一种半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置及方法
阅读说明：本技术 一种半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置及方法 (Detection device and method for mass unbalance defect of hemispherical harmonic oscillator ) 是由 柳凯 王建青 何晓霞 黄帅 党建军 张培新 李志杰 樊升封 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置及方法,解决了谐振子机械平衡调平无法检测一次、二次、三次谐波质量缺陷的问题,本发明的检测装置,包括自动一维转台、激励电极以及激光测振仪,激励电极对谐振子的半球进行驻波激励,激光测振仪测定半球谐振子轴的自由端边缘点的微小振动,自动一维转台可以带动半球谐振子转动,使得激光测振仪可以测得谐振子轴的自由端上多个边缘点以及可以沿着不同方向测定振动；本发明的检测方法中激光测振仪从各方向测得0°方位点和45°方位点的微小振动,进而对该振动信号进行信号解调、低通滤波处理得到挠度值,解算出半球谐振子一次、二次、三次谐波质量不平衡量和方位角。(The invention discloses a detection device and a method for detecting the mass unbalance defect of a hemispherical harmonic oscillator, which solve the problem that the mechanical balance and leveling of the harmonic oscillator cannot detect the mass defect of primary, secondary and third harmonics, and the detection device comprises an automatic one-dimensional turntable, an excitation electrode and a laser vibration meter, wherein the excitation electrode carries out standing wave excitation on the hemisphere of the harmonic oscillator, the laser vibration meter measures the tiny vibration of the edge point of the free end of the axis of the hemispherical harmonic oscillator, and the automatic one-dimensional turntable can drive the hemispherical harmonic oscillator to rotate, so that the laser vibration meter can measure a plurality of edge points on the free end of the axis of the harmonic oscillator and can measure the vibration along different directions; in the detection method, the laser vibration meter measures the micro vibration of a 0-degree square point and a 45-degree square point from each direction, further performs signal demodulation and low-pass filtering on the vibration signal to obtain a deflection value, and solves the mass unbalance amount and the azimuth angle of the first harmonic wave, the second harmonic wave and the third harmonic wave of the hemispherical harmonic wave.)
技术领域
本发明涉及微电子系统领域，特别涉及一种半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置及方法。
