基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法

摘要

本发明公开了一种基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，基于装置实现，装置包括真空腔室、相机、谐振子特性参数辨识模组和电荷施加模组；谐振子特性参数辨识模组包括安装基座、精密旋转台、谐振子夹持座、电极基座、石英圆柱谐振子、侧支撑板和叉指电极；电荷施加模组包括Y轴位移台、Z轴位移台、L形安装座、电荷释放器，Y轴位移台安装于所述真空腔室上，Z轴位移台可升降的安装于Y轴位移台上，L形安装座设于Z轴位移台上，电荷释放器设于L形安装座的中央安装孔中。本发明具有不会对谐振子造成损伤、不会降低谐振子的品质因数、修调精度高、修调可逆等重要优点。

权利要求

1.一种基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，其特征在于，该方法基于装置实现，装置包括真空腔室、相机、谐振子特性参数辨识模组和电荷施加模组；所述谐振子特性参数辨识模组包括安装基座、精密旋转台、谐振子夹持座、电极基座、石英圆柱谐振子、侧支撑板和叉指电极，所述安装基座安装于真空腔室的内侧，所述精密旋转台安装于所述安装基座上，所述谐振子夹持座可滑动的安装于所述精密旋转台上，所述电极基座通过侧支撑板与精密旋转台连接，所述电极基座上设有可供所述谐振子夹持座穿过的通孔，所述电极基座上均匀的设有四对叉指电极，所述石英圆柱谐振子通过内部支撑柱与谐振子夹持座连接；所述电荷施加模组包括Y轴位移台、Z轴位移台、L形安装座、电荷释放器，所述Y轴位移台安装于所述真空腔室上，所述Z轴位移台可升降的安装于Y轴位移台上，所述L形安装座设于所述Z轴位移台上，所述电荷释放器设于L形安装座的中央安装孔中；所述相机用于观察真空腔室内部，以及用于观察叉指电极与石英圆柱谐振子唇沿之间的间隙；

方法包括以下步骤：

S1、将石英圆柱谐振子安装到谐振子夹持座上；

S2、调整相机的焦距和观察点，使得石英圆柱谐振子靠近电荷释放器的一侧位于视场中央；

S3、通过Z轴位移台调整L形安装座的Z向位置，使得叉指电极与石英圆柱谐振子唇沿的间隙达到预设值，并设置第一叉指电极对与X轴平行；

S4、调整电荷释放器的安装位置，使电荷释放器与Y轴平行并与石英圆柱谐振子中心共线；

S5、分别在第一、第二叉指电极对上施加激励信号，在第三、四叉指电极对上检测石英圆柱谐振子的振动信号，根据振动信号解算出石英圆柱谐振子高频轴相对于第一叉指电极对的角度 高频轴的频率ωH、低频轴的频率ωL；

S6、将步骤S5中测量得到的数据代入以下公式，计算所需要附加的平衡质量mt；

其中，a为谐振子的中面半径，ρ为材料密度，h为谐振子的壁厚，n为谐振子的工作模式数；

S7、将步骤S6中计算得到的平衡质量mt、谐振子工作时的高压U代入以下公式，计算得到需要附加的电荷量Q；

S8、旋转所述石英圆柱谐振子，将石英圆柱谐振子的高频轴对准电荷释放器，控制Y轴位移台，使电荷释放器朝向石英圆柱谐振子运动，通过相机实时观察电荷释放器尖端与石英圆柱谐振子的距离，使电荷释放器尖端与石英圆柱谐振子侧壁接触距离在设定范围内；

S9、启动电荷释放器，对所述石英圆柱谐振子外部边缘位置附加Q/4的电荷，驱动所述电荷释放器脱离石英圆柱谐振子，令所述石英圆柱谐振子旋转90度，再重复S8，直到完成所有四个位置的电荷附加；

S10、重复步骤S5‑S9，根据残余的频率裂解，对附加电荷量进行调整以达到要求的频率裂解。

2.根据权利要求1所述的基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，其特征在于，所述相机设于真空腔室的内侧或外侧。

3.根据权利要求2所述的基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，其特征在于，所述相机为CMOS型高分辨相机。

4.根据权利要求1所述的基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，其特征在于，所述石英圆柱谐振子的外表面为磨砂面。

