杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统及方法

摘要

本发明涉及一种杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统及方法，包括谐振子、转台、支撑平台、转台电机、封闭罩和两个封闭罩支承座；谐振子通过其底部的安装基座固连在转台上，转台设置于支撑平台上；转台电机用于驱动转台旋转；支撑平台上两侧各竖直设有一个封闭罩支承座；封闭罩通过一矩形杆架设在两个封闭罩支承座的上部之间；封闭罩通过其底部的开口罩在谐振子上；封闭罩的下部周向设有六个开孔；其中两个开孔处各布置有一块电磁铁；剩余四个开孔中处各布置有一块麦克风芯片；电磁铁用于使谐振子发生共振，激励出驱动模态；麦克风芯片用于检测谐振子的波节点与波腹点的振动。本发明成本低廉，精度较高且不会损伤谐振子。

说明书

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪的谐振子的检测方法，尤其涉及一种杯形波动陀螺杯形谐振 子的非接触驱动检测系统及方法。

背景技术

杯形波动陀螺是一种新型固体波动陀螺，利用杯形结构中弹性波的惯性效应实现角 速动测量。杯形波动陀螺具有固体波动陀螺特有的精度高、能耗小、准备时间短、工作 温度范围大、抗电离辐射能力强、抗冲击振动好、使用寿命长等优点，发展和应用前景 极为广阔。

杯形波动陀螺的工作原理为：给其谐振子底面相互垂直的四个压电激励电极施加交 流电压，由逆压电效应产生的电极振动通过传振结构传递到谐振环，激励出如图1所示 的谐振子的驱动模态，由图1可见，谐振子的驱动模态为环向波数为2的驻波，其中波 腹点处的振幅最大，波节点处的振幅为零，波腹点连线构成固有刚性轴系；当有轴向角 速度输入时，谐振环在哥氏力的作用下产生如图2所示的另一固有刚性轴系的检测模态 振动，谐振环检测模态下的振动通过传振结构传递到相互垂直的四个压电敏感电极，由 压电效应产生的敏感信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。

然而，在杯形波动陀螺的制造过程中，杯形波动陀螺谐振子的加工误差会导致谐振 子的振型偏移和固有频率裂解，这直接影响了杯形波动陀螺的精度及灵敏度。在现有条 件下，可以利用激光测振仪对谐振子的振型进行测量，其精度高但是成本高昂，操作不 便；也可粘贴压电电极对谐振子的性能进行测试，但如果出现问题，就需要将压电电极 重新布置，反复的粘贴压电电极操作复杂且容易对谐振子产生不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种杯形波动陀螺杯形谐 振子的非接触驱动检测系统及方法，成本低廉、操作简便、检测精度高且不会对谐振子 的性能造成影响。

本发明的技术方案为：

杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统，包括谐振子6、转台11、支撑平 台10、转台电机1、封闭罩4和两个封闭罩支承座3；

所述谐振子6通过其底部的安装基座固连在所述转台11上，所述转台11设置于所 述支撑平台10上；所述转台电机1用于驱动所述转台11旋转；

所述支撑平台10上两侧各竖直设有一个封闭罩支承座3；

所述封闭罩4通过一矩形杆架设在两个封闭罩支承座3上；所述封闭罩4采用底部 设有开口的空心圆柱形结构，封闭罩4通过其底部的开口罩在所述谐振子6上；

所述封闭罩4的罩壁的下部周向设有六个开孔；其中两个开孔设于封闭罩4的下部 第一直径的两端，该两个开孔处各布置有一块电磁铁9；

剩余四个开孔中，两个开孔设于封闭罩4的下部与第一直径相垂直的第二直径的两 端；另两个开孔设于封闭罩的下部与第一直径夹角为45°的第三直径的两端；所述剩余 四个开孔处各布置有一块麦克风芯片5；

