基于MEMS聲傳感器的圓柱殼體振動(dòng)陀螺振型檢測(cè)技術(shù)*

王劍秋,吳宇列,張勇猛

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

?

基于MEMS聲傳感器的圓柱殼體振動(dòng)陀螺振型檢測(cè)技術(shù)*

王劍秋,吳宇列*,張勇猛

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

振動(dòng)陀螺諧振子振型一般采用激光進(jìn)行非接觸式測(cè)量,這種方法存在設(shè)備成本高、操作復(fù)雜、效率低等問(wèn)題,因此,提出了一種基于MEMS聲傳感器的圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子振型測(cè)試方法。該方法利用體積小,指向性高的MEMS聲傳感器對(duì)諧振子振動(dòng)聲場(chǎng)進(jìn)行高分辨率測(cè)量,獲得精確的諧振子振動(dòng)分布情況,建立了諧振子聲波測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn),并與激光測(cè)振儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該測(cè)試系統(tǒng)具有較高的振型測(cè)量精度。這種測(cè)試方法成本低,操作簡(jiǎn)便,測(cè)量精度高,可以實(shí)現(xiàn)諧振子振型的高精度快速測(cè)量,為后續(xù)的諧振子修形及陀螺控制提供重要基礎(chǔ)。

圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子;振型測(cè)試;MEMS聲傳感器;高精度快速測(cè)量

圓柱殼體振動(dòng)陀螺是一種無(wú)轉(zhuǎn)子機(jī)械振動(dòng)陀螺,以其能耗小、成本低、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在近幾年成為了一種十分重要的慣性器件[1-2],其中杯形波動(dòng)陀螺更是以其便于加工的優(yōu)勢(shì)成為研究的重要領(lǐng)域[3]。

目前,Watson公司及Innalabs公司在圓柱殼體振動(dòng)陀螺的研究和制造方面處于領(lǐng)先地位[4-5]。但杯形陀螺在零偏穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性等方面仍存在提升空間[6]。諧振子是杯形波動(dòng)陀螺最為重要的器件,其性能直接影響到整個(gè)陀螺儀的工作性能。

杯形波動(dòng)陀螺的諧振子在工作過(guò)程中保持一種四波腹駐波的振動(dòng)形式,該振動(dòng)是陀螺工作的基礎(chǔ)[7]。振型的偏移,波腹波節(jié)之間的角度誤差等都會(huì)對(duì)陀螺儀的輸出產(chǎn)生較大的影響,是引起杯形陀螺漂移的主要因素之一[8-10]。為了能夠獲得更高精度的陀螺,需要對(duì)諧振子的振型進(jìn)行測(cè)量,為諧振子修形及陀螺控制提供數(shù)據(jù)支持?，F(xiàn)有的非接觸式測(cè)量手段是采用激光測(cè)振儀進(jìn)行諧振子振型的測(cè)量[11-12],實(shí)現(xiàn)了諧振子振型的高精度測(cè)量,但激光測(cè)振儀器成本高昂、操作復(fù)雜且激光器無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,會(huì)大幅提高諧振子的加工時(shí)間和成本。

為了解決諧振子測(cè)量的問(wèn)題,本文提出了一種基于MEMS聲傳感器的諧振子測(cè)量方法。該方法采用MEMS聲傳感器體積小,指向性好的特點(diǎn),對(duì)諧振子振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的聲波場(chǎng)進(jìn)行高分辨率測(cè)量,從而間接獲得諧振子各個(gè)位置振動(dòng)的振幅及相位信息,達(dá)到和激光測(cè)振儀相同的測(cè)量目的。該方法所使用的器件成本低廉、精度較高,測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便,可實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振子振型的快速高精度測(cè)試,為諧振子的修形和控制提供重要的支持。

