CN111998841B - 一种半球谐振子芯轴振动检测电路及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于半球谐振陀螺仪领域；具体涉及一种半球谐振子芯轴振动检测电路及装置；所述振动检测电路包括在半球谐振子芯轴的周围设置有多对叉指电极，每对叉指电极与半球谐振子芯轴局部构成一个检测电容；每个所述检测电容均连接有一个电压检测电路；所述电压检测电路包括运算放大器和一个运放电容，所述运放电容的两端分别连接到所述运算放大器的反相端和输出端上；所述检测电容的其中一个叉指电极施加恒定电压，另一个叉指电极与运算放大器的反相端连接，所述运算放大器的同相端接地；所述运算放大器的输出端输出运放输出电压，通过该电压是否变换来判断芯轴是否发生振动；本发明结构简单，能够无接触的检测到芯轴的振动情况。

Description

一种半球谐振子芯轴振动检测电路及装置

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺仪石英谐振子振动激励与检测，用于半球谐振子质量调平等，属于半球谐振陀螺仪领域。

背景技术

半球谐振陀螺是一种全固态振动陀螺仪，它由高品质的熔石英玻璃材料，通过精密的机械加工，再配合复杂的辅助工艺制作而成。半球谐振陀螺具有可靠性高、精度高、寿命长、抗辐照能力强等优点，特别是它独有的长达15年以上的工作寿命特点，使其非常适合空间飞行器、卫星等空间应用场合,是宇航高可靠应用领域首选陀螺仪。

理想的半球谐振子是一种完全轴对称的伞状结构，如图3所示，谐振子由半球形的薄壳结构8，和起支撑作用的芯轴9构成，由高品质熔融石英材料一体加工成型。半球谐振陀螺通过在半球薄壳结构8上建立稳定的四波腹振动，并对科里奥利力引起的振动变化加以检测和控制来实现陀螺仪功能，输出敏感陀螺仪载体相对于惯性空间的旋转角速度或角度。这种振动敏感效应非常依赖于半球薄壳结构的轴对称性，球壳圆周上的任何不对称都将导致振动不再是单纯的四波腹振动，会混杂其他模态的振动并严重影响陀螺精度。

因此，在半球谐振陀螺制造过程中，必须对半球谐振子薄壳部分的质量分布进行精密修调，使得质量分布逐步逼近到理想的轴对称状态，这个过程称为质量调平。质量调平中一项关键技术就是如何对芯轴的振动进行检测，因为某些模态的质量不平衡会导致芯轴发生振动，检测芯轴振动的幅度、方向，反过来可以确定质量不平衡的位置和度量，从而为调平提供依据；而现有技术中没有合适的方案对半球谐振子芯轴的振动进行测试。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明为满足半球谐振子质量调平的需要，本发明提出了一种半球谐振子芯轴振动检测电路及装置。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种半球谐振子芯轴振动检测电路，所述振动检测电路包括在半球谐振子芯轴的周围设置有多对叉指电极，每对叉指电极与半球谐振子芯轴局部构成一个检测电容；每个所述检测电容均连接有一个电压检测电路；所述电压检测电路包括运算放大器和一个运放电容，所述运放电容的两端分别连接到所述运算放大器的反相端和输出端上；所述检测电容的其中一个叉指电极施加恒定电压，另一个叉指电极与运算放大器的反相端连接，所述运算放大器的同相端接地；所述运算放大器的输出端输出运放输出电压，通过该电压是否变换来判断芯轴是否发生振动，也就是说，如果电压发生变换，则表明芯轴发生振动。

利用运放的虚短原理等效于接地，虚短原理是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一起，但事实上并没有短接，称为虚短。虚短的必要条件是运放引入深度负反馈，同时运算放大器的开环增益A足够大。这样就等效于对检测电容施加了一个固定电压。

芯轴的振动将会引起检测电容的变化，检测电容变化将引起电荷改变形成电流输出，在运放构成的跨阻放大器中转换为电压变化，从而实现芯轴微弱振动的检测。

更进一步的，所述叉指电极的对数为2N，N表示非零自然数，所述叉指电极都是成对出现，形成检测电容。

更进一步的，在所述另一个叉指电极与运算放大器的反相端之间设置有保护电容，且所述保护电容的容量大于所述检测电容的容量；保护电容的主要是防止恒定电压击穿检测电容时损坏后续电路，保护电容能够起到保护隔离的作用。

