基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法技术方案

本发明专利技术公开了基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法，属于振动陀螺技术领域。本发明专利技术包括半球谐振子化学蒸气修形系统和半球谐振子化学蒸气修形方法两个部分。化学修形系统包括蒸气产生装置以及谐振子反应装置。基于设计的化学蒸气修形系统，通过确定谐振子的主轴方向及频率裂解、确定去除质量与频率裂解间的斜率、标定斜率确定修形时间、处理四个待修形区域等步骤，完成了对半球谐振子频率裂解的修调，解决了由频率裂解引起的半球谐振陀螺零偏漂移的问题，具有不降低半球谐振子品质因数、修形区域可控、修形效率高、系统简单、成本低等优点，在航天、航空、航海等惯性导航领域具有广泛的应用前景。

Hemispherical Harmonic Oscillator Shaping System and Method Based on Chemical Vapor

The invention discloses a hemispheric harmonic oscillator modification system based on chemical vapor and a modification method, belonging to the technical field of vibrating gyroscope. The invention comprises two parts: a hemispheric harmonic oscillator chemical vapor modification system and a hemispheric harmonic oscillator chemical vapor modification method. The chemical modification system includes a steam generator and a harmonic oscillator reactor. Based on the designed chemical vapor modification system, by determining the main axis direction and frequency cracking of the harmonic oscillator, determining the slope between the removal mass and frequency cracking, calibrating the slope to determine the modification time, and processing the four areas to be modified, the frequency cracking of the hemispheric harmonic oscillator is adjusted, and the zero drift of the hemispheric resonant gyroscope caused by frequency cracking is solved. Without reducing the quality factor of the hemispheric harmonic oscillator, the modification area can be controlled, the modification efficiency is high, the system is simple and the cost is low, so it has a wide application prospect in the field of inertial navigation such as aerospace, aviation and navigation.

