一种针对半球谐振子的质量调平系统及质量调平方法技术方案

本公开涉及一种针对半球谐振子的质量调平系统及质量调平方法，所述系统包括：激励模块用于激励待调平的半球谐振子产生振动；激光干涉仪包括至少两个检测探头，至少两个检测探头用于采集半球谐振子的至少两个位置的振动信息；离子束刻蚀模块，用于使用离子束对半球谐振子进行刻蚀；控制模块用于根据半球谐振子在振动衰减过程中的至少两个位置的振动信息，确定半球谐振子的振动主轴的方位以及频率裂解的大小；根据半球谐振子的振动主轴的方位以及频率裂解的大小，控制离子束刻蚀模块使用离子束对半球谐振子进行刻蚀，以实现对半球谐振子的质量调平

【技术实现步骤摘要】
一种针对半球谐振子的质量调平系统及质量调平方法


[0001]本公开涉及振动陀螺
，尤其涉及一种针对半球谐振子的质量调平系统及质量调平方法
。

技术介绍

[0002]半球谐振陀螺
(Hemispherical resonator gyroscope)
是一种测量角速率或者姿态角的惯性传感器，具有结构简单
、
精度高
、
寿命长
、
可靠性高等突出优点，被广泛应用于诸如深空探测
、
卫星测姿以及舰艇导航等多种场景
。
半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件，其性能决定了陀螺的最终性能
。
熔融石英玻璃热膨胀率低，具有各向同性
、
品质因数高等优点，通常被用于制作高性能的半球谐振子
。
为保证半球谐振陀螺具有较高的性能，半球谐振子应具有很小的频率裂解，即两个工作模态的谐振频率差较小
。
然而，熔融石英是一种易碎材料，受目前的加工精度
、
残余应力等多种非理想因素的影响，会导致加工出来的石英谐振子存在各向刚度异性以及质量分布不均匀等情况，从而产生较大的频率裂解，引起半球谐振陀螺产生零偏漂移问题
。
其中，半球谐振子在振动时将产生两个互成
45
°
的固有轴系，又称振动主轴
(Principle axis)
，半球谐振子沿两个振动主轴振动时振动频率分别为
ω1和
ω2，二者之差的绝对值被称为频率裂解
。
[0003]现有技术中，可以采用以下几种方案消除频率裂解：
(1)
静电调谐，例如，
2020
年国防科技大学公开了一种基于静电力调谐的频率裂解消除方法，采用在特定的模态调谐电极施加电压，通过产生静电负刚度来调节模态谐振频率，从而减小或消除频率裂解，但是控制电路以及电极的噪声会引入额外的零偏误差，降低陀螺性能
。(2)
质量调平，此方法可以从根本上消除频率裂解而不引入额外的调谐控制结构
。
该方法因效果较好而广泛应用，目前已有多种方案，例如，
2013
年美国佐治亚理工大学公开了一种基于机械修调的频率裂解消除方法，通过机械磨削去除石英谐振子球壳表面多余质量，使两个模态的谐振频率接近，完成质量调平，但该方法中由于机械磨削会产生残余应力，使石英谐振子产生亚表面缺陷层，降低谐振子的品质因数，最终降低陀螺性能指标
。2015
年美国加州大学公开了一种基于激光切除的频率裂解消除方法，通过激光对石英谐振子端面进行切割，去除多余质量，从而完成质量调平，消除频率裂解，但该方法通过高能激光作用在谐振子的局部位置实现材料的蒸发去除，激光照射区域的表面温度会急剧增长至数千摄氏度，激光调平结束后，该区域温度急剧下降，会导致材料内部产生应力，内摩擦增大，进而导致谐振子的品质因数降低
。
另外，由于去除质量和激光调平位置的关系十分复杂，想要精确去除事先计算好的质量非常困难，难以满足高精度半球谐振陀螺的要求
。2018
年国防科技大学公开了一种基于化学刻蚀质量调平的石英谐振子频率裂解消除方法，利用姿态控制夹具将石英谐振子夹持并浸泡于氢氟酸溶液中，通过建立控制浸泡时间与去除质量间的线性模型，可有效的定量消除频率裂解，但该方法受溶液浓度
