圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调方法和装置

摘要

本发明提供一种圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调方法和装置，通过确定谐振子的第一阻尼线和第二阻尼线，每一第一阻尼线为第一圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第二阻尼线为第二圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第一圆周点和每一第二圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布分别取极大值和极小值时在谐振子的外边缘上的点；在每一第一阻尼线和每一第二阻尼线上分别粘贴不同尺寸的压电材料，使粘贴了不同尺寸的压电材料的谐振子的品质因数的极大值与极小值之差小于第一预设值；从而通过不同尺寸的压电材料对谐振子的不同的阻尼特性的影响，在适当的位置粘贴不同尺寸的压电材料，达到了降低谐振子的品质因数不均匀的程度的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及固体振动陀螺仪技术领域，更具体地，涉及一种圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调方法和装置。

背景技术

固体波动陀螺是利用哥氏力原理的陀螺，具有精度高、体积小以及抗冲击性能好等特点。圆柱壳体振动陀螺是固体波动陀螺的一种，其谐振子具有结构简单、加工成本低以及精度高等优点，因此具有巨大的市场潜力。

圆柱壳体谐振子是圆柱壳体振动陀螺的核心器件，其品质直接决定了陀螺的性能。然而，圆柱壳体谐振子的材料存在一定的非均匀性，而且它是典型的薄壁壳体零件，加工难度较大，因此谐振子的品质难以保证。加工误差和材料的非均匀性主要给谐振子带来频率裂解和品质因数不均匀等品质缺陷，品质因数不均匀表现为谐振子的品质因数随圆周的分布不均匀，当品质因数不均匀的程度也过高时，会影响圆柱壳体振动陀螺的稳定振动状态，最终导致陀螺的零偏漂移。

谐振子的激励电极通常由压电材料组成，压电材料本身是一种具有高阻尼特性的材料，然而目前压电材料通常尺寸相同且以均匀分布的方式粘贴在谐振子上，这种以尺寸相同且均匀分布的粘贴方式可以使谐振子的品质因数值大幅降低，但是无法改变谐振子的品质因数不均匀的程度，即目前的谐振子没有利用压电材料的高阻尼特性来调整谐振子的品质因数不均匀的程度。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调方法和装置。

根据本发明的一个方面，提供一种圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调方法，包括：确定谐振子上的第一阻尼线和第二阻尼线，每一第一阻尼线为第一圆周点与谐振子的中心的连线，每一第二阻尼线为第二圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第一圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极大值时对应的圆周上的点，每一第二圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极小值时对应的圆周上的点，圆周为谐振子的外边缘所在的圆周；沿谐振子上的每一第一阻尼线和每一第二阻尼线分别粘贴不同尺寸的压电材料，使粘贴了不同尺寸的压电材料的谐振子的品质因数的极大值与极小值之差小于第一预设值。

其中，确定谐振子上的第一阻尼线和第二阻尼线，包括：将谐振子的频率裂解修调至第二预设值以下；获取谐振子的品质因数随圆周的分布曲线；根据分布曲线确定谐振子的品质因数的极大值对应的每一第一圆周点和谐振子的品质因数的极小值对应的每一第二圆周点；将每一第一圆周点与谐振子的中心的连线作为一个第一阻尼线，将每一第二圆周点与谐振子的中心的连线作为一个第二阻尼线。

其中，获取谐振子的品质因数随圆周的分布曲线，包括：驱动谐振子绕谐振子的中心转动，每转动预设角度，在谐振子的外边缘施加激励信号，根据激励信号获取每一激励点对应的谐振子的品质因数；根据每一激励点对应的谐振子的品质因数获取谐振子的品质因数随圆周的分布曲线。

其中，根据激励信号获取每一激励点对应的谐振子的品质因数，包括：根据激励信号获取每一激励点对应的谐振子的幅频响应曲线；根据每一激励点对应的谐振子的幅频响应曲线获取每一激励点对应的谐振子的品质因数。