1 圓柱殼體振動(dòng)陀螺的基本工作原理

圖1(a)所示為圓柱殼體振動(dòng)陀螺示意圖。工作時(shí),給諧振子底面同一直徑上的兩個(gè)壓電電極施加頻率等于諧振頻率的交流電壓,由壓電電極的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動(dòng),激勵(lì)出如圖1(a)所示的諧振子的驅(qū)動(dòng)模態(tài)。諧振子的驅(qū)動(dòng)模態(tài)為四波腹振動(dòng),波節(jié)點(diǎn)處的理論振幅為零。

當(dāng)有軸向角速度輸入時(shí),諧振環(huán)在哥氏力的作用下產(chǎn)生如圖1(b)檢測(cè)模態(tài),諧振環(huán)的檢測(cè)模態(tài)振動(dòng)通過(guò)傳振結(jié)構(gòu)傳遞到相互垂直的4個(gè)壓電敏感電極,由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過(guò)電路和軟件處理即可得到輸入角速度[6]。

2 聲波檢測(cè)原理與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 聲波檢測(cè)的基本實(shí)驗(yàn)原理

檢測(cè)過(guò)程中諧振子工作于驅(qū)動(dòng)模態(tài)下,如圖1(b)所示,此時(shí)諧振子保持四波腹振動(dòng)的形式。諧振子在振動(dòng)的過(guò)程中會(huì)對(duì)諧振子周?chē)目諝猱a(chǎn)生周期性的壓力,從而在諧振子周?chē)纬裳刂C振子徑向傳播的聲波信號(hào),如圖2所示。

圖2 聲波檢測(cè)示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)所使用的MEMS聲傳感器

在距離諧振子較近的范圍內(nèi),所產(chǎn)生的聲波具有較好的定向性,可近似的認(rèn)為不同點(diǎn)之間的聲波之間不存在耦合現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)聲波場(chǎng)的高分辨率檢測(cè),可以采用MEMS聲傳感器進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)選用MEMSensing Microsystems公司的MSMAS42Z型號(hào)硅麥克風(fēng)芯片作為測(cè)量器件,其實(shí)物如圖3所示,該器件具有較大的增益、帶寬和信噪比,可以滿足測(cè)量要求。

該傳感器體積小,可以減小傳感器本身對(duì)諧振子振動(dòng)的影響,聲孔直徑僅0.5 mm,其對(duì)于聲波場(chǎng)的敏感具有較好的指向性。利用該MEMS聲傳感器指向性好的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波場(chǎng)的高精度敏感,得到的數(shù)據(jù)可作為測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)情況的表征。

2.2 聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)諧振子振型的聲波檢測(cè),設(shè)計(jì)了如圖4所示的聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將麥克風(fēng)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上,相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸保持固定位置,諧振子以?shī)A具固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上,可以隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)一同轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)測(cè)量位置在諧振子周向不同位置之間的變化,其對(duì)準(zhǔn)精度由轉(zhuǎn)臺(tái)的精度保證。

圖4 設(shè)計(jì)的聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),選取已粘貼壓電電極的諧振子作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,設(shè)計(jì)了聲傳感器測(cè)量位置實(shí)驗(yàn)、聲傳感器與壓電電極對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)和聲傳感器振型測(cè)試及激光測(cè)振儀振型測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)確定聲傳感器的測(cè)量參數(shù)并驗(yàn)證聲傳感器的測(cè)量精度,最后通過(guò)聲波檢測(cè)的振型測(cè)試以及對(duì)比現(xiàn)有的測(cè)試手段論證聲波檢測(cè)振型的精度。

3 聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用MEMSensing Microsystems公司的MSMAS42Z型號(hào)硅麥克風(fēng)芯片作為測(cè)量器件,并基于該器件設(shè)計(jì)了諧振子振型的聲波檢測(cè)系統(tǒng),同時(shí)還設(shè)計(jì)了與壓電片檢測(cè)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)和徑向測(cè)量位置的實(shí)驗(yàn)以證實(shí)聲波檢測(cè)的可行性及具體測(cè)量參數(shù)的確定。

