微半球谐振陀螺技术研究进展

微半球谐振陀螺是一种基于MEMS工艺实现高精度谐振结构制造,进而实现角速率或角度信号测量的新型振动式陀螺。该技术既有望继承传统半球谐振陀螺高精度、长寿命等优点，又兼具了微型化的技术优势，具有极大的发展潜力。目前，微半球谐振陀螺技术处于起步阶段，对其的研究重点主要集中于高精度谐振结构的制造技术。介绍了多种微半球谐振陀螺的制造方法，分析了其技术特点，并结合国内外微半球谐振陀螺技术的发展现状，对其未来发展趋势进行了阐述。     

微半球陀螺测控电路国内外现状与关键技术

微半球陀螺相比于传统的机械陀螺具有更小的尺寸，因此其对温度、湿度、磁场等外界环境的变化更为敏感。为了保证陀螺具有较好的工作表现，需要使外部驱动信号的频率严格锁定于工作模态的中心频率上，且陀螺输出信号幅值恒定。与此同时，由于微半球陀螺信号为微弱信号，故而需要采用微弱信号采集技术及反馈技术对其进行处理，并且通过解调控制算法得到输出信号。阐述了微半球陀螺基本测控电路的国内外发展现状，并从Sigma-delta、模态匹配、正交补偿、温度补偿等角度分析了微半球陀螺测控电路的关键技术。     

硅谐振式加速度计(SOA)的技术及发展

硅谐振式加速度计（SOA）精度高,稳定性好,数字输出,且体积小,成本低,易于集成,是新一代的微小型加速度计,具有极佳的应用前景。介绍了SOA的结构原理和发展概况,从谐振器,微杠杆,加工工艺,改变刚度方式,激励和检测方式等几方面对SOA的关键技术进行了综述。分析了SOA的机械耦合,加工工艺误差,梁弯曲刚度非线性等三大技术难点,并提出解决方案。最后对SOA的发展趋势进行了展望。     

半球谐振陀螺研究现状与发展趋势

半球谐振陀螺是基于哥氏效应测量角速度的新型固态陀螺,具有结构简单、精度高、功耗低、寿命长、可靠性好、抗空间辐射等优点,是捷联惯性导航系统的理想陀螺仪,在宇航领域具有独特的应用优势。半球谐振陀螺的理论精度不受量子尺寸效应限制,是高精度、微型化陀螺的重要发展方向之一。首先介绍了半球谐振陀螺的基本工作原理,其次介绍了半球谐振陀螺的发展历程,综述了半球谐振陀螺的国内外研究现状,最后对半球谐振陀螺的发展趋势进行了展望。     

圆盘多环内双梁谐振陀螺的结构设计和制备方法

多环陀螺由于其对称性好、机械性能优异、能耗低、效率高等特点成为MEMS陀螺领域高性能惯性器件的代表.基于MEMS多环陀螺的发展现状,针对现有多环陀螺结构刚度较大、灵敏度较低的现状,提出了一种新型的圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺,通过内双梁的柔性降低了结构刚度,提高了谐振器的灵敏度.对多环谐振陀螺的主要结构进行了详细设计,对多环陀螺的振动模态进行了有限元分析.同时,提出了基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator,SOI)工艺和基于阳极键合工艺的两种制备工艺,进行了工艺流程的设计.     

采用三叉型音叉谐振器的平面支承振动陀螺传感器

本文讨论是一个采用三叉型音叉谐振器的平面支承振动陀螺传感器，这种类型的陀螺传感器有一个出众之处，即三叉型音叉臂的两种挠怀振动方式只施加在其表面，因此可以做得非常薄，本文论述了为确认这种陀螺传感器的工作原理而进行的基本的试验性研究，试验结果证明提出的这种平面支承三叉型音叉谐振器作为压电压式振动陀螺传感器来使用是可行的。     

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。     

2022年国外惯性技术发展与回顾

惯性技术广泛应用于海、陆、空、天各种载体的导航、定位与控制。通过对2022年的IEEE惯性传感器与系统会议、DGON惯性传感器系统会议、MEMS国际会议和圣彼得堡组合导航会议等惯性技术相关会议文献以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行的详细梳理,总结了光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、加速度计以及新兴的量子惯性传感器等惯性仪表及惯性导航系统(INS)的发展现状,并对惯性技术领域的发展趋势进行了分析与展望。当前,惯性技术领域相关研究主要侧重于小型化、提高精度和降低成本等方面。其中,光学陀螺较为成熟,更为侧重于小型化相关研究;微机电陀螺正在致力于向导航级性能突破和发展;半球谐振陀螺主要着力于探索降低高端产品的制造成本。     

