圓柱殼體振動陀螺技術現狀與發展趨勢

席 翔，肖定邦，吳宇列，張勇猛，吳學忠

（國防科技大學智能科學學院，長沙410073）

0 引言

殼體振動陀螺主要包括半球殼體振動陀螺、圓柱殼體振動陀螺及其他殼體形狀的振動陀螺，通過殼體駐波振動的哥氏效應實現角速度檢測，具備精度高、工作溫度范圍廣、啟動時間短、對沖擊過載不敏感等突出特點［1］。其中，圓柱殼體振動陀螺在近年來受到了廣泛關注，其精度范圍一般為 0.1（°）/h～10（°）/h（戰術級）， 且在成本、 體積和功耗等方面具有綜合優勢，在近程導彈、精確制導炸彈、反坦克彈、無人機等軍用領域，以及穩定平臺、無人勘探設備、工業機器人等民用領域均有廣闊的應用前景。

圓柱殼體振動陀螺的關鍵制造技術是高品質諧振結構及高性能測控電路，如圖1所示。其中，高品質諧振結構的核心是要獲得極高的機械品質因數（Q值）和極小的頻率裂解，這對諧振結構的材料、結構、封裝及其加工制造均提出了很高要求。對于圓柱殼體振動陀螺，其測控電路通常采用力平衡模式，使諧振結構能夠穩定地振動在駐波模態，能夠對正交漂移、溫度漂移等誤差進行一定程度的抑制和補償。本文主要針對圓柱殼體振動陀螺的關鍵技術、研究現狀及其應用情況進行了梳理和綜述，并對其未來發展趨勢進行了討論，為該領域的讀者提供一定參考。

圖1 圓柱殼體振動陀螺的關鍵技術Fig.1 Key technologies of cylindrical vibratory gyroscope

1 研究現狀

1890年，英國人Bryan針對振動殼體波動效應的研究奠定了殼體振動陀螺的理論基礎［2］。進入20世紀以來，美國人Lynch對現代殼體振動陀螺的理論發展及性能提升做出了重要貢獻［3］。目前，國外研究殼體振動陀螺最多的國家包括了美國、俄羅斯、法國、英國等。美國從20世紀60年代開始對半球形的殼體振動陀螺進行了研究，Northrop Grumman公司制造的半球殼體振動陀螺的零偏漂移優于 0.0001（°）/h， 已被成功應用于武器裝備、NASA深空探測等重要領域［4］。俄羅斯于20世紀80年代開始也對殼體振動陀螺進行了系統性研究，俄羅斯拉明斯克儀器制造局、Medicon研究所等單位都研制出了高性能的殼體振動陀螺。近年來，法國Sagem公司利用零偏自校正等新技術實現了半球殼體振動陀螺性能的大幅提升，再次引發了業內的廣泛關注［5］。

相對于高精度的半球殼體振動陀螺，圓柱殼體振動陀螺則定位于中低精度、低成本的應用場合，其出現始于20世紀80年代。隨著材料和加工技術的不斷進步，圓柱殼體振動陀螺的精度實現了大幅提升，圖2為圓柱殼體振動陀螺的發展歷程。近年來，英國航天公司、日本住友精密工業公司、美國Watson公司及Innalabs公司等都對圓柱殼體振動陀螺進行了大量研究，并推出了成熟產品。Watson公司的壓電陶瓷圓柱殼體振動陀螺的零偏穩定性為 0.1（°）/s， 分辨率為 0.025（°）/s（VSG-E 型）［6］。 為進一步提升性能， Watson 公司推出了一款以金屬-壓電陶瓷為混合結構的圓柱殼體振動陀螺，能夠實現Q值的大幅提升。目前，精度最高的圓柱振動陀螺是Innalabs公司設計的CVG系列陀螺（于2007年推出），其采用變壁厚結構形式和高彈性合金材料，在保證低成本的同時大幅提升了諧振結構的Q值（＞30000），在常溫條件下零偏漂移優于 0.1（°）/h， 在全溫條件下零偏漂移優于 10（°）/h， 并被成功應用于多款裝備［7-8］。 此外，圓柱殼體振動陀螺在微機電（MEMS）領域也受到一定程度的關注，如美國密歇根大學的Cho等人［9］利用 Silicon-on-Glass （SOG）工藝制造了一種微型圓柱陀螺，其深度為350μm，半徑為2.5mm，Q值達到了 21800， 零偏穩定性為 0.16（°）/s。

圖2 圓柱殼體振動陀螺的發展歷程Fig.2 Development history of cylindrical vibratory gyroscope

我國對圓柱殼體振動陀螺的研究始于20世紀80年代末期，先后有多家單位分別對其基礎理論、加工制造、信號處理等問題進行了較為全面的研究。近年來，隨著殼體振動陀螺研究熱潮的再度興起，以中電集團26所、哈爾濱工業大學、國防科技大學、北京信息科技大學等為代表的單位在陀螺結構設計、加工制造和電路控制等方面已取得了一些實質性的研究成果［10-13］。

2 材料技術

圓柱殼體振動陀螺的靈敏度高、工作溫度范圍大，其材料要具備高機械品質因數（Q值）和低頻率溫度系數。硅、熔融石英、藍寶石等都具有較低的阻尼和穩定的物理化學性質，可以用于制造陀螺諧振結構。在一些對精度要求較低的場合，也可以用壓電陶瓷材料制造圓柱殼體振動陀螺。但是，如果要獲得高性能，則必須采用熔融石英等高Q值材料，如半球殼體振動陀螺就是采用各向同性的熔融石英材料達到了極高的性能。但是，熔融石英為硬脆材料，對其進行機械加工十分困難，對精密加工設備的要求很高，加工成本高、效率低。表1為用不同材料制造圓柱殼體振動陀螺的優缺點對比。

