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。     

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。     

半球谐振陀螺技术发展趋势

半球谐振陀螺 （Hemispherical Resonator Gyroscope, HRG）是一种高可靠、长寿命、高精度的振动陀螺,具有一系列独特优势,适宜于空间领域。简要叙述了半球谐振陀螺的工作原理,对半球谐振陀螺的优势和关键技术进行了阐述,介绍了国内外发展现状和国外主要应用方向,以及半球谐振陀螺技术的发展趋势。     

半球谐振陀螺发展的技术特征

半球谐振陀螺具有一系列独特的优势,已成功在多个国家得到应用,各国在结构、控制电路等方面均有差异,其应用领域也各有侧重。首先介绍了各国半球谐振陀螺的发展状况,分析了其在结构、控制电路、工作模式以及应用领域上的差异。阐述了国内半球谐振陀螺力平衡模式的控制电路特点及实现,已成功应用在卫星平台。最后通过与国外半球谐振陀螺的对比,对国内半球谐振陀螺的发展方向进行了展望。     

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。     

半球谐振陀螺在平台惯性系统中的应用研究

半球谐振陀螺作为新型振动陀螺, 具有长寿命、长稳定期、高精度等优 点,能显著提高惯性系统的性能。讨论了半球谐振陀螺的特点,分析了其误差模型,研 究了半球谐振陀螺在平台惯性系统的应用技术和方法,重点介绍了基于半球谐振陀螺的 平台稳定回路、框架归零回路和调平锁定回路设计,并通过试验样机进行了试验验证。     

半球谐振陀螺技术发展概述

半球谐振陀螺是惯导级的固体振动陀螺,其高精度、高可靠性和长寿命的 特点非常适应空间应用。在国外空间应用中已取得了巨大的成功,国内半球谐振陀螺仪 已通过飞行试验,验证了其性能可满足工程应用的要求,目前正在开展半球谐振陀螺应 用技术与高精度、小型化惯性测量组合的技术研究,拓展应用领域。概述了半球谐振陀 螺的基本原理、国内外技术发展情况、相关关键技术以及技术发展方向。     

半球谐振陀螺惯性系统设计探讨

研究了速率积分半球谐振陀螺及其惯性系统的技术特点和应用,并与光学陀螺惯性系统进行了比较。介绍了半球谐振陀螺短期断电工作和小体积低功耗的特点,探讨了自校准技术,并分析了环境适应性设计和对配套部件的要求,为半球谐振陀螺惯性系统工程化设计提供了开放性观点。     

序言

正回顾半球谐振陀螺技术发展历史,应该说,美国诺格公司(含台尔柯、利顿阶段)发明并发展了半球谐振陀螺,而法国萨基姆公司(后合并为赛峰公司)赋予了半球谐振陀螺新的发展空间和机遇。2000年前后,萨基姆公司提出平面电极两件套方案,并在此基础上先后突破了全角控制、参数自校准、谐振子批量制造等关键难题,针对陆海空天多个应用领域研制了典型产品,特别是2018年发布了精度可达1海里/5天的战略级惯导系统,以至于该公司信心满满的宣称半球谐振陀螺将改变惯性技术版图,并对其进行大力商业推广。这一系列动作和成果引人瞩目,美、俄以及我国近年来重新关注半球谐振陀螺技术的发展,并投入了极大的研究热情。     

高端MEMS固体波动陀螺的发展与应用

总结了固体波动陀螺的发展历程,分析了从固体波动陀螺到MEMS陀螺的演化过程.通过对MEMS谐振环陀螺的演化与研制历程进行分析,预测未来高端MEMS陀螺发展方向,推动我国高端MEMS环形固体波动陀螺的研究与应用.     

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。     

Comparison of hemispherical resonator gyro and optical gyros

The basic design of the small hemispherical resonator gyro inertial and tactical grade sensors and associated electronics is described. To reduce the cost of the electronics and maintain part per million accuracy, emphasis has been placed on digital control and processing techniques. A comparison of the ring laser gyro, fiber optic gyro, and hemispherical resonator gyro sensors shows that the latter offer lower cost, smaller size, and higher reliability than their optical counterparts     

半球谐振陀螺全角模式控制技术研究

介绍了半球谐振陀螺全角模式的工作机理及其技术特点。对全角模式下振型的控制进行了理论分析,采用乘法相干解调对陀螺振型参数进行提取,并采用参数激励方法对谐振子进行驱动和控制。设计了数字电路进行实验,结果表明该全角模式控制技术实现了半球谐振陀螺的角速率积分功能,能够0°～360°全角度敏感输出,测得的角速度测量值超过300(°)/s,角度测量线性度优于10~(-4),与传统的力平衡模式相比,半球谐振陀螺的动态特性得到大幅提升。     

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。     

半球陀螺谐振子环向振型进动特性研究

基于半球谐振子的实际加工结构特征,为降低维持半球谐振陀螺振动所需的能量损耗,建立半球谐振陀螺能量型谐振子数学模型,并研究半球谐振子绕中心轴旋转时环向振型的变化规律;通过分析半球谐振子顶端角、底端角和壁厚的非理想性对进动因子的影响,确定半球壳体旋转时应选取的最佳振型与进动因子。采用ANSYS软件构建一系列模型,验证有关理论研究结果。通过计算仿真分析可知,半球谐振子进动因子对顶端角变化的敏感性远大于对底端角变化的敏感性,且顶端角变化引起的角速度误差远大于相同底端角变化引起的角速度误差,为半球谐振陀螺的谐振子加工研制提供了理论依据。     

INVESTIGATION OF SENSITIVITY FOR SILICON MICROMECHANICAL TUNING-FORK GYROSCOPE

ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮＯＦＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹＦＯＲＳＩＬＩＣＯＮＭＩＣＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＴＵＮＩＮＧ┐ＦＯＲＫＧＹＲＯＳＣＯＰＥＲｕａｎＡｉｗａ（阮爱武）１,ＬｉＷａｎｙｕ（李万玉）２,ＦｅｎｇＰｅｉｄｅ（冯培德）３１Ａｕｔｏｍａｔｉｃ...     

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。     

基于A3200控制器的超精密机床控制系统的设计与应用

以一种新型的运动控制器—A3200控制器为核心搭建了数控系统硬件平台,对控制器的控制函数及直接命令进行了研究,基于机床的需求开发了数控系统软件平台。同时,结合A3200控制器与伺服系统参数整定与优化方法,对伺服系统参数进行了整定和优化,提高了系统的精确性和稳定性。最后,对半球谐振子进行了加工试验,验证了数控系统的控制性能及加工精度。     

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。