更进一步的，由于芯轴直径很小，紧密排列的叉指电极会产生交叉效应，导致检测方向失去唯一性；本发明设置位于同一对的两个叉指电极假设为A1和A2的极性相反，位于不同对的两个相邻叉指电极假设为A2和B1的极性相同；如果A2和B1的极性相同，则A1与A2和A2与B1的电容效应将会完全相同，电极的输出信号将无法区分振动发生的位置；因此本发明将位于不同对的两个相邻叉指电极设为不同极性将有效避免上述问题。

本发明考虑到谐振子质量不平衡带来的芯轴振动非常微弱，任何不必要的物理接触都会对振动状态造成改变，导致测量值不能精确反应真实的振动状态，最终影响质量调平的精度和效果。本发明采用无接触式电容检测，对谐振子及其芯轴的自然振动不造成任何干扰。

在本发明的第二方面，本发明还提供了一种半球谐振子芯轴振动检测装置，包括上述半球谐振子芯轴振动检测电路，所述检测装置包括设置在所述半球谐振子芯轴的外表面的绝缘材料柱；将所述叉指电极按照半球谐振子芯轴的圆周方向贴附至所述绝缘材料柱上，并通过绝缘抱箍进行紧固；所述绝缘材料柱上设置有凸起，用于防止所述绝缘抱箍下滑；在所述绝缘材料柱上开设有沟槽用于存放叉指电极引线。

更进一步的，所述检测装置还包括电路板，所述电路板用于容纳电压检测电路。

更进一步的，所述检测装置还包括金属上盖，所述金属上盖与所述绝缘抱箍连接，且所述电路板位于所述金属上盖的空腔内。

更进一步的，所述检测电容按照半球谐振子芯轴的圆周进行两两相对设置；将相对设置的两个检测电容的传感器信号进行差分处理，从而识别出各方向的振动检测，按照矢量合成的方式计算出半球谐振子芯轴振动的方向和强度。

更进一步的，所述叉指电极与所述半球谐振子芯轴的圆弧形适配，且所述叉指电路与所述半球谐振子芯轴之间具有固定间隔。

更进一步的，所述检测电容呈均匀分布，并均匀划分所述半球谐振子芯轴的圆周。

本发明的有益效果：

1、本发明采用无接触式的电容检测，对半球谐振子及其芯轴的自然振动不造成任何干扰。

2、本发明采用的跨阻放大器具有低输入阻抗，能够避免振子激励电路高压信号的辐射干扰，适用于调平设备强信号干扰环境。

3、本发明所提供的芯轴振动检测电路及装置能够应用于半球谐振子的镀膜前调平和镀膜后调平；本发明检测电路能够实现镀膜和无镀膜两种类型谐振子的无接触振动检测，其电信号输出相位与振动相位的关系一致，无需更改电路即可实现两种谐振子检测的便捷转换。

4、本发明确定了一种叉指电连接方式，可以消除此种误差。该检测装置充分考虑了信号隔离和屏蔽，形成一体化的紧凑结构，便于在设备狭小空间中使用。

附图说明

图1是本发明的一种半球谐振子芯轴振动检测装置的爆炸图；

图2是本发明的一种半球谐振子芯轴振动检测装置剖切结构图；

图3是使用本发明的半球谐振子芯轴振动检测装置的测试结构图；

图4是本发明的叉指电极在芯轴圆周的布置图；

图5是本发明实施例提供的一种电极极性配置示意图；

图6是本发明实施例提供的一种优选的电极极性配置示意图；

图7是本发明提供的一种电压检测电路示意图；

图8是本发明提供的一种优选的电压电路示意图；

图中：1、上盖，2、电路板，3、绝缘抱箍，4、绝缘材料柱，5、沟槽，6、凸起，7.1，7.2，7.3，7.4，7.5，7.6，7.7，7.8、叉指电极，8、半球形的薄壳结构，9、芯轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好的说明本发明的方案，以本发明的一种半球谐振子芯轴振动检测装置为例，如图1所示，图1是本发明的一种半球谐振子芯轴振动检测装置的爆炸图；所述检测装置包括从上而下的上盖1、电路板2、绝缘抱箍3、绝缘材料柱4以及位于绝缘材料柱4外侧的叉指电极7.1，7.2，7.3，7.4，7.5，7.6，7.7，7.8。将所述叉指电极7.1，7.2，7.3，7.4，7.5，7.6，7.7，7.8按照半球谐振子芯轴的圆周方向贴附至所述绝缘材料柱4上；通过绝缘抱箍3进行紧固；所述绝缘材料柱4上设置有凸起6，用于防止所述绝缘抱箍3下滑；在所述绝缘材料柱4上开设有沟槽5用于存放叉指电极引线。

