【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识，具体涉及一种谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统及方法。
技术介绍
1、谐振陀螺，特别是半球谐振陀螺，是当前最具应用潜力的惯性器件之一；但其谐振子制造加工中存在的质量不平衡缺陷将制约陀螺的性能上限。
2、由半球谐振子作为核心敏感元件的半球谐振陀螺是目前最具应用潜力的振动式陀螺，相比传统高性能陀螺具有精度高、成本低、寿命长等优势，通常采用熔融石英材料由高精度机床制造而成；在理想情况下，半球谐振子应为几何旋转对称结构，其圆周方向质量分布应处处均匀，然而制造误差和材料缺陷使半球谐振子通常无法完全达到理想的旋转对称，具体表现为圆周方向上质量、刚度、阻尼等物理参数的不均匀。质量不均匀分布或称为不平衡质量，其前三次谐波导致工作模态下谐振子产生惯性力及力矩，使谐振子质心无法保持静止，从而在不同方向上产生不同的锚点损耗，是导致品质因数降低和阻尼不均匀的重要因素，制约陀螺性能提升；另外，陀螺工作环境中的线振动或角振动噪声通过基座传递到谐振子，其中一些频率的振动噪声会使不平衡质量产生惯性力和力矩，对谐振子驻波产生影响从而降低陀螺精度；因此半球谐振子不平衡质量的前三次谐波是目前限制陀螺性能提升的难题。
3、现有技术中，中国专利包括cn113686489 a、cn115164862a、cn115248051a、cn115112148a、cn115790667 a以及cn115597626 a等，公开的谐振陀螺缺点在于只能辨识前三次谐波的幅值和方位，而缺乏对其在壳体上所处的纬度进行辨
4、基于上述谐振陀螺中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统及方法，旨在解决现有谐振陀螺性能受限于不平衡质量的问题。
2、本专利技术提供一种谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，所述辨识系统包括谐振陀螺、弹性夹具、转台、平移台、激光测振仪、信号处理器、真空箱体以及应变片；真空箱体内设有真空腔；平移台设置于真空腔内，并能够沿水平面上的x轴和y轴移动；转台设置于真空腔内，并位于平移台上；转台能够绕竖直方向的z轴转动；弹性夹具沿竖直方向设置于转台上，并随转台一起转动；弹性夹具的一端与转台连接，弹性夹具的另一端夹持住谐振陀螺；谐振陀螺整体设置于真空腔内，并能够在弹性夹具上沿六个自由度进行振动和扭转；激光测振仪用于检测谐振陀螺的振动信号；激光测振仪与信号处理器电连接；应变片设置于谐振陀螺上，并用于检测谐振陀螺的扭转幅度；应变片还与信号处理器电连接；信号处理器设置于真空箱体外；信号处理器用来发出静电信号激励谐振陀螺的振动模态，并接收来自谐振陀螺、激光测振仪以及应变片的检测信号，形成对谐振陀螺振动模态的闭环控制。
3、进一步地，应变片分别设置于谐振陀螺的顶端和底端，谐振陀螺顶端的应变片用于测量谐振陀螺顶端的扭转振幅，谐振陀螺底端的应变片用于测量谐振陀螺底端的扭转振幅；弹性夹具的另一端夹持住谐振陀螺的底端，并能够使谐振陀螺的底端和顶端受前三次谐波影响产生六个自由度的振动和扭转；六个自由度的振动和扭转包括：谐振陀螺沿x轴、y轴以及z轴的平移振动，谐振陀螺绕x轴和y轴的摇摆振动，以及谐振陀螺绕z轴的扭转振动。
4、进一步地，激光测振仪包括第一激光测振仪和第二激光测振仪，真空箱体的侧面上设有第一观察窗，真空箱体的顶面上设有第二观察窗；第一激光测振仪设置于真空箱体侧面的外侧，并且第一激光测振仪的光路能够穿过第一观察窗与谐振陀螺的轴线相互垂直；第二激光测振仪设置于真空箱体顶面的外侧，并且第二激光测振仪的光路能够穿过第二观察窗与谐振陀螺的轴线相互重合。
5、进一步地，谐振陀螺包括半球谐振子和电极；半球谐振子内沿其径向设有锚杆，锚杆的一端与半球谐振子的顶部的内壁固定连接，锚杆的另一端与弹性夹具的另一端夹持在一起；电极的中心位置套接在锚杆上，并位于半球谐振子的底端；电极周向上的环形电极面套设在半球谐振子的唇沿内壁，并与半球谐振子进行装配；电极接收信号处理器的静电信号，并激发半球谐振子至n＝2酒杯模态，从而将检测到的工作模态检测信号返回信号处理器。
6、进一步地，激光测振仪设置于平移台上，并且激光测振仪的激光光路焦点能够对准谐振陀螺的唇沿、顶端以及底端；激光测振仪为光学传感器，应变片为力学传感器；或者，激光测振仪和应变片分别为压电传感器。
