(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911109374.6
(22)申请日 2019.11.13
(71)申请人 中国船舶重工集团公司第七一七研
究所
地址 430000 湖北省武汉市江夏区阳光大
道717号
(72)发明人 王鹏 张熙 张红波
(74)专利代理机构 武汉蓝宝石专利代理事务所
(特殊普通合伙) 42242
代理人 王振宇
(51)Int.Cl.
G01C 25/00(2006.01)
G01C 19/5705(2012.01)
G01C 19/5783(2012.01)
(54)发明名称
测试装置和方法
(57)摘要
本发明涉及一种裸石英振子的压电激励装
置及品质因子的测试装置和方法，改善石英谐振
子激励方法，压电激励装置包括固定连接的激励
头和激励头固定装置；激励头固定装置上设置有
电气接口和压电材料，通过电气接口接收激励信
号后，通过压电材料使激励头产生振动，激励头
振动后带动待测石英振子振动。以保证谐振子在
不同真空度下及金属化前有效激励，通过控制激
励信号即可灵活调整振动的幅度和频率，可实现
裸谐振子的大位移的初始激励，结构及实现过程
简单并且可以进行定点激励。权利要求书2页 说明书7页 附图3页CN 110940353 A 2020.03.31
C N 110940353
A
1.一种裸石英振子的压电激励装置，其特征在于，所述压电激励装置包括固定连接的激励头(1)和激励头固定装置(2)；
所述激励头固定装置(2)上设置有电气接口和压电材料，通过所述电气接口接收激励信号后，通过所述压电材料使所述激励头(1)产生振动，所述激励头(1)振动后带动待测石英振子(3)振动。
2.根据权利要求1所述的压电激励装置，其特征在于，所述激励头固定装置(2)包括条形支架(2-1)和施力杆(2-2)；
所述施力杆(2-2)的一端设置有与所述条形支架(2-1)形状匹配的安装孔；
所述条形支架(2-1)的一端活动插接在所述安装孔中，另一端固定连接所述激励头(1)。
3.根据权利要求2所述的压电激励装置，其特征在于，所述激励头固定装置(2)包括环状结构的调频环(2-3)，所述调频环(2-3)活动套装在所述施力杆(2-2)的外柱面上。
4.根据权利要求2所述的压电激励装置，其特征在于，所述激励头固定装置(2)包括压电材料安装座(2-4)和激励座(2-5)；所述施力杆(2-2)、压电材料安装座(2-4)和激励座(2-5)在同一中心轴线上依次连接；
所述压电材料安装座(2-4)的上端为带有通孔的扇形结构，下端为用于安装固定在所述激励座(2-5)上的柱形结构；所述扇形结构的通孔以及外壁上设置有压电陶瓷；
所述激励座(2-5)为对称结构，两端设置有安装孔。
5.根据权利要求1所述的压电激励装置，其特征在于，所述激励头(1)的球头部分对准所述石英振子(3)的唇沿部分，所述激励头(1)的球头外表面与所述石英振子(3)唇沿外表面距离的范围为0.01～0.05mm。
6.一种裸石英振子的品质因子测试装置，其特征在于，所述测试装置包括如权利要求1-5任一项所述的压电激励装置，还包括激光测振仪(4)和石英振子夹持装置(5)；
所述石英振子夹持装置(5)用于弹性夹持所述石英振子(3)；
所述激光测振仪(4)用于测试所述石英振子(3)的振动情况。
7.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述石英振子夹持装置(5)包括定V形座(5-6)、动V形座(5-4)、预紧弹簧(5-1)、预紧螺母(5-2)和导轨(5-7)；
所述定V形座(5-6)与所述动V形座(5-4)均包括V形槽，两个所述V形槽相对设置组成开口，支撑杆垂直于地面设置，一端固定所述石英振子(3)，另一端放置在所述开口中；
所述导轨(5-7)一端为与所述V形槽匹配的双V形导向结构，另一端为与所述预紧螺母(5-2)匹配的螺杆结构，贯通设置在所述动V形座(5-4和所述定V形座(5-6)的下端；
所述预紧螺母(5-2)和所述动V形座(5-4)在所述导轨(5-7)内活动；