所述电磁铁9用于使谐振子6发生共振，激励出驱动模态；

所述麦克风芯片5用于检测谐振子6的波节点与波腹点的振动。

所述两个封闭罩支承座3与支撑平台10分别通过两个高度调整螺钉7连接，所述高 度调整螺钉7用于调整封闭罩支承座相对于支撑平台的高度，从而调整封闭罩4的高度；

两个封闭罩支承座3的上端相应位置设有水平通孔，所述矩形杆的两端分别与所述 两个水平通孔的内侧形成间隙配合；所述两个水平通孔的外侧各设有一个对中调整螺钉 2；所述对中调整螺钉用于推动所述矩形杆水平移动，从而调整封闭罩在两个封闭罩支承 座之间的横向位置，使得封闭罩的中心线与谐振子的中心线重合；

所述两个封闭罩支承座的顶部各设有一个紧固螺钉8，防止矩形杆和封闭罩横向移 动。

对所述两个电磁铁9中有施加交流电压，交流电压的频率为谐振子的谐振频率，交 流电压的有效值为电磁铁的额定工作电压。

所述两块电磁铁9由铁镍合金材料制成。

所述两块电磁铁9的铁芯横截面直径小于2mm。

一种杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测方法，采用上述的杯形波动陀螺杯 形谐振子的非接触驱动检测系统；

所述非接触驱动检测方法为：

向两个电磁铁9中施加交流电压，其电压频率为谐振子的谐振频率，电压有效值为 电磁铁的额定工作电压；检测各个麦克风芯片5输出的音频信号电压大小，从而确定谐 振子的振幅分布情况，即振型。

在检测之前，先松开紧固螺钉8，然后通过对中调整螺钉2调整封闭罩在两个封闭罩 支承座之间的横向位置，使得封闭罩的中心线与谐振子的中心线重合，最后拧紧紧固螺 钉，固定封闭罩在两个封闭罩支承座连线方向的位置。

通过高度调整螺钉7调整封闭罩支承座相对于支撑平台的高度，从而调整封闭罩相 对于谐振子的高度，改变检测位置的高度。

通过旋转转台，使得电磁铁所产生的驱动力的方向对准谐振子的振动刚性轴，当波 节点位置的麦克风芯片5输出的信号为0时即说明驱动力的方向对准了谐振子的振动刚 性轴。

有益效果：

1)本发明利用电磁铁对谐振子进行驱动，利用麦克风芯片对谐振子的振动进行检 测；谐振子在谐振状态时，会产生明显的声波，且声波幅值与振动幅值成正比，因此麦 克风芯片输出的信号大小与检测到的谐振子振幅成正比，于是可以通过检测谐振子在圆 周方向多个点的振幅大小，确定谐振子的振幅分布情况，即振型，检测精度高。

2)利用转台的旋转即机械调节机构实现在谐振子周向和轴向不同位置的驱动和检 测，可以快速得到更为全面的谐振子振动数据，并对谐振子的性能进行评估。

3)与传统的压电电极检测方法相比，本发明以非接触的方式对谐振子进行激振，并 以非接触的方式对谐振子的振动进行检测，以减小接触式测量过程中使用的粘接剂给敏 感元件本身带来的振动阻尼或温度性能变化对谐振子造成的影响，能够更为精确的反映 谐振子本身的性能，为谐振子性能的进一步提高提供基础。

与激光测振仪等非接触测试手段相比，本发明成本低廉、操作简便，可长时间可靠 的连续工作，实现谐振子性能和振型的快速测试。结合恒温箱等温控设备，本发明还可 以实现谐振子性能的全温区检测实验。

附图说明

图1为杯形波动陀螺的杯形谐振子的驱动模态示意图。

图2为杯形波动陀螺的杯形谐振子的检测模态示意图。

图3为本发明的整体示意图。

图4为本发明的谐振子及封闭罩局部视图；

图5为压电电极与麦克风检测的对比拟合曲线；

图6为麦克风芯片和激光谐振仪检测到的谐振子振型对比图；其中图6(a)为麦克 风芯片检测到的谐振子振型图；图6(b)为激光谐振仪检测到的谐振子振型图。

附图标记说明：

1—转台电机，2—对中调整螺钉，3—封闭罩支承座，4—封闭罩，5—麦克风芯片， 6—谐振子，7—高度调整螺钉，8—紧固螺钉，9—电磁铁，10、支撑平台，11、转台。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