3.1 測(cè)量位置的徑向?qū)嶒?yàn)

由于用于檢測(cè)的麥克風(fēng)元件本身具有一定的面積,放在諧振子的周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生阻尼,阻尼會(huì)影響諧振子的振動(dòng)使測(cè)量的精度下降,而距離增大時(shí)麥克風(fēng)無(wú)法得到足夠的輸入,使測(cè)量的敏感度下降,同樣會(huì)對(duì)測(cè)量的精度產(chǎn)生不良的影響。因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定一個(gè)合適的位置,使麥克風(fēng)的輸入不至太小同時(shí)不會(huì)對(duì)諧振子的振動(dòng)產(chǎn)生太大影響。

利用圖4所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行徑向測(cè)試實(shí)驗(yàn),在不同的徑向測(cè)量位置利用麥克風(fēng)對(duì)諧振子的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)檢測(cè)振動(dòng)檢測(cè)壓電片的輸出變化以確定不同測(cè)量位置對(duì)諧振子本身振動(dòng)的影響。為了更全面的反映測(cè)試位置的影響,在諧振子的周向選擇若干不同位置分別進(jìn)行徑向測(cè)量實(shí)驗(yàn)。以驅(qū)動(dòng)片的粘貼位置為0°位置,逆時(shí)針為正向,選取0°(驅(qū)動(dòng)位置),45°(理論節(jié)點(diǎn)位置),90°(驅(qū)動(dòng)檢測(cè)位置)和180°位置分別做實(shí)驗(yàn),得到數(shù)據(jù)。

表1 不同位置的麥克風(fēng)徑向檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,隨著麥克風(fēng)距離的增加,麥克風(fēng)的檢測(cè)輸出存在較明顯的衰減,這會(huì)影響麥克風(fēng)檢測(cè)的靈敏度,因此需要麥克風(fēng)保持在較近的距離進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)比不同位置不同距離下檢測(cè)壓電片的輸出可以發(fā)現(xiàn),振動(dòng)幅值保持在100 mV左右,這主要是由于控制電路采用了穩(wěn)幅控制方案使驅(qū)動(dòng)振幅保持不變。對(duì)比理論節(jié)點(diǎn)位置的檢測(cè)壓電片輸出可以發(fā)現(xiàn)麥克風(fēng)的位置在周向變化的過(guò)程中,理論節(jié)點(diǎn)位置的振動(dòng)振幅沒(méi)有受到影響,但麥克風(fēng)的位置在徑向減小到2 mm時(shí)節(jié)點(diǎn)位置的檢測(cè)電壓出現(xiàn)了較明顯的衰減,證明此時(shí)麥克風(fēng)對(duì)諧振子的振動(dòng)產(chǎn)生了影響。因此,選擇3 mm作為麥克風(fēng)檢測(cè)的徑向距離。

3.2 壓電電極對(duì)比檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

以壓電電極作為驅(qū)動(dòng)元件,改變驅(qū)動(dòng)電壓的大小,利用麥克風(fēng)和壓電電極同時(shí)對(duì)諧振子的振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)幅值進(jìn)行比較,對(duì)比兩種元器件的檢測(cè)結(jié)果。

對(duì)比測(cè)量的位置應(yīng)選取壓電電極檢測(cè)結(jié)果可作為測(cè)量基準(zhǔn)的位置進(jìn)行檢測(cè)。諧振子的驅(qū)動(dòng)采用穩(wěn)幅驅(qū)動(dòng)方式,因此驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極的輸出在電路的控制作用下保持不變,是較為理想的測(cè)量位置。

對(duì)比兩種測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù),將兩組數(shù)據(jù)分別作為橫縱軸進(jìn)行擬合,得到如圖5所示的擬合趨勢(shì)線。

表2壓電檢測(cè)及麥克風(fēng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比單位:mV

驅(qū)動(dòng)電壓麥克風(fēng)檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)壓電片輸出1810168.7272.61620156.0252.01380134.1215.11040105.9169.979081.8130.655359.795.6