、
反应温度变化等外部环境因素影响明显，因此仅适用于中等精度的频率裂解修调
。
但以上调平方案均难以实现更高精度的频率裂解修调，即难以实现高精度的质量调平，无法满足高精度半球谐振陀螺的研制需求
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本公开提出了一种针对半球谐振子的质量调平系统及质量调平方法，能够实现更高精度的质量调平，且自动化程度高，同时不会降低半球谐振子的品质因数
。
[0005]根据本公开的一方面，提供了一种针对半球谐振子的质量调平系统，所述系统包括：激励模块，用于激励待调平的半球谐振子产生振动；激光干涉仪，包括至少两个检测探头，所述至少两个检测探头用于采集所述半球谐振子的至少两个位置的振动信息，所述至少两个位置的振动信息包括所述半球谐振子唇沿在圆周方向上至少两个间隔
45
°
的振动位移；离子束刻蚀模块，用于使用离子束对所述半球谐振子进行刻蚀；控制模块，用于：根据所述激光干涉仪采集的所述半球谐振子在振动衰减过程中的所述至少两个位置的振动信息，确定所述半球谐振子的振动主轴的方位以及频率裂解的大小；根据所述半球谐振子的振动主轴的方位以及频率裂解的大小，确定对所述半球谐振子进行刻蚀的多个刻蚀位置以及每个刻蚀位置对应的刻蚀时长；根据所述多个刻蚀位置以及每个刻蚀位置对应的刻蚀时长，控制所述离子束刻蚀模块使用离子束对所述半球谐振子进行刻蚀，以实现对所述半球谐振子的质量调平
。
[0006]在一种可能的实现方式中，所述离子束刻蚀模块包括：离子源
、
中和器以及可移动的离子束挡板；所述离子源用于产生带正电荷的离子束；所述中和器用于产生带负电荷的电子束；所述中和器产生的电子束用于中和所述离子源产生的带正电荷的离子束，以防止离子束中的正电荷在半球谐振子的表面累积；所述离子束挡板包括关闭状态以及打开状态，所述关闭状态用于阻挡离子束射向所述半球谐振子，所述打开状态用于使离子束射向所述半球谐振子；其中，所述离子束挡板初始处于关闭状态且所述离子源以及所述中和器已启动，所述根据所述多个刻蚀位置以及每个刻蚀位置对应的刻蚀时长，控制所述离子束刻蚀模块使用离子束对所述半球谐振子进行刻蚀，包括：针对所述多个刻蚀位置中的第
n
个刻蚀位置，控制所述半球谐振子移动和
/
或转动至所述第
n
个刻蚀位置对应的预定位置，以使所述离子束刻蚀模块产生的离子束能聚焦于所述第
n
个刻蚀位置处，
1≤n≤N
，
N
为所述多个刻蚀位置的总数量；在所述半球谐振子已移动和
/
或转动至所述第
n
个刻蚀位置对应的预定位置的情况下，控制所述离子束挡板从关闭状态移动至打开状态，以使离子束开始对所述第
n
个刻蚀位置进行刻蚀；在离子束已持续刻蚀所述第
n
个刻蚀位置对应的刻蚀时长的情况下，控制所述离子束挡板从打开状态移动至关闭状态，以停止对所述第
n
个刻蚀位置的刻蚀
。
[0007]在一种可能的实现方式中，所述根据所述半球谐振子的振动主轴的方位以及频率裂解的大小，确定待对所述半球谐振子进行刻蚀的多个刻蚀位置以及每个刻蚀位置对应的刻蚀时长，包括：根据所述半球谐振子的振动主轴的方位，确定待对所述半球谐振子表面进行刻蚀的多个刻蚀位置；根据所述半球谐振子的频率裂解的大小以及所述离子束刻蚀模块对应的预设离子束刻蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种针对半球谐振子的质量调平系统，其特征在于，所述系统包括：激励模块，用于激励待调平的半球谐振子产生振动；激光干涉仪，包括至少两个检测探头，所述至少两个检测探头用于采集所述半球谐振子的至少两个位置的振动信息，所述至少两个位置的振动信息包括所述半球谐振子唇沿在圆周方向上至少两个间隔
45
°
