一種諧振式振動陀螺的輸出頻率檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于慣性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種諧振式振動陀螺，特別涉及一種直接頻率輸 出的諧振式振動陀螺的輸出頻率檢測方法，適用于中低精度的低成本導(dǎo)航系統(tǒng)及定位、定 向系統(tǒng)等。
【背景技術(shù)】
[0002] 諧振式振動陀螺是利用諧振原理作為陀螺檢測機(jī)理。這種陀螺直接檢測諧振器的 諧振頻率變化來檢測角速度，因?yàn)轭l率信號是數(shù)字信號，抗干擾能力強(qiáng)，且信號處理方便， 不用接A/D轉(zhuǎn)換器，因此就解決了自身抗干擾，測量精度的問題?，F(xiàn)階段諧振式振動陀螺的 研究并不是很多，主要原因就是頻率輸出特性是一個(gè)參數(shù)激勵動態(tài)特性，表征為變系數(shù)參 數(shù)激勵線性微分方程，這種方程很難得到近似解來解調(diào)諧振式振動陀螺的輸出頻率。因此 研究諧振式振動陀螺的頻率檢測方法成為提高直接輸出頻率諧振式振動陀螺性能的關(guān)鍵 問題。如果能夠檢測此類陀螺的直接輸出頻率，改善性能指標(biāo)，將會給此類陀螺的應(yīng)用帶來 非常廣闊的前景，也會對慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展做出突出的貢獻(xiàn)。
[0003] 振動陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)為陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值，它是用某一特定直 線的斜率來表示，該直線是根據(jù)整個(gè)輸入角速率范圍內(nèi)測得的多于11個(gè)輸入角速率的正 反轉(zhuǎn)輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合求得。對于諧振式振動陀螺來說，陀螺的輸出信號是頻 率信號，且瞬時(shí)輸出頻率是時(shí)變信號，即原始輸出數(shù)據(jù)是非線性的，因此采用上述方法不適 用。
[0004] 現(xiàn)階段主要有兩種方法檢測諧振式振動陀螺的諧振頻率，一種是直接檢測法，這 是一種最簡單的方法，即通過數(shù)所測周期信號過零點(diǎn)的次數(shù)即可。一般振蕩信號的基準(zhǔn)頻 率門限較低，而且計(jì)算間隔時(shí)間越長，越精確，這就要求在帶寬和基頻上做個(gè)權(quán)衡，這勢必 會對諧振式振動陀螺的驅(qū)動頻率構(gòu)成一定的限制。另一種方法是間接法，這種方法測頻率 要求被測信號的頻率高于基準(zhǔn)頻率。對于諧振式振動陀螺，在質(zhì)量塊的驅(qū)動頻率下檢測被 測信號的頻率，由陀螺原理知，頻率的相位取決于科氏力，如果用直接檢測法，就要求驅(qū)動 信號具有雙相的特性。在這種情況下間接法相對比較適合檢測諧振式振動陀螺的輸出頻 率，因?yàn)榇朔ㄏ鄬τ诨鶞?zhǔn)頻率能量化噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種諧振式振動陀螺輸出頻 率檢測方法，該方法建立了頻率檢測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測陀螺的瞬時(shí)輸出頻率，有效地實(shí)現(xiàn)了頻 率線性輸出。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種諧振式振動陀螺輸出頻率檢測方法，其特點(diǎn)在于： 利用諧振式振動陀螺參數(shù)激勵特性動態(tài)模型，獲得陀螺瞬時(shí)輸出頻率理論表達(dá)式，建立頻 率檢測系統(tǒng)，獲得實(shí)時(shí)頻率輸出，以質(zhì)量塊的振動信號作為轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺輸入角速度 與陀螺輸出頻率的線性關(guān)系，具體步驟如下：
