半球谐振陀螺发展的技术特征
半球谐振陀螺谐振子误差分析与性能评估
半球谐振陀螺谐振子误差分析与性能评估半球谐振陀螺谐振子误差分析与性能评估引言：陀螺是一种利用陀螺效应来测量方向、稳定运动或者导航的装置，具有广泛的应用领域，例如导航系统、惯性导航等。
作为陀螺的一种改进型，半球谐振陀螺谐振子在较大转速范围内具有更好的误差性能和较高的精度。
1. 谐振原理及结构半球谐振陀螺谐振子是一种基于谐振原理工作的陀螺仪器。
其结构由一个半球形的壳体和一根悬挂在其中的陀螺转子组成。
当谐振子转子受到外界扰动时，谐振子壳体会根据陀螺效应的作用力引导转子在壳体内保持自由旋转。
通过测量转子的旋转状态变化，可以获知外界扰动信息。
2. 误差源分析在实际应用中，半球谐振陀螺谐振子的运动状态往往受到各种误差的影响，包括器件误差、环境误差等。
对这些误差源进行分析是评估其性能的关键。
2.1 器件误差器件误差是指因制造、安装或使用不当等原因导致的陀螺谐振子的运动状态发生偏差的误差。
例如，由于壳体和转子之间的制造偏差或者装配误差，使得谐振子在工作过程中受到非均匀的摩擦力。
此外，传感器的灵敏度固有偏差和跨度非线性等也会对谐振子的准确度产生影响。
2.2 环境误差环境误差是指由于谐振子所处环境的因素导致其运动状态发生偏差的误差。
例如，温度变化会引起壳体和转子材料的热膨胀，从而影响谐振子壳体和转子的相对位置。
此外，谐振子受到的振动、加速度等外部扰动也会对其运动状态产生干扰。
3. 误差影响分析分析误差源对半球谐振陀螺谐振子的性能影响可以帮助我们更好地了解其在不同应用场景下的适用性。
3.1 器件误差对性能影响器件误差的存在会导致谐振子输出信号与实际扰动信号之间存在偏差，降低了测量的准确性。
例如，传感器的固有偏差会导致输出信号始终存在一个常量的偏移，而传感器的非线性特性则会导致输出信号的非线性变化，影响对扰动信号的精确度测量。
3.2 环境误差对性能影响环境误差会直接影响谐振子的运动状态，进而影响对外部扰动信号的测量。
例如，温度变化引起的热膨胀会改变谐振子壳体和转子之间的相对位置，从而导致输出信号偏移。
半球谐振陀螺研究现状与发展趋势
半球谐振陀螺研究现状与发展趋势
潘瑶;曲天良;杨开勇;罗晖
【期刊名称】《导航定位与授时》
【年(卷),期】2017(004)002
【摘要】半球谐振陀螺是基于哥氏效应测量角速度的新型固态陀螺,具有结构简单、精度高、功耗低、寿命长、可靠性好、抗空间辐射等优点,是捷联惯性导航系统的
理想陀螺仪,在宇航领域具有独特的应用优势.半球谐振陀螺的理论精度不受量子尺
寸效应限制,是高精度、微型化陀螺的重要发展方向之一.首先介绍了半球谐振陀螺
的基本工作原理,其次介绍了半球谐振陀螺的发展历程,综述了半球谐振陀螺的国内
外研究现状,最后对半球谐振陀螺的发展趋势进行了展望.