所述预紧弹簧(5-1)围绕所述预紧螺母(5-2)设置，一端接触所述预紧螺母(5-2)的螺帽的内面，另一端与所述动V形座(5-4)接触。
8.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述石英振子夹持装置(5)还包括围绕所述预紧螺母(5-2)设置的环形结构的挡环(5-3)，所述挡环(5-3)设置在所述弹簧(5-1)和所述动V形座(5-4)之间；
所述测试装置还包括安装底板(6)，所述激励头固定装置(2)、激光测振仪(4)和石英振子夹持器(5)均设置在所述安装底板(6)上。
9.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述激光测振仪(4)发出的测试激光的方向与所述石英振子(3)所在球形的切面以及所述激励头(21)的轴向均垂直。
10.一种如权利要求6-9任一项所述的裸石英振子的品质因子测试装置的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
步骤1，通过所述石英振子夹持装置加持待测石英振子，根据石英振子的位置调整激励头的位置，根据激励头的位置调整激光测振仪的位置；
步骤2，压电激励装置输入激励信号，通过激光测振仪测试石英振子四波腹谐振频率f ′0；
步骤3，将所述激励信号频率设为f′0，对所述石英振子进行定频激励，当所述石英振子起振且稳定后，关闭所述激励信号，记录所述石英振子的激励及衰减过程并拟合为函数；
步骤4，根据所述拟合的函数计算出衰减系数τ，得出所述石英振子的品质因数Q＝2πf′0τ，其中，τ为振幅衰减至的时间，e表示自然常数，A0表示自由衰减时的初始振幅。
裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试装置和方法
技术领域
[0001]本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，具体涉及一种裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试装置和方法。
背景技术
[0002]半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro，HRG)是一种没有高速转子和活动支承的振动陀螺，具有精度高、质量小、体积小、启动时间短、高过载和高可靠性的特点。被誉为最具潜力的哥式振动陀螺。HRG的工作原理是基于半球壳谐振子绕中心轴旋转时产生的哥式效应，而使其振型在环向相对客体进动的物理机制。
[0003]石英振子机械品质因子(Q值)是振动陀螺重要性能参数之一，半球谐振子结构特征为硬脆薄壁结构，尺寸精密度要求高，工序繁多，从毛坯加工、研磨抛光、热处理、化学抛光及化学修形等工艺，每个工艺均会影响谐振子的Q值。石英振子完成毛坯加工后，需对各工艺阶段石英振子Q值的测量，实现对谐振子性能的初步评定与筛选，同时用于判定各阶段处理工艺执行质量，提高后续修形和产品良品率，因此在产品封装前要保证石英振子Q值的可测量，但是目前缺少对石英振子Q值进行直接测量计算的装置或方法。
[0004]现有激励方法存在如下缺点：声波激励时，在高真空环境下，传播效率低，振动幅度小甚至无法实现振子起振；且不能定点进行激励，无法确定准确激励方位；静电激励时，产生的激励力有限，不能提供足够的初始位移，因而振动信号信噪比低，给后续数据处理带来困难，且需要高压来维持。
发明内容
[0005]本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种裸石英振子的压电激励装置及品质因子的测试
装置和方法，解决现有技术中激励方法存在的缺陷。
[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种裸石英振子的压电激励装置，所述压电激励装置包括固定连接的激励头1和激励头固定装置2；
