[发明专利]一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统,主要解决传统激光多普勒测振仪只能单点测频、无法实现制造误差有效补偿以及测量中条纹相机读取信息效率低的技术难题。该测量方法为：激光器发出线激光并扩束为面平行光；面平行光被分成两路，其中一路通过凸透镜的曲率调控，垂直入射至半球谐振子表面，并被半球谐振子反射形成反射信号；另一路作为相干信号，与反射信号汇聚并被收束，形成拍频信号；拍频信号进入条纹相机内部，并通过条纹相机超高速连续的成像方法，实现半球谐振子驻波漂移的全局测量。本发明可一次完成半球谐振子的全局测量，快速精确实现驻波漂移过程的建模，在半球谐振子加工、检测等领域具有重要应用。

技术领域

本发明属于光学精密诊断技术领域，具体涉及一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统。

背景技术

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固态陀螺仪，它的工作原理是基于半球谐振子绕中心轴旋转时产生的哥氏效应，利用半球唇壳的径向振动驻波进动效应感测基座旋转，具有惯导级性能的高精度。与传统的陀螺相比半球谐振陀螺还具有体积小、功耗低、可靠性高、机械部件结构简单、启动时间短、断电时稳定、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、对线性过载不敏感等优点，在海陆空天，火箭、卫星、石油、测绘、民航等领域得到广泛应用。

惯性系统工作精度主要取决于陀螺的精度,而半球谐振子漂移又是影响陀螺精度的重要原因。半球谐振子阻尼以及加工过程中造成的内部缺陷、质量分布不均匀、残余应力、几何尺寸偏差等均会导致谐振子各轴谐振频率不相等,造成半球谐振子的驻波漂移，极大地影响陀螺的最终性能。我国目前在半球谐振子高精度标定和补偿方面的设备很缺乏，半球陀螺的整体精度与国外差距明显。

理论证明，偏差四次谐波是导致谐振子漂移的主要原因，当半球谐振子存在偏差的四次谐波时将导致谐振子中出现两个展成的固有轴系，谐振子沿这两个刚度轴中的每个轴振动的固有频率分别能达到极大值和极小值。大小刚度轴的出现产生频率的裂解，两个轴向的频率之差称为频差。当激励不沿固有轴方向时，偏差的四次谐波会使谐振子振型的驻波向固有轴缓慢漂移从而造成漂移误差。

传统消除谐振子驻波漂移的方式是通过激光多普勒测振仪分别测量大小刚度轴的频率，建立频率之差与谐振子驻波漂移的关系，再利用机械平衡和电平衡补偿掉四次谐波，从而提高半球谐振子的精度。

其中激光多普勒测频原理如下：

当激光测振仪发出的激光与半球谐振子表面相互接触时，结构的振动会造成反射激光的频率变化(即多普勒效应)，多普勒频移大小与谐振子振动的速度关系式为：其中，谐振子的移动速率是入射激光波长。通过检测反射激光频率的变化量可得到结构的振动幅度大小，即可得到谐振子的周期与频率值。但激光多普勒测振仪单次只能获取谐振子一个点的频率信息，无法得到谐振子整个圆周频率分布以及漂移过程。若对同一个点的频率进行多次测量还存在一致性差的问题。

综上所述，传统的频差测量方法只能间接大致的反应谐振子驻波漂移的状态，无法量化驻波漂移过程中的谐振子圆周各点频率大小分布、驻波漂移角度和漂移空间位置随时间的演化过程，即无法精准的获取驻波漂移模型及半球谐振子的实时漂移误差。同时，传统的条纹相机采用面阵CCD读出的线条纹数据的方式存在读出方式时间冗余问题，无法实现不同时间窗口信息的连续衔接，也导致该谐振子驻波的信息无法实时获取。

发明内容

本发明旨在提供一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法及系统，用以克服传统激光多普勒测振仪只能单点测频的局限性，以及无法实现制造误差的有效补偿的技术问题，同时也解决条纹相机读取信息效率较低且不能连续采样的技术难题。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种半球谐振子驻波漂移的全局测量方法，其特殊之处是，包括以下步骤：

步骤一：将N个测量单元均布在半球谐振子最大圆周所在平面同时工作,N≥3；每个测量单元的激光器发出激光被扩束为面平行光；