背景技术
半球谐振陀螺是迄今为止性能精度最好的谐振陀螺，具有精度高、可靠性好、体积小、寿命长以及抗辐射能力强等特点。半球谐振子是陀螺的核心部件，半球谐振陀螺原理就要求谐振子是完全对称均匀的谐振器。而实际加工出的谐振子与理想的对称形状总是存在一些偏差，具有圆周不对称性，即存在着振子的质量不平衡,其直接影响到半球谐振陀螺的漂移精度。谐振子质量不平衡的存在，会导致谐振子固有频率分裂，称为频率裂解。频率裂解值(频差)是衡量谐振子性能的关键指标。使半球谐振子质量平衡的过程，我们称之为调平，是半球谐振陀螺调节过程中最重要的操作，它很大程度上决定了陀螺的最终精度。
半球谐振子调平最主要的方法是机械平衡。机械平衡是通过测量质量不平衡引起的效应，然后运用机械、激光、化学、离子—等离子等工艺，有效地去除质量点或质量面，以使该效应最小。为实现谐振子精确定位定量的去除质量点或质量面，需对半球谐振子质量分布不平衡的量级以及位置进行精确检测。现有技术可以实现谐振子四次谐波质量不平衡量级和位置的精确检测，但对一次、二次、三次谐波质量不平衡还没有有效的检测方法和装置。
目前，谐振子机械平衡方法主要是通过激光去量或离子束去量来实现谐振子四次谐波质量缺陷平衡。由于在谐振子质量缺陷中，四次谐波质量缺陷对频率裂解的影响最大，因此通过谐振子机械平衡方法调平可以达到相当小的谐振子频率裂解值。但该谐振子机械平衡调平方法有以下不足：一是虽然通过谐振子机械平衡方法调平可以一定程度减小谐振子频率裂解值，但对高精度半球谐振陀螺来说，仅仅消除四次谐波质量不平衡满足不了陀螺性能需求；通过检测、消除前三次质量不平衡谐波进一步减小谐振子频率裂解，可以有效弥补这种不足；二是在振动情况下，质量缺陷一次、二次、三次谐波对陀螺精度性能的影响显著增加，现有机械平衡方法只针对了四次谐波，无法辨识前三次谐波，不足以使陀螺在振动条件下仍然能够保持高精度。
发明内容
为了解决现有技术存在的谐振子机械平衡调平方法无法检测一次、二次、三次谐波质量缺陷的问题，本发明提供一种半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置及方法。
一种半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置，其特殊之处在于：包括自动一维转台、激励电极以及激光测振仪；
待检测半球谐振子位于自动一维转台上方，且待检测半球谐振子的半球开口端朝向自动一维转台，所述开口端设置的轴与所述自动一维转台中心弹性连接，待检测半球谐振子的球面端设置的轴为自由端；
所述激励电极包括两个对称设置在半球谐振子球面左右两侧的点电极，用于向待检测半球谐振子加载激励使其振动；
所述激光测振仪用于采集待检测半球谐振子振动信息。
一种半球谐振子质量不平衡缺陷的检测方法，其特殊之处在于：采用所述的半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置，其具体实现步骤如下：
步骤1)半球谐振子二次谐波质量不平衡的检测
步骤1.1)将激光测振仪放置在半球谐振子的正上方，确保激光测振仪发出的激光与半球谐振子的轴向平行，且其激光光斑落在半球谐振子的自由端端面的边缘点处；
步骤1.2)设定激光测振仪激光光斑落在半球谐振子的自由端端面的初始边缘点为0°方位点，此时通过激励电极对半球谐振子进行驻波激励，通过激光测振仪测定半球谐振子自由端0°方位点的振动信号，得到z(0,t)，其中t为时间；
自动一维转台带动半球谐振子逆时针转动45°，或者激光测振仪绕着半球谐振子2的轴转动45°，此时激光测振仪激光光斑落在半球谐振子的自由端端面的边缘点，记为45°方位点；通过激光测振仪测定半球谐振子自由端的45°方位点的振动信号，得到z(π/4,t)，其中t为时间；
步骤1.3)对0°方位点和45°方位点的振动信号z(0,t)、z(π/4,t)以标准信号进行信号解调，且进行低通滤波处理，得到相应两个挠度值，分别为U1(0)、U1(π/4)；所述标准信号与激励电极的频率相等；
步骤1.4)计算半球谐振子二次谐波质量不平衡量方位角其中，系数K2可以通过试验确定，取值范围为0＜K2＜1；
步骤2)半球谐振子一次、三次谐波质量不平衡量的检测
步骤2.1)将激光测振仪放置在半球谐振子的侧方，确保激光测振仪发出的激光与半球谐振子的轴向垂直，且其激光光斑落在半球谐振子的自由端端面的边缘点处；
步骤2.2)按照与步骤1.2)和1.3)相同的方式得到两个相应挠度值，分别为U2(0)、U2(π/4)；
步骤2.3)以步骤2.1的位置为初始位置，利用自动一维转台带动半球谐振子顺时针转动90°，或者将激光测振仪绕着半球谐振子的轴水平旋转90°；
步骤2.4)按照与步骤1.2)和1.3)相同的方式再次得到两个相应挠度值，分别为U3(0)、U3(π/4)；
