基于MEMS聲傳感器的圓柱殼體振動陀螺振型檢測技術*

王劍秋,吳宇列,張勇猛

(國防科學技術大學機電工程與自動化學院,長沙 410073)

?

基于MEMS聲傳感器的圓柱殼體振動陀螺振型檢測技術*

王劍秋,吳宇列*,張勇猛

(國防科學技術大學機電工程與自動化學院,長沙 410073)

振動陀螺諧振子振型一般采用激光進行非接觸式測量,這種方法存在設備成本高、操作復雜、效率低等問題,因此,提出了一種基于MEMS聲傳感器的圓柱殼體振動陀螺諧振子振型測試方法。該方法利用體積小,指向性高的MEMS聲傳感器對諧振子振動聲場進行高分辨率測量,獲得精確的諧振子振動分布情況,建立了諧振子聲波測試實驗系統,進行了測試實驗,并與激光測振儀的測量結果進行比對。實驗結果表明,該測試系統具有較高的振型測量精度。這種測試方法成本低,操作簡便,測量精度高,可以實現諧振子振型的高精度快速測量,為后續的諧振子修形及陀螺控制提供重要基礎。

圓柱殼體振動陀螺諧振子;振型測試;MEMS聲傳感器;高精度快速測量

圓柱殼體振動陀螺是一種無轉子機械振動陀螺,以其能耗小、成本低、可靠性高、壽命長等優點,在近幾年成為了一種十分重要的慣性器件[1-2],其中杯形波動陀螺更是以其便于加工的優勢成為研究的重要領域[3]。

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

杯形波動陀螺的諧振子在工作過程中保持一種四波腹駐波的振動形式,該振動是陀螺工作的基礎[7]。振型的偏移,波腹波節之間的角度誤差等都會對陀螺儀的輸出產生較大的影響,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,需要對諧振子的振型進行測量,為諧振子修形及陀螺控制提供數據支持。現有的非接觸式測量手段是采用激光測振儀進行諧振子振型的測量[11-12],實現了諧振子振型的高精度測量,但激光測振儀器成本高昂、操作復雜且激光器無法長時間運行,會大幅提高諧振子的加工時間和成本。

為了解決諧振子測量的問題,本文提出了一種基于MEMS聲傳感器的諧振子測量方法。該方法采用MEMS聲傳感器體積小,指向性好的特點,對諧振子振動過程中產生的聲波場進行高分辨率測量,從而間接獲得諧振子各個位置振動的振幅及相位信息,達到和激光測振儀相同的測量目的。該方法所使用的器件成本低廉、精度較高,測試系統操作簡便,可實現對諧振子振型的快速高精度測試,為諧振子的修形和控制提供重要的支持。

1 圓柱殼體振動陀螺的基本工作原理

圖1(a)所示為圓柱殼體振動陀螺示意圖。工作時,給諧振子底面同一直徑上的兩個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產生振動,激勵出如圖1(a)所示的諧振子的驅動模態。諧振子的驅動模態為四波腹振動,波節點處的理論振幅為零。

當有軸向角速度輸入時,諧振環在哥氏力的作用下產生如圖1(b)檢測模態,諧振環的檢測模態振動通過傳振結構傳遞到相互垂直的4個壓電敏感電極,由壓電效應產生的電信號經過電路和軟件處理即可得到輸入角速度[6]。

2 聲波檢測原理與實驗方案設計

2.1 聲波檢測的基本實驗原理

檢測過程中諧振子工作于驅動模態下,如圖1(b)所示,此時諧振子保持四波腹振動的形式。諧振子在振動的過程中會對諧振子周圍的空氣產生周期性的壓力,從而在諧振子周圍形成沿諧振子徑向傳播的聲波信號,如圖2所示。

圖2 聲波檢測示意圖

圖3 實驗所使用的MEMS聲傳感器

在距離諧振子較近的范圍內,所產生的聲波具有較好的定向性,可近似的認為不同點之間的聲波之間不存在耦合現象。為了實現聲波場的高分辨率檢測,可以采用MEMS聲傳感器進行測量。實驗選用MEMSensing Microsystems公司的MSMAS42Z型號硅麥克風芯片作為測量器件,其實物如圖3所示,該器件具有較大的增益、帶寬和信噪比,可以滿足測量要求。

