劉 奎，蔣軍彪，芶志平，劉立達(dá)

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065；2 中國(guó)電子科技集團(tuán)第26研究所，重慶 400060；3 河南北方紅陽(yáng)機(jī)電有限公司，河南 南陽(yáng) 473000)

0 引言

石英音叉陀螺的振動(dòng)元件是一個(gè)雙端音叉結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)音叉被激勵(lì)以其自然頻率左右振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)元件繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，音叉受到哥氏力的作用產(chǎn)生一個(gè)垂直于音叉平面的振動(dòng)，這個(gè)哥氏力運(yùn)動(dòng)傳遞到讀出音叉，使讀出音叉垂直于音叉平面振動(dòng)。讀出音叉振動(dòng)的幅度正比于驅(qū)動(dòng)音叉運(yùn)動(dòng)的速度和外加角速度，通過(guò)制作在該音叉上的電極來(lái)檢測(cè)，被檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、同步檢波和濾波得到一個(gè)正比于輸入角速度的直流電壓輸出，原理框圖如圖1所示。

圖1 石英音叉陀螺工作原理

石英音叉陀螺主要包括敏感器件、電路以及結(jié)構(gòu)3個(gè)部分。石英音叉陀螺的敏感器件采用石英晶體，經(jīng)定向切割、雙面研磨、拋光成為石英晶片，然后，通過(guò)MEMS加工工藝制作成敏感芯片，敏感芯片再與外殼經(jīng)芯片鍵合及引線(xiàn)鍵合完成整個(gè)敏感器件的制作。

敏感芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)石英微機(jī)械陀螺的靈敏度和穩(wěn)定性起關(guān)鍵性作用，如圖2所示。

圖2 高靈敏度X型敏感芯片

敏感芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)不合適，會(huì)引起不同振動(dòng)模式之間的耦合誤差，信號(hào)的輸出噪聲大；激勵(lì)和檢測(cè)端的頻率間隔不合適，可能造成石英音叉陀螺的靈敏度很低，或者靈敏度很高，噪聲又很大；敏感芯片的安裝區(qū)必須位于結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，否則容易造成能量損失，影響石英音叉陀螺的穩(wěn)定性。因此，需要設(shè)計(jì)合理的敏感芯片外形結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)工藝條件和試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)出大工藝容差的高靈敏度芯片結(jié)構(gòu)，從而滿(mǎn)足性能指標(biāo)的要求。

氣動(dòng)舵機(jī)分為冷氣式和燃?xì)馐絻煞N。冷氣式舵機(jī)采用高壓冷氣瓶中儲(chǔ)存的高壓氣體(空氣、氮?dú)饣蚝?作為氣源；燃?xì)馐蕉鏅C(jī)采用固體燃料燃燒后所產(chǎn)生的氣體作為氣源。

氣動(dòng)舵機(jī)發(fā)展較早，由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、消耗彈上能源少、對(duì)污染不甚敏感等優(yōu)點(diǎn)，因此，至今仍有較高的使用價(jià)值。氣動(dòng)舵機(jī)最大的缺點(diǎn)是氣體的可壓縮性限制了它的快速性和負(fù)載剛度的提高。尤其是高速開(kāi)關(guān)電磁閥技術(shù)和脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，使小型氣動(dòng)舵機(jī)的應(yīng)用向前邁進(jìn)了一大步。脈寬調(diào)制利用頻率較高的載波信號(hào)對(duì)緩變的輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將其轉(zhuǎn)變成一系列頻率與載波信號(hào)相同、幅值恒定、占空比與輸入信號(hào)成比例的信號(hào)。將此信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大后控制負(fù)載。