【总页数】5页(P9-13)
【作者】潘瑶;曲天良;杨开勇;罗晖
【作者单位】国防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073;国防科技大学光电
科学与工程学院,长沙410073;国防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073;国
防科技大学光电科学与工程学院,长沙410073
【正文语种】中文
【中图分类】V241.5
【相关文献】
1.半球谐振陀螺与光学陀螺的比较 [J], Matth.,A;李裕山
2.基于二维质点振动模型的半球谐振陀螺谐振子进动分析 [J], 王旭;方针;吴文启;
罗兵;李云
3.谐振陀螺及半球壳谐振子陀螺仪 [J], 樊尚春; 王振均
4.半球谐振陀螺现状及发展趋势 [J], 毛海燕;梁宇;袁小平;唐平;彭慧;卜继军
5.基于有限元法的半球谐振陀螺谐振子分析 [J], 余波;方针;蒋春桥
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石英半球陀螺谐振子
石英半球陀螺谐振子
石英半球陀螺谐振子是一种基于石英半球材料制作的振动装置。
它由一个石英半球构成，内部包含一个小球，小球可以在石英半球内进行振动。
石英半球陀螺谐振子使用石英材料是因为石英具有很好的物理性能，如高硬度、低摩擦和优良的谐振特性。
石英半球陀螺谐振子的运动是根据谐振原理进行的，当小球受到外力作用时，会在石英半球内产生振动，振动的频率和幅度取决于小球和石英半球的物理特性。
石英半球陀螺谐振子在科学研究和工程应用中有广泛的用途。
它可以用于精密测量、惯性导航和加速度计等领域。
通过测量振动的频率和幅度，可以得到被测物体的相关物理量，如加速度、位移或角度等。
总的来说，石英半球陀螺谐振子是一种利用石英材料制造的振动装置，它具有优良的谐振特性，可以用于测量和控制各种物理量。
它在精密测量和工程应用中具有重要的作用。
半球谐振陀螺仪原理
半球谐振陀螺仪原理导言：半球谐振陀螺仪是一种利用陀螺效应测量方向和角速度的设备。
它在导航、惯性导航系统、航空航天等领域具有重要的应用。
本文将介绍半球谐振陀螺仪的原理和工作机制。
一、陀螺效应的基本概念陀螺效应是指陀螺体在外力作用下发生的方向和角速度变化。
当陀螺体受到外力作用时，它会产生一个力矩，使其保持原来的方向和角速度。
这一现象被称为陀螺效应。
二、半球谐振陀螺仪的结构半球谐振陀螺仪由一个半球形陀螺体和悬挂装置组成。
陀螺体在悬挂装置的支撑下能够自由旋转。
当陀螺体受到外力作用时，它会发生方向和角速度的变化。
三、半球谐振陀螺仪的工作原理半球谐振陀螺仪利用陀螺效应来测量方向和角速度。
当陀螺体受到外力作用时，它会产生一个力矩，使其保持原来的方向和角速度。
通过测量力矩的大小和方向，可以确定外力的方向和角速度。
四、半球谐振陀螺仪的应用半球谐振陀螺仪在导航、惯性导航系统、航空航天等领域具有重要的应用。
它可以用来测量飞行器的方向和角速度，从而实现精确的导航和控制。
五、半球谐振陀螺仪的优势和局限性半球谐振陀螺仪具有体积小、重量轻、测量精度高等优点。
然而，它也存在一些局限性，例如对温度和振动敏感，需要进行定期校准和维护。
六、结论半球谐振陀螺仪是一种利用陀螺效应测量方向和角速度的设备。
它在导航、惯性导航系统、航空航天等领域具有重要的应用。
通过测量陀螺体受到的力矩，可以确定外力的方向和角速度。
尽管半球谐振陀螺仪具有一些局限性，但它仍然是一种非常有用的测量装置。
参考文献：。
基于多项式模型的半球谐振
国防科学技术大学 机电工程与自动化学院 ， 湖南 长沙 ４ （ １ ０ ０ ７ ３ ） 摘 要 ： 在半球谐振陀螺工作过程中 ，环 境 温 度 的 变 化 是 不 可 避 免 的 ．温 度 的 变 化 影 响 陀 螺 的 结 构 和 谐 振
频率 ，导致陀螺产生漂移 ，为了提高半球谐振陀螺的精度 ，根据温度漂移和 温 度 变 化 的 相 关 性 ，本 文 利 用 回 归理论对温度漂移数据进行分析 ，建立了半球谐振陀螺温度偏置漂移的多项式数学模型 ，实验表明 ，多项式 模型能够有效的补偿半球谐振陀螺的温度偏置漂移 ． 关键词 ： 多项式模型 ；半球谐振陀螺 ；温度漂移 中图分类号 ： Ｕ６ ６ ６ ． １ ２ 文献标识码 ：Ａ
（ ２ ）
回归分析就是利用自变量 牀１， 的值 ．式 （ …， ， ， …， ２ ）的矩阵 牀２， 牀牘和因变量 牁 的值来估计出 犝 犝 犝 ０ １ 牘 形式为 ┩＝ ┨ 熣＋ 熦 ， ┩＝ 牊 （ 犝 ）＋ 熦 ， 式中 ：┩是已知的观测数据向量 ；┨ 也是已知的设计矩阵 ；熣是未知参数向量 ；熦 是误差向量 ．
１ 基于最小二乘的回归理论分析
回 归 理 论 分 析 是 一 种 根 据 自 变 量 的 数 值 和 变 化 ，来 估 计 因 变 量 的 相 应 数 值 和 变 化 规 律 的 预 测 方 法 表示 ，称因变量为响应变量 ，一般用 牪 表 ．在回归理论分析中 ，通常称自变量为回归因子 ，一般用 牨 牏 牏 示 ，预测公式为
［ ８ ］
牪＝ 牊 （ 牨 ） ， （ 牏 ＝１ ， ２ ， …， 牕 ） ， 牏 称之为回归方程 ．
（ １ ）
很多实际问题通常可以用回归模型来分析 ，通过运用回归分析的理论和方法来解决 ．假设 牁 是一个 随机变量 ，它与自变量 牀１， …， 牀２， 牀牘的关系为 牁＝ 犝 牀１ ＋ … ＋ 犝 牀牘 ＋ 犡 ， ０＋ 犝 １ 牘 式中 ：犝 称为回归系数 是未知量 为随机误差 ， ， …， ， ；犡 ． 犝 犝 ０ １ 牘
微玻璃半球谐振陀螺的结构设计及工艺研究
微玻璃半球谐振陀螺的结构设计及工艺研究摘要半球谐振陀螺是利用Coriolis效应工作的振动惯性器件，由于这种陀螺具有较高的精度和可靠性，而且拥有较长的工作寿命，所以其极具发展潜力。
MEMS是将微电子技术与机械工程融合在一起的一种工业技术，其具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产的特点。
本论文提出了基于MEMS技术的微型玻璃半球谐振陀螺的设计构想，设计并制备出不同结构的微型玻璃半球谐振陀螺，具有高性能、小体积和低成本的优点。
本文首先介绍了微型半球谐振陀螺的研究背景和国内外现状，分析了半球谐振陀螺的工作原理。
在此基础上，本文提出了基于吹塑成型的微玻璃半球谐振子结构，并通过有限元仿真对微玻璃半球谐振子进行了模态分析和谐响应分析，得到其谐振频率；提出了环形电极和硅电极两种结构，对两种电极结构与谐振子的有效平均距离进行了计算。
然后针对上述微玻璃半球谐振子结构及电极结构特点，分别设计了基于同步吹塑成型和基于硅-玻璃-硅三层阳极键合的微玻璃半球谐振陀螺的工艺制备流程，并完成了芯片的加工制备。