步骤2.5)以步骤2.2获得的挠度值U2(0)、U2(π/4)以及步骤2.4挠度值获得的U3(0)、U3(π/4)分别计算谐振子一次谐波质量不平衡量ε1、方位角以及谐振子三次谐波质量不平衡量ε3、方位角
方位角
方位角
其中系数K1、K3可以通过试验确定，K1的取值范围为0＜K1＜1，K3的取值范围为0＜K3＜1。
进一步地，该方法还包括在执行步骤1)之前，待测半球谐振子预先消除四次谐波的质量缺陷。
与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置，其结构简单、使用方便，能够满足半球谐振子一次、二次、三次谐波质量缺陷的检测。该检测装置中激励电极对谐振子的半球进行驻波激励，通过激光测振仪测定半球谐振子轴的自由端边缘点的微小振动信号，自动一维转台可以带动其中心连接的半球谐振子转动，使得激光测振仪可以测得谐振子轴的自由端上多个边缘点以及在不同方向测定振动；
本发明半球谐振子质量不平衡缺陷的检测方法，通过激光测振仪从各方向测得的0°方位点和45°方位点的微小振动信号进行信号解调、低通滤波处理得到相应挠度值，解算出半球谐振子一次、二次、三次谐波质量不平衡量和方位角，从而确定谐振子质量缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例中步骤2)中半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中步骤6)中半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中半球谐振子质量不平衡缺陷的检测方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中半球谐振子质量不平衡缺陷的检测方法中步骤4)的流程示意图；
图中：1-自动一维转台、2-半球谐振子、3-激励电极、4-激光测振仪。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1、2所示，该半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置，包括自动一维转台1、激励电极3以及激光测振仪4；待检测半球谐振子2位于自动一维转台1上方，且待检测半球谐振子2的半球开口端朝向自动一维转台1，待检测半球谐振子2的半球开口端设置的轴与自动一维转台1弹性连接，待检测半球谐振子2的球面端设置的轴为自由端；激励电极3包括两个对称设置在半球谐振子2的球面左右两侧的点电极，用于向待检测半球谐振子2加载激励使其振动；激光测振仪4用于采集待检测半球谐振子2振动信息。
如图1、2所示，在该半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置上设立三轴正交坐标系，在半球谐振子2的轴与自动一维转台1的中心位置弹性连接处为坐标原点，半球谐振子轴的自由端为Z轴，向上为Z轴正向，向右为X轴正向，与X轴以及Z轴均垂直的即为Y向，由外垂直朝向纸面的方向为Y轴正向。
本实施例通过该半球谐振子质量不平衡缺陷的检测辨识装置，对直径为30mm的半球谐振子进行质量不平衡的检测，如图3所示，该半球谐振子质量不平衡缺陷的检测方法，其具体实现步骤如下：
步骤1)对半球谐振子2预先消除四次谐波的质量缺陷；
步骤2)如图1所示，将激光测振仪4放置在半球谐振子2的正上方，确保激光测振仪4发出的激光与半球谐振子2的轴向平行，且其激光光斑落在半球谐振子轴的自由端端面的边缘点处；
步骤3)设定激光测振仪4激光光斑落在半球谐振子轴的自由端端面的初始边缘点为0°方位点，此时通过激励电极3对半球谐振子2以频率λ、恒定幅值A进行驻波激励，通过激光测振仪4测定半球谐振子轴的自由端0°方位点的振动信号，记为z(0,t)，其中t为时间；
自动一维转台1带动半球谐振子2逆时针转动45°，使得激光测振仪4激光光斑落在半球谐振子轴的自由端端面的边缘点记为45°方位点；激励电极3频率、幅值不变，对半球谐振子2驻波激励，激光测振仪4测得45°方位点的振动信号z(π/4,t)，其中t为时间；
即测得半球谐振子2在Z向的0°和45°方位点的振动信号z(0,t)、z(π/4,t)；
步骤4)对0°方位和45°方位的振动信号以与标准信号sin(λ*t)(其中，标准信号的频率与激励电极3的频率相等，即λ*＝λ)进行信号解调，且进行低通滤波处理，得到相应挠度值，分别为U1(0)、U1(π/4)；
步骤5)计算半球谐振子二次谐波缺陷参数 方位角通过试验确定系数K2(0＜K2＜1)后，得到半球谐振子二次谐波质量不平衡量ε1；
步骤6)如图2所示，将激光测振仪4放置在半球谐振子2的左侧，确保激光测振仪4发出的激光与半球谐振子2的轴向垂直，且其激光光斑落在半球谐振子轴的自由端端面的边缘点处，且使激光测振仪4发出的激光与X正向同向；