7、进一步地，弹性夹具弹性悬梁夹具，弹性悬梁夹具夹持在半球谐振子底部的锚杆上，并使得半球谐振子能够在六个自由度下振动和扭转；六个自由度下振动和扭转包括：谐振陀螺沿x轴、y轴以及z轴的平移振动，谐振陀螺绕x轴和y轴的摇摆振动，以及谐振陀螺绕z轴的扭转振动。
8、相应地，本专利技术还提供一种谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识方法，采用上述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统；所述辨识方法包括以下过程：
9、s1：安装辨识系统，并将真空箱体内的真空腔气压降低至1pa以内；
10、s2：使用信号处理器对谐振陀螺输出的静电激励信号，接受的来自谐振陀螺的电极的检测信号，对所述谐振陀螺进行扫频，得到其两个固有频率ω1和ω2，将激励频率设置为ω1，进行闭环控制，使谐振陀螺模态振型和振幅稳定；
11、s3：调整平移台沿x轴和y轴移动，使得第一激光测振仪的焦点对准谐振陀螺的轴线，并位于谐振陀螺的唇沿上；
12、s4：通过信号处理器读取第一激光测振仪的检测信号，并旋转转台，在振幅最大时停止转台转动，并将此处定义为波腹，方位角记为0度，继续保持模态振型和振幅稳定；
13、s5：通过信号处理器将半球谐振子振型旋转至多个角度，并相应调整转台旋转至各个对应的角度；
14、在每个角度时，将第一激光测振仪的焦点对准半球谐振子的轴线，记录每个角度下半球谐振子唇沿处的振幅a、半球谐振子顶端处的振幅b、半球谐振子底端处的振幅c；
15、在每个角度时，将第二激光测振仪的焦点对准半球谐振子的轴线，并位于半球谐振子的顶端，第二激光测振仪的光路与半球谐振子的轴线重合，记录半球谐振子顶端处的振幅d；
16、通过半球谐振子顶端的应变片检测信号记录各个角度下，半球谐振子顶端处的扭转振幅et；
17、通过半球谐振子底端的应变片检测信号记录各个角度下，半球谐振子底端处的扭转振幅eb；
18、s6：将a、b、c、d、ω、et以及eb带入公式，计算得到谐振陀螺在六自由度的幅值和方位，进而实现纬度辨识。
19、进一步地，s5步骤中包括：
20、s本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述辨识系统包括谐振陀螺(1)、弹性夹具(2)、转台(3)、平移台(4)、激光测振仪、信号处理器(7)、真空箱体(8)以及应变片(9)；
2.根据权利要求1所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述应变片(9)分别设置于所述谐振陀螺(1)的顶端(15)和底端(16)，所述谐振陀螺(1)顶端(15)的应变片(9)用于测量所述谐振陀螺(1)顶端的扭转振幅，所述谐振陀螺(1)底端(16)的应变片(9)用于测量所述谐振陀螺(1)底端(16)的扭转振幅；所述弹性夹具(2)的另一端夹持住所述谐振陀螺(1)的底端(16)，并能够使所述谐振陀螺(1)的底端(16)和顶端(15)受前三次谐波作用产生六个自由度的振动和扭转；所述六个自由度的振动和扭转包括：所述谐振陀螺(1)沿X轴、Y轴以及Z轴的平移振动，所述谐振陀螺(1)绕X轴和Y轴的摇摆振动，以及所述谐振陀螺(1)绕Z轴的扭转振动。
3.根据权利要求1所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述激光测振仪包括第一激光测振仪(5)和第
4.根据权利要求1所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述谐振陀螺(1)包括半球谐振子(11)和电极(12)；所述半球谐振子(11)内沿其径向设有锚杆(13)，所述锚杆(13)的一端与所述半球谐振子(11)的顶部(15)的内壁固定连接，所述锚杆(13)的另一端与所述弹性夹具(2)的另一端夹持在一起；所述电极(12)的中心位置套接在所述锚杆(13)上，并位于所述半球谐振子(11)的底端(16)；所述电极(12)周向上的环形电极面套设在所述半球谐振子(11)的唇沿(14)内壁，并与所述半球谐振子(11)进行装配；所述电极(12)接收所述信号处理器(7)的静电信号，并激发所述半球谐振子(11)至N＝2酒杯模态，从而将检测到的工作模态检测信号返回所述信号处理器(7)。
