一种半球谐振陀螺及其激励检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于叉指电极励磁和光学检测的半球谐振陀螺，包括激励底座和半球谐振子，谐振子的底座上设置有叉指电极和光学检测装置，分别落在两个同心圆的圆周上，用于支撑激励底座和真空密封谐振子组件及叉指电极引线的真空电连接器，叉指电极通过导电插针与真空电连接器相连；还公开了其激励检测方法；本发明专利技术的叉指电极激励属于非接触式电学激励，对谐振子无镀膜要求，可以保证谐振子的高Q值和低频率裂解，在叉指电极激励、光学检测的陀螺设计框架下，用全角跟踪模式进行信号解算和误差补偿，可以提升陀螺精度、动态范围、环境适应性等综合性能。应性等综合性能。应性等综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种半球谐振陀螺及其激励检测方法


[0001]本专利技术属于惯性器件领域，涉及哥氏振动陀螺，特别涉及一种基于叉指电极励磁和光学检测的半球谐振陀螺，以及其激励检测方法。

技术介绍

[0002]半球谐振陀螺具有高精度、高可靠性、长寿命、体积小、重量轻、功耗低等综合优势，成为当前国内外惯性
研究的热点，相关产品在航空、航天、航海、陆战、勘探等军事和民用领域得到了广泛的应用。半球谐振陀螺理论精度与体积无关，可以同时实现“高精度和小型化”乃至“微型化”，在未来的智能化、无人化、轻量化、集群式和单兵作战等装备中具有显著的性能优势，因此研发新型半球谐振陀螺产品，不断提升其综合性能，满足多领域迫切的应用需求，具有重要的军事意义和经济价值。
[0003]半球谐振陀螺基于载体旋转时哥氏效应引起的谐振子驻波的进动效应来敏感角速度，激励和检测技术是陀螺工作的基础和关键技术。
[0004]在激励技术方面，成熟半球谐振陀螺中采用静电激励技术，即通过在谐振子和底座表面镀制金属薄膜形成电容，施加电压时谐振子和底座表面(可近似看成平行板电容器的两个极板)会产生静电力相互作用，从而通过受迫振动实现谐振子的共振激励。静电激励技术比较成熟，但是需要在谐振子表面镀制金属薄膜，镀膜一方面会带来额外的损耗(包括机械损耗和电损耗)降低谐振子品质因数，增加频率裂解，影响陀螺的性能，另一方面薄膜长期稳定性和可靠性存在隐患，镀膜程序也增加了成本。部分哥氏振动产品中采用压电激励技术，即在谐振子表面粘接压电陶瓷片，施加电压时通过逆压电效应实现谐振子的激励。压电激励技术比较成熟，激励力较大，但是粘接压电陶瓷会大幅降低谐振子的品质因数，增加频率裂解，影响陀螺性能；同时胶粘压电陶瓷也存在长期稳定性和可靠性隐患。
[0005]在检测技术方面，成熟半球谐振陀螺中采用静电检测技术，即通过在谐振子和底座表面镀制金属薄膜形成电容，谐振子振动时电容间隙发生变化引起电容和电流变化，经过缓冲放大电路实现微弱信号检测。静电检测技术比较成熟，但是要求谐振子表面必须镀膜，如上文静电激励部分所述，同样会降低谐振子品质因数(包括机械损耗和电损耗)，增加频率裂解，影响陀螺性能；而且，静电检测容易受外部电磁信号的干扰，包括静电激励的辐射信号和寄生电容信号干扰等。压电检测技术通过压电效应实现谐振子振动信号检测，如上文压电检测部分所述，同样会降低谐振子品质因数，增加频率裂解，影响陀螺性能。部分学者提出光学检测方法，例如激光多普勒原理、光学隧道效应等，但是这些工作仅研究检测技术本身，并没有和激励技术及陀螺整机性能综合起来分析。
[0006]综上，当前半球谐振陀螺激励和检测技术仍存在谐振子结构复杂(需要镀膜或粘接压电陶瓷)、谐振子品质因数低、增加频率裂解、激励和检测信号互相干扰、陀螺精度和可靠性受影响等诸多问题，亟待寻找新的激励和检测技术解决上述问题，提高陀螺性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的之一是针对当前半球谐振陀螺激励和检测技术仍存在谐振子结构复杂(需要镀膜或粘接压电陶瓷)、谐振子品质因数低、增加频率裂解、激励和检测信号互相干扰、陀螺精度和可靠性受影响等诸多问题，提出了一种基于叉指电极激励和光学检测的新型半球谐振陀螺。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种半球谐振陀螺，包括激励底座和连接在激励底座中心孔的半球谐振子，谐振子的底座上沿中心向外缘依次设置有用于激励的叉指电极和实现信号检测的光电检测装置，所述的叉指电极和光电检测装置数量相同且有多个，分别落在两个同心圆的圆周上，相邻的叉指电极和光电检测装置位于一条径线上，还包括用于支撑激励底座和真空密封谐振子组件及叉指电极引线的真空电连接器，所述的叉指电极通过导电插针与真空电连接器相连。
[0009]所述的一种半球谐振陀螺，其谐振子和激励底座中心孔通过加热铟焊或光胶的方式实现装配连接成结构组件，半球谐振子采用唇沿处较厚的变壁厚结构，谐振子的唇沿平面与激励底座平面之间的间距为10μm～100μm。
[0010]所述的一种半球谐振陀螺，其叉指电极采用先镀制导电薄膜后激光刻蚀，或掩模板直接镀膜的方式形成在谐振子表面，所述光电检测装置为激光多普勒测振装置。
[0011]所述的一种半球谐振陀螺，其激励底座采用平板电极结构设计，经过打孔、抛光、清洗后形成光洁表面。
[0012]所述的一种半球谐振陀螺，其谐振子由高品质因数熔融石英玻璃通过“范成法”精密研磨而成，具有很高的几何形位精度(圆度、同心度均小于1μm)和超高的品质因数(Q值大于3000万)。