繼20世紀(jì)50年代美國(guó)斯佩里公司研制成功音叉振動(dòng)陀螺之后，世界上很多國(guó)家的大學(xué)和公司都開(kāi)始從事石英音叉陀螺的研制工作。其軍事應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到海、陸、空、天等各類(lèi)穩(wěn)定系統(tǒng)(通訊衛(wèi)星天線(xiàn)、光學(xué)瞄準(zhǔn)、導(dǎo)引頭)、控制系統(tǒng)(飛行控制器、姿態(tài)阻尼器)、制導(dǎo)系統(tǒng)(彈藥和無(wú)人機(jī)制導(dǎo))等，將其體積小、重量輕、可靠性高、可大批量制造的特點(diǎn)發(fā)揮的淋漓盡致。針對(duì)彈體姿態(tài)測(cè)量控制要求中突出的抗沖擊和振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)能力的研究是工程化應(yīng)用石英音叉陀螺的關(guān)鍵，因此，文中針對(duì)已經(jīng)在某型航空制導(dǎo)火箭項(xiàng)目中定型的石英音叉陀螺工程案列，分析研究特定氣動(dòng)舵機(jī)影響下的石英音叉陀螺零位輸出狀態(tài)，為工程化應(yīng)用石英音叉陀螺探索并指明提升環(huán)境適應(yīng)能力的方向。

1 有源振動(dòng)條件下陀螺輸出狀態(tài)

驅(qū)動(dòng)音叉和讀出音叉的固有頻率分別為和，其差值Δ=-。理想情況下，靜態(tài)時(shí)讀出音叉無(wú)振動(dòng)，DC輸出為零。因加工誤差等因素，靜態(tài)時(shí)讀出音叉有一定的耦合振動(dòng)，輸出的信號(hào)稱(chēng)為交流零位。理論上交流零位與哥氏信號(hào)正交，通過(guò)同步解調(diào)和濾波后可以消除。但實(shí)際上交流零位還包含有其他相位的成分(設(shè)其為)，在同步解調(diào)和濾波后產(chǎn)生直流零位，在幅度固定的情況下，通過(guò)偏置電路可以消除直流零位，使DC輸出為標(biāo)稱(chēng)零位電壓值。

讀出音叉的Q值較低，使其頻率-增益曲線(xiàn)具有一定的緩度。哥氏信號(hào)的頻率與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，即驅(qū)動(dòng)頻率越接近讀出頻率，敏感器件的檢測(cè)靈敏度越高。為保證工作穩(wěn)定并具有一定的帶寬，需要驅(qū)動(dòng)音叉和讀出音叉有一定的頻率差Δ。

當(dāng)陀螺產(chǎn)品處于力學(xué)振動(dòng)環(huán)境中，力學(xué)振動(dòng)頻率將疊加在驅(qū)動(dòng)音叉上，使驅(qū)動(dòng)音叉的振動(dòng)中包含+的頻率，該頻率在讀出音叉上產(chǎn)生的耦合振動(dòng)，同樣具有非正交成分。力學(xué)振動(dòng)頻率越接近頻差值Δ，的幅度越大，直流零位的變化越大。當(dāng)=Δ時(shí)，驅(qū)動(dòng)音叉的振動(dòng)中將包含+Δ=即讀出音叉的固有頻率，讀出音叉增益達(dá)到極大值，直流零位的變化量也達(dá)到最大值。

陀螺產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中有減振結(jié)構(gòu)，具備一定的隔離外部力學(xué)振動(dòng)的能力。但外部力學(xué)振動(dòng)頻率接近或等于敏感器件的頻差值，且振動(dòng)量級(jí)較大時(shí)，仍可能使陀螺產(chǎn)品輸出產(chǎn)生異常。在陀螺產(chǎn)品減振結(jié)構(gòu)完全相同，忽略敏感器件安裝方向偏差的情況下，外部力學(xué)振動(dòng)的方向與驅(qū)動(dòng)音叉振動(dòng)方向相同時(shí)，陀螺產(chǎn)品輸出異常情況最嚴(yán)重。

