半球諧振陀螺快速啟動技術研究

方海斌，雷 霆，卜繼軍，周 強，韓世川

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060；2.固態慣性技術重慶市工程實驗室，重慶 400060)

0 引言

半球諧振陀螺作為一種新型的哥氏振動陀螺，在海陸空天各領域有著廣泛的應用前景。在工程化應用中，快速啟動能力是一個非常重要的指標，關系到裝備平臺能否快速投入使用。因此，研究半球諧振陀螺的快速啟動技術具有重要的工程意義。

1 半球陀螺輸出的影響因素分析

半球諧振陀螺的輸出可表示為

Uout=Kω+k1D1+k2D2+k3D3+…+

knDn

(1)

式中：Uout為陀螺輸出；ω為外界輸入角速率；K為陀螺標度因數；D1,D2,D3,…,Dn分別為誤差源1,2,3,…,n；k1，k2，k3,…，kn分別為誤差源1，2，3,…，n對陀螺輸出的影響系數。

理想情況下，半球陀螺的輸出值只與陀螺角速率成正比，然而由于制造誤差和電控誤差的存在，實際陀螺的輸出中包含了各種干擾源的影響，如式(1)中的D1、D2、D3、…、Dn，各干擾源影響陀螺輸出的系數為k1、k2、k3、…、kn。式(1)中的k1D1+k2D2+k3D3+…+knDn為陀螺的零偏。如果零偏是一個不隨環境和時間因素變化的固定值，則其可作為系統誤差進行精確補償，其本身大小不影響陀螺性能的穩定性。但是干擾源不穩定，易受溫濕度、電磁場、應力場、時間等因素的影響，經過系數k1、k2、k3、…、kn，最終影響陀螺的輸出，從而使陀螺輸出易受環境和時間因素的影響，給陀螺帶來啟動時間長(即開機很長時間才能達到標稱精度)、零偏穩定性差等問題。因此，半球陀螺儀未經補償的原始零偏越小越好，此時表示影響陀螺輸出的干擾源最少，陀螺性能也越穩定。

為了分析問題，式(1)對模型做了簡化，實際的輸出模型比式(1)更復雜。半球陀螺通電工作后，自身的某些特性及干擾源隨時間增加而出現緩慢的變化。這些因素通過某些通道影響了陀螺的輸出，表現為陀螺需經過一段時間的預熱才能達到穩定。自身隨開機時間變化的因素包括諧振頻率、品質因數(Q)值及其分布、裝配精度等。干擾源隨開機時間變化的因素包括電源波動、環境溫濕度、外界震動、噪聲等。因此，若要提高陀螺的快速啟動性能，首先需要找出對陀螺輸出存在顯著影響且易受環境和時間影響的干擾源，然后通過加工裝配工藝、控制或補償方案上的優化，降低這些因素對陀螺輸出的影響，從而達到縮短啟動時間的目的。

1.1 Q值特性的影響

由于加工缺陷的存在，諧振子的Q值存在各向異性，其隨時間、溫度等外界環境變化而變化，從而會留下較大的殘余誤差，該誤差引起的系統漂移在駐波方位角上成正弦分布。Q值分布對陀螺零偏的影響如圖1所示。Q值各向異性引起的零位誤差隨時間累積，造成了陀螺零偏及穩定性指標的惡化，且此誤差無法從根源上進行消除[1]。

諧振子加工過程中，由于材料的脆性和局部機械載荷的影響，磨削玻璃表面時會損壞原有玻璃表面狀態，表現為裂縫或缺口，同時加工使用的冷卻液滲透到已產生的裂縫中，形成復雜的表面缺陷層。去除諧振子缺陷層可以獲得較高的Q值，同時降低諧振子表面粗糙度，最終獲得高性能的諧振子。

1.2 裝配的影響

由于半球諧振子與激勵罩和檢測基座的球面間隙很小，安裝間隙的不對稱直接影響激勵極和檢測極間的電容值，在系統誤差中表現為陀螺輸出的檢測信號的相位誤差和信號的幅度誤差。這需要設計制作高精度的專用裝配夾具，在裝配過程中采用對稱檢測方法以保證安裝間隙的均勻性，使陀螺的裝配精度滿足設計要求。

由于制造誤差的存在，實際半球陀螺的諧振子是非理想的諧振子，圖2中Qmax為Q值最大軸，Qmin為Q值最小軸，fmax為頻率最大軸，fmin為頻率最小軸，θ1為頻率最小軸的角度，θ2為Q值最小軸的角度。在半球陀螺精密裝配時，Q值最大軸的尋找和對準對陀螺敏感器性能有很大的影響。用測試夾具配合測試電路找出諧振子的Q值最大軸，并旋轉激勵電極對準該軸，同時保證周向間隙均勻性。

