[发明专利]一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置

说明书

本发明属于半球谐振陀螺配套检测设备领域，并具体公开了一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其包括真空单元、运动单元、激励单元及数据采集与处理单元，真空单元包括真空腔体，真空腔体的侧壁设有玻璃观察窗口；运动单元和激励单元置于真空腔体中，运动单元用于调节石英半球谐振子的空间姿态与位置，激励单元用于产生瞬态激励以使石英半球谐振子振动；数据采集与处理单元设于真空腔体的玻璃观察窗口的旁侧，用于将测量激光发射至石英半球谐振子表面，并基于接收的反射光信息进行数据处理获得石英半球谐振子的性能参数。本发明可实现高真空环境下的石英半球谐振子性能参数的高精度测量，具有测量精度高、操作简单、可靠性高等优点。

技术领域

本发明属于半球谐振陀螺配套检测设备领域，更具体地，涉及一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置。

背景技术

半球谐振陀螺是基于哥氏振动原理，利用半球壳的径向振动驻波进动效应测量基座旋转，并具有惯导级性能的高精度固体振动陀螺，同时也是通讯卫星、舰船、导弹等国防高端装备中惯导系统的核心器件，对航天器、战术武器的飞行精度和姿态稳定性起着决定性作用。半球谐振陀螺无运动部件，不产生机械损耗，对磁场不敏感，且具有体积小、抗冲击、精度高、寿命长、可靠性高等特点，在武器装备、深空探测、无人驾驶等多个领域具有广泛的应用前景。

半球谐振陀螺通常由半球谐振子、激励罩与检测基座组成，并进行真空封装，降低空气阻尼影响，提高测量精度。半球谐振陀螺的测角原理为：半球谐振子在外界激励下，产生四波腹稳态振动，当无外界角速度输入时，驻波的方位是不变的。当半球谐振子绕中心轴旋转时，由于节点区域的哥氏力作用而产生径向振动，其幅值与输入角速率成正比，即出现了一个相对于主驻波成45°的附加驻波，两个驻波的叠加等价于主驻波转动了一个与输入角速率成比例的角度，通过检测主驻波的旋转角度测量基座的旋转。

半球谐振陀螺的测角方案实质是通过对谐振子振型位置和振幅的测量来实现的，检测电极得到振型信息后再根据半球谐振陀螺的进动理论推算出角度和角速度。半球谐振子是半球谐振陀螺的关键部件，一般采用高品质因数的熔融石英精密加工而成，其品质因数与频差作为其主要性能参数，直接决定了半球谐振陀螺导航系统精度。品质因数也称Q值，是用来表征振动系统能量损耗特征的物理量，指振动系统的总能量与一个周期内损耗能量的比值。品质因数越高，半球谐振子在工作时能量损耗越少，有助于降低半球谐振陀螺输出误差、降低能耗，提高灵敏度。频率裂解是指半球谐振子驱动模态与检测模态之间的频率差。理想的半球谐振子不存在频率裂解，但谐振子在超精密加工过程中，由于加工误差与材料缺陷，诸如材料密度、壁厚与阻尼不均等因素，导致谐振子在工作模态产生互成45°的两个固有轴系，半球谐振子沿这两个轴向的固有频率并不相等，导致半球谐振陀螺出现正交误差，引起信号漂移。半球谐振子性能参数的测量是其高精度制造的基础，针对未镀膜石英谐振子，现有测量技术多为压电贴片式测量，影响测量精度，或只能在空气中进行半球谐振子的性能参数测量，无法模拟实际工作环境，因此，现有测量技术需要进一步完善与发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其通过整体结构的设计可实现实际工作环境下即高真空环境下的石英半球谐振子性能参数的高精度可靠测量，具体测量精度高、操作简单、可靠性高等优点。

为实现上述目的，本发明提出了一种高真空下石英半球谐振子性能参数测量装置，其包括真空单元、运动单元、激励单元以及数据采集与处理单元，其中：

真空单元用于提供测量所需的高真空环境，其包括真空腔体，该真空腔体的侧壁设有玻璃观察窗口；

运动单元和激励单元置于真空腔体中，该运动单元用于调节其上的待测石英半球谐振子的空间姿态与位置，以调整测量激光光斑在石英半球谐振子表面的聚焦位置，进而使测量激光的反射光沿原光路返回，该激励单元用于在真空环境下产生瞬态激励以使石英半球谐振子振动；