检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构及其方法技术

本发明专利技术为一种检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构及其方法，将一半球壳的中心支撑柱局部设置于一感测组件的中心孔结合部后，配合电极基座及感测组件扫频侦测半球壳的分歧频率，输入交流电使半球壳产生谐振，使定电压从相隔45度的第一、第二电极激发片处传输至半球壳的开口侧缘，使半球壳产生第一位移量及第二位移量，通过演算模块计算出一低频惯性轴角度的二个解，然后转动一次电极基座并重复上述动作，以将演算模块两次运算出的惯性轴角度取其交集而得到唯一解，最后利用惯性轴角度标示出相互垂直的低频惯性轴及假想垂直线，进而在半球壳开口底部的交点位置上，定义出四个代表球壳质量烧蚀定位点的去质量位置，以完成消除半球壳频差的目的。

【技术实现步骤摘要】
检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构及其方法
本专利技术涉及一种检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构及其方法，尤指一种可配合演算模块，简单通过两次的检测动作，计算出半球壳去除质量点的精确位置的检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构及其方法。
技术介绍
半球壳谐振陀螺仪(HemisphericalResonantGyroscope，HRG)是一种基于半球壳的弯曲振动驻波(bending-modestandingwave)因受到旋转哥氏力(Coriolisforce)而变成进动旅波(precessiontravelingwave)的效应，来感测基座旋转的一种哥式振动陀螺。它具有高测量精度、强稳定性、高可靠性、良好的抗冲击振动性、优良温度性能、以及独特的关机抗辐射能力，是卫星、潜舰导航、战术飞弹导航、或航天惯性测量单元、姿态稳定控制的关键零组件，在航天领域具有独特的优势和广阔的前景。理想无瑕疵石英半球壳的一对惯性轴可以是任意方向的，因不可避免的密度瑕疵限制该惯性轴为固定方向，而每个半球壳的不均匀密度分布是随机的，故每个瑕疵半球壳的惯性轴方向都不一样。这对惯性轴的夹角为45度，两个惯性轴代表两共振模态的方位角，此二个共振模态的共振频率因密度瑕疵而分歧，是为频差，要消除频差，就先得找出这对惯性轴的位置，又不均匀阻尼瑕疵会造成这两个原本固定方向的惯性轴产生来回振荡，所以无法使用顶端俯视拍照方式来决定惯性轴的固定方向。因此，为了消除频差(frequencysplitting)问题，就必须找到球壳上的精确定位点，以借助烧蚀球壳质量，来平衡瑕疵达到消除频差的目的。如中国专利公布第CN108613686A号「一种振动陀螺仪自动化修调方法」，其为了寻找精确的球壳质量烧蚀定位点，同时利用三个相机分别从三个方向对半球壳进行摄影，并使圆柱壳体的底部支撑于一平台上，利用压电片通过交流电压来使圆柱壳产生共振，进而通过影像辨识出圆柱壳共振模态反节点(anti-node)的联机(模态轴线)，模态轴线与圆柱壳开口端的交点即为球壳质量烧蚀定位点。然而，请同参图1所示，为阻尼瑕疵与密度瑕疵并存的二维质点、弹簧及阻尼的物理模型图。质点的二维位移量X与Y，代表在激发处与感测处的半球壳位移量，无瑕疵时它们也代表两共振模态的振幅。理想无瑕疵半球壳的最低共振频率的弯曲模态有两个，它们有相同的共振频率，称为简并频率(degeneratedfrequency)，这两个模态的模态轴线恒成45度夹角。此时，以简并频率在垂直半球壳开口端的直径方向激振半球壳，就能激起一个共振模态(另外一个共振模态不会被激起，除非球壳旋转)，此直径方向就是其中一个共振模态的模态轴线，另外一个模态轴线与它成45度夹角自然可求得。当半球壳在许多地方有不同的密度时，可等价于半球壳上的一个不同密度的点，通过此等价点的直径即是最低频率的共振模态的模态轴线。所以，有密度瑕疵的半球壳，其共振模态的模态轴线不是任意角度的，而是固定在某一角度。若将图1的二维质点的弹簧阻尼系统的运动方程式写下来，其中2x2的劲度矩阵的两个惯性轴(学理上称为特征向量)又称为惯性轴，就是两个共振模态的模态轴线，这两个惯性轴互相垂直如第一图的x'轴与y'轴；而x'轴与激发轴(X轴)相距的角度为θω，两个半球壳不均匀密度的分布不同时，其θω角度亦不相同。在实体上，激发轴(X轴)与感测轴(Y轴)是相隔45度，但在理论分析时，我们将这两轴转换成直角如图1中所示，故第一图中的θω，实体图是θω/2。