上述实施例中，在半球谐振子芯轴周围配置了8个即4对叉指电极；本领域技术人员应该知道，本发明可以不限于8个叉指电极，可以是4个电极、6个电极、10个电极等等，只要保证是双数个叉指电极，保证后续的差分测试；为了更好的描述本发明的方案，本发明实施例均以8个叉指电极为例进行阐述。

图2是本发明的一种半球谐振子芯轴振动检测装置剖切结构图，如图2所示，本发明将电极切割成叉指状形成叉指电极7.1，7.2，7.3，7.4，7.5，7.6，7.7，7.8；叉指在垂直方向上延伸以保证足够的叉指数从而增强信号。

图3是使用半球谐振子芯轴振动检测装置的测试结构图，图3展示了本装置用于谐振子芯轴振动测试的位置关系。安装或更换谐振子时，检测装置向上提起如图3中左侧示意图所示。振动检测时检测装置从上往下套住谐振子芯轴8。保证芯轴上端和周围均与检测装置保持间隙无接触。

图4是叉指电极在芯轴圆周的布置图；以图4为例，其中叉指电极7.1与叉指电极7.2构成检测电容Cx+，叉指电极7.3与叉指电极7.4构成检测电容Cy-，叉指电极7.5与叉指电极7.6构成检测电容Cx-，叉指电极7.7与叉指电极7.8构成检测电容Cy+。将叉指电极7.1与叉指电极7.2之间定义为X正方向，叉指电极与叉指电极电极之间定义为Y正方向。

这8个电极均与半球谐振子芯轴9有间隙，芯轴9可以镀膜也可以不镀膜；无论芯轴9是否镀膜，本检测装置均可对其振动进行检测。Cx+、Cx-、Cy+、Cx+分别与检测电路相连，共4路检测电路。

本发明的振动检测装置，在半球谐振子芯轴周围配置了8个叉指电极，由于位置紧密，如果处理不当，电极与电极之间除了构成想要的传感电容外，还可能与旁边的电极形成附加的电容效应，产生错误的信号。如图5所示，当叉指电极连接恒定电压源U时，电势高，电极上标“+”符号，当叉指电极连接检测电路的Ci时，电势低，电极标上“－”符号。如图5所示，叉指电极7.1和叉指电极7.2构成了Cx+检测电容，叉指电极7.7和叉指电极7.8构成了Cy+检测电容，但是由于叉指电极7.1紧靠叉指电极7.8，如果芯轴振动方向在X’处，叉指电极7.1和叉指电极7.8形成的电容效应与叉指电极7.7和叉指电极7.8形成的电容效应一模一样，叉指电极7.8连接的电路输出的电信号和振动在Y方向时它输出的信号一模一样，换句话说，叉指电极7.8电极输出信号无法区别振动在Y轴还是在X’轴上。

本发明通过调整极性分布解决了这一问题，采用的电极连接方案如图6所示。叉指电极7.7和叉指电极7.8电极交换极性，不影响Cy+传感器的效果，由于叉指电极7.1和叉指电极7.8均接恒定电源U，它们之间电位相等，X’方向的振动不再对任何电极产生影响；可以理解的是，本发明中的检测电容的功能即为传感器功能；本发明也将该检测电容称作传感器结构。

半球谐振子质量调平分为镀膜前调平和镀膜后调平。镀膜后调平能够保证谐振子频差不再因镀膜而发生变化，更有利于产品的一致性保证，是未来的趋势也是镀膜前调平的补充手段。本发明检测电路能够实现镀膜和无镀膜两种类型谐振子的无接触振动检测，其电信号输出相位与振动相位的关系一致，无需更改电路即可实现两种谐振子检测的便捷转换。