【技术实现步骤摘要】
基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法
本专利技术属于振动陀螺
，具体涉及到一种基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法。
技术介绍
半球谐振陀螺(HemisphericalResonatorGyroscope,HRG)是一种新型哥氏振动陀螺仪(CoriolisVibratoryGyroscopes)，利用哥氏振动效应(CoriolisEffect)测量转角和角速度，具有精度高、能耗低、寿命长、抗冲击，结构简单、不需要维护等特点，近年来在航天、航空、航海等领域得到广泛应用。半球谐振陀螺的经典结构包括激励电极、熔融石英半球谐振子、敏感读出电极，其中熔融石英半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感元件，其精度对整个陀螺的性能有着重要的影响。对于理想的半球谐振子，激励模态和敏感模态频率相同，在自由振动时，振型方向是随机的。对于非理想谐振子，由于质量、刚度等误差的影响，谐振子将产生两个互成45°的固有轴系，又称振动主轴(Principleaxis)。谐振子沿两个固有轴振动时谐振频率分别为ω1和ω2，如图1所示，二者之差的绝对值即为频率裂解。在实际应用中，常常要求半球谐振子n＝2模式的两个模态简并，即频率裂解越小越好。然而实际生产加工出来的谐振子不是完美的，由于谐振子四周的壁厚不均匀、谐振子弹性模量分布有差异等各种因素的影响，半球谐振子总是存在一定大小的频率裂解。研究表明，谐振子的频裂解是引起谐振陀螺零偏漂移的重要来源。如何降低谐振子的频率裂解，即调节谐振子的两个频率成分使其相等，是当前亟待解决的问题。半球谐振子的修形，即通过改变谐振子的局部质量或者刚度来减小频率裂解。当前存在许多修形方法减小谐振子的频率裂解，一类是电学调平方法，通过实时改变电学参数，进而调节谐振子外围的刚度分布以改变频率裂解[对比文献1：HuZX,GallacherBJ,BurdessJS,BowlesSR,GriggHTD.AsystematicapproachforprecisionelectrostaticmodetuningofaMEMSgyroscope[J].JournalofMicromechanicsandMicroengineering,2014,24(12):12503.]。这类方法的局限在于，调节范围有限，且功耗较大，降低频率裂解并不是永久性的。另一类方法的调节是永久性的，比如机械修调、激光烧蚀、离子束修形、化学溶液修形等方法。机械修调：陶溢等人采用机械调节的方法降低金属谐振子的频率裂解，实验表明，机械调节精度不高，且会使得谐振子的品质因数降低[对比文献2：TaoY,XiX,XiaoD,TanY,CuiH,WuX.Precisionbalancemethodforcuppedwavegyrobasedoncup-bottomtrimming[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2012,25(1):63～70.]；美国加利福尼亚大学的Yusheng等人利用定向研磨的方法，将微酒杯谐振子的频率裂解由41Hz修调至7Hz[对比文献3：WangY,AsadianMH,ShkelAM.Frequencysplitreductionbydirectionallappingoffusedquartzmicrowineglassresonators[C]//4thIEEEInternationalSymposiumonInertialSensorsandSystems,INERTIAL2017-Proceedings,2017:78～81.]。激光烧蚀：Lynch利用激光烧蚀处理半球谐振子上的齿[对比文献4：LynchDD.Vibration-induceddriftinthehemisphericalresonatorgyro[C]//1987InstituteofNavigation,AnnualMeeting,43rd,Dayton,1987:34～37.]，这种有齿的谐振子并不是当前研究的热点，研究表明激光烧蚀会使得谐振子的品质因数降低[对比文献5：AbdelmoneumMA,DemirciMM,LinY-WLY-W,NguyenCT-C.Location-dependentfrequencytuningofvibratingmicromechanicalresonatorsvialasertrimming[C]//FrequencyControlSymposiumandExposition,Proceedingsofthe2004IEEEInternational,2004:272～279.]；Gallacher等人研究了存在结构缺陷的微环陀螺的激光烧蚀方法。他们的研究表明，激光烧蚀通过同时改变谐振子的质量以及刚度分布实现频率裂解的修调，谐振子的频率裂解从26Hz降低到7Hz。他们同时指明了，激光烧蚀有一个不可忽视的弱点，即激光烧蚀的热效应会使得局部形态发生改变[对比文献6：GallacherBJ,HedleyJ,BurdessJS,HarrisAJ,McNieME.Multimodaltuningofavibratingringusinglaserablation[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartC:JournalofMechanicalEngineeringScience,2003,217(5):557～576.]。离子束修形：Bodunov等人开展了半球谐振子的离子束修形研究，成功地将谐振子的频率裂解由0.45Hz降低至0.003Hz。他们的研究表明，机械修调以及激光修调都会不可避免地使得相关的声学参数变差，而采用离子束修形的方法能够在球壳的表面去除多余质量的同时，给谐振子带来最小的附加影响[对比文献7：BodunovBP,LopatinVM,LuninBS,LynchDD,VorosAR.Low-costhemisphericalresonatorforuseinsmallcommercialHRG-basednavigationsystems[C]//The4thSaintPetersburgInternationalConferenceonIntergratedNavigationSystems,SaintPetersburg,Russia,1997:41～47.]；胡晓东等人通过离子束修形降低了半球谐振子的频率裂解，这种方法所需设备昂贵、流程复杂、且修形效率不高[对比文献8：胡晓东；罗康俊；余波.采用离子束技术对半球振子进行质量调平[C].中国惯性技术学会第五届学术年会论文集,中国，桂林，2002,247～252.]；化学溶液修形：Basarab提出了化学溶液修形，他们给出了化学溶液修形的理论分析以及步骤[对比文献9：BasarabMA,LuninBS,MatveevVA,ChumankinEA.Balancingofhemisphericalresonatorgyrosbychemicaletching[J].GyroscopyandNavigation,2015,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于化学蒸气的半球谐振子修形系统，其特征在于：所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统由蒸气产生装置以及谐振子反应装置两部分组成，所述蒸气产生装置由温控加热装置(1)、化学修形溶液(2)、蒸气导管a(3)、抽气装置(4)、蒸气导管b(5)、吹气装置(6)、蒸气导管c(7)、流速控制装置(8)、蒸气导管d(9)、出气端口(10)组成；所述谐振子反应装置由熔融石英半球谐振子(11)、谐振子姿态控制装置(12)组成；所述温控加热装置(1)用于对化学修形溶液(2)进行加热，并在实验过程中保持恒温；所述化学修形溶液(2)由质量百分比49％的HF溶液以及质量百分比40％的NH4F溶液以体积比10:1混合而成；所述蒸气导管a(3)用于传输化学修形溶液(2)经温控加热装置(1)加热产生的化学蒸气至抽气装置(4)；所述抽气装置(4)通过蒸气导管a(3)将化学修形溶液(2)经温控加热装置(1)加热产生的化学蒸气抽出，送至蒸气导管b(5)；所述蒸气导管b(5)用于传输经抽气装置(4)抽出的化学蒸气至吹气装置(6)；所述吹气装置(6)将抽气装置(4)抽出的化学蒸气传递至蒸气导管c(7)；所述蒸气导管c(7)用于传输化学蒸气由吹气装置(6)至流速控制装置(8)；所述流速控制装置(8)用于对吹气装置(6)吹出的化学蒸气的流速进行控制，确保熔融石英半球谐振子(11)的去除速率的稳定；所述蒸气导管d(9)用于传输由流速控制装置(8)产生的浓度均一、流速恒定的化学蒸气至出气端口(10)；所述出气端口(10)用于控制蒸气作用于熔融石英半球谐振子(11)的面形以及大小，蒸气与谐振子反应的面形和大小影响修形的效果；所述谐振子姿态控制装置(12)用于控制谐振子的姿态，与出气端口(10)配合以调节谐振子的修形效果，同时谐振子姿态控制装置(12)上安装有旋转基座，实现谐振子绕其主轴的旋转。...