石英半球谐振子精密成型技术

石英半球谐振陀螺以其轻质、低功耗、长寿命、高可靠、应用精度范围宽、成本低等优势，引起了惯性技术界的瞩目。半球谐振陀螺的核心器件——石英半球谐振子的成型技术是当前的研究重点。经不断试验和摸索，以范成球面弹性展成为基础，通过均衡磨削原则、磨头最大包络原则和三阶段37道工序的精细优化工艺流程，较好地实现了高精度微应力硬脆石英谐振子异形薄壁件的成型，形成了专用的结构成型中心，为石英半球谐振陀螺的核心半球谐振子球壳成型开创了一条可行途径。     

石英半球谐振子精密加工技术探讨

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固体振动陀螺，应用前景广阔。作为半球谐振陀螺的核心零件，石英半球谐振子壁薄、形状复杂、对加工精度要求高、制造难度大，而这些因素是制约半球谐振陀螺研制的主要瓶颈。结合半球谐振陀螺的技术发展，分析了半球谐振陀螺的结构类型和特点，介绍了石英半球谐振子的粗磨成型、精密磨削、研磨抛光、化学腐蚀、质量调平、表面镀膜等加工方法及研究进展，提出了未来半球谐振陀螺的研究重点和建议。     

半球谐振陀螺信号检测与动态性能改进方法的研究

半球谐振陀螺是一种全新的固体陀螺,具有独特的结构和工作方式。针对 半球谐振陀螺信号的提取、检测与控制,提出了半球谐振陀螺信号检测的改进方法和自 主开发的力平衡控制电路系统,以及其动态性能指标的改善方法,实验结果表明了该技 术效果显著。研究可为半球谐振陀螺提供理论研究和工程应用参考。     

半球谐振陀螺技术

半球谐振陀螺是一种基于哥式效应的固体波动陀螺,具有高精度、长寿命、高可靠性的优势,是未来陀螺的重要方向,国内外均开展了半球谐振陀螺的相关研究。本文对美国、俄罗斯、法国以及国内的半球谐振陀螺研究历程、技术及应用现状进行了介绍,在半球谐振陀螺技术发展过程中存在着加工制造难度大、动态范围小以及全角模式下存在角速度测量阈值等技术瓶颈,亟需突破高Q值材料、两件套陀螺加工制造以及全角模式控制等关键技术研究。半球谐振陀螺的未来发展方向包括高精度、大动态、低成本以及轻质小型化等,在航天、航海、战略战术武器等诸多领域上,半球谐振陀螺都将有着良好的应用前景。     

惯导平台系统研究进展与发展趋势思考

现代军事应用中,远程导弹武器主要功能是精确打击关键军事目标,制导精度成为其首要性能指标。当前,国内外远程武器采用的主流惯性器件为惯导平台系统,平台框架在发射前可控制台体旋转实现自对准、自标定等功能。在导弹飞行过程中,平台控制台体稳定于惯性空间,通过隔离角运动提高惯性仪表使用精度,因而成为远程制导系统的首选惯性器件。我国惯导平台系统技术从20世纪60年代起步至今,先后经历了滚珠轴承平台、气浮陀螺平台、动调陀螺平台、静压液浮平台以及三浮平台系统的发展历程。目前,在研新型远程导弹制导系统主要采用基于三浮陀螺及陀螺加速度计的三浮平台系统,其关键技术包括亚微米精度特种材料加工与装配技术、抗高过载环境高可靠三浮惯性仪表技术、惯性/天文复合制导技术以及惯导平台自对准与自标定技术。近年来,以光学陀螺、半球谐振陀螺等为代表的新型惯性仪表的工程应用精度逐步提升。以平台稳定控制技术为基础,构建基于新型固态陀螺的惯导平台体系架构,将会推动我国远程武器性能跨越式发展。通过分析光纤陀螺、半球谐振陀螺等新型惯性仪表的技术优势以及新一代制导系统小型化、数字化、智能化等性能需求,对我国远程制导用惯导平台技术发展提出了几点建议。     

