[发明专利]一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，属于直接输出频率谐振式陀螺理论研究和实验验证领域。

背景技术

陀螺是实现在惯性空间测量旋转角速度或角位移的装置。在当今科学技术领域具有极其重要的地位，在国民经济发展和国防现代化建设中发挥着重要作用。陀螺技术及应用的水平很大程度上反映着信息技术的水平，也影响着科学技术的发展与进步。

对于谐振式陀螺，最早最简单的结构形式就是傅科摆(Foucault pendulum)。为了证明地球在自转，傅科于1851年在巴黎国葬院的大厅里做了一次成功的复合周期式摆动实验，从而有力地证明了地球是在自转，傅科摆由此而得名。

本发明研究的频率型微陀螺，基于被测旋转角速度改变了复合敏感结构的等效刚度，通过改变等效刚度实现对复合敏感结构频率的变化，即可以通过敏感结构自身的谐振频率与被测角速度的内在关系实现测量。因为频率信号是数字信号，抗干扰能力强，信号处理方便，无需A/D或V/F变换，这就从根本上解决了上面提到的自身抗干扰弱的问题，测量精度可望大大提高。因此，频率型微陀螺成为谐振式微机械陀螺的发展重点与热点。

频率型微陀螺的原理模型最早由加州大学伯克利分校的A.A.Seshia在2002年的IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems国际会议上提出的，报告中还给出实验样件和初步测试结果，但没有相关的较为深入的理论研究内容。随后一些高等院校和科研机构也对相关研究做了零星报道，多是陀螺结构与原理的简单定性描述，针对谐振子振动特性的深入研究一直未见公开报道。

直接输出频率陀螺的动力学方程可用mathieu方程表示，如公式(1)所示：

由方程可知，该方程包含两个函数q(t)和cosω_mt，可通过建立两个函数的工程模型，对陀螺的动力学方程进行研究，从而研究其特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对传统实验和测试方法的不足，提出了一种可实现频率输出型陀螺的整体实验模型和各部件实验研究模型，能够同时实现通过实验对陀螺的整体性能分析和内部部件的性能分析以及工作参数采集分析。同时利用该发明，能够对陀螺核心部件进行可控的激励研究，对于陀螺非线性实验研究提供了一种可行性的实验验证方案。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种直接输出频率谐振式陀螺研究系统，包括信号激励单元、磁致伸缩作动器、谐振子、信号检测单元和底座；信号激励单元包括微控制单元、信号发生器、功率放大器；谐振子包括谐振音叉、连接杆、拉力弹簧、支撑架；信号检测单元包括示波器、频谱仪、计算机；信号激励单元根据实验目的，由微控制器生成目标信号至信号发生器，该目标信号为正弦驱动信号或者瞬变激励信号，经信号发生器输出对应的模拟信号，然后经过功率放大器输出可驱动磁致伸缩作动器的功率信号；信号激励单元产生的驱动信号输入至磁致伸缩作动器的激励线圈，同时给偏置线圈加载一定的偏置电流，产生偏置磁场，在激励磁场和偏置磁场共同作用下，磁致伸缩棒产生与驱动信号对应的形变，从而带动连接杆运动，从而作用于谐振子的可动端；谐振音叉在外力作用下，其固有谐振频率随着外作用力的改变而改变，磁致伸缩作动器、谐振子固定在底座，并保持磁致伸缩作动器的中心轴与谐振子轴中心在一条直线上。

其中，所述谐振子包括谐振音叉、压力弹簧、固定支架、调节螺母组成；谐振音叉一端固定在底座上，另一端由压力弹簧固定在固定支架上，通过压力弹簧加载一定的轴向预紧力在音叉可动端，实现谐振音叉的初始应力设置。

其中，所述的磁致伸缩作动器中的磁致伸缩棒应为磁致伸缩材料或者超磁致伸缩材料制备。

本发明的原理：

频率输出型陀螺结构包括两部分：质量块振动结构和谐振子结构。本发明中采用磁致伸缩作动器模拟陀螺质量块科氏效应输出正弦力激励和瞬态力激励，满足谐振子动态特性研究所需要的激励源；谐振子设计采用等比例音叉结构，可通过改变谐振子结构来实现不同谐振子的实验研究。

本发明采用新技术结合频率型输出陀螺的工作原理，将研究中遇到的设计验证瓶颈通过拆解的方式进行分析，关注关键技术，通过等价方式采用模拟手段，实现在原本陀螺无法进行的参数测量。超磁致伸缩材料是一种能够有效的感应环境磁场变化，并与之具有较好的线性度，且具有输出力矩大、控制方便、精度高等优点，能够很好的模拟质量块结构在科氏力作用的动力学行为。