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        金屬振動陀螺諧振子性能參數(shù)的分析與研究

        2019-08-29 02:34:12譚文躍
        壓電與聲光 2019年4期
        關(guān)鍵詞:諧振子性能參數(shù)陀螺

        楊 柳,楊 勇,余 波,譚文躍,方 針

        (中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

        0 引言

        金屬振動陀螺不同于傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺和基于薩格納克效應(yīng)的光學(xué)陀螺,它是一種全固態(tài)哥氏振動陀螺,主要優(yōu)勢在于其成本低,體積小,功耗低,性能穩(wěn)定,響應(yīng)快速,抗振動沖擊,無轉(zhuǎn)動部件且可瞬時(shí)啟動,因而在制導(dǎo)武器、汽車、導(dǎo)航、機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

        陀螺儀的技術(shù)狀態(tài)和水平是制約慣性系統(tǒng)發(fā)展的核心[1],為提高金屬振動陀螺的性能,眾多學(xué)者開展了相關(guān)理論的建模與分析[2]、低成本化[3]、工藝、諧振子材料機(jī)理等的研究,結(jié)果表明,金屬振動陀螺的性能與諧振子所選材料的屬性有關(guān)。近年來,隨著金屬振動陀螺的不斷深入研究,已取得了長足的發(fā)展與進(jìn)步[4]。

        本文概述了金屬振動陀螺的工作原理、諧振子的設(shè)計(jì)、制作到成型裝配要求。基于金屬振動陀螺性能參數(shù)要求。重點(diǎn)研究諧振子的材料特性及制作過程中的熱處理工藝,分析了它們對金屬諧振子性能參數(shù)的影響。

        1 金屬陀螺結(jié)構(gòu)說明

        金屬振動陀螺主要由基座、諧振子和外罩3部分組成(見圖1)?;c外罩焊接,將諧振子密封在真空中。薄壁金屬圓柱體的諧振子作為陀螺傳感器使用,諧振子的底部均勻分布8個(gè)圓孔,壓電片粘接在諧振子底部的8個(gè)圓孔之間,作為8個(gè)等間距電極,用來激勵和測試諧振子的振動,并提取用于振動幅度穩(wěn)定、相位跟蹤誤差、頻率差異等的控制信號。而諧振子底部的圓孔是用來對壓電片定位的。諧振子由標(biāo)準(zhǔn)螺釘固定在基座上。

        圖1 金屬CVG陀螺裝配單元

        2 諧振子性能參數(shù)的損耗

        由于設(shè)備和加工工藝的誤差,實(shí)際的諧振子和理想的對稱形狀總存在一些偏差,易導(dǎo)致諧振子在運(yùn)動過程中能量損耗[5],對陀螺的噪聲和穩(wěn)定性等性能產(chǎn)生影響。其中諧振子的性能參數(shù)損耗為

        1/Q∑=1/Qin+1/Qenv+1/Qfix+1/Qot

        (1)

        式中:1/Qin為由制作諧振子和確定品質(zhì)因數(shù) (Q)值極限的材料屬性引起的內(nèi)部損耗;1/Qenv為由外部環(huán)境影響引起的損耗;1/Qfix為由諧振子圓周不對稱和底部固定差異引起的損耗;1/Qot為其他方面的損耗。

        為減小諧振子的損耗,1/Qenv、1/Qfix、1/Qot可以采取相應(yīng)的措施減小甚至消除。而內(nèi)部損耗1/Qin與所選材料的屬性有關(guān),主要由諧振子材料的選擇及其熱處理決定。為提高金屬諧振子陀螺的整體性能,希望選用Q值較高,性能參數(shù)穩(wěn)定性較好,線膨脹系數(shù)較低,同時(shí)在受熱環(huán)境中參數(shù)變化線性度高的材料。當(dāng)然,某單一材質(zhì)的材料基本達(dá)不到這種要求,需選用符合要求的低阻尼合金材料,減小金屬諧振子材料的內(nèi)在損耗。

