減小金屬筒形諧振子振型偏移角的方法

韋俊新, 史 炯, 叢 正

(天津航海儀器研究所，天津 300131)

0 引 言

金屬筒形諧振陀螺是固體波動(dòng)陀螺的一種，利用筒形諧振子被激勵(lì)駐波的慣性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)陀螺在其敏感軸轉(zhuǎn)角的測(cè)量，該類陀螺用振動(dòng)元件代替了傳統(tǒng)陀螺的機(jī)械轉(zhuǎn)子，用微幅振動(dòng)取代了高速旋轉(zhuǎn)，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)，能耗低，精度高等優(yōu)點(diǎn)，在兼顧抗高過(guò)載、量程大方面表現(xiàn)了巨大的潛力[1]，同時(shí)也具有加工簡(jiǎn)單，陀螺制造難度低，易于批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展和應(yīng)用前景極為廣闊[2]。

目前在金屬筒形陀螺及其諧振子振型偏移角的研究方面，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)已做過(guò)不少的工作。Innalabs公司在圓柱形金屬諧振子的底部加工出輪輻狀溝槽，通過(guò)減小諧振子的頻率裂解以減小諧振子振型偏角[3]。Watson公司將壓電電極鍍于圓柱殼體的表面，并且將電極設(shè)計(jì)為分離的小片，可以實(shí)現(xiàn)左右的振型校正[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)于金屬筒形諧振陀螺研究尚處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，尚未見(jiàn)工程化的應(yīng)用，國(guó)防科技大學(xué)王旭、陶溢等學(xué)者在對(duì)諧振陀螺產(chǎn)生振型偏移角的原因及測(cè)量方法進(jìn)行過(guò)研究，并從諧振子加工及修調(diào)上提出了減小振型偏移角的方法[5,6]。

本文理論分析了金屬筒形諧振子振型偏移的影響因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了振型偏移對(duì)諧振子振型對(duì)稱性及正反轉(zhuǎn)差異的影響。根據(jù)振型偏移下波節(jié)點(diǎn)輸出電壓方程，提出基于前饋調(diào)幅調(diào)相和基于調(diào)制解調(diào)反饋控制的兩種不同的振型校正方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其校正效果。

1 金屬筒形陀螺的基本原理

諧振子底面的壓電電極施以與諧振子的固有頻率同頻的交流電壓信號(hào)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，激勵(lì)出諧振子的驅(qū)動(dòng)模態(tài)(圖1(b))，當(dāng)角速度輸入時(shí)，在哥氏力的作用下敏感出與驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型相差的敏感模態(tài)[7](圖1(c))，壓電電極的正壓電效應(yīng)檢測(cè)敏感模態(tài)的振幅，經(jīng)過(guò)外圍解調(diào)線路解算出角速度大小。

圖1 金屬筒形陀螺核心部件及工作模態(tài)

2 振型偏移角的產(chǎn)生原因及影響

諧振子材料的不均勻性和加工誤差等因素，會(huì)引起諧振子的頻率裂解和阻尼不均勻[2]，因此諧振子存在剛性軸與阻尼軸[6]，頻率裂解、阻尼不均勻、剛性軸和阻尼軸與激勵(lì)軸之間的夾角等因素均引起諧振子的振型偏移角[8]。

2.1 諧振子的頻率裂解

存在頻率裂解情況下，諧振子振型偏移角可以由公式(1)表示[9]

(1)

式中ω0為諧振子的諧振頻率，ΦL-ΦH為兩個(gè)剛性軸之間夾角，Δω為頻率裂解，φ0為剛性軸的方位角。

由式(1)表明，頻率裂解引起的振型偏移角的偏移速率大小與頻率裂解以及剛性軸與主振型軸之間的方位夾角8倍正弦值成正比。

設(shè)剛性軸方位角為定值，當(dāng)頻率裂解為0.1,0.5,0.01 Hz時(shí)，其振型角度漂移如圖2。

圖2 頻率裂解導(dǎo)致的振型偏移隨時(shí)間的變化

如圖2所示，頻率裂解越大，振型偏移角也越大，且振型偏移角隨時(shí)間逐漸增大，最終達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 諧振子的阻尼不均

阻尼不均勻引起的振型偏移，如式(2)可得

(2)