該傳感器體積小,可以減小傳感器本身對諧振子振動的影響,聲孔直徑僅0.5 mm,其對于聲波場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可以實現對聲波場的高精度敏感,得到的數據可作為測試點振動情況的表征。

2.2 聲波檢測實驗方案設計

針對諧振子振型的聲波檢測,設計了如圖4所示的聲波檢測實驗系統。將麥克風固定在轉臺上,相對于轉臺轉軸保持固定位置,諧振子以夾具固定在轉臺上,可以隨轉臺轉盤一同轉動。通過該系統可以實現麥克風測量位置在諧振子周向不同位置之間的變化,其對準精度由轉臺的精度保證。

圖4 設計的聲波檢測實驗系統

利用上述實驗系統,選取已粘貼壓電電極的諧振子作為實驗對象,設計了聲傳感器測量位置實驗、聲傳感器與壓電電極對比測量實驗和聲傳感器振型測試及激光測振儀振型測試對比實驗。通過前兩個實驗確定聲傳感器的測量參數并驗證聲傳感器的測量精度,最后通過聲波檢測的振型測試以及對比現有的測試手段論證聲波檢測振型的精度。

3 聲波檢測實驗

實驗選用MEMSensing Microsystems公司的MSMAS42Z型號硅麥克風芯片作為測量器件,并基于該器件設計了諧振子振型的聲波檢測系統,同時還設計了與壓電片檢測的對比實驗和徑向測量位置的實驗以證實聲波檢測的可行性及具體測量參數的確定。

3.1 測量位置的徑向實驗

由于用于檢測的麥克風元件本身具有一定的面積,放在諧振子的周圍會產生阻尼,阻尼會影響諧振子的振動使測量的精度下降,而距離增大時麥克風無法得到足夠的輸入,使測量的敏感度下降,同樣會對測量的精度產生不良的影響。因此需要通過實驗確定一個合適的位置,使麥克風的輸入不至太小同時不會對諧振子的振動產生太大影響。

利用圖4所示的實驗系統進行徑向測試實驗,在不同的徑向測量位置利用麥克風對諧振子的振動進行測量,同時檢測振動檢測壓電片的輸出變化以確定不同測量位置對諧振子本身振動的影響。為了更全面的反映測試位置的影響,在諧振子的周向選擇若干不同位置分別進行徑向測量實驗。以驅動片的粘貼位置為0°位置,逆時針為正向,選取0°(驅動位置),45°(理論節點位置),90°(驅動檢測位置)和180°位置分別做實驗,得到數據。

表1 不同位置的麥克風徑向檢測實驗數據

通過實驗數據可以看出,隨著麥克風距離的增加,麥克風的檢測輸出存在較明顯的衰減,這會影響麥克風檢測的靈敏度,因此需要麥克風保持在較近的距離進行檢測。對比不同位置不同距離下檢測壓電片的輸出可以發現,振動幅值保持在100 mV左右,這主要是由于控制電路采用了穩幅控制方案使驅動振幅保持不變。對比理論節點位置的檢測壓電片輸出可以發現麥克風的位置在周向變化的過程中,理論節點位置的振動振幅沒有受到影響,但麥克風的位置在徑向減小到2 mm時節點位置的檢測電壓出現了較明顯的衰減,證明此時麥克風對諧振子的振動產生了影響。因此,選擇3 mm作為麥克風檢測的徑向距離。

3.2 壓電電極對比檢測實驗

以壓電電極作為驅動元件,改變驅動電壓的大小,利用麥克風和壓電電極同時對諧振子的振動進行檢測,檢測幅值進行比較,對比兩種元器件的檢測結果。

對比測量的位置應選取壓電電極檢測結果可作為測量基準的位置進行檢測。諧振子的驅動采用穩幅驅動方式,因此驅動檢測電極的輸出在電路的控制作用下保持不變,是較為理想的測量位置。