5.根据权利要求1所述的基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，其特征在于，所述叉指电极采用极紫外飞秒激光刻蚀制成，与所述侧支撑板正对的叉指电极为第一叉指电极对，沿所述电极基座顺时针方向分别为第二、第三和第四叉指电极对。

6.根据权利要求1所述的基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，其特征在于，所述侧支撑板的下方设有安装通孔，所述侧支撑板通过安装通孔沿着Z轴移动的安装在所述精密旋转台上。

7.根据权利要求1所述的基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，其特征在于，所述精密旋转台、Y轴位移台、Z轴位移台均采用低放气率材料制成。

8.根据权利要求1所述的基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，其特征在于，所述真空腔室放置于精密隔振平台上。

说明书

基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法

技术领域

[0001] 本发明涉及振动陀螺技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法。

背景技术

[0002] 哥氏振动陀螺(CVG)是一种基于科里奥利效应的固态波动陀螺，主要由谐振子、检测电极座、激励电极座、真空陀螺腔体以及控制电路组成。谐振子工作在n＝2或者n＝3的对称模式，其上的振动形成一个稳定的驻波。当外界角速率输入时，由于科里奥利效应的作用，谐振子上驻波的转动会以一个固定的比例落后于外界的角速率。通过实时检测驻波的位置便可得到外界输入的角速率。

[0003] 哥氏振动陀螺由于不含有活动部件，具有远高于动力调谐陀螺的使用寿命和长期精度稳定性。与基于萨格纳克效应的激光陀螺相比，哥氏振动陀螺的精度不受谐振子尺寸的影响，减小谐振子尺寸在原理上并不会降低哥氏振动陀螺的精度。哥氏振动陀螺的精度主要由谐振子的品质因数和频率裂解决定。通过采用熔融石英等极低损耗的材料，可以使谐振子的品质因数高达2000万以上。但是加工过程中不可避免地会产生谐振子的亚表层损伤、圆度误差、同轴度误差等，这些缺陷的存在使得谐振子的n＝2工作模式产生两个互成45°的固有轴系。根据加工缺陷的大小，沿这两个固有轴系的固有频率会存在几赫兹到几十毫赫兹的差异，该频率差异即为频率裂解。频率裂解的存在会极大地降低哥氏振动陀螺的精度。

[0004] 目前，一般通过在谐振子的特定位置采用激光刻蚀、化学刻蚀或者离子束刻蚀的方法去除一定质量来减小频率裂解。受到较低的质量去除精度以及没有完全适用平衡模型的影响，在采用去除质量的方法来减小频率裂解，容易导致频率裂解比平衡之前更大，平衡过程常常是往复曲折的，进而使得哥氏振动陀螺调平的时间成本大大增加。同时，不准确的质量去除位置和去除质量会使得谐振子品质因数的下降，导致哥氏振动陀螺的精度下降。因此，基于现有的谐振子平衡技术，难以将频率裂解降低到1mHz以下。而零偏稳定性优于万分之五的哥氏振动陀螺要求谐振子的频率裂解必须低于0.2mHz。因此，如何更加精密和无损的平衡谐振子的缺陷，是亟需解决的。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0007] 一种基于附加电荷的石英圆柱谐振子的精密平衡装置，包括真空腔室、相机、谐振子特性参数辨识模组和电荷施加模组；所述谐振子特性参数辨识模组包括安装基座、精密旋转台、谐振子夹持座、电极基座、石英圆柱谐振子、侧支撑板和叉指电极，所述安装基座安装于真空腔室的内侧，所述精密旋转台安装于所述安装基座上，所述谐振子夹持座可滑动的安装于所述精密旋转台上，所述电极基座通过侧支撑板与精密旋转台连接，所述电极基座上设有可供所述谐振子夹持座穿过的通孔，所述电极基座上均匀的设有四对叉指电极，所述石英圆柱谐振子通过内部支撑柱与谐振子夹持座连接；所述电荷施加模组包括Y轴位移台、Z轴位移台、L形安装座、电荷释放器，所述Y轴位移台安装于所述真空腔室上，所述Z轴位移台可升降的安装于Y轴位移台上，所述L形安装座设于所述Z轴位移台上，所述电荷释放器设于L形安装座的中央安装孔中；所述相机用于观察真空腔室内部，以及用于观察叉指电极与石英圆柱谐振子唇沿之间的间隙。