式中ξ0為均勻的阻尼，γ4為阻尼的不均勻程度，φ0為衰減常數(shù)最小阻尼軸方位角。

式(2)表明，金屬筒形陀螺振型偏移角與諧振子阻尼不均勻程度及小阻尼軸與主振型軸之間的方位夾角4倍余弦值成正比。

假設(shè)阻尼軸方位角22.5°，當(dāng)阻尼不均勻?yàn)?.01，0.1，0.3時(shí)，其振型角度漂移如圖3。

圖3 阻尼不均勻?qū)е碌恼裥偷钠?/p>

由圖3可知，阻尼不均勻程度越大，最終振型的偏移速率越大；且振型的偏移量隨時(shí)間增大，最終趨于穩(wěn)定。

2.3 振型偏移角對(duì)陀螺性能的影響

選擇實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的金屬筒形及配套的驅(qū)動(dòng)線路用于測(cè)試諧振子振型偏移的程度，用以分析振型偏移造成的影響，諧振子的參數(shù)：諧振頻率為5.4 kHz，品質(zhì)因數(shù)Q為7 000，頻率裂解為0.52 Hz。

驅(qū)動(dòng)線路板對(duì)置于轉(zhuǎn)臺(tái)的諧振子施加正弦激勵(lì)使其達(dá)到驅(qū)動(dòng)模態(tài)并且使諧振子波腹點(diǎn)振幅保持穩(wěn)定，轉(zhuǎn)臺(tái)以10″/s2的加速度沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)至10°/s速率，采集節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)；同樣，轉(zhuǎn)臺(tái)以相同加速度沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)至10°/s速率，采集節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)。結(jié)果如圖4所示。

圖4 存在角度偏移條件下順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)電壓輸出

由圖4可知：1)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓存在先降后升的趨勢(shì)，說(shuō)明該方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，45°處壓電電極處的振動(dòng)經(jīng)歷了先減弱后加強(qiáng)的趨勢(shì)，而逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)無(wú)此現(xiàn)象；2)順逆旋轉(zhuǎn)最終角速率均為10°/s，但節(jié)點(diǎn)電壓輸出大小不同，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓輸出比順時(shí)針旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)電壓大近210 mV。

本文利用德國(guó)Polytec公司的PSV—400型多普勒激光測(cè)振儀對(duì)金屬諧振子唇沿部分的徑向振幅進(jìn)行測(cè)量。諧振子環(huán)向測(cè)試點(diǎn)數(shù)400，得到的振幅數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 諧振子環(huán)向振幅數(shù)據(jù)

由圖5可知，諧振子波腹點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)振幅及所處角度如表1、表2所示。

表1 波節(jié)點(diǎn)振幅及所處角度

表2 波腹點(diǎn)振幅及所處角度

由圖4、圖5和表2可以看出：諧振子4個(gè)波腹點(diǎn)的振幅大小并不一致，最大相差0.43 μm，說(shuō)明振型有畸變，同時(shí)駐波振型節(jié)點(diǎn)偏離節(jié)點(diǎn)檢測(cè)壓電電極所在位置。

3 振型校正方法

校正諧振子振型的方法，從諧振子方面主要是提高加工制造精度、降低材料的不均勻性，采用更合適的修調(diào)方案，比如去質(zhì)量修調(diào)方案[10]等，降低諧振子的頻率裂解，本文從線路角度，提出兩種振型校正方法，以進(jìn)一步減小振型偏移。

3.1 前饋調(diào)軸法

受到激發(fā)的諧振子會(huì)產(chǎn)生四波腹振動(dòng)，其環(huán)向振型為

Uo(t)=Acos 2(θ-α)sin(ωpt+β)

(3)

式中ωp為諧振子的諧振頻率，α為諧振子的振型偏移角，理想情況下α=0。

已知當(dāng)兩個(gè)同頻率，同相位的外界激勵(lì)力(F1，F(xiàn)2)同時(shí)作用于殼體的0°電極軸和45°電極軸時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)幅值為F3的外界激勵(lì)力單獨(dú)作用于殼體環(huán)向一點(diǎn)[11]。改變F1和F2的比值，就可以改變?chǔ)?/p>

U3=U1+U2=Ecos 2(θ-θE)cosωt

(4)

改變C和D幅值比值，就可以使殼體發(fā)生環(huán)向振型的移動(dòng)，選取一個(gè)合適的比值，令α-θE=0，使殼體發(fā)生的進(jìn)動(dòng)抵消振型的偏移，進(jìn)而消除偏移量。

因此，在諧振子選取一點(diǎn)施加一定幅值激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)此激勵(lì)信號(hào)的幅值和相位，糾正諧振子振型的偏移誤差，圖6是線路控制方案。

圖6 前饋調(diào)振型軸線路控制方案

該方案可較為徹底的對(duì)振型進(jìn)行調(diào)整，但同時(shí)仍存在問(wèn)題：由前文所述，頻率裂解和阻尼不均勻引起的諧振子振型的偏移隨時(shí)間而變化，前饋調(diào)軸法無(wú)法隨時(shí)感測(cè)諧振子振型角度的改變，以自動(dòng)調(diào)整施加校正電壓Q的幅值和相位，不利于金屬筒形陀螺在工程上的應(yīng)用。

