半球谐振陀螺简介：

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。

 

半球谐振陀螺优点：

半球谐振陀螺是上世纪60年代出现的一种新型陀螺。与传统机械陀螺相比，它结构简单，没有磨损部件（机械转子、光源等），无需后期维护；不需预热，启动时间短；具有很强的抗冲击能力，能承受大的机动过载（3000ｇ）；谐振子物理特性稳定，因而陀螺具有很高的可靠性和超长的寿命；此外半球谐振陀螺还具有抗辐射能力，使其非常适合在空间飞行器、卫星等辐射环境下长时间工作的装备中使用。与当下激光陀螺和光纤陀螺相比，半球谐振陀螺结构简单、零部件数大大减少，理论上精度不依赖于尺寸，噪声性能不受量子效应限制，因此，半球谐振陀螺是最有潜力实现高精度、小型化、低成本的陀螺仪。

 

半球谐振陀螺工作原理：

早在1890年，英国物理学家G.H.Byran发现敲击并旋转酒杯，会听到“差拍”，表明酒杯中的驻波相对空间旋转；由于驻波的惯性，其转动以一定比例滞后于酒杯的转动。半球谐振陀螺的基本工作原理即是利用弹性驻波的惯性效应测量角速度。

如图1所示，半球谐振子振动于最低阶弯曲模态（又称酒杯模态，四波腹模态）。理想情况下，模态的波腹和波节的位置相对于半球壳稳定。在外界角速度作用下，驻波振型以约0.3的比例落后于半球壳转动，即如果半球壳转过90°，振型转动将落后约27°。比例因子0.3称为半球壳的几何比例因子。

图１ 半球谐振陀螺测量原理

图2 半球谐振陀螺结构

1-半球谐振子  2-支撑杆  3-离散激励电极  4-环形激励电极

5-信号检测电极  6-敏感基座  7-激励罩  8-外壳

图3 半球谐振子

半球谐振陀螺技术概述：

如图4所示，按流程分，半球谐振陀螺关键技术分为结构设计、粗胚加工、精密研磨、化学处理、质量调平、球面镀膜、真空退火、电极刻蚀、精密装配、焊接检漏、真空组装、电路设计、电路制造、测试标定、误差补偿等，涉及物理、化学、机械、材料、电子、控制等多学科交叉。

图4 半球谐振陀螺关键技术流程图

半球谐振陀螺中的关键技术：

1、半球谐振子超精密加工技术

谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感元。谐振子加工要求高（同心度＜0.5μm、表面粗糙度＜0.02μm），石英谐振子属于硬脆薄壁异形结构，加工难度极大。基于激光陀螺中硬脆材料加工技术基础，采用现代精密球面成形的先进技术——“范成法”，精度高、表面质量好，可实现高度轴对称的半球谐振子超精密加工。

2、半球谐振子振动特性测试技术

频率和频率裂解、Q值及其不均匀性是谐振子最基本的振动特性，需要在谐振子加工、化学处理、调平、镀膜、装配后的各个阶段精确测量。谐振子振动特性的测量是一个专门的技术，基于激光多普勒测振仪和真空系统的测试装置设计、基于拍频的频率裂解测试技术、基于幅频特性“双峰”和变刚度的主轴辨识技术、自由衰减的Q值测量技术和叉指电极激励与检测技术研究很重要。

图5 基于凯视迈KV系列激光测振仪和真空系统的半球谐振子振动特性测试

3、半球谐振子精密调平技术

频率裂解是谐振子的重要指标，直接影响陀螺的精度。频率裂解的修调是关键技术，包括化学调平、离子束调平和电调平等。谐振子质量分布不均匀 1~4 次谐波测量和调平基本原理研究是基础，如何采用化学调平技术批量地将谐振子频率裂解修调至0.005Hz以下，采用离子束调平技术将频率裂解修调至0.001Hz以下，值得研究。

4、半球谐振子化学抛光与镀膜技术

化学抛光是降低谐振子表面损耗、提升Q值的重要手段，工艺复杂。谐振子镀膜是项关键技术，既要保证导电又要尽量减少引入的损耗。化学抛光和镀膜技术涉及的物理化学反应和微观过程复杂，工艺难度大。需要改进化学抛光工艺，将谐振子Q值提高到3000万以上，并实现谐振子小批量自动化抛光系统设计；基于磁控镀膜机的细致工艺实验，稳定地将镀膜后引入的损耗降至0.05ppm以下。

5、半球谐振陀螺精密装配与真空技术

谐振子与底座之间的间隙只有50~150μm，要保证轴向间隙不均匀性小于2%，对传统装配技术提出很大的挑战。如何精确测量间隙均匀性是基础和前提。真空处理是特种工艺，理论分析较少，更多的是工艺基础和经验。需要设计光学和电学的测量方法，研制谐振子多自由度装调和钎焊系统，完成谐振子与底座的精密装配和真空处理，使间隙不均匀性小于2%，真空度优于10^4Pa。

6、半球谐振陀螺电路与控制技术

半球谐振陀螺电路与控制技术占研发难度的半壁江山。要明确缓冲放大电路、高压驱动电路、数字控制电路的基本原理，设计并实现数字锁相环频率跟踪回路、幅度控制、正交控制和力平衡控制回路，实现基于分时复用的全角模式控制功能，并可进行全角和力平衡模式的切换。进一步降低模拟电路噪声，提高数字电路控制精度。

7、半球谐振陀螺误差标定与补偿技术

半球谐振陀螺有很多误差项需要标定和补偿，这些误差项之间相互耦合，为标定和补偿带来困难。全角模式下角度依赖的零偏误差必须予以辨识和补偿，这是重点和难点。需分析电极和电路相位、增益误差，电极角度误差，激励、检测信号非线性误差等，建立相应的误差模型，开展误差标定和补偿实验，抑制全角模式下角度依赖的误差。