圖5 壓電電極與麥克風(fēng)檢測(cè)的對(duì)比擬合曲線

通過(guò)擬合曲線可以看出,麥克風(fēng)檢測(cè)得到的結(jié)果與壓電電極檢測(cè)結(jié)果之間具有較好的線性關(guān)系,說(shuō)明麥克風(fēng)的檢測(cè)結(jié)果可以作為敏感諧振子振動(dòng)的敏感量。

4 基于聲波檢測(cè)的振型測(cè)試及激光測(cè)振儀對(duì)比

實(shí)驗(yàn)采用Φ25 mm諧振子樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,利用如圖4所示的麥克風(fēng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置,以驅(qū)動(dòng)電極的粘貼位置為起始位置,每隔5°對(duì)諧振子進(jìn)行測(cè)量,在最大最小值的附近每隔1°進(jìn)行振幅測(cè)量,得到諧振子周向各個(gè)位置的振幅數(shù)據(jù),通過(guò)MATLAB工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,畫(huà)出諧振子的振型如圖6所示。

圖6 麥克風(fēng)檢測(cè)的諧振子振型圖

所得到的振型圖為四波腹駐波,波腹出現(xiàn)在0°,94°,185°及273°位置,波節(jié)出現(xiàn)在48°,141°,230°及320°位置,且不同波腹或波節(jié)位置的振幅并不一致,與理論振型存在一定的誤差。

為了驗(yàn)證麥克風(fēng)檢測(cè)諧振子振型的精度,設(shè)計(jì)了激光測(cè)振實(shí)驗(yàn)與麥克風(fēng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用Polytec-PSV-400激光測(cè)振儀對(duì)諧振子的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量[9]。該激光測(cè)量?jī)x是德國(guó)Polytec公司出品的掃描式激光測(cè)振儀,由掃描式光學(xué)頭、控制器、連接箱和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成,具有高精度、高測(cè)量速度等特點(diǎn)。

圖7(c)為安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的諧振子,利用角度控制轉(zhuǎn)臺(tái),改變激光測(cè)振儀在諧振子周向的測(cè)試位置,每隔5°測(cè)量諧振子的振動(dòng)信號(hào),在最大最小值附近每隔1°取諧振子振動(dòng)數(shù)據(jù),利用MATLAB處理數(shù)據(jù)繪制諧振子的振型圖如圖8所示。

圖7 激光測(cè)振試驗(yàn)系統(tǒng)

圖8 激光諧振儀檢測(cè)的諧振子振型圖

所得到的振型圖為四波腹駐波,波腹出現(xiàn)在0°,93°,183°及274°位置,波節(jié)出現(xiàn)在46°,141°,230°及318°位置。

將兩種檢測(cè)手段得到的振型圖進(jìn)行比較可知,麥克風(fēng)的振型檢測(cè)的到的結(jié)果和激光檢測(cè)的結(jié)果具有較好的一致性,但波節(jié)和波峰的位置會(huì)出現(xiàn)1°～2°的偏差,這主要是由轉(zhuǎn)臺(tái)本身的運(yùn)動(dòng)控制精度、回程誤差及麥克風(fēng)和激光測(cè)振測(cè)試過(guò)程中對(duì)準(zhǔn)角度的誤差引起的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的說(shuō)明了麥克風(fēng)作為傳感器,利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)諧振子的振型進(jìn)行精度較高的測(cè)量,且操作簡(jiǎn)便,更利于諧振子的測(cè)量和后續(xù)加工。

5 結(jié)論

本文針對(duì)諧振子的振型測(cè)試問(wèn)題,提出了一種基于MEMS聲傳感器的諧振子測(cè)試方法。設(shè)計(jì)了基于該方法的檢測(cè)系統(tǒng),利用該系統(tǒng)進(jìn)行了諧振子振型檢測(cè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn),并與激光測(cè)振儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì),論證了MEMS聲傳感器作為諧振子振型測(cè)量的敏感器件具有較好的精度。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便,有利于實(shí)現(xiàn)諧振子振型的快速高精度測(cè)量,為后續(xù)的諧振子修形及控制提供數(shù)據(jù)支持。

[1] 張鳳萍,蘇中. 一種軸對(duì)稱(chēng)變厚度振動(dòng)陀螺諧振子的振動(dòng)特性研究[J]. 傳感器世界,2012(12):18-20.