由于在非制導(dǎo)彈藥改造過(guò)程中和大部分彈藥制導(dǎo)化研制中，無(wú)法為陀螺儀創(chuàng)造類(lèi)似于慣導(dǎo)系統(tǒng)的安裝環(huán)境和匹配地位，因此陀螺儀安裝于實(shí)際工作載體后，存在發(fā)動(dòng)機(jī)、舵機(jī)等有源振動(dòng)源頻率互相干涉的問(wèn)題，同時(shí)彈體設(shè)計(jì)通常會(huì)要求陀螺儀必須適應(yīng)彈體實(shí)際已經(jīng)存在且無(wú)法改進(jìn)的振動(dòng)環(huán)境。在氣動(dòng)舵機(jī)電磁閥啟動(dòng)狀態(tài)下，電磁閥自帶的180 Hz±1 Hz確定頻率及其倍頻對(duì)部分陀螺的輸出噪聲帶上疊加有低頻調(diào)制信號(hào)，同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率多為隨機(jī)頻譜，在陀螺儀研制過(guò)程中已經(jīng)完成其針對(duì)性驗(yàn)證，只因舵機(jī)定頻及其倍頻幅度大且不可濾除，故而影響石英音叉陀螺儀正常使用。

2 陀螺零位輸出狀態(tài)分析

利用HP35670A動(dòng)態(tài)分析儀對(duì)多種內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(比較器的輸出)和讀出信號(hào)(解調(diào)前的前級(jí)放大器輸出)進(jìn)行頻譜分析。

取掃描頻率范圍=驅(qū)動(dòng)頻率±400 Hz進(jìn)行測(cè)試。靜態(tài)下(載體未振動(dòng)時(shí))驅(qū)動(dòng)頻譜見(jiàn)圖3。驅(qū)動(dòng)信號(hào)1、2和3的峰值點(diǎn)分別為11.348 kHz、11.120 kHz和11.307 kHz，幅度大致相同。

圖3 靜態(tài)下驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻譜

當(dāng)載體在180 Hz振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，以同樣頻率范圍測(cè)試的頻譜見(jiàn)圖4。圖中顯示出在180 Hz振動(dòng)狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)信號(hào)均出現(xiàn)了有規(guī)律的頻率成分，經(jīng)計(jì)算這些頻率成分為180 Hz振動(dòng)的高次諧波。取頻率范圍=驅(qū)動(dòng)頻率±50 Hz后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2中可清晰地分辨出接近驅(qū)動(dòng)頻率的諧波(見(jiàn)圖5)。

圖4 180 Hz振動(dòng)下驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻譜

圖5 180 Hz振動(dòng)下驅(qū)動(dòng)信號(hào)的展寬頻譜

由此可以確定載體振動(dòng)將在驅(qū)動(dòng)音叉上產(chǎn)生高次諧波，其頻率與陀螺輸出中的低頻波動(dòng)頻率具有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)電路原理，讀出信號(hào)經(jīng)相敏解調(diào)和低通濾波等電路處理后，驅(qū)動(dòng)頻率±50 Hz以外的信號(hào)將被濾除。陀螺的輸出信號(hào)主要取決于讀出音叉的振動(dòng)。讀出信號(hào)中產(chǎn)生的載體振動(dòng)的高次諧波成分，可能來(lái)自驅(qū)動(dòng)音叉——讀出音叉的傳遞模式，也有可能來(lái)自載體振動(dòng)對(duì)讀出音叉的直接作用，或兩者共同作用。

根據(jù)電路原理，讀出信號(hào)經(jīng)后級(jí)電路處理后，驅(qū)動(dòng)頻率轉(zhuǎn)變?yōu)橥勇葺敵鲂盘?hào)的直流成分，諧波頻率在陀螺輸出中將產(chǎn)生低頻交流成分，頻率為驅(qū)動(dòng)與諧波的差值。載體振動(dòng)的高次諧波是造成陀螺輸出異常的主要原因。

