CN118032015B - 一种提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法，涉及半球谐振陀螺技术领域。其中，该方法包括：将驱动泵浦信号施加于半球谐振陀螺仪；比对驱动泵浦信号的频率以及输出信号的频率，以及在驱动泵浦信号的频率与输出信号的频率之间的差值满足第一预设条件的情况下，将驱动泵浦信号的相位调整至预设区间；对输出信号以及驱动泵浦信号进行解调，结合半球谐振陀螺仪的激励电极的激励信号，确定半球谐振陀螺仪的参考品质因数；在参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数满足第三预设条件的情况下，确定完成对半球谐振陀螺仪的实时品质因数的提升。本申请实现了对半球谐振陀螺仪的实时品质因数的提升。

Description

一种提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法。

背景技术

经典的陀螺是利用高速旋转的质量所具有的定轴性和进动性而制成的，依据主要原理是角动量守恒。这类陀螺在构造上存在转子和框架支承因而对陀螺造成各种附加误差。为了避免活动部件及机械摩擦导致的附加误差，新型的如光学陀螺、谐振陀螺和压电晶体陀螺应运而生。其中谐振陀螺以其独特的优点越来越受到人们的重视，半球谐振陀螺出现于20世纪60年代才出现的一种新型陀螺。与传统的机械陀螺和光学陀螺相比，半球谐振陀螺具有结构上无高速转子、无活动部件，不需要预热，启动时间短；能承受大的机动过载，具有很强的抗冲击能力，且谐振子材料通常为石英玻璃，其稳定的物理特性使得它具有很高的可靠性和超长的寿命，高品质的石英谐振子具有高Q值的特点，即使驱动电极发生故障，高品质石英振子的半球谐振陀螺仍可保持20分钟以上的工作时间；同时石英玻璃具有本征抗辐射能力，所以半球谐振陀螺常用于空间航天器的定姿与导航以及军事导航中。

品质因数是谐振式微陀螺仪的重要性能指标，反映了谐振器的能量在一个周期内的损耗情况，用以表征谐振结构的阻尼特性。一般而言，MEMS谐振结构的主要阻尼项包括热弹性阻尼、支撑损耗以及空气阻尼等，主要由谐振结构的结构形状、模态振型、运动状态及封装工艺而决定。因此，对于实际工作在某一特定模态下的谐振结构，其品质因数特性是由谐振结构工作特性和设计加工阶段所共同决定的。现有解决方案，主要是通过优化结构设计和高真空封装工艺的方式，对陀螺仪谐振结构的阻尼项进行抑制，提升品质因数，但是对于已加工完成的陀螺仪谐振结构缺乏有效的品质因数提升手段。

基于此，提出一种提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法是非常有意义的。

发明内容

本发明目的在于提供一种提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法，以解决上述技术问题。

本申请提供了一种提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法，包括：将驱动泵浦信号施加于半球谐振陀螺仪，其中，上述驱动泵浦信号对应的驱动泵浦参数基于参数放大效应设置；以预设采样频率采样得到上述半球谐振陀螺仪的输出信号；比对上述驱动泵浦信号的频率以及上述输出信号的频率，以及在上述驱动泵浦信号的频率与上述输出信号的频率之间的差值满足第一预设条件的情况下，将上述驱动泵浦信号的相位调整至预设区间，直至上述半球谐振陀螺仪的振动幅值满足第二预设条件；对上述输出信号以及上述驱动泵浦信号进行解调，结合上述半球谐振陀螺仪的激励电极的激励信号，确定上述半球谐振陀螺仪的参考品质因数；在上述参考品质因数和上述半球谐振陀螺仪的实时品质因数满足第三预设条件的情况下，确定完成对上述半球谐振陀螺仪的上述实时品质因数的提升。

进一步地，上述半球谐振陀螺仪的上述实时品质因数基于以下方式得到：计算上述驱动泵浦信号的衰减时间常数；对上述输出信号以及上述驱动泵浦信号进行解调，结合上述衰减时间常数，确定上述半球谐振陀螺仪的上述实时品质因数。

进一步地，上述激励电极的激励信号施加于上述半球谐振陀螺仪的内边缘。

进一步地，在上述参考品质因数和上述半球谐振陀螺仪的实时品质因数不满足上述第三预设条件的情况下，对上述驱动泵浦参数进行调整。

进一步地，上述预设采样频率为500KHz至2MHz。

进一步地，上述激励电极的激励信号的频率为以下中的至少一种：耦合模态之和、倍频、次频以及频率边带。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供的提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法可以将驱动泵浦信号施加于半球谐振陀螺仪后，比对驱动泵浦信号的频率以及输出信号的频率，以及在驱动泵浦信号的频率与输出信号的频率之间的差值满足第一预设条件的情况下，将驱动泵浦信号的相位调整至预设区间，直至半球谐振陀螺仪的振动幅值满足第二预设条件，对输出信号以及驱动泵浦信号进行解调，结合半球谐振陀螺仪的激励电极的激励信号，确定半球谐振陀螺仪的参考品质因数；在参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数满足第三预设条件的情况下，确定完成对半球谐振陀螺仪的实时品质因数的提升，从而实现对半球谐振陀螺仪的实时品质因数的提升，进而提升半球谐振陀螺仪的整体性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为根据本申请实施例的一种可选的提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