步骤7)自动一维转台1带动半球谐振子2旋转任意角度，目的是使激光测振仪4的激光光斑落在半球谐振子轴的自由端端面的边缘任意点处,设定该边缘点为0°方位点；
步骤8)激励电极3对半球谐振子2依旧以频率为λ、恒定幅值A进行驻波激励，通过激光测振仪4测得0°方位点的振动信号x(0,t)，其中t为时间；
自动一维转台1带动半球谐振子2逆时针旋转45°，使得激光测振仪4激光光斑落在半球谐振子轴的自由端端面的边缘45°方位点处，通过激光测振仪4测得谐振子2在45°方位时的振动信号x(π/4,t)，其中t为时间；即得半球谐振子2在X向的0°和45°方位点的振动信号x(0,t)、x(π/4,t)；
步骤9)对振动信号x(0,t)、x(π/4,t)以标准信号sin(λ*t)(λ*＝λ)进行信号解调，且进行低通滤波处理，得到相应挠度值，分别为U2(0)、U2(π/4)；
步骤10)以步骤7)半球谐振子2旋转任意角度后的位置为初始位置，利用自动一维转台1带动半球谐振子2顺时针转动90°，激光测振仪4位置不变，此时激光测振仪4的测量方向为与步骤7)其测量方向为Y轴正向；在这里，也可以将激光测振仪4绕着Z轴水平逆时针旋转90°，使其发出的激光与Y轴正向同向；设定此时激光测振仪4的激光光斑落在半球谐振子轴的自由端端面的边缘点为0°方位点；
步骤11)激励电极3频率、幅值不变，对半球谐振子2驻波激励，激光测振仪4测得半球谐振子轴的自由端0°方位点的振动信号y(0,t)，其中t为时间；
自动一维转台1带动半球谐振子2逆时针旋转45°，使得激光测振仪(4)激光光斑落在半球谐振子轴的自由端端面的边缘的45°方位点处，通过激光测振仪4测得谐振子2在45°方位时的振动信号y(π/4,t)，其中t为时间；
即得，半球谐振子2在X向的0°方位点、45°方位点的振动信号y(0,t)、y(π/4,t)；
步骤12)对振动信号y(0,t)、y(π/4,t)以与标准信号sin(λ*t)(λ*＝λ)进行信号解调，且进行低通滤波处理，得到相应挠度值，分别为U3(0)、U3(π/4)；
步骤13)计算半球谐振子一次谐波质量缺陷参数方位角谐振子三次谐波质量缺陷参数 方位角 通过试验确定系数K1、K3(0＜K1＜1，0＜K3＜1)后，得到半球谐振子一次、二次谐波质量不平衡量ε1、ε3。
该半球谐振子质量不平衡缺陷的检测方法中，激光测振仪4分别在X向、Y向、Z向对半球谐振子轴自由端的0°方位点和45°方位点测定振动信号，其中，0°方位点和45°方位点为半球谐振子轴的自由端边缘的任意两点，两点需要满足的条件是：45°方位点位于0°方位点顺时针方向，两点之间对应的圆心角为45°。
为保证0°方位点和45°方位点满足该条件，在步骤3)、8)、11)中，当激光测振仪4依次对0°方位点和45°方位点进行测定时，其中，0°方位点为半球谐振子轴的自由端边缘的任意点，在对45°方位点进行测定时，可以通过以下两种方式使激光测振仪4的激光光斑落在45°方位点处：
方式1：半球谐振子质量不平衡缺陷的检测装置中其他部件位置、状态均不变，仅自动一维转台1带动半球谐振子2逆时针旋转45°；
方式2：使激光测振仪4绕着半球谐振子2的轴(或Z轴)转动45°。
其中，在步骤4)、9)、12)的具体过程为：
(1)振动信号均记为依据振动原理，测振仪测得的振动信号可以写为
公式中，t为时间，为待测半球谐振子2的方位角；为待测半球谐振子2在方位角处时，其固有频率振动幅值；ω为待测半球谐振子2固有频率；α为待测半球谐振子2固有振动相位；为待测半球谐振子2在方位角处时，其受激励产生的受迫振动幅值；λ为激励电极对待测半球谐振子2进行驻波激励的频率。
(2)对振动信号以标准信号sin(λ*t)进行信号解调得信号Zλ：
即，以振动信号为输入信号，在乘法器中乘以标准信号sin(λ*t)，(其中λ*＝λ)三角函数化简得：
以上公式中，t为时间，为待测半球谐振子2的方位角；为振动信号；sin(λ*t)为标准信号；为待测半球谐振子2在方位角处时，其固有频率振动幅值；为待测半球谐振子2在方位角处时，其受激励产生的受迫振动幅值；ω为待测半球谐振子2固有频率；α为待测半球谐振子2固有振动相位；λ为激励电极对待测半球谐振子2进行驻波激励的频率。
(3)对信号解调后的信号Zλ进行低通滤波处理，信号中的高频周期项cos((ω+λ)t+α)、cos((ω-λ)t+α)、cos(2λt)均被滤除，得到输出信号为该检测点的挠度值
公式中，Zλ为信号解调后的信号，为待测半球谐振子2在方位角处时，其受激励产生的受迫振动幅值。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
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