3 問(wèn)題解決方法和驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)上述分析結(jié)果，對(duì)陀螺輸出產(chǎn)生低頻波動(dòng)的異?，F(xiàn)象，應(yīng)該從兩個(gè)方面解決：第一是提高陀螺的敏感器件對(duì)外界振動(dòng)的抑制能力；第二是使陀螺敏感器件的驅(qū)動(dòng)頻率避開(kāi)載體振動(dòng)的高次諧波頻率。

3.1 提高敏感器件對(duì)外界振動(dòng)的抑制能力

首先，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真分析，排除固有頻率接近敏感器件驅(qū)動(dòng)頻率和讀出頻率的可能。

其次，根據(jù)載體頻率合理確定敏感器件的驅(qū)動(dòng)頻率，為陀螺裝配時(shí)合理選擇提供方便，避免驅(qū)動(dòng)頻率接近載體振動(dòng)高次諧波頻率。

為研究敏感器件固有頻率，使用了COMSOL下固體力學(xué)模塊，對(duì)敏感器件進(jìn)行了建模和仿真，仿真結(jié)果如表1所示，其中驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率為11 299 Hz，敏感模態(tài)頻率為12 955 Hz。

表1 敏感器件模態(tài)頻率表

3.2 合理選取敏感器件的驅(qū)動(dòng)頻率以避開(kāi)載體振動(dòng)高次諧波頻率

為使敏感器件驅(qū)動(dòng)頻率避開(kāi)載體振動(dòng)高次諧波頻率，需要掌握具體的載體振動(dòng)頻率以及其分散情況?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算對(duì)敏感器件的驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行選取，以避免陀螺輸出中可能出現(xiàn)的低頻波動(dòng)。陀螺敏感器件的驅(qū)動(dòng)頻率一般在10 880～11 720 Hz，考慮計(jì)算需要的余量后，選取驅(qū)動(dòng)頻率范圍為10 700～11 900 Hz。載體振動(dòng)頻率范圍越寬、諧波倍次越高，其占據(jù)的頻率資源越多，扣除預(yù)留的間隔頻率后，可供選擇的敏感器件驅(qū)動(dòng)頻率范圍越小，甚至不存在。由此可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)于載體振動(dòng)頻率的分散性，如果分散性較大，則無(wú)法獲得批次性的敏感器件驅(qū)動(dòng)頻率選取數(shù)據(jù)。

假設(shè)載體振動(dòng)頻率范圍是175～185 Hz，根據(jù)載體實(shí)際特性，可分辨頻率值0.01～0.1 Hz。驅(qū)動(dòng)信號(hào)1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)2對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率分別為：11.307 kHz、11.348 kHz，將試驗(yàn)的振動(dòng)頻率和理論波動(dòng)頻率列于表2。

表2 試驗(yàn)振動(dòng)頻率取值 單位：Hz

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

按表2數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，各陀螺輸出信號(hào)波形見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 驅(qū)動(dòng)信號(hào)1在各振動(dòng)頻率下的輸出波形

圖7 驅(qū)動(dòng)信號(hào)2在各振動(dòng)頻率下的輸出波形

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。需要說(shuō)明的是，對(duì)U1在各振動(dòng)頻率點(diǎn)測(cè)試時(shí)，同時(shí)測(cè)試了U2的輸出；對(duì)U2在各振動(dòng)頻率點(diǎn)測(cè)試時(shí)，也同時(shí)測(cè)試了U1的輸出。根據(jù)結(jié)果，各路陀螺的輸出在表3所列頻率點(diǎn)外均無(wú)低頻波動(dòng)現(xiàn)象。