其中，沿谐振子上的每一第一阻尼线和每一第二阻尼线分别粘贴不同尺寸的压电材料，包括：确定粘贴于每一第一阻尼线的压电材料的第一尺寸和粘贴于每一第二阻尼线的压电材料的第二尺寸；将第一尺寸的压电材料分别粘贴在每一第一阻尼线上，对于任一第一阻尼线上粘贴的第一压电材料，第一压电材料的一端接触谐振子的外边缘且第一压电材料的长度方向平行于所述任一第一阻尼线；将第二尺寸的压电材料分别粘贴在每一第二阻尼线上，对于任一第二阻尼线上粘贴的第二压电材料，第二压电材料的一端接触谐振子的外边缘且第二压电材料的长度方向平行于所述任一第二阻尼线。

其中，确定粘贴于每一第一阻尼线的压电材料的第一尺寸和粘贴于每一第二阻尼线的压电材料的第二尺寸，包括：将压电材料的初始预设尺寸作为第二尺寸；在第二尺寸上按第三预设值减小第二尺寸中的长度值，将减小了长度值的尺寸作为测试尺寸；获取在每一第一阻尼线上粘贴了测试尺寸的压电材料和在每一第二阻尼线上粘贴了第二尺寸的压电材料后的谐振子的品质因数的极大值与极小值之间的差值，作为测试差值；若测试差值小于第一预设值，则将测试尺寸作为第一尺寸；若测试差值不小于第一预设值，则在测试尺寸上按第三预设值减小测试尺寸中的长度值，以更新测试尺寸，并根据更新后的测试尺寸重新获取更新后的测试差值，将更新后的测试差值与第一预设值作比较，直至获取第一尺寸。

本发明的另一方面，提供一种圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调装置，包括：至少一个处理器；以及与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令以执行上述的方法。

本发明的又一方面，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包括程序指令，当该程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述的方法。

本发明的又一方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，该计算机程序使计算机执行上述的方法。

本发明提供的一种圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调方法和装置，通过确定谐振子的第一阻尼线和第二阻尼线，每一第一阻尼线为第一圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第二阻尼线为第二圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第一圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极大值时在谐振子的外边缘上的点，每一第二圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极小值时在谐振子的外边缘上的点；在每一第一阻尼线和每一第二阻尼线上分别粘贴不同尺寸的压电材料，使粘贴了不同尺寸的压电材料的谐振子的品质因数的极大值与极小值之差小于第一预设值；从而通过不同尺寸的压电材料对谐振子的不同的阻尼特性的影响，在适当的位置粘贴不同尺寸的压电材料，达到了降低谐振子的品质因数不均匀的程度的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调方法的示意图；

图2为根据本发明实施例的谐振子的四分之一圆周内的第一阻尼线与第二阻尼线的示意图；

图3为根据本发明实施例的谐振子的品质因素随圆周的分布曲线；

图4为根据本发明实施例的谐振子的压电材料的粘贴方式的示意图；

图5为根据本发明实施例的对谐振子修调前后的品质因素随圆周分布曲线的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本发明的一个实施例中，参考图1，提供一种圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调方法，包括：S11，确定谐振子上的第一阻尼线和第二阻尼线，每一第一阻尼线为第一圆周点与谐振子的中心的连线，每一第二阻尼线为第二圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第一圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极大值时对应的圆周上的点，每一第二圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极小值时对应的圆周上的点，圆周为谐振子的外边缘所在的圆周；S12，沿谐振子上的每一第一阻尼线和每一第二阻尼线分别粘贴不同尺寸的压电材料，使粘贴了不同尺寸的压电材料的谐振子的品质因数的极大值与极小值之差小于第一预设值。