[0008] 进一步地，所述相机设于真空腔室的内侧或外侧。

[0009] 进一步地，所述相机为CMOS型高分辨相机。

[0010] 进一步地，所述石英圆柱谐振子的外表面为磨砂面。

[0011] 进一步地，所述叉指电极采用极紫外飞秒激光刻蚀制成，与所述侧支撑板正对的叉指电极为第一叉指电极对，沿所述电极基座顺时针方向分别为第二、第三和第四叉指电极对。

[0012] 进一步地，所述侧支撑板的下方设有安装通孔，所述侧支撑板通过安装通孔沿着Z轴移动的安装在所述精密旋转台上。

[0013] 进一步地，所述精密旋转台、Y轴位移台、Z轴位移台均采用低放气率材料制成。

[0014] 进一步地，所述真空腔室放置于精密隔振平台上。

[0015] 本发明还提供一种根据上述基于附加电荷的石英圆柱谐振子的精密平衡装置的方法，包括以下步骤：

[0016] S1、将石英圆柱谐振子安装到谐振子夹持座上；

[0017] S2、调整相机的焦距和观察点，使得石英圆柱谐振子靠近电荷释放器的一侧位于视场中央；

[0018] S3、通过Z轴位移台调整L形安装座的Z向位置，使得叉指电极与石英圆柱谐振子唇沿的间隙达到预设值，并设置第一叉指电极对与X轴平行；

[0019] S4、调整电荷释放器的安装位置，使电荷释放器与Y轴平行并与石英圆柱谐振子中心共线；

[0020] S5、分别在第一、第二叉指电极对上施加激励信号，在第三、四叉指电极对上检测石英圆柱谐振子的振动信号，根据振动信号解算出石英圆柱谐振子高频轴相对于第一叉指电极对的角度 高频轴的频率ωH、低频轴的频率ωL；

[0021] S6、将步骤S5中测量得到的数据代入以下公式，计算所需要附加的平衡质量mt；

[0022]

[0023]

[0024] 其中，a为谐振子的中面半径，ρ为材料密度，h为谐振子的壁厚，n为谐振子的工作模式数；

[0025] S7、将步骤S6中计算得到的平衡质量mt、谐振子工作时的高压U代入以下公式，计算得到需要附加的电荷量Q；

[0026]

[0027] S8、旋转所述石英圆柱谐振子，将石英圆柱谐振子的高频轴对准电荷释放器，控制Y轴位移台，使电荷释放器朝向石英圆柱谐振子运动，通过相机实时观察电荷释放器尖端与石英圆柱谐振子的距离，使电荷释放器尖端与石英圆柱谐振子侧壁接触距离在设定范围内；

[0028] S9、启动电荷释放器，对所述石英圆柱谐振子外部边缘位置附加Q/4的电荷，驱动所述电荷释放器脱离石英圆柱谐振子，令所述石英圆柱谐振子旋转90度，再重复S8，直到完成所有四个位置的电荷附加；

[0029] S10、重复步骤S5‑S9，根据残余的频率裂解，对附加电荷量进行调整以达到要求的频率裂解。

[0030] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0031] 1、本发明提出的增加等效质量来进行质量平衡的方式，具有不会对谐振子造成损伤，不会降低谐振子的品质因数重要优点。

[0032] 2、与传统的基于激光刻蚀、离子束刻蚀来去除质量以及基于薄膜沉积来增加质量等不可逆的平衡方式相比，本发明提出的基于附加电荷的平衡方式，可以通过电荷中和来移除部分甚至全部的附加电荷，使谐振子恢复到平衡前的状态，具有谐振子状态可逆的优点。

[0033] 3、本发明提出的附加电荷的平衡方式，由于附加电荷在物理模型中更加接近于理想质量点模型，能够更好地符合平衡理论中的理想质量点假设，达到了与平衡理论的完美契合。

附图说明

[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0035] 图1是本发明基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡装置的结构图。

[0036] 图2是本发明中谐振子特性参数辨识模组的结构图。

[0037] 图3是本发明中电荷施加模组的结构图。

[0038] 图4是本发明中电极基座及电极分布结构图。

[0039] 图5是本发明基于附加电荷的石英圆柱谐振子的平衡方法的流程图。

[0040] 图中：真空腔室100、相机200、谐振子特性参数辨识模组300、电荷施加模组400、安装基座301、精密旋转台302、谐振子夹持座303、电极基座304、石英圆柱谐振子305、侧支撑板306、叉指电极307、Y轴位移台401、Z轴位移台402、L形安装座403、电荷释放器404。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

