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半球諧振陀螺簡介：

半球諧振陀螺是基于哥氏效應(yīng)測量角速度的新型固態(tài)陀螺，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、功耗低、壽命長、可靠性好、抗空間輻射等優(yōu)點(diǎn)，是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的理想陀螺儀，在宇航領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢。半球諧振陀螺的理論精度不受量子尺寸效應(yīng)限制，是高精度、微型化陀螺的重要發(fā)展方向之一。

 

半球諧振陀螺優(yōu)點(diǎn)：

半球諧振陀螺是上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新型陀螺。與傳統(tǒng)機(jī)械陀螺相比，它結(jié)構(gòu)簡單，沒有磨損部件（機(jī)械轉(zhuǎn)子、光源等），無需后期維護(hù)；不需預(yù)熱，啟動時間短；具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，能承受大的機(jī)動過載（3000ｇ）；諧振子物理特性穩(wěn)定，因而陀螺具有很高的可靠性和超長的壽命；此外半球諧振陀螺還具有抗輻射能力，使其非常適合在空間飛行器、衛(wèi)星等輻射環(huán)境下長時間工作的裝備中使用。與當(dāng)下激光陀螺和光纖陀螺相比，半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)簡單、零部件數(shù)大大減少，理論上精度不依賴于尺寸，噪聲性能不受量子效應(yīng)限制，因此，半球諧振陀螺是最有潛力實(shí)現(xiàn)高精度、小型化、低成本的陀螺儀。

 

半球諧振陀螺工作原理：

早在1890年，英國物理學(xué)家G.H.Byran發(fā)現(xiàn)敲擊并旋轉(zhuǎn)酒杯，會聽到“差拍”，表明酒杯中的駐波相對空間旋轉(zhuǎn)；由于駐波的慣性，其轉(zhuǎn)動以一定比例滯后于酒杯的轉(zhuǎn)動。半球諧振陀螺的基本工作原理即是利用彈性駐波的慣性效應(yīng)測量角速度。

如圖1所示，半球諧振子振動于最低階彎曲模態(tài)（又稱酒杯模態(tài)，四波腹模態(tài)）。理想情況下，模態(tài)的波腹和波節(jié)的位置相對于半球殼穩(wěn)定。在外界角速度作用下，駐波振型以約0.3的比例落后于半球殼轉(zhuǎn)動，即如果半球殼轉(zhuǎn)過90°，振型轉(zhuǎn)動將落后約27°。比例因子0.3稱為半球殼的幾何比例因子。

圖１ 半球諧振陀螺測量原理

圖2 半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)

1-半球諧振子  2-支撐桿  3-離散激勵電極  4-環(huán)形激勵電極

5-信號檢測電極  6-敏感基座  7-激勵罩  8-外殼

圖3 半球諧振子

半球諧振陀螺技術(shù)概述：

如圖4所示，按流程分，半球諧振陀螺關(guān)鍵技術(shù)分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、粗胚加工、精密研磨、化學(xué)處理、質(zhì)量調(diào)平、球面鍍膜、真空退火、電極刻蝕、精密裝配、焊接檢漏、真空組裝、電路設(shè)計、電路制造、測試標(biāo)定、誤差補(bǔ)償?shù)?，涉及物理、化學(xué)、機(jī)械、材料、電子、控制等多學(xué)科交叉。

圖4 半球諧振陀螺關(guān)鍵技術(shù)流程圖

半球諧振陀螺中的關(guān)鍵技術(shù)：

1、半球諧振子超精密加工技術(shù)

諧振子是半球諧振陀螺的核心敏感元。諧振子加工要求高（同心度＜0.5μm、表面粗糙度＜0.02μm），石英諧振子屬于硬脆薄壁異形結(jié)構(gòu)，加工難度極大。基于激光陀螺中硬脆材料加工技術(shù)基礎(chǔ)，采用現(xiàn)代精密球面成形的先進(jìn)技術(shù)——“范成法”，精度高、表面質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)高度軸對稱的半球諧振子超精密加工。

2、半球諧振子振動特性測試技術(shù)