        3 諧振子性能參數(shù)的分析研究

        3.1 諧振子材料的優(yōu)化選擇

        金屬諧振子CVG性能指標(biāo)除了通過采用器件真空封裝技術(shù)和電路控制補(bǔ)償技術(shù)等得到提高外,有必要選用高穩(wěn)定性、高Q值材料,以減小溫度漂移和控制信號的不穩(wěn)定性。

        現(xiàn)代冶金技術(shù)創(chuàng)造了大量特殊的合金,能提供溫度變化時(shí)合金參數(shù)的高穩(wěn)定性,高Q值和受熱過程中參數(shù)變化的高線性度。由于金屬元素鎳、鈷、鉬、鈦對改善金屬諧振子主要參數(shù)各具特性,成為金屬諧振子材料不可或缺的元素成分。對不同金屬元素不同含量的合金,其Q值、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)性能也有較大的差別,如Ni-SPAN-C合金902合金的線膨脹系數(shù)約為5×10-6℃-1。45NiCrTi合金和摻雜Co和Mo的其他合金具有更低的線膨脹系數(shù),同時(shí)在受熱過程中參數(shù)線性度更好。用這種合金制成的諧振子Q值在大氣壓下超過10 000~20 000,真空中高2~3倍。針對諧振子金屬材料性能,列出Q值較高、線膨脹系數(shù)較小的幾種合金的性能參數(shù)(見表1)。表中,合金材料是純度較高的特殊合金。

        表1 幾種合金的性能參數(shù)

        由表1可知,從優(yōu)化材料的選擇,提高陀螺的穩(wěn)定性和Q,馬氏體時(shí)效鋼3J33和摻雜Co和Mo的NiTi合金較其他幾種材料性能優(yōu)越。

        3.2 金屬諧振子的熱處理優(yōu)化

        對金屬振動陀螺在恒溫和-40~+50 ℃內(nèi)進(jìn)行測試,結(jié)果顯示,-40~+50 ℃與恒溫性能相比,隨機(jī)游走系數(shù)為2倍,零偏穩(wěn)定性是6倍,這是因?yàn)閭鞲衅鲏弘娫肼暤脑黾雍椭C振子Q值改變的緣故。減小壓電噪聲可選用溫度穩(wěn)定性好的壓電材料,而諧振子Q值的改變,主要原因是諧振子材料對熱處理敏感,要想獲高Q值,就必須謹(jǐn)慎對待熱處理工藝。摻雜Co和Mo的NiTi合金和馬氏體時(shí)效鋼3J33的Q值相差不大,通過熱處理工藝,其Q值可超過30 000。

        對馬氏體時(shí)效鋼3J33制作的諧振子進(jìn)行熱處理工藝研究,通過高溫固溶處理法消除材料的帶狀組織,分別選擇不同的固溶溫度(800 ℃、900 ℃、1 050 ℃、1 150 ℃),均保溫1 h,以確定在不同溫度下材料的帶狀組織是否消除(見圖2)。

        圖2 不同固溶溫度下金相組織

        由圖2可知,溫度升高到900 ℃時(shí),帶狀組織明顯減少,在1 050 ℃,帶狀組織基本消除,對時(shí)效過程中金屬間化合物的均勻彌散析出提供了較好的條件。而根據(jù)諧振子在真空中的Q值較常溫高2~3倍。選擇在950 ℃×1 h+575 ℃×3 h,真空度在10-3Pa的條件下進(jìn)行熱處理,以提高諧振子材料的力學(xué)性能穩(wěn)定性。

        4 結(jié)束語

        選擇馬氏體時(shí)效鋼3J33對金屬振動陀螺諧振子的性能參數(shù)優(yōu)化有較好的效果,其Q值超過20 000。目前金屬振動陀螺研究在諧振子階段取得較大的突破,下一步需要繼續(xù)完善熱處理工藝和優(yōu)化材料選擇,使Q值可超過30 000,線膨脹系數(shù)更低,以進(jìn)一步提高金屬陀螺的性能。

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