[0007]所述激励头固定装置2上设置有电气接口和压电材料，通过所述电气接口接收激励信号后，通过所述压电材料使所述激励头1产生振动，所述激励头1振动后带动待测石英振子3振动。
[0008]一种裸石英振子的品质因子测试装置，所述测试装置包括上述的压电激励装置，还包括激光测振仪4和石英振子夹持装置5；
[0009]所述石英振子夹持装置5用于弹性夹持所述石英振子3；
[0010]所述激光测振仪4用于测试所述石英振子3的振动情况。
[0011]一种如上述的裸石英振子的品质因子测试装置的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
[0012]步骤1，通过所述石英振子夹持装置加持待测石英振子，根据石英振子的位置调整激励头的位置，根据激励头的位置调整激光测振仪的位置；
[0013]步骤2，压电激励装置输入激励信号，通过激光测振仪测试石英振子四波腹谐振频率f′0；
[0014]步骤3，将所述激励信号频率设为f′0，对所述石英振子进行定频激励，当所述石英振子起振且稳定后，关闭所述激励信号，记录所述石英振子的激励及衰减过程并拟合为函数；
[0015]步骤4，根据所述拟合的函数计算出衰减系数τ，得出所述石英振子的品质因数Q＝
2πf′0τ，其中，τ为振幅衰减至的时间，e表示自然常数，A0表示自由衰减时的初始振幅。
[0016]本发明的有益效果是：改善石英谐振子激励方法，以保证谐振子在不同真空度下及金属化前有效激励，通过控制激励信号即可灵活调整振动的幅度和频率，可实现裸谐振子的大位移的初始激励，结构及实现过程简单并且可以进行定点激励。
[0017]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0018]进一步，所述激励头固定装置2包括条形支架2-1和施力杆2-2；
[0019]所述施力杆2-2的一端设置有与所述条形支架2-1形状匹配的安装孔；
[0020]所述条形支架2-1的一端活动插接在所述安装孔中，另一端固定连接所述激励头1。
[0021]进一步，所述激励头固定装置2包括环状结构的调频环2-3，所述调频环2-3活动套装在所述施力杆2-2的外柱面上。
[0022]进一步，所述激励头固定装置2包括压电材料安装座2-4和激励座2-5；所述施力杆2-2、压电材料安装座2-4和激励座2-5在同一中心轴线上依次连接；
[0023]所述压电材料安装座2-4的上端为带有通孔的扇形结构，下端为用于安装固定在所述激励座2-5上的柱形结构；所述扇形结构的通孔以及外壁上设置有压电陶瓷；[0024]所述激励座2-5为对称结构，两端设置有安装孔。
[0025]进一步，所述激励头1的球头部分对准所述石英振子3的唇沿部分，所述激励头1的球头外表面与所述石英振子3唇沿外表面距离的范围为0.01～0.05mm。
[0026]进一步，所述石英振子夹持装置5包括定V形座5-6、动V形座5-4、预紧弹簧5-1、预紧螺母5-2和导轨5-7；
[0027]所述定V形座5-6与所述动V形座5-4均包括V形槽，两个所述V形槽相对设置组成开口，支撑杆垂直于地面设置，一端固定所述石英振子3，另一端放置在所述开口中；[0028]所述导轨5-7一端为与所述V形槽匹配的双V形导向结构，另一端为与所述预紧螺母5-2匹配的螺杆结构，贯通设置在所述动V形座5-4和所述定V形座5-6的下端；
[0029]所述预紧螺母5-2和所述动V形座5-4在所述导轨5-7内活动；
[0030]所述预紧弹簧5-1围绕所述预紧螺母5-2设置，一端接触所述预紧螺母5-2的螺帽的内面，另一端与所述动V形座5-4接触。
[0031]进一步，所述石英振子夹持装置5还包括围绕所述预紧螺母5-2设置的环形结构的挡环5-3，所述挡环5-3设置在所述弹簧5-1和所述动V形座5-4之间；
[0032]所述测试装置还包括安装底板6，所述激励头固定装置2、激光测振仪4和石英振子夹持器5均设置在所述安装底板6上。
[0033]进一步，所述激光测振仪4发出的测试激光的方向与所述石英振子3所在球形的切
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