[0042] 参阅图2‑图5，本实施例公开了一种基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡装置，包括真空腔室100、相机200、谐振子特性参数辨识模组300和电荷施加模组400。

[0043] 具体的，所述谐振子特性参数辨识模组300包括安装基座301、精密旋转台302、谐振子夹持座303、电极基座304、石英圆柱谐振子305、侧支撑板306和叉指电极307，所述安装基座301安装于真空腔室100的内侧，具体为，安装基座301通过螺纹孔与所述真空腔室100下方的安装孔连接，设置安装基座301时，要保证安装基座上表面与水平面平行。所述精密旋转台302安装于所述安装基座301上，安装基座301上设有螺纹孔，用于安装精密旋转台302，所述谐振子夹持座303可滑动的安装于所述精密旋转台302上，使谐振子夹持座303可X、Y向移动。所述电极基座304通过侧支撑板306与精密旋转台302连接，所述电极基座304上设有可供所述谐振子夹持座303穿过的通孔，所述电极基座304上均匀的设有四对叉指电极
307，所述石英圆柱谐振子305通过内部支撑柱与谐振子夹持座303连接。

[0044] 作为优选，所述石英圆柱谐振子305的外表面为磨砂面，以增加电荷附着力和提高电荷存储能力。

[0045] 作为优选，所述侧支撑板306下方设有安装通孔，可在Z向微小移动地安装在精密旋转台302上，安装石英圆柱谐振子305后，微小设置侧支撑板306的Z向高度，使得叉指电极与石英圆柱谐振子唇沿之间的距离为20‑100微米。

[0046] 作为优选，电极基座304上与侧支撑板306正对的叉指电极对为第一叉指电极对，沿顺时针方向，分别设有第二、三、四叉指电极对。所述第一叉指电极对为0度方位角，沿顺时针方向为正方向。

[0047] 具体的，所述电荷施加模组400包括Y轴位移台401、Z轴位移台402、L形安装座403、电荷释放器404，所述Y轴位移台401通过下方安装孔安装于所述真空腔室100上，安装时，通过微小调整安装孔的固定位置，使得Y轴位移台的中轴面与谐振子的中轴面重合。

[0048] 所述Z轴位移台402可升降的安装于Y轴位移台401上，Z轴位移台402可沿着Z方向升高或者下降。所述L形安装座403设于所述Z轴位移台402上，两者通过螺纹孔连接，所述电荷释放器404设于L形安装座403的中央安装孔中；电荷释放器404的尖端距离L形安装座50mm，相关的控制电缆通过真空腔室100上的馈通法兰与外部控制器相连。控制Y轴位移台
401，使电荷释放器404缓慢靠近石英圆柱谐振子305，调整电荷释放器尖端的方位角，使其与石英圆柱谐振子305的外壁相切。

[0049] 具体的，所述相机200用于观察真空腔室100内部，以及用于观察叉指电极307与石英圆柱谐振子305唇沿之间的间隙，当相机200位于真空腔室100内部时，将其固定在真空腔室100内部上方，相机200亦可置于真空腔室100之外，并通过玻璃窗观察内部情况，以提高真空获取的速度，同时在调节叉指电极307与石英圆柱谐振子唇沿之间的距离时，可将高分辨相机设置于真空腔室的正前方，以精确观察叉指电极307与石英圆柱谐振子唇沿之间的间隙。

[0050] 作为优选，所述相机200为CMOS型，有效像素为2500万，用于精确观察电荷释放器尖端与谐振子的距离；所述Y轴位移台401、Z轴位移台402均采用高精度伺服电机驱动，实现电荷释放器空间位置的精确控制。

