方海斌，雷 霆，卜繼軍，周 強(qiáng)，韓世川

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060；2.固態(tài)慣性技術(shù)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在工程化應(yīng)用中，快速啟動能力是一個非常重要的指標(biāo)，關(guān)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(shù)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(biāo)度因數(shù)；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(shù)。

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(shù)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(huán)境和時間因素變化的固定值，則其可作為系統(tǒng)誤差進(jìn)行精確補(bǔ)償，其本身大小不影響陀螺性能的穩(wěn)定性。但是干擾源不穩(wěn)定，易受溫濕度、電磁場、應(yīng)力場、時間等因素的影響，經(jīng)過系數(shù)k1、k2、k3、…、kn，最終影響陀螺的輸出，從而使陀螺輸出易受環(huán)境和時間因素的影響，給陀螺帶來啟動時間長(即開機(jī)很長時間才能達(dá)到標(biāo)稱精度)、零偏穩(wěn)定性差等問題。因此，半球陀螺儀未經(jīng)補(bǔ)償?shù)脑剂闫叫≡胶?，此時表示影響陀螺輸出的干擾源最少，陀螺性能也越穩(wěn)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(fù)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(xiàn)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(xiàn)為陀螺需經(jīng)過一段時間的預(yù)熱才能達(dá)到穩(wěn)定。自身隨開機(jī)時間變化的因素包括諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)(Q)值及其分布、裝配精度等。干擾源隨開機(jī)時間變化的因素包括電源波動、環(huán)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(huán)境和時間影響的干擾源，然后通過加工裝配工藝、控制或補(bǔ)償方案上的優(yōu)化，降低這些因素對陀螺輸出的影響，從而達(dá)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(huán)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(tǒng)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(wěn)定性指標(biāo)的惡化，且此誤差無法從根源上進(jìn)行消除[1]。

諧振子加工過程中，由于材料的脆性和局部機(jī)械載荷的影響，磨削玻璃表面時會損壞原有玻璃表面狀態(tài)，表現(xiàn)為裂縫或缺口，同時加工使用的冷卻液滲透到已產(chǎn)生的裂縫中，形成復(fù)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(tǒng)誤差中表現(xiàn)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(shè)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(shè)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(zhǔn)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(zhuǎn)激勵電極對準(zhǔn)該軸，同時保證周向間隙均勻性。

球面間隙均勻性是導(dǎo)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(tǒng)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(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償。當(dāng)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(fā)生相應(yīng)改變，同時由于溫度造成的熱脹冷縮效應(yīng)，使諧振子的半徑、壁厚等形狀參數(shù)發(fā)生改變。諧振子的這些物理特性伴隨溫度變化而發(fā)生改變，從而引起陀螺數(shù)學(xué)模型的改變[1]。因此需要在器件級建立一套補(bǔ)償機(jī)制，盡可能地減少因溫度效應(yīng)帶來的模型變化而引起的控制結(jié)果的改變，減小因驅(qū)動控制和檢測對溫度敏感而引起的零偏穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(wěn)定性產(chǎn)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(nèi)表面與讀出電極之間形成電容，高壓加到振子內(nèi)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(zhuǎn)換和放大。微弱電流的檢測及放大的關(guān)鍵在于降低漏電流及運(yùn)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(yōu)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(shè)計上，對關(guān)鍵微弱電流的路徑采取隔離屏蔽的方式，降低運(yùn)放偏置電流對讀出信號的影響。

設(shè)計控制回路中陀螺內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)，降低控制環(huán)路的耦合，提高控制精度。優(yōu)化讀出電極的互聯(lián)方案和信號的引出方法，減小電極間、電極與機(jī)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(jìn)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(zhǔn)精度，優(yōu)化微弱信號處理技術(shù)與工藝。溫度補(bǔ)償技術(shù)對陀螺快速啟動有一定幫助，但前提是能準(zhǔn)確建立零偏受溫度影響的誤差模型，同時應(yīng)盡量減小陀螺的原始零偏。

為了驗證改進(jìn)措施的有效性，采用如下措施制造了半球陀螺樣機(jī)。

1)優(yōu)化機(jī)械加工化學(xué)方法，降低缺陷層深度，通過化學(xué)腐蝕進(jìn)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(zhǔn)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(yōu)化信號傳輸設(shè)計及工藝，對檢測信號加強(qiáng)屏蔽處理，降低控制信號及環(huán)境電磁干擾對檢測信號的影響。冷開機(jī)情況下，改進(jìn)前后陀螺的典型輸出和零偏穩(wěn)定性對比如圖4、5所示。由圖4、5可以看出，改進(jìn)前，陀螺從通電到輸出穩(wěn)定(零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.02(°)/h。約需1.6 h；改進(jìn)后，陀螺通電進(jìn)入工作狀態(tài)，即基本達(dá)到輸出穩(wěn)定(零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.02(°)/h)，時間在3 min以內(nèi)。

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

3 結(jié)束語

提升半球諧振陀螺的快速啟動性能，首先應(yīng)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(jìn)行補(bǔ)償。通過對陀螺諧振子加工、精密裝配、微弱信號處理技術(shù)和工藝的優(yōu)化，顯著提升了半球陀螺的快速啟動性能。實測結(jié)果表明，改進(jìn)后陀螺可在3 min內(nèi)達(dá)到輸出穩(wěn)定，相較于改進(jìn)前1 h的預(yù)熱時間有顯著提升，證明了改進(jìn)的有效性，具有重要的工程意義。