本发明针对杯形波动陀螺谐振子的结构和材料特点，设计了以电磁驱动技术及声波 检测技术为核心的杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统及方法。

杯形谐振子包括一侧壁和固接于侧壁底部的底盘，侧壁包括上部的谐振环和下部的 导振环，底盘中心设有一安装底座；谐振子安装基座用于将谐振子固连在转台上；电控 转台作为谐振子位置变换的驱动装置；封闭罩加在谐振子上以保证在测量过程中谐振子 周边的阻尼分布均匀，如图3所示。在封闭罩的开孔位置布置有驱动电磁铁和检测用麦 克风芯片，其布置方式为谐振子周向布置，电磁铁共两个，布置于谐振子某一直径的两 端，麦克风芯片共四个，分别布置于与两电磁铁所决定直径相垂直的另一直径的两端， 以及与两电磁铁所决定直径夹角为45°的直径的两端，如图4所示。可以利用夹具机构 保证电磁铁和麦克风的相对位置。所述麦克风芯片用于检测谐振子波节点与波腹点的振 动，因此在波腹与波节点位置分别布置一个麦克风芯片即可实现功能，为了降低麦克风 芯片位置误差对测量结果的影响，本发明采用轴向对称布置的方式，共布置4个麦克风 芯片。

基于上述杯形波动陀螺杯形谐振子的非接触驱动检测系统的驱动检测方法为：通过 电磁铁对谐振子进行驱动，通过声波检测技术对谐振子的振动进行检测，通过设计的机 械结构及转台，使得驱动位置和检测位置在谐振子的轴向和周向的多个位置之间变化。

上述的驱动检测方法中，所述通过电磁铁对谐振子进行驱动是指向两个电磁铁施加 相同的交流电压，其电压频率取决于谐振子的谐振频率，该频率可通过对谐振子进行频 率响应测试得到；电压大小取决于电磁铁的额定工作电压，谐振频率和额定工作电压是 可调参数，具有已知初始值。交流电通过电磁铁产生交变的电磁力作用于谐振子，使谐 振子发生共振，激励出驱动模态。所使用的电磁铁具有横截面积较小的铁芯，其直径最 好在2mm以下，保证了电磁力良好的指向性。电磁铁所产生的电磁场具有良好的对称性， 再结合转台的调整作用，可以使驱动力准确对准振动刚性轴，确保在测试过程中不会由 于驱动力的作用影响测量参数的数值，保证测试的准确性。谐振子的振动刚性轴是由于 谐振子本身的制造误差和材料的非均匀性产生的，是沿谐振子的某条直径的，因此可以 通过周向旋转使驱动力对准刚性轴。确定谐振子对准刚性轴的方法是，当波节点位置的 麦克风信号为0时即可认为驱动力对准了刚性轴。

上述的驱动检测方法中，所述用声波检测技术对谐振子的振动进行检测是指使用微 麦克风芯片作为敏感元件，布置在谐振子周围，通过对谐振子振动过程中产生的沿谐振 子径向传播的声波的检测，检测谐振子的振动。所使用的微麦克风芯片敏感面积小，对 声波的敏感具有较好的定向性，还可以改变测量位置的高度，在谐振环、导振环等不同 位置测量数据，为分析提供更为充分的数据支持。

在使用的过程中，使用者将谐振子安装于转台上后，将封闭罩及支撑封闭罩的封闭 罩支承座安装于支撑平台上，调整好封闭罩的位置后拧紧紧固螺钉固定整个机构，将驱 动及信号检测电路连接后即可使用。调整封闭罩的位置主要有封闭罩的对中及驱动检测 位置的高度调整两个方面；对中是为了调整封闭罩在水平面内的位置，使谐振子尽可能 的位于封闭罩的中心，以保证电磁驱动和麦克风检测的对称性，如图3所示。对中调整 所使用的机构主要包含封闭罩、两个封闭罩支承座、对中调整螺钉和紧固螺钉。封闭罩 通过一矩形杆与两个封闭罩支承座相连接，对中调整螺钉位于封闭罩支承座的上端侧面， 紧固螺钉位于封闭罩支承座顶端。调整时首先松开紧固螺钉，旋转对中调整螺钉，推动 矩形杆移动，从而改变封闭罩在两个支承座连线方向的位置使其对中。高度的调整则依 靠封闭罩支承座上的高度调整螺钉，利用螺纹副的作用，旋转该螺钉可以改变封闭罩支 承座相对于支撑平台的高度，，从而达到封闭罩高度调整的目的。重复调整两位置直至基 本对中，拧紧紧固螺钉，固定封闭罩的位置。

