度以及 测量效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

基于激光三角法的石英摆片扭频测量方法，包括以下步骤：

(1)通过两路激光三角光传感器对称照射石英摆片中轴的两侧；

(2)依据瞬态激励测量法，由瞬态激励源对石英摆片进行激励， 摆片在激励源的激励下产生振动，两路激光三角光传感器测量摆片的 振动过程分别获得振动信号y₁(t)和y₂(t)，通过公式表示如下：

式中，e^-λt为衰减振荡因子，λ为未知常数，A表示摆动信号的振 幅，f₀表示摆动信号的摆频，φ₀表示自振信号的初始相位，f₁表示扭振 信号的扭频，φ₁表示扭振信号的初始相位；

对两路信号做差，得到差动信号y(t),则y(t)通过公式表示如下：

(3)对差动信号y(t)进行波形和频谱分析，计算获得待测石英摆 片的扭频f₁。

作为优选有，所述步骤（3）获得扭频f₁的具体步骤如下：首先使 用数字滤波法对波形滤波，滤除噪声；然后对信号进行傅里叶变换， 得到频率的粗略估计值；最后，采用最大似然估计算法获得其频率值， 即石英摆片的扭振频率。

本发明的另一目的为提供一种基于激光三角法的石英摆片扭频测 量装置，本发明装置实现了测量精度以及测量效率。实现该目的的技 术方案如下：

一种基于激光三角法的石英摆片扭频测量装置，包括：

隔振基座；

支架，安装在隔振基座上；

旋转台，安装在支架上，并在安装面上相对旋转；

测量台总成，固定安装在旋转台上，随旋转台旋转；

瞬态激励源支架，固定安装于测量台总成上；

瞬态激励源，固定安装在瞬态激励源支架上；

石英摆片支架，固定于测量台总成上，用于固定待测石英摆片；

调整位移台，设于测量台总成上，可在测量台总成上线性移动；

两个激光三角光传感器，固定在调整位移台上；

电脑处理中心，与两个激光三角光传感器连接；

通过调节调整位移台使两个激光三角光传感器与固定于石英摆片 支架上的待测石英摆片的测量面垂直并设有间距，且两个激光三角光 传感器的检测光斑关于待测石英摆片的中轴线对称；

由瞬态激励源对石英摆片进行激励，摆片在激励源的激励下产生 振动，两路激光三角光传感器测量摆片的振动过程分别获得振动信号 y₁(t)和y₂(t)，电脑处理中心对两路激光三角光传感器输入的振动信号 y₁(t)和y₂(t)做差得到差动信号y(t),电脑处理中心对差动信号y(t)进 行波形和频谱分析，计算获得待测石英摆片的扭频f₁。

作为优选，所述获得待测石英摆片的扭频f₁的具体步骤如下：首先 使用数字滤波法对波形滤波，滤除噪声；然后对信号进行傅里叶变换， 得到频率的粗略估计值；最后，采用最大似然估计算法获得其频率值， 即石英摆片的扭振频率。

作为优选，其中瞬态激励源和两个激光三角光传感器位于待测石 英摆片的同侧，或瞬态激励源和两个激光三角光传感器相对置于待测 石英摆片两侧。

作为优选，所述支架包括水平底座和与底座垂直的竖板构成，水 平底座与隔振基座通过螺栓固定连接，所述旋转台安装在支架的竖板 的侧壁上。

作为优选，所述旋转台包括旋转工作面和旋转台基座，旋转台基 座通过螺栓固定在支架的竖板的侧壁上，旋转工作面通过轴承连接于 旋转台基座。

作为优选，所述石英摆片支架上有与摆片外形吻合的凹槽，用以 将石英摆片嵌入其中并固定石英摆片。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

采用激光三角法偏轴照射石英摆片，依据瞬态激励测量法，在石 英摆片一次装卡下，通过该方法可以实现差动的效果，既可以有效的 消除较大的自振信号分量对扭振频率估计的影响，而且使扭振信号幅 度增大一倍。在保证使用方便性以及现场自动测试需求基础上，可兼 顾测量精度和测量效率，同时更加符合加工、检测及使用状态要求。