[0007] 第一步，建立諧振式振動陀螺的諧振子在驅(qū)動力作用下工作在諧振狀態(tài)時(shí)，最簡 化的動力學(xué)微分方程：+ = 0 #其中，m表示諧振子的質(zhì)量，k表示諧振子的剛度；
[0008] 第二步，利用小參數(shù)攝動法對諧振式振動陀螺的諧振子動力學(xué)微分方程求解，得 到諧振式振動陀螺的瞬時(shí)輸出頻率表達(dá)式；
[0009] 第三步，建立由諧振式振動陀螺，轉(zhuǎn)臺和信號采集裝置組成的頻率檢測系統(tǒng)。首先 把諧振式振動陀螺通過夾具固定在單軸速率轉(zhuǎn)臺上，然后在諧振式振動陀螺的檢測角速度 范圍內(nèi)給轉(zhuǎn)臺輸入角速度，同時(shí)信號采集裝置測量諧振式振動陀螺的實(shí)時(shí)輸出頻率；
[0010] 第四步，將諧振式振動陀螺的質(zhì)量塊振動信號輸入到諧振式振動陀螺的實(shí)時(shí)輸出 頻率，即可實(shí)現(xiàn)時(shí)變頻率信號的解算。
[0011] 所述步驟（1)的具體實(shí)現(xiàn)過程：
[0012] (1)諧振式振動陀螺諧振子的動力學(xué)微分方程描述為一個(gè)含有質(zhì)量、阻尼和剛度 的二階微分方程：》威+域+fo： - =0;
[0013] (2)當(dāng)諧振式振動陀螺的諧振子處于諧振狀態(tài)時(shí)，使諧振子處于持續(xù)振動狀態(tài) 的作用力與系統(tǒng)的阻尼力相平衡，此時(shí)諧振子的運(yùn)動規(guī)律表述為最簡的動力學(xué)微分方程： mx+kx=0..
[0014] 所述步驟（2)中小參數(shù)攝動法的具體實(shí)現(xiàn)過程：
[0015] (1)諧振式振動陀螺諧振子的動力學(xué)微分方程轉(zhuǎn)化為方程： q" (z) + ( 5 +ec〇s2z)q(z) = 0 ;其中，q表示諧振子得振動位移，z是一個(gè)時(shí)間變量，k= S+eC0S2z表示諧振子的振動剛度，它隨著科氏力作用的變化而變化；當(dāng)諧振子質(zhì)量保持 不變時(shí)，致使諧振子諧振頻率發(fā)生變化；參數(shù)S表示諧振子自身的固有頻率，參數(shù)e看作 與諧振式振動陀螺參數(shù)相關(guān)的一個(gè)常量，擾動項(xiàng)ec〇S2z表示在質(zhì)量塊驅(qū)動的作用下對諧 振子的彈性系數(shù)的調(diào)制；
[0016] (2)選取合適的小參數(shù)：= 參數(shù)S表示諧振式陀螺諧振子自身的固有頻 率，一般為幾千赫茲，所選的參數(shù)〇會低于小數(shù)點(diǎn)后一到兩個(gè)數(shù)量級，故為小參數(shù)；
[0017] (3)將小參數(shù)代入步驟⑴方程中，得到諧振式振動陀螺的瞬時(shí)輸出頻率：
[0018] 其中，表示無載荷時(shí)諧振式振動陀螺諧振子的固有頻率，《 4表示諧振式振動 陀螺質(zhì)量塊的驅(qū)動頻率，S表示與諧振式振動陀螺參數(shù)相關(guān)的常數(shù)，m表示諧振式振動陀螺 質(zhì)量塊質(zhì)量，Q表示品質(zhì)因數(shù)，Q表示外加加速度，yjt)表示諧振式振動陀螺質(zhì)量塊的振 幅。
[0019] 所述步驟（4)的具體實(shí)現(xiàn)過程：
[0020] (1)選取諧振式振動陀螺質(zhì)量塊的振動信號作為相關(guān)轉(zhuǎn)換條件：yjt)，yjt)表示 諧振式振動陀螺質(zhì)量塊的振幅；
[0021] (2)將諧振式振動陀螺質(zhì)量塊的振動信號與瞬時(shí)輸出頻率做相關(guān)轉(zhuǎn)換：
其中，T表示諧振式振動陀螺諧振子的一個(gè)振動周期，co(t)表 示諧振式振動陀螺諧振子的瞬時(shí)輸出頻率；
[0022] (3)獲得諧振式振動陀螺的瞬時(shí)輸出頻率與輸入角速度呈線性關(guān)系：
[0023]
[0024] 其中，表示無載荷時(shí)諧振式振動陀螺諧振子的固有頻率，《 4表示諧振式振動 陀螺質(zhì)量塊的驅(qū)動頻率，S表示與諧振式振動陀螺參數(shù)相關(guān)的常數(shù)，m表示諧振式振動陀螺 質(zhì)量塊質(zhì)量，Q表示品質(zhì)因數(shù)，Q表示外加加速度，yjt)表示諧振式振動陀螺質(zhì)量塊的振 幅，表示諧振式振動陀螺的輸出頻率。