半球谐振陀螺是一种极具发展前景的新型高精度陀螺，其优点在于：体积小，精度高，功耗低，可靠性高，启动时间短，机械部件结构简单，工作温度范围大，抗电离辐射能力强，对线性过载不敏感，断电时稳定性好，制造半球谐振陀螺时可以实现自动化生产等，此外，半球谐振陀螺还具有较长的寿命，有关资料表明:半球谐振陀螺可以连续工作15年以上并保持所要求的性能，因此被公认为是最长寿命的陀螺。

半球谐振陀螺仪是一种哥氏振动陀螺仪，与传统的机械陀螺仪相比，它在结构上不存在高速转子和活动支承，稳定性好、精度高、体积小、噪声低、分辨力高、寿命长、可靠性高，并具有抗核辐射等功能，因此将在惯性技术领域有广阔的应用前景。其关键振动部件谐振子由高品质的熔融石英玻璃材料，经过复杂的加工工序制造而成。在大多数工序中，谐振子的Ｑ值都会受到不同程度的影响，而Ｑ值的不稳定将会导致陀螺仪的精度受到影响。随着半球谐振陀螺仪在航空航天领域的应用日趋广泛，其精度受到越来越多的关注。造成其误差的主要因素是陀螺仪的制造工艺误差，比如：半球谐振子的质量不均匀，应力不均匀，品质因数不均匀，薄壳厚度不均匀等。

模态耦合效应是MEMS谐振结构中一种独特的非线性振动现象，谐振器不同的模态之间不再相互独立，而是相互关联在一起，任一模态的状态发生改变都会影响其它模态的特性。谐振器同阶模态以及不同阶模态之间的耦合效应可以对谐振器的工作模态进行动力学操控，通过改变激励电压的幅值或者施加泵浦信号的形式，可以调节各模态之间的能量交互，进一步提升其品质因数，降低其量子噪声，从而提升微机械谐振器的精度。

可选地，作为一种可选的实施方式，如图1所示，本申请提供的提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法包括：

S101，将驱动泵浦信号施加于半球谐振陀螺仪，其中，驱动泵浦信号对应的驱动泵浦参数基于参数放大效应设置；

S102，以预设采样频率采样得到半球谐振陀螺仪的输出信号；

S103，比对驱动泵浦信号的频率以及输出信号的频率，以及在驱动泵浦信号的频率与输出信号的频率之间的差值满足第一预设条件的情况下，将驱动泵浦信号的相位调整至预设区间，直至半球谐振陀螺仪的振动幅值满足第二预设条件；

S104，对输出信号以及驱动泵浦信号进行解调，结合半球谐振陀螺仪的激励电极的激励信号，确定半球谐振陀螺仪的参考品质因数；

在本申请的一些实施例中，输出信号是应对半球谐振陀螺仪固有谐振频率测试信号的输出信号，所述测试信号是按照一个设定时间长度向半球谐振陀螺仪仪施加的振动信号，设定时间长度通常为3秒，衰减时间常数与震动强度的大小无关，为了便于采样，可以设定一个驱动强度，例如10V电压输出的驱动震动强度。其中，采样频率可以选择驱动泵浦信号的设定频率，采样时间可以根据采样频率来设定。

可选地，作为一种可选的实施方式，激励电极的激励信号的频率为以下中的至少一种：耦合模态之和、倍频、次频以及频率边带。参数激励是通过在谐振子周围的环形电极施加交变激励电压实现的，电压的频率与谐振子二阶固有频率相同，它的功能是通过给谐振子不断补充能量，使径向振动位移始终处于某一谐振状态。

S105，在参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数满足第三预设条件的情况下，确定完成对半球谐振陀螺仪的实时品质因数的提升。

在本申请的一些实施例中，当在半球谐振陀螺仪的内边缘施加激励电极的激励信号时，由于半球谐振陀螺仪不同模态之间的内部耦合效应，***纵模态在固有角频率附近的能量增强，品质因数增大。通过边缘激励，可以提升半球谐振陀螺仪的品质因数，从而提升陀螺的机械灵敏度。可选地，驱动泵浦信号的频率与输出信号的频率之间的差值满足第一预设条件可以包括但不限于驱动泵浦信号的频率与输出信号的频率之间的差值小于2MHz。应理解，上述2MHz仅为示例，本申请实施例对其具体数值不作任何限定。对半球谐振陀螺仪的驱动泵浦信号进行分析，可以得到半球谐振陀螺仪在驱动模态下的振动幅值，半球谐振陀螺仪的振动幅值满足第二预设条件可以包括但不限于半球谐振陀螺仪的振动幅值小于10m/s²P。应理解，上述10m/s²P仅为示例，本申请实施例对其具体数值不作任何限定。