下面以芯轴进行镀膜的检测过程为例，首先，叉指电极7.1与芯轴9金属膜层9构成平板电容两个极板，芯轴9金属膜层再与叉指电极7.2构成另一个平板电容的两个极板(其余检测电容的构建方式同理)。

金属膜层的导通性等效于将前述两个电容串联在一起，形成一个整体电容即为Cx+。根据平板电容器的定义和电容串联公式容易得到：

其中，ε₀为真空中介电常数，其值为8.85×10^－12。S为单个叉指面积，A为电极与芯轴膜层间距。在静态时，A为固定间距值D。当芯轴摆动时，间距发生改变，假设芯轴摆动幅度为d,摆动频率为ω，振动中的间距可表达为：

A＝D-dsinωt (2)

将(2)式代入(1)式，得到：

如图7所示，以其中检测电容与电压检测电路相连的结构为例，图7是一种该结构所对应的一种电路示意图，如图7所示，以一个检测电容Cx+对应的电压检测电路为例，检测电容Cx+的一端连接恒定电流源(恒定电压U)；检测电容Cx+的另一端连接运算放大器OP的反相端-；运算放大器的同相端+接地，并且在运算放大器的反相端和输入端之间连接有一个运放电容Cf；通过流入运放电容Cf的电流大小最终从OP输出电压值；并通过该电压是否变换来判断芯轴是否发生振动。

图8是本发明的一个优选实施例所提供的一种电路示意图，在上述实施例的基础上，本实施例在检测电容Cx+上串联了一个保护电容Ci，Ci的作用主要是防止高压U击穿电容Cx+时损坏后续电路，起隔离保护作用。Cx+的一个叉指电极上施加固定直流电压U，另一端与一个电容Ci串联，Ci的作用主要是防止高压U击穿电容Cx+时损坏后续电路，起隔离保护作用。设计上选择Ci远大于Cx+，当Cx+与Ci串联后，并联电容C的值约等于Cx+，即：

等效电容C一端为直流电压U，另一端与运算放大器OP的反相端相连，运算放大器OP的同相端接地，根据运放原理，反相端电压恒定为零，电容C两端的电压便恒定为电压U。根据电容器定义，电容C上储存的电荷与电压的关系为：

当芯轴振动使得间距变化时，电容会发生变化，由(5)式可知会导致电荷Q发生变化，电荷Q对时间的导数即为电容输出的电流，即：

根据运放原理，该电流I流过电容Cf，在Cf上产生的压降即为运放输出电压：

(7)式等号右边为纯虚数，表明输出电压V_out相对输入电流I超前90度。结合(6)式和(2)式，当振动以正弦变化时，电流I为余弦表明电流超前振动90度，输出电压又超前电流90度，所以最终输出的电压信号与振动相位相反：即芯轴靠近电极时，输出电压为负，反之为正,输出电压交流信号的幅度为

下面以芯轴不进行镀膜的检测过程为例，当芯轴9表面未镀金属膜层时，叉指电极7.1和7.2简化为一个平板电容的两个电极，电极的间距是固定的不会发生变化。电极间的介电材料为真空和石英的等效混合体。随着石英芯轴靠近和远离电极，介电材料的等效介电常数ε会发生同步变化。理想状况下，芯轴离得无穷远时，介电常数为真空介电常数ε₀，当芯轴完全贴合填满两个电极时，介电常数为4.2ε₀，其中4.2为石英材料的相对介电常数。因此，当振动为正弦规律时，可以将芯轴振动时介电常数的变化规律表达为：

ε＝ε₀ε_rsinωt (8)

其中ε_r为大于1，小于4.2的一个值。由此电容Cx+按平板电容的定义表达为：

上式中，由于在这种芯轴表面无金属膜的电容模型中，两个叉指几乎是侧面相对，等效的平板电容电极面积远远小于单个叉指的面积，用等效面积S_n来代替。

与前述类似，Cx和Ci串联电容C为：

其电荷Q与电压和电容的关系仍满足(5)式，根据电流的定义并代入(10)式得到电流：

同样地，该电流I流过电容Cf，在Cf上产生的压降即为运放输出电压：

(12)式等号右边为纯虚数，表明输出电压V_out相对输入电流I超前90度。结合(11)式和(8)式，当振动以正弦变化时，电流I为余弦表明电流超前振动90度，输出电压又超前电流90度，所以最终输出的电压信号与振动相位相反：即芯轴靠近电极时，输出电压为负，反之为正,输出电压交流信号的幅度为