球面間隙均勻性是導致駐波檢測誤差和控制施力不對稱偏差的主要原因，也是半球諧振陀螺的系統漂移的來源[2]。

1.3 溫度的影響

溫度的變化會影響半球諧振陀螺的輸出，因此有必要對半球諧振陀螺進行溫度漂移補償。當溫度改變時，半球諧振陀螺諧振子的密度、楊氏模量、泊松比等材料屬性會發生相應改變，同時由于溫度造成的熱脹冷縮效應，使諧振子的半徑、壁厚等形狀參數發生改變。諧振子的這些物理特性伴隨溫度變化而發生改變，從而引起陀螺數學模型的改變[1]。因此需要在器件級建立一套補償機制，盡可能地減少因溫度效應帶來的模型變化而引起的控制結果的改變，減小因驅動控制和檢測對溫度敏感而引起的零偏穩定性的惡化。

1.4 信號干擾的影響

半球陀螺工作時采用靜電控制，其控制信號為高壓信號，檢測信號則為微弱信號。采用三件套結構的半球陀螺，鍍膜后的諧振子可在陀螺表頭端起到激勵和檢測信號之間屏蔽的作用。然而在信號傳輸通道中，仍然要注意處理好控制信號對檢測信號的干擾問題，否則容易對陀螺快速啟動性能和零偏穩定性產生不利的影響。

半球陀螺緩沖信號提取的模型如圖3所示。諧振子內表面與讀出電極之間形成電容，高壓加到振子內表面，讀出電極接入緩沖放大器。諧振子的物理振動引起電容量的變化，形成微弱的充放電電流[3]。緩沖電路的功能是I-V轉換和放大。微弱電流的檢測及放大的關鍵在于降低漏電流及運放的偏置電流對讀出信號的影響。采用同軸等電位的方式優化讀出電極與屏蔽電極的連接來降低漏電流對讀出電流的影響。在緩沖電路PCB的設計上，對關鍵微弱電流的路徑采取隔離屏蔽的方式，降低運放偏置電流對讀出信號的影響。

設計控制回路中陀螺內部電極結構，降低控制環路的耦合，提高控制精度。優化讀出電極的互聯方案和信號的引出方法，減小電極間、電極與機殼地間的寄生電容和電感，減小信號間的竄擾和耦合，提高檢測信號的精度、減小控制信號的失真與干擾等，從而提升陀螺的快速啟動性能。

2 改進措施及效果

通過以上分析，提升陀螺快速啟動性能的主要途徑有提高半球陀螺諧振子的Q值均勻性，提高裝配的間隙均勻性，以及Q值軸與激勵電極的對準精度，優化微弱信號處理技術與工藝。溫度補償技術對陀螺快速啟動有一定幫助，但前提是能準確建立零偏受溫度影響的誤差模型，同時應盡量減小陀螺的原始零偏。

為了驗證改進措施的有效性，采用如下措施制造了半球陀螺樣機。

1)優化機械加工化學方法，降低缺陷層深度，通過化學腐蝕進一步去除缺陷層，將Q值均勻性提升2倍。

2)采用精確的電容檢測手段和微位移控制方法，使Q值最大軸對準幅度控制電極，同時控制陀螺球面間隙均勻性提高1倍。

3)優化信號傳輸設計及工藝，對檢測信號加強屏蔽處理，降低控制信號及環境電磁干擾對檢測信號的影響。冷開機情況下，改進前后陀螺的典型輸出和零偏穩定性對比如圖4、5所示。由圖4、5可以看出，改進前，陀螺從通電到輸出穩定(零偏穩定性達到0.02(°)/h。約需1.6 h；改進后，陀螺通電進入工作狀態，即基本達到輸出穩定(零偏穩定性達到0.02(°)/h)，時間在3 min以內。

對于零偏穩定性0.02(°)/h左右的半球諧振陀螺快速啟動，可以不考慮進行溫度補償。對于精度更高的半球諧振陀螺的快速啟動，增加溫度補償對其有一定的效果。

3 結束語

提升半球諧振陀螺的快速啟動性能，首先應該降低陀螺的原始零偏，對于無法消除的部分，再考慮誤差建模進行補償。通過對陀螺諧振子加工、精密裝配、微弱信號處理技術和工藝的優化，顯著提升了半球陀螺的快速啟動性能。實測結果表明，改進后陀螺可在3 min內達到輸出穩定，相較于改進前1 h的預熱時間有顯著提升，證明了改進的有效性，具有重要的工程意義。