具体的，压电材料是指具有电能和机械能之间的双向可逆转换性质的材料，压电材料的阻尼特性综合了多种能量损耗机制，压电材料在外力F作用下发生形变，若处于开路状态，电荷便会聚集在其表面，实现机械能向电能的转化，造成能量的损耗；当存在导电网络时，压电材料由于压电效应产生的电荷又在导电回路阻抗的作用下转化为热能；因此，压电材料由于压电效应将振动的机械能转化为电能或热能，最终会导致能量的耗散，产生一定的阻尼。大多研究认为主要由以下几种能量的耗散途径：(1)由于压电效应将振动机械能转化为电能，然后电能在一定的导电网络中转换为焦耳热消耗掉，最终使机械能转化为热能；(2)机械振动过程中，压电材料分子之间的粘弹作用以及相互摩擦使振动动能转化为热能；(3)压电材料的介电损耗也会造成一定程度的能量损耗。由于压电材料将机械能转化为电能或热能的效率与压电材料的尺寸有关，压电材料产生阻尼的大小与压电材料的尺寸有关，而阻尼会影响品质因数。

谐振子的品质因数不均匀的差异程度可通过品质因数随圆周的分布的极大值和极小值之差来表现，对于一个频率裂解满足条件的谐振子，在品质因数随圆周的分布的四分之一个圆周的范围内，会出现一次品质因数的极大值与极小值，且极大值与极小值对应的圆周上的点与圆心的连线的夹角为45°，对于这两个夹角为45°的轴线，分别为如图2所示的阻尼线1和阻尼线2，两个阻尼线的对应的品质因数分别为Q₁和Q₂；在谐振子上粘贴不同尺寸的压电材料后，附加的阻尼叠加到谐振子上，相当于给谐振子引入了一个等效阻尼线。

假设等效阻尼线与阻尼线1之间的夹角为θ，那么等效阻尼线便会在阻尼线1上产生cos2θ的分量，同时在阻尼线2上产生sin2θ的分量。因此附加的阻尼使谐振子上的阻尼重新分布，阻尼线1和阻尼线2的品质因数也将发生变化。经过上面的分析可知，等效阻尼线如果与阻尼线1有一定的角度，会同时改变两个阻尼线对应的品质因数(Q)值，如果等效阻尼线与阻尼线1重合的时候，阻尼线1对应的Q值会发生改变，但是阻尼线2对应的Q值不会发生改变，同理等效阻尼线与阻尼线2重合的时候，只会改变阻尼线2对应的Q值，对阻尼线1对应的Q值不会产生影响。当一个阻尼线对应的Q值发生变化时，另外一个阻尼线对应的Q值保持不变，可以更加高效地修调谐振子的品质因数不均匀性。假设阻尼线2对应的Q值Q₂大于阻尼线1对应的Q值Q₁，那么可以通过在阻尼线2添加阻尼或者减小阻尼线1的阻尼的方法，使谐振子的品质因数不均匀性得到修调。因此如果要更加高效地修调谐振子的品质因数不均匀性，就须使等效阻尼线与谐振子的阻尼线1或者阻尼线2重合。

本实施例中，确定谐振子的第一阻尼线和第二阻尼线，其中，每一第一阻尼线为第一圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第二阻尼线为第二圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第一圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极大值时在谐振子的外边缘上的点，每一第二圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极小值时在谐振子的外边缘上的点；在每一第一阻尼线和每一第二阻尼线上分别粘贴不同尺寸的压电材料，使粘贴了不同尺寸的压电材料的谐振子的品质因数的极大值与极小值之差小于第一预设值(例如100)。

本实施例通过不同尺寸的压电材料对谐振子的不同的阻尼特性的影响，在适当的位置粘贴不同尺寸的压电材料，达到了降低谐振子的品质因数不均匀的程度的目的。

基于以上实施例，确定谐振子上的第一阻尼线和第二阻尼线，包括：将谐振子的频率裂解修调至第二预设值以下；获取谐振子的品质因数随圆周的分布曲线；根据分布曲线确定谐振子的品质因数的极大值对应的每一第一圆周点和谐振子的品质因数的极小值对应的每一第二圆周点；将每一第一圆周点与谐振子的中心的连线作为一个第一阻尼线，将每一第二圆周点与谐振子的中心的连线作为一个第二阻尼线。