3.2 反饋調(diào)軸法

反饋調(diào)軸法是通過(guò)解調(diào)表頭輸出信號(hào)q，分解其同相和正交分量，分別進(jìn)行控制后通過(guò)調(diào)制合成為反饋控制信號(hào)，以抑制諧振子振型的偏移。其線路控制基本示意如圖7所示。

圖7 反饋調(diào)振型軸線路控制方案

檢測(cè)端輸出的振動(dòng)信號(hào)V可以表示為[12]

V=KΩZsin(ωt+φsense)+VKsin(ωt+φq)+

VIsin(ωt+φsense)

(5)

式中KΩZsin(ωt+φsense)為角速度耦合信號(hào)，VKsin(ωt+φq)是正交誤差信號(hào)，VIsin(ωt+φsense)是同相誤差信號(hào)。

當(dāng)無(wú)角速度輸入時(shí)即ΩZ=0，則此時(shí)振動(dòng)信號(hào)可以表示為

V=VKsin(ωt+φq)+VIsin(ωt+φsense)

(6)

通過(guò)sinωt和cosωt解調(diào)和濾波，可得

I=VKsinφq+VIsinφsense

(7)

K=-VKcosφq-VIcosφsense

(8)

通過(guò)sinωt和cosωt調(diào)制和相加，可得驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q

Vdrive=-VKcos(ωt+φq)-VIcos(ωt+φsense)

(9)

該驅(qū)動(dòng)信號(hào)反映到測(cè)量點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓處時(shí)，可得

(10)

該信號(hào)可有效消除原節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)V，即消除了振型的偏移角。

所提方案的優(yōu)點(diǎn)是能即時(shí)的感知振型偏移造成的節(jié)點(diǎn)電壓的變化，通過(guò)反饋回路消除振型偏移角，彌補(bǔ)前饋調(diào)軸方案的不足，提升了在陀螺工程化應(yīng)用價(jià)值。但所提方案不足之處在于，由于對(duì)諧振子加工，裝配誤差等因素，正交誤差信號(hào)與同相誤差信號(hào)可能會(huì)附加誤差項(xiàng)，故對(duì)振型的調(diào)整并不能很徹底。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用圖6所示的流程圖設(shè)計(jì)了前饋調(diào)軸板，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8(a)所示。

同樣，利用激光測(cè)振儀對(duì)調(diào)軸后的諧振子唇沿振型進(jìn)行了測(cè)量，得到環(huán)向振幅與振型分布，如圖8(b)所示。

圖8 前饋調(diào)軸后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖8(b)可知，諧振子波腹點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)振幅及所處角度如表3、表4所示。

表3 波節(jié)點(diǎn)振幅及所處角度

表4 波腹點(diǎn)振幅及所處角度

通過(guò)前饋調(diào)軸之后，對(duì)比表2和表4；表3和表5可見(jiàn)：1)諧振子振型相對(duì)調(diào)軸之前偏移了0.8°～0.9°；2)改善了振型4個(gè)波腹振幅不一致的問(wèn)題，4個(gè)波腹點(diǎn)振幅最大相差0.219 μm，比調(diào)軸前的差值減小了近50 %；3)節(jié)點(diǎn)電壓的振幅明顯降低。說(shuō)明前饋調(diào)軸方案能夠有效地減小諧振子振型以及振幅的偏移。

采用圖7設(shè)計(jì)了反饋調(diào)軸板，實(shí)驗(yàn)測(cè)試調(diào)軸效果如圖9(a)所示，其振型分布圖如圖9(b)。

圖9 反饋調(diào)軸后實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖9(b)可知，諧振子波腹點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)振幅及所處角度如表5、表6所示。

表5 波節(jié)點(diǎn)振幅及所處角度

表6 波腹點(diǎn)振幅及所處角度

通過(guò)反饋調(diào)軸之后，與調(diào)軸之前相比，可得：1)從波腹和波節(jié)所處的角度可知諧振子振型相對(duì)調(diào)軸之前移了0.6°～0.7°；2)振型四個(gè)波腹點(diǎn)振幅相差最大值是0.308 μm，與調(diào)軸前相比已有所減少；3)由圖10可知，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)依然存在先下降后上升的現(xiàn)象，但相比調(diào)軸前已經(jīng)減弱很多。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，前饋調(diào)軸及反饋調(diào)軸均能改善振型偏移的問(wèn)題，但是反饋調(diào)軸效果弱于前饋調(diào)軸的效果。

5 結(jié) 論

本文分析了金屬筒形諧振子振型偏移的原因，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了諧振子振型偏移造成的影響，并從線路控制方面提出了兩種解決振型偏移的方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該兩種方案能夠有效地校正振型偏移，進(jìn)而減小振型偏移的造成的影響，并分析了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)對(duì)金屬筒形諧振陀螺研究奠定了基礎(chǔ)。