[0013]所述的一种半球谐振陀螺，其导电插针内部与叉指电极连接，外部与前置放大板连接，所述的叉指电极和导电插针之间可以通过金丝焊线或者平面导电通路连接。
[0014]所述的一种半球谐振陀螺，其激励底座通过弹簧压圈与真空电连接器相联结。
[0015]所述的一种半球谐振陀螺，其叉指电极和光电检测装置均可以为2个、4个或8个。
[0016]本专利技术的目的之二是提供一种基于叉指电极励磁和光学检测的半球谐振陀螺的激励检测方法，在完成半球谐振陀螺表头制备、叉指电极驱动、光学检测的基础上，最后实现半球谐振陀螺全角跟踪控制模式闭环控制和角度信号结算，包括如下步骤：
[0017]S1，基于幅度控制、正交控制、速率环控制和锁相环控制四个控制回路控制陀螺正常工作；
[0018]S2，以8个叉指电极为例，沿顺时针方向对将8个叉指电极依次编号为21～28，将对应的半径上的8个光电检测装置依次编号为31～38，8个叉指电极21～28驱动时要进行标校，保证驱动增益和相位的一致性，将叉指电极21、23、25、27列为一组，驱动信号x为21+25
‑
23
‑
27，将模态正交方向的叉指电极22、24、26、28列为一组，驱动信号y为22+26
‑
24
‑
28，并采用合力驱动模式；
[0019]S3，采用差分检测方式，将光电检测装置31、33、35、37列为一组，差分检测信号x为31+35
‑
33
‑
37，将模态正交方向的光电检测装置32、34、36、38列为一组，差分检测信号y为32+36
‑
34
‑
38；
[0020]S4，对光电检测装置输出的两组差分检测信号，对x、y进行乘法信号解调得到同相
信号Cx、Sx和正交信号Cy、Sy：
[0021]x＝acosθcos(ωt+φ
′
)
‑
qsinθsin(ωt+φ
′
)
[0022]y＝asinθcos(ωt+φ
′
)+qcosθsin(ωt+φ
′
)
[0023]c
x
＝2
×
LPF(x
×
cos(ωt+φ))
[0024]s
x
＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半球谐振陀螺，包括激励底座(2)和连接在激励底座(2)中心孔的半球谐振子(1)，其特征在于：谐振子(1)的底座上沿中心向外缘依次设置有用于激励的叉指电极和实现信号检测的光电检测装置(3)，所述的叉指电极和光电检测装置(3)数量相同且有多个，分别落在两个同心圆的圆周上，还包括用于支撑激励底座(2)和真空密封谐振子(1)及叉指电极引线的真空电连接器(4)，所述的叉指电极通过导电插针与真空电连接器(4)相连。2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺，其特征在于，所述的谐振子(1)和激励底座(2)通过加热铟焊或光胶的方式连接，谐振子(1)采用唇沿处较厚的变壁厚结构，谐振子(1)的唇沿平面与激励底座(2)平面的间距为10μm～100μm。3.根据权利要求2所述的一种半球谐振陀螺，其特征在于，所述的激励底座(2)采用平板电极结构，经过打孔、抛光、清洗后形成光洁表面。4.根据权利要求1或2或3所述的一种半球谐振陀螺，其特征在于，所述的叉指电极采用先镀制导电薄膜后激光刻蚀，或掩模板直接镀膜的方式形成在谐振子(1)表面，所述光电检测装置(3)为激光多普勒测振装置。5.根据权利要求4所述的一种半球谐振陀螺，其特征在于，所述的谐振子(1)由熔融石英玻璃研磨而成。6.根据权利要求5所述的一种半球谐振陀螺，其特征在于，所述的导电插针内部与叉指电极连接，外部与前置放大板连接，所述的叉指电极与导电插针之间通过金丝焊线或者平面导电通路连接。7.根据权利要求6所述的一种半球谐振陀螺，其特征在于，所述的激励底座(2)通过弹簧压圈与真空电连接器(4)相联结。8.根据权利要求7所述的一种半球谐振陀螺，其特征在于，所述的叉指电极和光电检测装置(3)为2个、4个或8个。9.一种如权利要求8所述半球谐振陀螺的激励检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，基于幅度控制、正交控制、速率环控制和锁相环控制四个控制回路控制陀螺正常工作；S2，沿顺时针方向对将8个叉指电极依次编号为21～28，将对应的8个光电检测装置(3)依次编号为31～38，采用合力驱动模式，将叉指电极21、23、25、27列为一组，驱动信号x为21+25
‑
23
‑
27，将模态正交方向的叉指电极22、24、26、28列为一组，驱动信号y为22+26
‑
24
‑
28；S3，采用差分检测方式，将编号为31、33、35、37的光电检测装置(3)列为一组，差分检测信号x为31+35
‑
33
‑
37，将模态正交方向的编号为32、34、36、38的光电检测装置(3)列为一组，差分检测信号y为32+36
‑
34
‑
38；S4，对光电检测装置(3)输出的差分检测信号x、y进行乘法信号解调得到同相信号Cx、Sx和正交信号Cy、Sy：x＝acosθcos(ωt+φ
′
)
‑
qsinθsin(ωt+φ
′
)y＝asinθcos(ωt+φ
′
)+qcosθsin(ωt+φ
′
)c
x
＝2
×
LPF(x
×
cos(ωt+φ))s
x
＝2
×
LPF(x
×
sin(ωt+φ))c
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲天良，王鹏，张熙，张红波，刘军汉，
申请(专利权)人：武汉华中旷腾光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：