金属壳谐振子研究进展

金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺，具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点，可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质，而且具有抗高过载、量程大的特点，这是其他类型陀螺所不具备的。作为金属壳谐振陀螺的核心部件，金属壳谐振子的性能至关重要。结合金属壳谐振陀螺综述了金属壳谐振子的研究进展，从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论，并指出了金属壳谐振陀螺及其谐振子的发展趋势。     

Motion equations of hemispherical resonator and analysis of frequency split caused by slight mass non-uniformity

The mass non-uniformity of hemispherical resonator is one of reasons for frequency split, and frequency split can cause gyroscope to drift. Therefore, it is of great significance to analyze the relationship between mass non-uniformity and frequency split, which can provide a theoretical basis for mass balance of imperfect resonator. The starting point of error mechanism analysis for gyroscope is the motion equations of resonator. Firstly, based on the Kirchhoff-Love hypothesis in the elastic thin shell theory, the geometric deformation equations of resonator are deduced. Secondly, the deformation energy equation of resonator is derived according to the vibration mode and relationship between the stress and strain of hemispherical thin shell. Thirdly, the kinetic energy equation of resonator is deduced by the Coriolis theorem. Finally, the motion equations of resonator are established by the Lagrange mechanics principle. The theoretical values of precession factor and natural frequency are calculated by the motion equations, which are substantially consistent with the ones by the finite element method and practical measurement, the errors are within a reasonable range. Simultaneously, the varying trend of natural frequency with respect to the geometrical and physical parameters of resonator by the motion equations is consistent with that by the finite element analysis. The above conclusions prove the correctness and rationality of motion equations. Similarly, the motion equations of resonator with mass non-uniformity are established by the same modeling method in case of ignoring the input angular rate and damping, and the state equations with respect to the velocity and displacement of vibration system are derived, then two natural frequencies are solved by the characteristic equation. It is concluded that one of reasons for frequency split is the 4th harmonic of mass non-uniformity, and thus much attention should be paid to minimizing the 4th harmonic of mass non-uniformity in the course of mass balancing for imperfect resonator.     

全角模式半球谐振陀螺振型控制与角度检测

传统半球谐振陀螺采用力平衡工作模式，这种模式仅能直接检测实时转速，且动态范围较小，限制了半球谐振陀螺在具有大动态机动特点的应用场景中的使用。相比之下，全角模式半球谐振陀螺通过滞后角与陀螺转动角度之间的比例关系进行角度检测，相比力平衡模式，具有直接角度检测的功能和更大的动态范围。对全角模式半球谐振陀螺进行了研究，介绍了全角模式半球谐振陀螺的控制与信号处理的方法，以及全角模式半球谐振陀螺系统的实现。该系统通过基于相干解调的信号处理算法，实现了谐振振幅参数的解算，通过PI控制器、正交分解及乘法调制实现了跟踪谐振振型进动控制作用，通过谐振振型进动角度解算器直接解算了陀螺的转动角度。通过数字仿真与实物实验结果可知，所介绍的全角模式半球谐振陀螺系统能够实现不依赖于积分运算的角度检测功能，且较之于力平衡模式，其半球谐振陀螺动态范围有了一定程度的提高。     

半球谐振陀螺的基础理论研究

针对半球谐振陀螺的几个基本理论问题,对包括环形谐振子和半球谐振子的动力学理论、控制理论和信号处理理论等进行了系统的阐述和总结,建立了包括谐振子振动频率和进动特性、激励系统稳定性、信号处理等在内的半球谐振陀螺的基本理论框架,以期为今后的具体工程提供理论指导。     

一种半球谐振陀螺谐振子动力学建模方法

准确完备的半球谐振陀螺（HRG）谐振子动力学模型是陀螺误差分析的基础。为建立半球壳谐振子动力学模型,基于弹性力学薄壳理论,提出了一种谐振子动力学建模方法。首先,在薄壳的弹性力学几何方程基础上,推导了半球壳谐振子的变形几何方程。其次,在提高受力分析计算精度的基础上,推导了半球壳谐振子的物理方程。然后,分析了谐振子中面的受力平衡关系,推导了谐振子的平衡微分方程。最后,基于以上对整个谐振子的动力学分析,建立了谐振子动力学方程。根据谐振子的不同外载荷形式,利用布勃诺夫-伽辽金法求解得到谐振子2阶谐振状态动力学模型,并得到了谐振子比例系数和2阶谐振频率的表达式。通过对比验证可以看出,参数计算值与实测数据结果一致,证明了所建立的动力学模型的准确性。