頻率和頻率裂解、Q值及其不均勻性是諧振子最基本的振動特性，需要在諧振子加工、化學(xué)處理、調(diào)平、鍍膜、裝配后的各個階段精確測量。諧振子振動特性的測量是一個專門的技術(shù)，基于激光多普勒測振儀和真空系統(tǒng)的測試裝置設(shè)計、基于拍頻的頻率裂解測試技術(shù)、基于幅頻特性“雙峰”和變剛度的主軸辨識技術(shù)、自由衰減的Q值測量技術(shù)和叉指電極激勵與檢測技術(shù)研究很重要。

圖5 基于凱視邁KV系列激光測振儀和真空系統(tǒng)的半球諧振子振動特性測試

3、半球諧振子精密調(diào)平技術(shù)

頻率裂解是諧振子的重要指標(biāo)，直接影響陀螺的精度。頻率裂解的修調(diào)是關(guān)鍵技術(shù)，包括化學(xué)調(diào)平、離子束調(diào)平和電調(diào)平等。諧振子質(zhì)量分布不均勻 1~4 次諧波測量和調(diào)平基本原理研究是基礎(chǔ)，如何采用化學(xué)調(diào)平技術(shù)批量地將諧振子頻率裂解修調(diào)至0.005Hz以下，采用離子束調(diào)平技術(shù)將頻率裂解修調(diào)至0.001Hz以下，值得研究。

4、半球諧振子化學(xué)拋光與鍍膜技術(shù)

化學(xué)拋光是降低諧振子表面損耗、提升Q值的重要手段，工藝復(fù)雜。諧振子鍍膜是項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，既要保證導(dǎo)電又要盡量減少引入的損耗?；瘜W(xué)拋光和鍍膜技術(shù)涉及的物理化學(xué)反應(yīng)和微觀過程復(fù)雜，工藝難度大。需要改進(jìn)化學(xué)拋光工藝，將諧振子Q值提高到3000萬以上，并實(shí)現(xiàn)諧振子小批量自動化拋光系統(tǒng)設(shè)計；基于磁控鍍膜機(jī)的細(xì)致工藝實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)定地將鍍膜后引入的損耗降至0.05ppm以下。

5、半球諧振陀螺精密裝配與真空技術(shù)

諧振子與底座之間的間隙只有50~150μm，要保證軸向間隙不均勻性小于2%，對傳統(tǒng)裝配技術(shù)提出很大的挑戰(zhàn)。如何精確測量間隙均勻性是基礎(chǔ)和前提。真空處理是特種工藝，理論分析較少，更多的是工藝基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。需要設(shè)計光學(xué)和電學(xué)的測量方法，研制諧振子多自由度裝調(diào)和釬焊系統(tǒng)，完成諧振子與底座的精密裝配和真空處理，使間隙不均勻性小于2%，真空度優(yōu)于10^4Pa。

6、半球諧振陀螺電路與控制技術(shù)

半球諧振陀螺電路與控制技術(shù)占研發(fā)難度的半壁江山。要明確緩沖放大電路、高壓驅(qū)動電路、數(shù)字控制電路的基本原理，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)頻率跟蹤回路、幅度控制、正交控制和力平衡控制回路，實(shí)現(xiàn)基于分時復(fù)用的全角模式控制功能，并可進(jìn)行全角和力平衡模式的切換。進(jìn)一步降低模擬電路噪聲，提高數(shù)字電路控制精度。

7、半球諧振陀螺誤差標(biāo)定與補(bǔ)償技術(shù)

半球諧振陀螺有很多誤差項(xiàng)需要標(biāo)定和補(bǔ)償，這些誤差項(xiàng)之間相互耦合，為標(biāo)定和補(bǔ)償帶來困難。全角模式下角度依賴的零偏誤差必須予以辨識和補(bǔ)償，這是重點(diǎn)和難點(diǎn)。需分析電極和電路相位、增益誤差，電極角度誤差，激勵、檢測信號非線性誤差等，建立相應(yīng)的誤差模型，開展誤差標(biāo)定和補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，抑制全角模式下角度依賴的誤差。