的振动位移；离子束刻蚀模块，用于使用离子束对所述半球谐振子进行刻蚀；控制模块，用于：根据所述激光干涉仪采集的所述半球谐振子在振动衰减过程中的所述至少两个位置的振动信息，确定所述半球谐振子的振动主轴的方位以及频率裂解的大小；根据所述半球谐振子的振动主轴的方位以及频率裂解的大小，确定对所述半球谐振子进行刻蚀的多个刻蚀位置以及每个刻蚀位置对应的刻蚀时长；根据所述多个刻蚀位置以及每个刻蚀位置对应的刻蚀时长，控制所述离子束刻蚀模块使用离子束对所述半球谐振子进行刻蚀，以实现对所述半球谐振子的质量调平
。2.
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述离子束刻蚀模块包括：离子源
、
中和器以及可移动的离子束挡板；所述离子源用于产生带正电荷的离子束；所述中和器用于产生带负电荷的电子束；所述中和器产生的电子束用于中和所述离子源产生的带正电荷的离子束，以防止离子束中的正电荷在半球谐振子的表面累积；所述离子束挡板包括关闭状态以及打开状态，所述关闭状态用于阻挡离子束射向所述半球谐振子，所述打开状态用于使离子束射向所述半球谐振子；其中，所述离子束挡板初始处于关闭状态且所述离子源以及所述中和器已启动，所述根据所述多个刻蚀位置以及每个刻蚀位置对应的刻蚀时长，控制所述离子束刻蚀模块使用离子束对所述半球谐振子进行刻蚀，包括：针对所述多个刻蚀位置中的第
n
个刻蚀位置，控制所述半球谐振子移动和
/
或转动至所述第
n
个刻蚀位置对应的预定位置，以使所述离子束刻蚀模块产生的离子束能聚焦于所述第
n
个刻蚀位置处，
1≤n≤N
，
N
为所述多个刻蚀位置的总数量；在所述半球谐振子已移动和
/
或转动至所述第
n
个刻蚀位置对应的预定位置的情况下，控制所述离子束挡板从关闭状态移动至打开状态，以使离子束开始对所述第
n
个刻蚀位置进行刻蚀；在离子束已持续刻蚀所述第
n
个刻蚀位置对应的刻蚀时长的情况下，控制所述离子束挡板从打开状态移动至关闭状态，以停止对所述第
n
个刻蚀位置的刻蚀
。3.
根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述根据所述半球谐振子的振动主轴的方位以及频率裂解的大小，确定对所述半球谐振子进行刻蚀的多个刻蚀位置以及每个刻蚀位置对应的刻蚀时长，包括：根据所述半球谐振子的振动主轴的方位，确定对所述半球谐振子表面进行刻蚀的多个刻蚀位置；根据所述半球谐振子的频率裂解的大小以及所述离子束刻蚀模块对应的预设离子束刻蚀速率，确定总刻蚀时长；根据所述多个刻蚀位置的数量以及所述总刻蚀时长，确定每个刻蚀位置对应的刻蚀时长
。4.
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块还用于：
控制所述激励模块对所述半球谐振子施加与所述半球谐振子的固有频率相同的激励信号，以激励所述半球谐振子产生振动；在所述半球谐振子的振动幅度稳定的情况下，控制所述激励模块断开所述激励信号，以使所述半球谐振子的振动进行自由衰减；控制所述激光干涉仪采集所述半球谐振子在振动衰减过程中的至少两个位置的振动信息
。5.
根据权利要求1或4所述的系统，其特征在于，所述激励模块包括至少一组叉指电极，以及与所述至少一组叉指电极中的每组叉指电极连接的高压放大器；所述高压放大器的输入端与所述控制模块连接，用于放大所述控制模块输出的至少一路激励信号，并将放大后的至少一路激励信号传输至所述至少一组叉指电极，以通过所述至...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嵘，周斌，魏琦，张文明，林志辉，张益楠，顾昊宇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：