按照图4确定的坐标系，以X轴正向为方位角θ零点。设Cx+中传感器检测到的信号幅度为Vx+，Cx-中传感器检测到的信号幅度为Vx-，Cy+中传感器检测到的信号幅度为Vy+，Cy-中传感器检测到的信号幅度为Vy-。则振动的幅度V和方位角θ由以下公式确定：

按照上述公式计算出的振动的幅度V和方位角θ，则可以推断出质量不平衡的位置和度量，从而为调平提供依据。

在半球谐振子的调平设备中，为了激发谐振子的振动，通常采用高达几百伏的交流激励信号，这些信号在空间辐射开来，可能对其他电路造成干扰，严重的会导致无法工作。本发明采用的传感器和检测电路，能够有效避免这种空间电信号辐射的影响。本发明的检测电容Cx+的一端连接恒定电压源U，电源通常是低输出阻抗设备，对叉指电极感应到的辐射交流信号等效于对地断路。Cx-的另一叉指电极连接电容Ci，其值较大，对叉指电极感应到的交流信号等效于与运放反相端虚地短路。因此，本发明电路在调平设备强的电信号干扰环境中不受影响，能够正常可靠工作。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种半球谐振子芯轴振动检测电路，其特征在于，所述振动检测电路包括在半球谐振子芯轴的周围设置有多对叉指电极，每对叉指电极与半球谐振子芯轴局部构成一个检测电容；每个所述检测电容均连接有一个电压检测电路；所述电压检测电路包括运算放大器和一个运放电容，所述运放电容的两端分别连接到所述运算放大器的反相端和输出端上；所述检测电容的其中一个叉指电极施加恒定电压，另一个叉指电极与运算放大器的反相端连接，所述运算放大器的同相端接地；所述运算放大器的输出端输出运放输出电压，通过该电压是否变换来判断芯轴是否发生振动；其中，位于同一对的两个叉指电极的极性相反，位于不同对的两个相邻叉指电极的极性相同。

2.根据权利要求1所述的半球谐振子芯轴振动检测电路，其特征在于，所述叉指电极的对数为2N，N表示非零自然数。

3.根据权利要求1所述的半球谐振子芯轴振动检测电路，其特征在于，在所述另一个叉指电极与运算放大器的反相端之间设置有保护电容，且所述保护电容的容量大于所述检测电容的容量。

4.一种半球谐振子芯轴振动检测装置，包括如权利要求1~3任一所述的半球谐振子芯轴振动检测电路，其特征在于，所述检测装置包括设置在所述半球谐振子芯轴的外表面的绝缘材料柱；将所述叉指电极按照半球谐振子芯轴的圆周方向贴附至所述绝缘材料柱上，并通过绝缘抱箍进行紧固；所述绝缘材料柱上设置有凸起，用于防止所述绝缘抱箍下滑；在所述绝缘材料柱上开设有沟槽用于存放叉指电极引线。

5.根据权利要求4所述的半球谐振子芯轴振动检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括电路板，所述电路板用于容纳电压检测电路。

6.根据权利要求5所述的半球谐振子芯轴振动检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括金属上盖，所述金属上盖与所述绝缘抱箍连接，且所述电路板位于所述金属上盖的空腔内。

7.根据权利要求4所述的半球谐振子芯轴振动检测装置，其特征在于，所述检测电容按照半球谐振子芯轴的圆周进行两两相对设置；将相对设置的两个检测电容的传感器信号进行差分处理，从而识别出各方向的振动检测，按照矢量合成的方式计算出半球谐振子芯轴振动的方向和强度。

8.根据权利要求4所述的半球谐振子芯轴振动检测装置，其特征在于，所述叉指电极与所述半球谐振子芯轴的圆弧形适配，且所述叉指电路与所述半球谐振子芯轴之间具有固定间隔。

9.根据权利要求4所述的半球谐振子芯轴振动检测装置，其特征在于，所述检测电容呈均匀分布，并均匀划分所述半球谐振子芯轴的圆周。