對比兩種測量方式的測量結果數據,將兩組數據分別作為橫縱軸進行擬合,得到如圖5所示的擬合趨勢線。

表2壓電檢測及麥克風檢測結果對比單位:mV

驅動電壓麥克風檢測結果檢測壓電片輸出1810168.7272.61620156.0252.01380134.1215.11040105.9169.979081.8130.655359.795.6

圖5 壓電電極與麥克風檢測的對比擬合曲線

通過擬合曲線可以看出,麥克風檢測得到的結果與壓電電極檢測結果之間具有較好的線性關系,說明麥克風的檢測結果可以作為敏感諧振子振動的敏感量。

4 基于聲波檢測的振型測試及激光測振儀對比

實驗采用Φ25 mm諧振子樣機進行測試,利用如圖4所示的麥克風測量實驗裝置,以驅動電極的粘貼位置為起始位置,每隔5°對諧振子進行測量,在最大最小值的附近每隔1°進行振幅測量,得到諧振子周向各個位置的振幅數據,通過MATLAB工具對數據進行處理,畫出諧振子的振型如圖6所示。

圖6 麥克風檢測的諧振子振型圖

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

為了驗證麥克風檢測諧振子振型的精度,設計了激光測振實驗與麥克風檢測實驗進行對比。對比實驗采用Polytec-PSV-400激光測振儀對諧振子的振動進行測量[9]。該激光測量儀是德國Polytec公司出品的掃描式激光測振儀,由掃描式光學頭、控制器、連接箱和數據管理系統組成,具有高精度、高測量速度等特點。

圖7(c)為安裝在轉臺上的諧振子,利用角度控制轉臺,改變激光測振儀在諧振子周向的測試位置,每隔5°測量諧振子的振動信號,在最大最小值附近每隔1°取諧振子振動數據,利用MATLAB處理數據繪制諧振子的振型圖如圖8所示。

圖7 激光測振試驗系統

圖8 激光諧振儀檢測的諧振子振型圖

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

將兩種檢測手段得到的振型圖進行比較可知,麥克風的振型檢測的到的結果和激光檢測的結果具有較好的一致性,但波節和波峰的位置會出現1°～2°的偏差,這主要是由轉臺本身的運動控制精度、回程誤差及麥克風和激光測振測試過程中對準角度的誤差引起的。

實驗結果很好的說明了麥克風作為傳感器,利用設計的實驗系統可以對諧振子的振型進行精度較高的測量,且操作簡便,更利于諧振子的測量和后續加工。

5 結論

本文針對諧振子的振型測試問題,提出了一種基于MEMS聲傳感器的諧振子測試方法。設計了基于該方法的檢測系統,利用該系統進行了諧振子振型檢測的相關實驗,并與激光測振儀的測量結果進行比對,論證了MEMS聲傳感器作為諧振子振型測量的敏感器件具有較好的精度。設計的系統操作簡便,有利于實現諧振子振型的快速高精度測量,為后續的諧振子修形及控制提供數據支持。

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

[2]楊亞非,趙輝. 固體波動陀螺[M]. 北京:國防工業出版社,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. 圓柱殼體振動陀螺諧振子的品質因數研究[J]. 傳感技術學報,2011,24(10):1401-1405.

[7]吳校生,盧奕鵬,陳文元. 壓電型微固體模態陀螺的模態及諧振分析[J]. 傳感技術學報,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. 杯形波動陀螺的振動仿真與試驗[J]. 機械設計與研究,2010,26(6):31-33.

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

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

吳宇列(1972-),男,博士,研究員,博士生導師,主要研究方向是精密工程及微機電。最近在振動陀螺的理論分析,結構設計,制造工藝和處理電路等方面進行了較多的研究,ylwu_nudt@sina.com;

張勇猛(1988-),男,博士研究生,現主要從事固體波動陀螺的研究,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

項目來源:國家自然科學基金項目(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