表3 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

為驗(yàn)證載體頻率對(duì)石英音叉陀螺儀的驅(qū)動(dòng)頻率的影響，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證。首先表2中有明顯現(xiàn)象的陀螺儀和無(wú)明顯現(xiàn)象的陀螺儀在振動(dòng)臺(tái)上同時(shí)安裝，將振動(dòng)傳感器安裝在產(chǎn)品頂蓋上，對(duì)陀螺儀進(jìn)行20～8 000 Hz掃頻試驗(yàn)，陀螺儀輸出曲線(xiàn)如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，有明顯頻率干擾的陀螺儀輸出在特征干擾頻率(180 Hz載體倍頻)時(shí)陀螺儀的零位輸出異常尖峰很大，但是在計(jì)算條件下沒(méi)有明顯頻率干擾的陀螺儀產(chǎn)品零位輸出基本正常。

圖8 陀螺儀與載體倍頻干擾時(shí)的零位輸出

圖9 陀螺儀與載體頻率無(wú)干擾時(shí)的零位輸出

為研究載體振動(dòng)頻率對(duì)石英音叉陀螺儀產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的原因，進(jìn)行振動(dòng)仿真測(cè)試。仿真主要使用了COMSOL有限元軟件下固體力學(xué)模塊。將敏感器件分為兩組，其中一組于錨點(diǎn)處添加180 Hz載體振動(dòng)頻率。兩組同時(shí)將驅(qū)動(dòng)力以載荷的方式附加于驅(qū)動(dòng)音叉，對(duì)陀螺結(jié)構(gòu)進(jìn)行20～8 000 Hz掃頻仿真。根據(jù)壓電陀螺原理，將敏感音叉最大位移替代陀螺輸出電壓作為仿真結(jié)果輸出。仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 載體倍頻干擾下的敏感音叉零位位移輸出

圖11 無(wú)載體倍頻干擾下的敏感音叉零位位移輸出

從圖中可以看出，比較之下載體倍頻干擾下敏感音叉異常位移響應(yīng)尖峰明顯擴(kuò)大。由此可以判斷載體倍頻干擾下陀螺儀的零位輸出異常尖峰擴(kuò)大原因?yàn)檩d體倍頻干擾下敏感音叉于驅(qū)動(dòng)頻率異常位移響應(yīng)擴(kuò)大。

為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際情況，將175 Hz±0.5 Hz載體工作時(shí)的真實(shí)振動(dòng)曲線(xiàn)作為輸入條件對(duì)上述兩只陀螺儀產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)，陀螺儀零位輸出曲線(xiàn)如圖12、圖13所示。從圖中可以看出，當(dāng)載體和陀螺儀同時(shí)正常工作時(shí)，不進(jìn)行頻率匹配的陀螺儀零位輸出隨振動(dòng)時(shí)間增加對(duì)載體頻率及其倍頻敏感度逐漸增加，進(jìn)行了頻率篩選的陀螺儀零位輸出數(shù)據(jù)正常。

圖12 陀螺儀未進(jìn)行頻率匹配時(shí)輸出的故障曲線(xiàn)

圖13 陀螺儀進(jìn)行頻率匹配后輸出的正常曲線(xiàn)

4 結(jié)論

針對(duì)石英音叉陀螺儀在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的受載體振動(dòng)頻率激發(fā)輸出不正常的故障現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)理論分析石英音叉陀螺儀工作機(jī)理，研究了外界安裝環(huán)境對(duì)石英音叉陀螺儀在振動(dòng)條件下工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)頻率影響方式。對(duì)石英音叉陀螺儀在不同驅(qū)動(dòng)頻率下對(duì)不同載體頻率及其倍頻的影響進(jìn)行了對(duì)比分析和振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：石英音叉陀螺儀驅(qū)動(dòng)頻率受到載體基頻及其倍頻的影響較大，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)需要綜合考慮載體可能存在的共振頻率及其倍頻，在石英音叉陀螺儀驅(qū)動(dòng)頻率及其頻差選擇和載體基頻及其倍頻選取時(shí)達(dá)到平衡。研究成果具有廣泛的代表性和一致性，為石英音叉陀螺儀針對(duì)制導(dǎo)彈藥彈上環(huán)境適應(yīng)能力匹配性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了明確的研究方向，具有指導(dǎo)意義。