附：麦克风检测实验

为验证麦克风检测的测量精度，设计了麦克风检测与压电电极检测的对比实验及谐 振子振型的麦克风检测与激光谐振仪检测的对比实验。实验结果表明，将谐振子振动所 产生的声波场作为谐振子振动特性的表征量，以麦克风作为声波场的检测元件所得到的 检测结果具有较高的测量精度，可以准确的反映谐振子振动的情况。

1.麦克风与压电电极的对比检测实验

实验选用MEMSensing Microsystems公司的MSMAS42Z型号硅麦克风芯片作为测量 器件，以压电电极作为驱动元件，改变驱动电压的大小，利用麦克风和压电电极同时对 谐振子的振动进行检测，检测幅值进行比较，对比两种元器件的检测结果。

对比测量的位置应选取压电电极检测结果可作为测量基准的位置进行检测。谐振子 的驱动采用稳幅驱动方式，因此驱动检测电极的输出在电路的控制作用下保持不变，是 较为理想的测量位置。

表1压电检测及麦克风检测结果对比

对比两种测量方式的测量结果数据，将两组数据分别作为横纵轴进行拟合，得到如 图5所示的拟合趋势线。

通过拟合曲线可以看出，麦克风检测得到的结果与压电电极检测结果之间具有较好 的线性关系，说明麦克风的检测结果可以作为敏感谐振子振动的敏感量。

2.谐振子振型的麦克风检测与激光谐振仪检测对比实验

实验采用Φ25mm谐振子样机进行测试，利用如图4所示的麦克风测量实验装置， 以驱动电极的粘贴位置为起始位置，每隔5°对谐振子进行测量，在最大最小值的附近每 隔1°进行振幅测量，通过转动转台得到谐振子周向各个位置的振幅数据，通过MATLAB 工具对数据进行处理，画出谐振子的振型如图6(a)所示。

所得到的振型图为四波腹驻波，波腹出现在0°，94°，185°及273°位置，波节出现在 48°，141°，230°及320°位置，且不同波腹或波节位置的振幅并不一致，与理论振型存在 一定的误差。

为了验证麦克风检测谐振子振型的精度，设计了激光测振实验与麦克风检测实验进 行对比。对比实验采用Polytec-PSV-400激光测振仪对谐振子的振动进行测量。该激光测 量仪是德国Polytec公司出品的扫描式激光测振仪，由扫描式光学头、控制器、连接箱和 数据管理系统组成，具有高精度、高测量速度等特点。

谐振子安装在转台上，利用角度控制转台，改变激光测振仪在谐振子周向的测试位 置，每隔5°测量谐振子的振动信号，在最大最小值附近每隔1°取谐振子振动数据，利用 MATLAB处理数据绘制谐振子的振型图如图6(b)所示。

所得到的振型图为四波腹驻波，波腹出现在0°，93°，183°及274°位置，波节出现在 46°，141°，230°及318°位置。

将两种检测手段得到的振型图进行比较可知，麦克风的振型检测的到的结果和激光 检测的结果具有较好的一致性，但波节和波峰的位置会出现1-2°的偏差，这主要是由转 台本身的运动控制精度、回程误差及麦克风和激光测振测试过程中对准角度的误差引起 的。

实验结果很好的说明了麦克风芯片作为传感器，利用设计的实验系统可以对谐振子 的振型进行精度较高的测量，且操作简便，更利于谐振子的测量和后续加工。