[0051] 作为优选，所述精密旋转台302、Y轴位移台401、Z轴位移台402均由低放气率材料制成，以提高真空获取的速度。

[0052] 作为优选，整个附加电荷的平衡过程需在洁净环境中进行，以避免电荷释放器放电部分受到沾染。

[0053] 作为优选，所述真空腔室100置于精密隔振平台上，以减小环境振动对平衡过程的影响。平衡过程的真空度优于0.01Pa。

[0054] 结合图5所示，本发明还提供一种基于附加电荷的石英圆柱谐振子的平衡方法，包括以下步骤：

[0055] S1、将安装基座301连接到真空腔室100中，将石英圆柱谐振子305安装到谐振子夹持座303上，并对谐振子夹持座303的X、Y位置进行微调。

[0056] S2、调整相机200的焦距和观察点，使得石英圆柱谐振子305靠近电荷释放器404的一侧位于视场中央；

[0057] S3、通过Z轴位移台402调整L形安装座403的Z向位置，使得叉指电极307与石英圆柱谐振子305唇沿的间隙达到预设值(即最优值，可以根据需要进行设定)，并设置第一叉指电极对与X轴平行，在本实施例中，石英圆柱谐振子的外径为26mm、壁厚为1mm。

[0058] S4、调整电荷释放器404的安装位置，使电荷释放器404与Y轴平行并与石英圆柱谐振子305中心共线，并通过Z轴位移台升高电荷释放器的高度，使电荷释放器的尖端比石英圆柱谐振子的唇沿高1mm。

[0059] S5、分别在第一、第二叉指电极对上施加激励信号，在第三、四叉指电极对上检测石英圆柱谐振子305的振动信号，根据振动信号解算出石英圆柱谐振子305高频轴相对于第一叉指电极对的角度 高频轴的频率ωH、低频轴的频率ωL；在本实施例中谐振子已预先采用离子束平衡，其残余频率裂解低于1.5mHz，通过振动信号解算得到高频轴相对于第一叉指电极对的角度 为36度、高频轴的频率ωH为5436.2589Hz、低频轴的频率ωL为5436.2581Hz、初始频率裂解为0.8mHz。

[0060] S6、将步骤S5中测量得到的数据代入以下公式，计算所需要附加的平衡质量mt；

[0061]

[0062]

[0063] 其中，a为谐振子的中面半径，ρ为材料密度，h为谐振子的壁厚，n为谐振子的工作模式数；

[0064] 本实施例中，谐振子的中面半径a为12.75mm，材料密度ρ为2000kg/m3，谐振子的壁厚h为1mm，为谐振子的工作模式数n为2，计算得到需要附加的平衡质量mt为0.365μg。

[0065] S7、将步骤S6中计算得到的平衡质量mt、谐振子工作时的高压U代入以下公式，计算得到需要附加的电荷量Q；

[0066]

[0067] 在本实施例中，谐振子工作时的高压U为100V，因此得到需要附加的电荷量Q为‑113.57*10 C。

[0068] S8、旋转所述石英圆柱谐振子305，将石英圆柱谐振子305的高频轴对准电荷释放器404，控制Y轴位移台401，使电荷释放器404朝向石英圆柱谐振子305运动，通过相机200实时观察电荷释放器404尖端与石英圆柱谐振子305的距离，当电荷释放器的尖端距离谐振子约为5mm时，降低Y轴位移台的运动速度，缓慢移动电荷释放器404，使电荷释放器404尖端与石英圆柱谐振子305侧壁接触距离在设定范围内(可以为轻微接触)。

[0069] S9、启动电荷释放器404，对所述石英圆柱谐振子305外部边缘位置附加Q/4的电荷，驱动所述电荷释放器404脱离石英圆柱谐振子305，令所述石英圆柱谐振子305旋转90度，再重复S8，直到完成所有四个位置的电荷附加，在本实施例中，放电时间为7.2s。

[0070] S10、重复步骤S5‑S9，根据残余的频率裂解，对附加电荷量进行调整以达到要求的频率裂解，在本实施例中，通过2次附加电荷后，谐振子的频率裂解为0.07mHz。

[0071] 本发明提出的增加等效质量来进行质量平衡的方式，具有不会对谐振子造成损伤，不会降低谐振子的品质因数重要优点。

[0072] 与传统的基于激光刻蚀、离子束刻蚀来去除质量以及基于薄膜沉积来增加质量等不可逆的平衡方式相比，本发明提出的基于附加电荷的平衡方式，可以通过电荷中和来移除部分甚至全部的附加电荷，使谐振子恢复到平衡前的状态，具有谐振子状态可逆的优点。

[0073] 本发明提出的附加电荷的平衡方式，由于附加电荷在物理模型中更加接近于理想质量点模型，能够更好地符合平衡理论中的理想质量点假设，达到了与平衡理论的完美契合。

[0074] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。