当陀螺仪同时具有阻尼瑕疵与密度瑕疵时，运动方程式中阻尼矩阵的两个互相垂直的惯性轴如第一图的x"与y"轴，其中x"轴与激发轴(X轴)相距的角度为θτ。因为密度瑕疵与阻尼瑕疵的分布都是随机的，所以一般情况下，阻尼惯性轴与劲度惯性轴不会重合，即θω≠θτ。当阻尼瑕疵与密度瑕疵同时存在且θω≠θτ，则耦合运动方程式的两特征向量为虚数值向量，无法经坐标转换将原本耦合的运动方程式解耦(decoupling)成两个独立的运动方程式，这表示频率分歧的两个到固定的模态轴线。只有在特殊情况下，即θω＝θτ时(如图2所示)，耦合运动方程式的特征向量为实数值向量，可以利用此两特征向量将耦合运动方程式解耦成两个独立的运动方程式，才适合顶视摄影找出两个固定的模态轴线。因此，中国专利第CN108613686A号「一种振动陀螺仪自动化修调方法」，仅适用于弹簧力与阻尼力相互平行的特殊稀少案例。前述中国专利说明书中可知，所检测的陀螺仪恰巧为弹簧力与阻尼力相互平行的极少的特殊状况，也必须通过多次的检测及修正，才能渐渐缩小频差值，虽然最终的确可找到球壳烧蚀定位点，但每一次的检测都需花费约3000秒的时间，故须旷日废时才能得到最终结果，即使如此，其精度也只有到10-3的水平，并不足以应付航天领域的标准。然上述一种振动陀螺仪自动化修调方法于使用时，存在下列问题与缺失尚待改进：一、仅适用于弹簧力与阻尼力相互平行的特殊案例，实用性太低。二、检测动作耗费时程甚巨，过于浪费资源。三、检测结果位置精度太低，无法符合航天领域的标准。本专利技术的创作人与从事此行业的相关厂商亟欲研究克服不均匀密度与不均匀阻尼随机并存的瑕疵石英半球壳的惯性轴检测的攻关难题。
技术实现思路
本专利技术的创作人有鉴于上述缺失，乃进行此专利技术项目的研发、实验、试做、及改进，现今得以提出创新架构及演算方法，始设计出此种可配合演算模块，简单通过两次的检测动作，计算出半球壳去除质量点的精确位置的检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构及其方法。本专利技术的主要目的在于：以单一种检测方式，满足各种瑕疵状况的角速仪，并找出符合航天水平的高精度球壳质量烧蚀的定位点位置。为达成上述目的，本专利技术的检测惯性轴结构，包括：一具有至少一种瑕疵状态的半球壳，该半球壳上设有一中心支撑柱，并于该半球壳一侧设有至少一感测组件，该感测组件上形成有一供局部设置该中心支撑柱的中心孔结合部，且于该感测组件上形成有一圆形滑轨沟槽，圆形滑轨沟槽内则转动设置有一耦接于该半球壳开口侧缘的电极基座，并于该电极基座上界定一位于该半球壳开口侧缘的第一电极激发片、及一与该第一电极激发片间具有45度位差的第二电极激发片，再通过一电性连接该感测组件并供计算出一惯性角的演算模块，及四个界定于该半球壳开口端底部代表半球壳烧蚀定位点的的去质量位置。当使用者利用本专利技术进行瑕疵石英半球壳惯性轴位置的检测时，乃先将半球壳的中心支撑柱局部设置于感测组件的中心孔结合部中，再使该半球壳转动设于一电极基座上。准备完成后，先由电极基座输入一交流电压至半球壳上，该交流电压的频率等于半球壳两个共振模态中频率较低，以使半球壳产生谐振，并侦测其分歧频率。之后关闭该交流电，并使定电压分别从位差45度的第一电极激发片及第二电极激发片处，传输至半球壳开口侧缘，而通过电场力造成半球壳的形变位移，进而于第一电极激发片及第二电极激发片处分别测得一第一位移量及一第二位移量，于此同时，通过演算模块根据该该分歧频率、该定电压、该第一位移量及该第二位移量等参数值计算出一低频惯性轴角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构，其特征在于，包括：/n一半球壳，具有至少一种瑕疵状态；/n一设于该半球壳上的中心支撑柱；/n至少一设于该半球壳一侧的感测组件，于该半球壳受力形变时，感测其分歧频率；/n一形成于该感测组件上的中心孔结合部，供局部设置该中心支撑柱；/n一形成于该感测组件上的圆形滑轨沟槽；/n一耦接于该半球壳开口上且转动设置于该圆形滑轨沟槽内的电极基座，供输入交流电，以使该半球壳产生形变；/n一界定于该半球壳开口侧缘且电性连接该电极基座的第一电极激发片，供输入交流电使该半球壳产生谐振，并输入定电压以于该半球壳上产生一第一位移量；/n一界定于该电极基座上且位于该半球壳开口侧缘的第二电极激发片，并与该第一电极激发片间具有45度位差，供同时输入该定电压，以于该半球壳上产生一第二位移量；/n一电性连接该感测组件的演算模块，根据该分歧频率、该定电压、该第一位移量及该第二位移量，以计算出一低频惯性轴的惯性角；及/n四个界定于该半球壳开口端底部的去质量位置，由该低频惯性轴配合界定于该半球壳的球心上且与该低频惯性轴相互垂直的假想垂直线，于该半球壳开口端底部的交点位置定义而成。/n