5.根据权利要求1所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述激光测振仪设置于所述平移台(4)上，并且所述激光测振仪的激光光路焦点能够对准所述谐振陀螺(1)的唇沿(14)、顶端(15)以及底端(16)；所述激光测振仪为光学传感器，所述应变片为力学传感器；或者，所述激光测振仪和所述应变片分别为压电传感器。
6.根据权利要求4所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，；所述弹性夹具(2)为弹性悬梁夹具，所述弹性悬梁夹具夹持在所述半球谐振子(11)底部的锚杆(13)上，并使得所述半球谐振子(11)能够在六个自由度下振动和扭转；所述六个自由度下振动和扭转包括：所述谐振陀螺(1)沿X轴、Y轴以及Z轴的平移振动，所述谐振陀螺(1)绕X轴和Y轴的摇摆振动，以及所述谐振陀螺(1)绕Z轴的扭转振动。
7.一种谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识方法，采用上述权利要求1至6任一项所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统；其特征在于，所述辨识方法包括以下过程：
8.根据权利要求7所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识方法，其特征在于，所述S5步骤中包括：
9.根据权利要求8所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识方法，其特征在于，在S6步骤中：
10.根据权利要求9所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识方法，其特征在于，所述纬度系数与各谐波在所述半球谐振子(11)上所处纬度的对应关系根据以下公式计算：
...【技术特征摘要】
1.一种谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述辨识系统包括谐振陀螺(1)、弹性夹具(2)、转台(3)、平移台(4)、激光测振仪、信号处理器(7)、真空箱体(8)以及应变片(9)；
2.根据权利要求1所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述应变片(9)分别设置于所述谐振陀螺(1)的顶端(15)和底端(16)，所述谐振陀螺(1)顶端(15)的应变片(9)用于测量所述谐振陀螺(1)顶端的扭转振幅，所述谐振陀螺(1)底端(16)的应变片(9)用于测量所述谐振陀螺(1)底端(16)的扭转振幅；所述弹性夹具(2)的另一端夹持住所述谐振陀螺(1)的底端(16)，并能够使所述谐振陀螺(1)的底端(16)和顶端(15)受前三次谐波作用产生六个自由度的振动和扭转；所述六个自由度的振动和扭转包括：所述谐振陀螺(1)沿x轴、y轴以及z轴的平移振动，所述谐振陀螺(1)绕x轴和y轴的摇摆振动，以及所述谐振陀螺(1)绕z轴的扭转振动。
3.根据权利要求1所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述激光测振仪包括第一激光测振仪(5)和第二激光测振仪(6)，所述真空箱体(8)的侧面上设有第一观察窗(81)，所述真空箱体(8)的顶面上设有第二观察窗(82)；所述第一激光测振仪(5)设置于所述真空箱体(8)侧面的外侧，并且所述第一激光测振仪(5)的光路能够穿过所述第一观察窗(81)与所述谐振陀螺(1)的轴线相互垂直；所述第二激光测振仪(6)设置于所述真空箱体(8)顶面的外侧，并且所述第二激光测振仪(6)的光路能够穿过所述第二观察窗(82)与所述谐振陀螺(1)的轴线相互重合。
4.根据权利要求1所述的谐振陀螺不平衡质量的六自由度辨识系统，其特征在于，所述谐振陀螺(1)包括半球谐振子(11)和电极(12)；所述半球谐振子(11)内沿其径向设有锚杆(13)，所述锚杆(13)的一端与所述半球谐振子(11)的顶部(15)的内壁固定连接，所述锚杆(13...
【专利技术属性】
技术研发人员：席翔，吴学忠，肖定邦，陈绎默，孔繁瑞，张勇猛，卢坤，石岩，孙江坤，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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