在本申请的一些实施例中，可以将驱动泵浦信号作为激励信号激励谐振子，传感器检测到谐振子的输出信号并对输出信号进行分析，得到谐振子的幅频响应曲线，使用步进电机控制转台带动谐振子转动，并且每隔预设角度，测量并分析出幅频响应曲线，进而得到半球谐振陀螺仪的品质因数，根据转动的角度和品质因数的关系获得谐振子的品质因数的圆周分布曲线。参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数满足第三预设条件可以包括但不限于参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数的差值小于预设差值。在参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数的差值小于预设差值的情况下，谐振子修调后的品质因数随圆周分布较均匀，可以有效提升半球谐振陀螺仪的实时品质因数。

基于本申请提供的实施例，可以将驱动泵浦信号施加于半球谐振陀螺仪后，比对驱动泵浦信号的频率以及输出信号的频率，以及在驱动泵浦信号的频率与输出信号的频率之间的差值满足第一预设条件的情况下，将驱动泵浦信号的相位调整至预设区间，直至半球谐振陀螺仪的振动幅值满足第二预设条件，对输出信号以及驱动泵浦信号进行解调，结合半球谐振陀螺仪的激励电极的激励信号，确定半球谐振陀螺仪的参考品质因数；在参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数满足第三预设条件的情况下，确定完成对半球谐振陀螺仪的实时品质因数的提升，从而实现对半球谐振陀螺仪的实时品质因数的提升，进而提升半球谐振陀螺仪的整体性能。

可选地，作为一种可选的实施方式，半球谐振陀螺仪的实时品质因数基于以下方式得到：计算驱动泵浦信号的衰减时间常数；对输出信号以及驱动泵浦信号进行解调，结合衰减时间常数，确定半球谐振陀螺仪的实时品质因数。

可选地，作为一种可选的实施方式，激励电极的激励信号施加于半球谐振陀螺仪的内边缘。

可选地，作为一种可选的实施方式，在参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数不满足第三预设条件的情况下，对驱动泵浦参数进行调整。

可选地，作为一种可选的实施方式，预设采样频率为500KHz至2MHz。在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

需要说明的是，对于前述的各实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法，其特征在于，包括：

将驱动泵浦信号施加于半球谐振陀螺仪，其中，所述驱动泵浦信号对应的驱动泵浦参数基于参数放大效应设置；

以预设采样频率采样得到所述半球谐振陀螺仪的输出信号；

比对所述驱动泵浦信号的频率以及所述输出信号的频率，以及在所述驱动泵浦信号的频率与所述输出信号的频率之间的差值满足第一预设条件的情况下，将所述驱动泵浦信号的相位调整至预设区间，直至所述半球谐振陀螺仪的振动幅值满足第二预设条件；

对所述输出信号以及所述驱动泵浦信号进行解调，结合所述半球谐振陀螺仪的激励电极的激励信号，确定所述半球谐振陀螺仪的参考品质因数；

在所述参考品质因数和所述半球谐振陀螺仪的实时品质因数满足第三预设条件的情况下，确定完成对所述半球谐振陀螺仪的所述实时品质因数的提升；

其中，第一预设条件包括但不限于驱动泵浦信号的频率与输出信号的频率之间的差值小于2MHz；第二预设条件包括但不限于半球谐振陀螺仪的振动幅值小于10m/s²P；第三预设条件包括但不限于参考品质因数和半球谐振陀螺仪的实时品质因数的差值小于预设差值；

所述半球谐振陀螺仪的所述实时品质因数基于以下方式得到：

计算所述驱动泵浦信号的衰减时间常数；

对所述输出信号以及所述驱动泵浦信号进行解调，结合所述衰减时间常数，确定所述半球谐振陀螺仪的所述实时品质因数。

2.根据权利要求1所述的提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法，其特征在于，

所述激励电极的激励信号施加于所述半球谐振陀螺仪的内边缘。

3.根据权利要求1所述的提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法，其特征在于，

在所述参考品质因数和所述半球谐振陀螺仪的实时品质因数不满足所述第三预设条件的情况下，对所述驱动泵浦参数进行调整。

4.根据权利要求1所述的提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法，其特征在于，

所述预设采样频率为500KHz至2MHz。

5.根据权利要求1所述的提升半球谐振陀螺仪品质因数的方法，其特征在于，

所述激励电极的激励信号的频率为以下中的至少一种：耦合模态之和、倍频、次频以及频率边带。