[2]楊亞非,趙輝. 固體波動(dòng)陀螺[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

[3]Chikovani V,Yatzenko Y. Coriolis Force Gyroscope with High Sensitivity[P]. United States Patent 7281425B2,2008.

[4]William S Watson. Vibratory Gyro Skewed Pick-Off and Driver Geometry[J]. Journal of Micro Machines,2010,4(10):171-179.

[5]Chikovani V,Okon I,Barabashov A,et al. A Set of High Accuracy Low Cost Metallic Resonator CVG[C]//Proceedings of the IEEE/ION Position,Location and Navigation Symposium,California:IEEE,2008:238-243.

[6]欒清磊,吳宇列,陶溢,等. 圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子的品質(zhì)因數(shù)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011,24(10):1401-1405.

[7]吳校生,盧奕鵬,陳文元. 壓電型微固體模態(tài)陀螺的模態(tài)及諧振分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(12):2014-2019.

[8]Tao Yi,Xi Xiang,Xiao Dingbang,et al. Precision Balance Method for Cupped Wave Gyro Based on Cup-Bottom Trimming[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2011,24:67-74.

[9]Bisegna P,Caruso G. Frequency Split and Vibration Localization in Imperfect Rings[J]. Journal of Sound and Vibration,2007(306):691-711.

[10]McWilliam S,Ong J,Fox C H J. On the Statistics of Natural Frequency Splitting for Rings with Random Mass Imperfections[J]. Journal of Sound and Vibration,2005,279:453-470.

[11]席翔,陶溢,崔紅娟,等. 杯形波動(dòng)陀螺的振動(dòng)仿真與試驗(yàn)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2010,26(6):31-33.

[12]季葉,趙淳生. 非接觸型超聲電機(jī)的圓筒形定子的振型測(cè)量技術(shù)[J]. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2005,25(1):1-3.

王劍秋(19 -),男,碩士研究生,現(xiàn)主要從事固體波動(dòng)陀螺的研究,wjq19901122@163.com;

吳宇列(1972-),男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要研究方向是精密工程及微機(jī)電。最近在振動(dòng)陀螺的理論分析,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),制造工藝和處理電路等方面進(jìn)行了較多的研究,ylwu_nudt@sina.com;

張勇猛(1988-),男,博士研究生,現(xiàn)主要從事固體波動(dòng)陀螺的研究,380238314@qq.com。

VibrationTypeTestingofCylinderShellVibratingGyroscopeBasedonMEMSVoiceSensor*

WANGJianqiu,WUYulie*,ZHANGYongmeng

(College of Mechanical Engineering and Automation,National University of Defense Techenology,Changsha 410073,China)

The untouched vibration type testing of vibrating gyroscope is usually based on the using of laser vibrometer,but this method has some problems such as high cost,complex operate,low testing rate etc. A testing method put forward based on MEMS voice sensor which is in micro size with high directivity in voice sensing,and a testing system of vibration type is also built. By comparison with the result tested by laser vibrometer,it is proved that the testing system built with MEMS voice sensor has high precision in vibration type testing with the advantages of low cost and easy operation. It can be used in vibration fast testing and can provide results with high precision which can offer important base for resonator patching and gyroscope control.

resonator of shell vibrating gyroscope;vibration type test;MEMS voice sensor;fast testing with high presision

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275522)

2014-06-18修改日期:2014-08-28

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.001

O329;TP206

:A

:1004-1699(2014)10-1305-05