具体的，对于一个频率裂解满足条件的谐振子，即频率裂解的大小小于某个预设值(如本实施例中取0.04HZ)，在品质因数随圆周的分布的四分之一个圆周的范围内，会出现一次品质因数的极大值与极小值，且极大值与极小值对应的圆周上的点与圆心的连线的夹角为45°，在整个圆周上会出现四次品质因数的极大值与四次品质因数的极小值，对于四次品质因数的极大值对应的圆周点与圆心的连线，相邻两个连线之间的夹角为90°，对于四次品质因数的极小值对应的圆周点与圆心的连线，相邻两个连线之间的夹角也为90°，为了减小测试量，仅测试四分之一圆周上的品质因数随圆周的分布，如图3为四分之一圆周上测量获得的以及拟合后的品质因数随圆周的分布曲线，其中，品质因数取极大值Q₂对应的最小阻尼线(即该四分之一圆周的第一阻尼线)和品质因数取极小值Q₁对应的最大阻尼线(即该四分之一圆周的第二阻尼线)，然后根据最小阻尼线和最大阻尼线分别确定整个圆周上的四个第一阻尼线和四个第二阻尼线。

基于以上实施例，获取谐振子的品质因数随圆周的分布曲线，包括：驱动谐振子绕谐振子的中心转动，每转动预设角度，在谐振子的外边缘施加激励信号，根据激励信号获取每一激励点对应的谐振子的品质因数；根据每一激励点对应的谐振子的品质因数获取谐振子的品质因数随圆周的分布曲线。

其中，根据激励信号获取每一激励点对应的谐振子的品质因数，包括：根据激励信号获取每一激励点对应的谐振子的幅频响应曲线；根据每一激励点对应的谐振子的幅频响应曲线获取每一激励点对应的谐振子的品质因数。

具体的，可将正弦扫频信号作为激励信号激励谐振子，传感器检测到谐振子的振动信号并对振动信号进行分析，得到谐振子的幅频响应曲线，使用步进电机控制转台带动谐振子转动，并且每隔预设角度(例如5°)，测量并分析出一个幅频响应曲线，为了减小测试量，将谐振子绕谐振子的轴心转动从0°转到90°，得到一系列的幅频响应曲线。根据幅频响应曲线获得品质因数，根据转动的角度和品质因数的关系获得谐振子的品质因数的圆周分布曲线。

基于以上实施例，沿谐振子上的每一第一阻尼线和每一第二阻尼线分别粘贴不同尺寸的压电材料，包括：确定粘贴于每一第一阻尼线的压电材料的第一尺寸和粘贴于每一第二阻尼线的压电材料的第二尺寸；将第一尺寸的压电材料分别粘贴在每一第一阻尼线上，对于任一第一阻尼线上粘贴的第一压电材料，第一压电材料的一端接触谐振子的外边缘且第一压电材料的长度方向平行于所述任一第一阻尼线；将第二尺寸的压电材料分别粘贴在每一第二阻尼线上，对于任一第二阻尼线上粘贴的第二压电材料，第二压电材料的一端接触谐振子的外边缘且第二压电材料的长度方向平行于所述任一第二阻尼线。

具体的，如图4所示，确定两种尺寸的压电材料，其中，在第一阻尼线上粘贴第一尺寸的压电材料，在第二阻尼线上粘贴第二尺寸的压电材料，为了增强修调的效果，将每一压电材料的一端粘贴到接触谐振子的外边缘的位置，且每一压电材料的长度方向与对应的阻尼线平行。