【技术特征摘要】
1.一种检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构，其特征在于，包括：
一半球壳，具有至少一种瑕疵状态；
一设于该半球壳上的中心支撑柱；
至少一设于该半球壳一侧的感测组件，于该半球壳受力形变时，感测其分歧频率；
一形成于该感测组件上的中心孔结合部，供局部设置该中心支撑柱；
一形成于该感测组件上的圆形滑轨沟槽；
一耦接于该半球壳开口上且转动设置于该圆形滑轨沟槽内的电极基座，供输入交流电，以使该半球壳产生形变；
一界定于该半球壳开口侧缘且电性连接该电极基座的第一电极激发片，供输入交流电使该半球壳产生谐振，并输入定电压以于该半球壳上产生一第一位移量；
一界定于该电极基座上且位于该半球壳开口侧缘的第二电极激发片，并与该第一电极激发片间具有45度位差，供同时输入该定电压，以于该半球壳上产生一第二位移量；
一电性连接该感测组件的演算模块，根据该分歧频率、该定电压、该第一位移量及该第二位移量，以计算出一低频惯性轴的惯性角；及
四个界定于该半球壳开口端底部的去质量位置，由该低频惯性轴配合界定于该半球壳的球心上且与该低频惯性轴相互垂直的假想垂直线，于该半球壳开口端底部的交点位置定义而成。


2.如权利要求1所述的检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构，其特征在于，第一电极激发片及该第二电极激发片与该半球壳间分别具有一间隙部。


3.如权利要求1所述的检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的结构，其特征在于，感测组件上具有一位置对应该第一电极激发片的第一电极感测片、及一位置对应该第二电极激发片的第二电极感测片。


4.一种检测瑕疵石英半球壳惯性轴位置的方法，其步骤包括：
(a)将一半球壳的中心支撑柱局部设置于至少一感测组件的中心孔结合部中；
(b)利用一电极基座输出交流电至该半球壳，以由该感测组件扫频侦测该半球壳的分歧频率；
(c)将该电极基座转动设置于该感测组件的圆形滑轨沟槽内，并使该电极基座耦接于该半球壳；
(d)利用该电极基座输出交流电使半球壳产生谐振，并关闭该交流电，再由该电极基座输出定电压；
(e)将该定电压同时输入至相隔45度的一第一电极激发片及一第二电极激发片，以传输至该半球壳开口侧缘；
(f)该半球壳受该定电压影响，使该感测组件分别于该第一电极激发片处及该第二电极激发片处侦测取得一第一位移量及一第二位移量；
(g)根据该分歧频率、该定电压、该第一位移量、及该第二位移量，以利用一演算模块进行运算，计算出一低频惯性轴角度的二个解；
(h)若该半球壳与该电极基座未经旋转，则使该半球壳与该电极基座进行任一角度的相对旋转后，回到步骤(e)，若该半球壳与该电极基座已旋转，即进入步骤(i)；
(i)将该演算模块两次运算出的惯性轴角度取其交集而得唯一解，并以该第一电极激发片与该半球壳球心的联机为基准边、及以该惯性角为夹角定义出该低频惯性轴的位置；
(j)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家欧，常中坚，
申请(专利权)人：张家欧，常中坚，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71