【技术特征摘要】
1.基于化学蒸气的半球谐振子修形系统，其特征在于：所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统由蒸气产生装置以及谐振子反应装置两部分组成，所述蒸气产生装置由温控加热装置(1)、化学修形溶液(2)、蒸气导管a(3)、抽气装置(4)、蒸气导管b(5)、吹气装置(6)、蒸气导管c(7)、流速控制装置(8)、蒸气导管d(9)、出气端口(10)组成；所述谐振子反应装置由熔融石英半球谐振子(11)、谐振子姿态控制装置(12)组成；所述温控加热装置(1)用于对化学修形溶液(2)进行加热，并在实验过程中保持恒温；所述化学修形溶液(2)由质量百分比49％的HF溶液以及质量百分比40％的NH4F溶液以体积比10:1混合而成；所述蒸气导管a(3)用于传输化学修形溶液(2)经温控加热装置(1)加热产生的化学蒸气至抽气装置(4)；所述抽气装置(4)通过蒸气导管a(3)将化学修形溶液(2)经温控加热装置(1)加热产生的化学蒸气抽出，送至蒸气导管b(5)；所述蒸气导管b(5)用于传输经抽气装置(4)抽出的化学蒸气至吹气装置(6)；所述吹气装置(6)将抽气装置(4)抽出的化学蒸气传递至蒸气导管c(7)；所述蒸气导管c(7)用于传输化学蒸气由吹气装置(6)至流速控制装置(8)；所述流速控制装置(8)用于对吹气装置(6)吹出的化学蒸气的流速进行控制，确保熔融石英半球谐振子(11)的去除速率的稳定；所述蒸气导管d(9)用于传输由流速控制装置(8)产生的浓度均一、流速恒定的化学蒸气至出气端口(10)；所述出气端口(10)用于控制蒸气作用于熔融石英半球谐振子(11)的面形以及大小，蒸气与谐振子反应的面形和大小影响修形的效果；所述谐振子姿态控制装置(12)用于控制谐振子的姿态，与出气端口(10)配合以调节谐振子的修形效果，同时谐振子姿态控制装置(12)上安装有旋转基座，实现谐振子绕其主轴的旋转。2.基于化学蒸气的半球谐振子修形方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于化学蒸气的半球谐振子修形系统对半球谐振子进行修形，该方法包括如下步骤：S1：确定半球谐振子两个振动主轴的方向及频率裂解；为了配合系统减小半球谐振子的频率裂解，需先确定半球谐振子的振动主轴方向以及频率裂解的大小；首先通过对谐振子进行扫频确认谐振子的激励模态和检测模态频率，然后用两组频率分别与激励模态和检测模态频率相同的正弦信号，激励谐振子产生自由振动，当振动分别达到稳定时的两个主轴方向即为谐振子振动的主轴方向；谐振子激励模态和检测模态下各自频率的差值即为频率裂解Δf；S2：确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率；S(2a)确定有缺陷的半球谐振子的频率裂解将有缺陷的半球谐振子等价为一个质量为M0的等效圆环，其上...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲天良，汪玉婷，陶云峰，潘瑶，贾永雷，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43