附图说明

图1为本发明的基于激光三角法的石英摆片扭频测量装置的结构 示意图；

图2为旋转台的结构示意图

图3为旋转台的侧视图

图4为检测光斑与待测石英摆片的摆片位置示意图；

图5为测量信号波形图；

图6为扭振信号波形图；

图7为扭转信号频谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本 发明的限定。

图1为本发明的基于激光三角法的石英摆片扭频测量装置的结构 示意图；如图1所示，基于激光三角法的石英摆片扭频测量装置，包 括隔振基座1及固定安装在隔振基座上的支架2。支架2由水平底座和 与底座垂直的竖板构成，水平底座与隔振基座1通过螺栓或其他方式 固定连接。在支架2的竖板的侧壁上安装有旋转台3。旋转台3的详细 结构如图2、图3所示，旋转台3包括旋转工作面17和旋转台基座16， 旋转台基座16通过螺栓固定在支架2的竖板的侧壁上，旋转工作面17 通过轴承连接于旋转台基座16，使旋转工作面可以相对转动。作为另 一种替换，可在支架2的竖板上通过一体成型形成用于安装旋转工作 面的旋转台基座部分。测量台总成4通过螺栓固定在旋转台3的旋转 工作面17上，在测量台总成4上固定安装石英摆片支架5，待测石英 摆片7固定在石英摆片支架5上的凹槽内，待测石英摆片7的中轴线 平行于支架2的竖板，待测石英摆片7的测量面垂直于支架2的竖板， 通过调整旋转台3的工作面使待测石英摆片7的测量面垂直于水平面， 在测量台总成4上还固定安装瞬态激励源支架14和调整位移台6，瞬 态激励源支架14与调整位移台6可在石英摆片支架5的同一侧，也可 在其两侧。瞬态激励源15固定安装在瞬态激励源支架14上且垂直于 待测石英摆片7的测量面。调整位移台6可通过丝杠调节以使其在水 平面方向上二维平动，两个激光三角光传感器8、9固定在调整位移台 6上，两个激光三角光传感器8、9的检测光斑垂直照在待测石英摆片 7测量区内，通过调节调整位移台6可调节两个激光三角光传感器8、 9与待测石英摆片7的测量面之间的间距，且激光三角光传感器8、9 的检测光斑11、12对称于待测石英摆片中轴线13，两个激光三角光传 感器8、9分别与电脑处理中心10相连接。

结合上述的石英摆片扭频测量装置，本发明的基于激光三角法的 石英摆片扭频测量方法的具体步骤如下：

首先，将待测石英摆片7固定在石英摆片支架5上的凹槽内，通 过调节旋转台3的旋转工作面17使待测石英摆片7的测量面垂直于水 平面，调节调整位移台6使其在水平方向运动，从而使待测石英摆片7 摆片位于激光三角光传感器8、9有效测量区，并使激光三角光传感器 8、9的检测光斑11、12对称于石英摆片7的中轴线13，如图2所示， 图2为检测光斑与待测石英摆片的摆片位置示意图。

然后，由瞬态激励源15对石英摆片7进行激励，石英摆片7在激 励源的激励下产生振动，由激光三角光传感器8、9测量摆片的振动过 程分别获得振动信号y1(t)，y2(t)，将两路振动信号输入电脑处理中 心10，其中振动信号y1(t)，y2(t)可分别由以下公式表示：

上述两式中，e^-λt为衰减振荡因子，λ为未知常数，A表示摆动信 号的振幅，B表示扭动信号的振幅，f0表示摆动信号的摆频，φ0表示 自振信号的初始相位，f1表示扭振信号的扭频，φ1表示扭振信号的 初始相位。由于两路激光传感器8、9是对称的安置于石英摆片7的中 轴线13两侧，因此在任意时刻两路激光三角光传感器8、9获得的振 动信号的自振信号分量是同相的，而扭振信号分量是反相的。

将两路信号y₁(t)，y₂(t)分别输入电脑处理中心10，由电脑处理中 心10对两路信号做差，得到差动信号y(t),则y(t)可由以下公式表示：

最后，由电脑处理中心进行波形和频谱分析，计算获得待测石英 摆片的扭频f₁。具体的波形和频谱分析计算获得扭频的方法可采用现有 技术中成熟的方法。本实施例中给出一种较优的方法：首先使用数字 滤波法对波形滤波，滤除噪声；然后对信号进行傅里叶变换，得到频 率的粗略估计值；最后，采用最大似然估计算法获得其频率值，即石 英摆片的扭振频率。最终获得待测石英摆片的扭频f₁。

通过上述方法对一石英摆片进行实际测量，获得的测量信号波形 图如图5所示；图6和图7分别为扭振信号波形图和扭转信号频谱图。 最终计算获得该石英摆片的扭频f₁为219.59Hz。

本发明在石英摆片一次装卡下，可同时完成石英摆片的扭振频率 高精度测量，使用方便，从而更加符合加工、检测及使用状态要求。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本 发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的 实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或 等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。