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。     

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。     

半球谐振陀螺精密集成组装技术探讨

半球谐振陀螺零件制造的高精度和对称性是保障产品性能指标的关键,当前制造技术的短板是制约半球谐振陀螺性能指标提升、高合格率和低成本制造,以及批量生产的主要原因之一,集成组装是半球谐振陀螺制造过程的关键环节。因此提出了面向半球谐振陀螺装配的"六心一线"目标,即半球谐振子几何球心、质量中心、谐振中心、激励罩的激励电极中心、读出基座输出检测中心以及形成的静电场中心必须做到同心、同轴,探讨了保证"六心一线"的集成装调技术,为保障半球谐振陀螺的装配精度、性能和装配合格率提供技术支持。     

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。     

半球谐振陀螺发展综述

首先阐述了半球谐振陀螺工作原理及技术优势,后着重对其在美国、俄罗斯、法国的发展历程、应用场景、技术发展、精度指标及进行了综述,同时概述了国内的发展历程、现阶段达到水平。其后,针对海上领域武器系统的特点及需求,在借鉴国外已有应用的基础上,论述半球谐振陀螺在海上应用的可能性及优势。最后对半球谐振陀螺的未来发展进行了展望。     

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。     

半球谐振陀螺控制电路频率跟踪精度提升方法

半球谐振陀螺控制电路的控制精度直接影响半球谐振陀螺仪的输出精度,而频率跟踪精度又直接影响了半球谐振陀螺控制电路的精度.传统的半球谐振陀螺数字控制电路采用过零比较的方法计算陀螺幅点信号的频率,此方法易受地线毛刺信号的干扰,频率跟踪精度不高.介绍了采用A/D转换采集数据估算陀螺幅点信号频率的方法,并对各种方法进行了优缺点比较,提出选用建议.这些方法既提升电路抗干扰能力,又大幅提升了频率跟踪精度,还省去了过零比较电路.分析及测试结果表明,采用该频率跟踪方法,半球谐振陀螺的频率跟踪精度可达0.002Hz,可大幅提升半球谐振陀螺控制电路的精度.     

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。     

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。     

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。     

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。     

半球谐振陀螺敏感单元总剂量效应试验研究

半球谐振陀螺是卫星捷联惯性参考单元的核心部件,在空间应用领域会受 到空间辐射环境的影响。介绍了半球谐振陀螺敏感单元的总剂量效应模拟试验的研究, 在电离总剂量60Co 源γ 射线辐照试验前、中、后, 分析陀螺敏感单元的性能参数变化。 通过总剂量1000krad(Si)的摸底试验,陀螺敏感单元的电性能参数稳定,证实陀螺敏感单 元和缓冲电路板在该辐射剂量下性能正常。     

基于FPGA的半球谐振陀螺频率跟踪技术

半球谐振陀螺谐振频率的跟踪精度与稳定性很大程度上决定了陀螺的性能。通过分析半球谐振陀螺的频率特性以及锁相环基本原理,设计了基于锁相环的半球谐振陀螺频率跟踪方案,并用FPGA进行全数字化实现。半球谐振陀螺采用真空封装,内部温度难以测量,然而其谐振频率与温度具有很好的线性相关性,因此可采用谐振频率对陀螺温度进行测量。传统的频率跟踪方案一般采用模拟锁相环实现,其缺点是频率值隐含于输出的正弦波中,无法供后继测量模块使用,本文所设计的FPGA全数字方案可弥补这一缺陷。根据陀螺谐振频率与温度之间的关系,给出了利用跟踪频率测温的分辨率公式并进行了相关实验。实验结果显示,谐振频率为4440Hz时频率跟踪稳态相对误差可达10-7量级,利用跟踪频率测温的分辨率可达0.0042℃。     

速率积分半球谐振陀螺测试方法探讨

针对速率积分半球谐振陀螺测试精度与使用精度不一致的问题,深入研究了速率积分模式下半球谐振陀螺误差的基本特性,指出造成上述问题的主要原因为现有测试方法仅考虑了振动驻波在固定工作点时陀螺零偏的稳定性,而未考虑驻波在不同工作点时陀螺零偏的一致性。进一步提出,应基于“如何用,即如何测”的思想,采用全周向的方式考核速率积分半球谐振陀螺的零偏和标度因数性能,提出了相应的测试方法或思路并进行了验证。     

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。