[0025] 本發(fā)明的原理：由諧振式振動陀螺工作特性可知，科氏力作用在諧振子的軸向端， 改變諧振子的諧振頻率，通過測量檢測諧振頻率的變化量就可得到相應(yīng)輸入角速度的大 小。在諧振式振動陀螺的輸出頻率檢測中，將樣件固定在轉(zhuǎn)臺上，保持轉(zhuǎn)臺以固定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn) 動，此時(shí)諧振子的軸向端受到一個(gè)固定頻率周期性科氏力，實(shí)際上諧振子所受力大小或是 說陀螺受到的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速都需要根據(jù)測試的輸出頻率計(jì)算出，而此計(jì)算的依據(jù)就是陀螺的動 力學(xué)微分方程近似解。測試陀螺的輸出頻率需要根據(jù)諧振子的振動信號中提取，利用動力 學(xué)微分方程近似解得到諧振子的振動信號為調(diào)頻信號。由頻率測試系統(tǒng)得到的諧振子的振 動信號為調(diào)頻信號，則證明諧振式振動陀螺瞬時(shí)輸出頻率的時(shí)變性。將諧振式振動質(zhì)量塊 的振動輸出信號作為轉(zhuǎn)換條件，即可以得到輸入角速度與輸出頻率之間的線性關(guān)系。
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0027] (1)本發(fā)明利用諧振式振動陀螺動態(tài)特性微分方程得出瞬時(shí)輸出頻率信號的表達(dá) 式，不需要建立檢測系統(tǒng)分析輸出信號的特性開環(huán)，具有分析簡單、有效的特點(diǎn)。
[0028] (2)本發(fā)明對諧振式振動陀螺的輸出信號直接進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，減小了頻率信號檢 測過程中其它處理電路之間的耦合，有效地提高了檢測精度。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的諧振式振動陀螺頻率檢測方法實(shí)現(xiàn)過程的示意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明諧振式振動陀螺檢測系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明包括以下四個(gè)基本步驟：（1)建立諧振式振動陀螺的動力學(xué)模型；(2)獲取 諧振式振動陀螺的瞬時(shí)輸出頻率；（3)建立諧振式振動陀螺的輸出頻率檢測系統(tǒng)；(4)諧振 式振動陀螺的輸出頻率信號解算。諧振式振動陀螺動力學(xué)模型的系數(shù)是時(shí)間的快變函數(shù)， 此種由參數(shù)變化引起的振動稱為參數(shù)激勵特征方程。該諧振式振動陀螺的輸出頻率檢測方 法是依據(jù)其動力學(xué)模型，利用小參數(shù)攝動法得到瞬時(shí)輸出頻率表達(dá)式；建立諧振式振動陀 螺的輸出頻率檢測系統(tǒng)得到陀螺的時(shí)變輸出信號，以諧振式振動陀螺結(jié)構(gòu)中質(zhì)量塊的振動 信號作為轉(zhuǎn)換條件，從而達(dá)到解算出頻率信號的目的。本發(fā)明克服了參數(shù)激勵對陀螺輸出 信號的影響，實(shí)現(xiàn)了諧振式振動陀螺的線性輸出，拓展其應(yīng)用范圍，也可用于其它諧振式振 動傳感器時(shí)變輸出信號的頻率檢測。
[0032] 如圖1所示，具體實(shí)現(xiàn)如下。
[0033] (1)建立動力學(xué)模型
[0034] 諧振式振動陀螺諧振子的諧振頻率是軸向張力的函數(shù)，對于直接輸出頻率這樣一 種特殊的工作方式，科氏力是隨時(shí)間變化的動態(tài)力，被測量對系統(tǒng)的調(diào)制表現(xiàn)為彈性系數(shù) 的改變，在建立微分方程時(shí)就需要利用這樣一個(gè)假設(shè)：軸向力隨時(shí)間變化是緩慢的，即考慮 科氏力的動態(tài)響應(yīng)問題。諧振式振動陀螺動力學(xué)微分方程精確的表征了所有動態(tài)特性，最 簡化的動力學(xué)微分方程：
[0035]
U)
[0036] 其中，m