基于以上实施例，确定粘贴于每一第一阻尼线的压电材料的第一尺寸和粘贴于每一第二阻尼线的压电材料的第二尺寸，包括：将压电材料的初始预设尺寸作为第二尺寸；在第二尺寸上按第三预设值减小第二尺寸中的长度值，将减小了长度值的尺寸作为测试尺寸；获取在每一第一阻尼线上粘贴了测试尺寸的压电材料和在每一第二阻尼线上粘贴了第二尺寸的压电材料后的谐振子的品质因数的极大值与极小值之间的差值，作为测试差值；若测试差值小于第一预设值，则将测试尺寸作为第一尺寸；若测试差值不小于第一预设值，则在测试尺寸上按第三预设值减小测试尺寸中的长度值，以更新测试尺寸，并根据更新后的测试尺寸重新获取更新后的测试差值，将更新后的测试差值与第一预设值作比较，直至获取第一尺寸。

具体的，由于第一阻尼线对应的是品质因数的极大值，第二阻尼线对应的是品质因数的极小值，为了使谐振子的品质因数随圆周的分布更均匀，粘贴于第一阻尼线上的压电材料的尺寸应小于粘贴于第二阻尼线上的压电材料的尺寸，在宽度保持不变的情况下，改变压电材料的长度对修调的效果更好，本实施例中，采用保持粘贴在第二阻尼线上的压电材料的尺寸(即第二尺寸)在初始预设尺寸不变的情况下，按一预设值逐渐减小粘贴在第一阻尼线上的压电材料的长度，在每次减小长度后，重新测试粘贴了压电材料的谐振子的品质因数随圆周的分布，直至确定谐振子的品质因数的极大值与极小值之间的差值小于第一预设值，则将最后获得的粘贴在第一阻尼线上的压电材料的尺寸作为第一尺寸。

通过上述的方法对谐振子进行修调，谐振子修调前后的品质因素随圆周分布曲线的对比图如图5所示，修调后谐振子的品质因素随圆周分布更均匀，表明有效的降低了谐振子的品质因数不均匀的程度。

作为本发明的又一实施例，提供一种圆柱壳体陀螺谐振子品质因数不均匀的修调装置，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：确定谐振子上的第一阻尼线和第二阻尼线，每一第一阻尼线为第一圆周点与谐振子的中心的连线，每一第二阻尼线为第二圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第一圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极大值时对应的圆周上的点，每一第二圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极小值时对应的圆周上的点，圆周为谐振子的外边缘所在的圆周；沿谐振子上的每一第一阻尼线和每一第二阻尼线分别粘贴不同尺寸的压电材料，使粘贴了不同尺寸的压电材料的谐振子的品质因数的极大值与极小值之差小于第一预设值。

作为本发明的又一个实施例，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：确定谐振子上的第一阻尼线和第二阻尼线，每一第一阻尼线为第一圆周点与谐振子的中心的连线，每一第二阻尼线为第二圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第一圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极大值时对应的圆周上的点，每一第二圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极小值时对应的圆周上的点，圆周为谐振子的外边缘所在的圆周；沿谐振子上的每一第一阻尼线和每一第二阻尼线分别粘贴不同尺寸的压电材料，使粘贴了不同尺寸的压电材料的谐振子的品质因数的极大值与极小值之差小于第一预设值。

作为本发明的又一个实施例，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，该计算机程序使该计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：确定谐振子上的第一阻尼线和第二阻尼线，每一第一阻尼线为第一圆周点与谐振子的中心的连线，每一第二阻尼线为第二圆周点与谐振子的轴心的连线，每一第一圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极大值时对应的圆周上的点，每一第二圆周点为谐振子的品质因数随圆周的分布取极小值时对应的圆周上的点，圆周为谐振子的外边缘所在的圆周；沿谐振子上的每一第一阻尼线和每一第二阻尼线分别粘贴不同尺寸的压电材料，使粘贴了不同尺寸的压电材料的谐振子的品质因数的极大值与极小值之差小于第一预设值。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，前述的计算机程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。