表1 不同材料制造圓柱殼體振動陀螺的優缺點對比Table 1 Comparisons of cylindrical vibratory gyroscope made by different materials

為確保陀螺精度，同時降低加工成本、提升加工效率，目前較好的方案是利用合金材料制造圓柱殼體振動陀螺。在選擇合金作為諧振結構材料時，應重點關注合金材料的內耗、線性熱膨脹系數和彈性模量溫度系數，可選用3J33等高彈性合金及 3J53、3J58等恒彈性合金（3J33、3J53、3J58均為國內牌號）。但是，使用合金材料制造圓柱殼體諧振結構需要進行嚴格的熱處理，以獲得良好的彈性和溫度穩定性。目前，主要的熱處理方式有：1）固溶處理：一般在950℃～980℃條件下，保溫15min～40min后，迅速水淬，可獲得晶粒細小的單相奧氏體組織；2）時效處理：固溶或冷變形后進行時效處理，選擇適當的熱處理參數，控制彌散相的析出量和分布形態，以提高材料的硬度和彈性；3）老化處理：在時效處理之后進行老化處理，其目的是使零件具有較高的時間穩定性和很小的非彈性行為。在進行熱處理時，通常會采用一定的保護氣氛（氮氣、氫氣、氬氣）或使用真空進行熱處理，以防止精密諧振結構被氧化，進而引發Q值降低。

3 制造技術

通常而言，精度良好的車床或加工中心即能夠保證高質量的圓柱殼體振動陀螺諧振結構的制造。但由于圓柱殼體振動陀螺諧振結構是薄壁結構，在加工過程中要重點控制以下3種形式的變形：1）受力變形：在夾緊力的作用下，由于工件壁薄，零件極易發生變形，不僅工件的尺寸易受到影響，也會影響工件的形狀精度；2）受熱變形：工件會隨著切削熱的增加而發生變形，這使得工件的尺寸不易被控制；3）振動變形：薄壁零件在切削力尤其是徑向切削力的作用下，極易發生振動與變形，工件的尺寸精度和形狀不僅易受到影響，其位置精度和表面粗糙度也將被影響。上述這些因素使加工過程易出現變形、尺寸超差和表面振紋等問題，嚴重影響零件的加工精度和成品率。因此，在諧振結構的精密加工過程中，要重點解決加工變形問題，確定相關工藝參數，如切削速度、進給量、刀具幾何參數、夾具定位方式和夾緊力等。

在加工完畢后，諧振結構還需要進行精密機械平衡。這是由于加工誤差必然使諧振結構的質量和剛度分布不均，導致振型偏角和頻率裂解的產生，引起正交誤差，成為影響陀螺性能的主要因素。在制造高性能的圓柱殼體振動陀螺時，諧振結構的頻率裂解要求在0.01Hz以下。諧振結構的機械平衡能夠矯正振型偏角并消除頻率裂解，是提高陀螺性能的關鍵。諧振結構的機械平衡包括靜平衡和動平衡。靜平衡使諧振結構的質量中心與其回轉軸線重合，可消除質量偏心，但通常會產生額外的頻率裂解；動平衡的目標是使諧振結構的頻率裂解和振型偏角降低至一定范圍內。諧振結構的動平衡在靜平衡之后進行，且動平衡過程不應破壞靜平衡。因此，諧振結構動平衡的修調應滿足原點中心對稱條件。實現靜平衡和動平衡的主要方式是激光修形和離子束修形。其中，離子束修形方式常用于熔融石英材料的結構修形，對結構的損傷小，不會生成微裂紋；激光修形方式常用于金屬材料的結構修形，操作更加方便靈活。

4 測控技術

高精度的陀螺諧振結構是陀螺的核心部件，但相關外圍電路的集成才能最終實現陀螺整機的研制。圓柱殼體振動陀螺定位于中低精度，基本均采用力平衡模式的測控電路。如圖3所示，其主要功能為：1）激勵起諧振結構的驅動模態，使其能夠以穩定的駐波形式振動；2）抑制檢測模態的振動，使陀螺具有較好的響應帶寬；3）從力平衡信號中解調出角速度，實現角速度的信號輸出。近年來，模態交換等新控制技術的提出，也為從電路上提升圓柱殼體振動陀螺的性能提供了新的思路［14］。在理論上，當陀螺的驅動模態與檢測模態互換后，陀螺刻度因子相同，由阻尼不均引起的零偏漂移方向相反。借助這個特性，便可以將阻尼漂移從陀螺輸出信號中減去，進而大幅提升陀螺的零偏穩定性。該方法的缺點是如果只用1個陀螺，則降低了帶寬；如果要同時保證陀螺帶寬，則需要額外增加1個陀螺。由于在提升陀螺性能方面的顯著作用，該方法目前引起了波音、Northrop Grumman等公司的廣泛關注。

圖3 基于模態交換的自補償原理Fig.3 Principle of self-compensation based on mode exchange

5 結論

圓柱殼體振動陀螺的結構形式雖然出現已久，但隨著材料和加工技術的不斷進步，其煥發出了新的活力。近10年以來，面對日益增長的軍事、航天需求，圓柱殼體振動陀螺正朝著高精度化、小型化及低成本化的方向發展。在具有較小體積的同時， 制造0.1（°）/h以下的高性能圓柱殼體振動陀螺，正成為一個發展趨勢。

圓柱殼體振動陀螺是振動陀螺中的一類重要分支，已被證實具有精度高、體積小、穩定性好、抗沖擊性能強等突出優點，具有良好的市場應用前景。開展針對圓柱殼體振動陀螺的技術研究，對提高我國慣性導航領域的自主研發與創新能力具有實際意義。