最后，利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对微玻璃半球谐振陀螺进行形貌表征，分析表明基于同步吹塑成型的微玻璃半球谐振子与环形电极的距离为73微米，基于硅-玻璃-硅三层阳极键合的微玻璃半球谐振子与硅电极的距离为8±2微米，谐振子的平均表面粗糙度R a为0.217纳米，环形电极与谐振子形成的电容值C c为0.07226pF，硅电极与半球谐振子间的电容为C s为0.927pF，均在合理的参数范围内。
关键词：MEMS，微玻璃半球谐振子，电极结构，吹塑成型Design and Fabrication of Micro-glass Hemispherical ResonantGyroscopeAbstractHemispherical resonant gyroscope (HRG) is a vibration inertial device which is used to the Coriolis effect. HRG has an extremely development potential because it has many advantages, include high precision, high reliability and long-life cycle. Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) is an industrial technology which is merged by microelectronics technology and mechanical engineering. MEMS have many advantages include miniaturization, intelligent, multifunction, high integration and applied batch production. This thesis is presented a design concept of micro glass HRG that is based on MEMS technology. The micro glass HRGs have different electrodes structure that are designed and fabricated and have many advantages include high performance, small size and low cost.First, the research background and the research status in China and in foreign countries are introduced and the working principle of the HRG is analyzed in this thesis. Then, the micro glass HRG structure based on the blow molding is presented and the modal analysis and harmonic response analysis of the structure are simulated by finite element analysis software. Circular glass electrodes structure and silicon electrodes structure are presented, and the effective average distance between hemispheric shell resonator and two new electrode structures are calculated respectively. Next, the fabrication processes of the two electrode structures based on the blow molding and based on the silicon-glass-silicon anodic bonding are designed and fabricated. Finally, the micro glass HRG is characterized by scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). The distance between hemispheric shell resonator and circular electrode is 73μm, and the distance between hemispheric shell resonator and silicon electrode is 8±2μm. The average roughness of hemispheric shell resonator is 0.217nm. These parameters measured by SEM and AFM are reasonable for the micro glass HRG. The capacitance between the hemispheric shell resonator and circular glasselectrodes(C c) is 0.07226pF, and the capacitance between the hemispheric shell resonator and silicon electrodes(C s) is 0.927pF.Keywords: MEMS, micro glass HRG, electrode structure, blow molding.目录1. 绪论 (1)1.1课题研究的意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2 国内研究现状 (9)1.3本课题主要研究内容 (10)2.微玻璃半球谐振陀螺的工作原理 (13)2.1微玻璃半球谐振陀螺的工作原理 (13)2.2微玻璃半球谐振陀螺的工作模式 (14)2.3微玻璃半球谐振陀螺的激励与检测 (16)2.3.1微玻璃半球谐振陀螺的激励 (16)2.3.2微玻璃半球谐振陀螺的检测 (17)2.4本章小结 (18)3. 微玻璃半球谐振陀螺结构设计与分析 (19)3.1微玻璃半球谐振陀螺的结构设想 (19)3.1.1环形玻璃电极的微玻璃半球谐振陀螺 (19)3.1.2硅电极的微玻璃半球谐振陀螺 (19)3.2微玻璃半球谐振陀螺的结构 (20)3.3微玻璃半球谐振子的结构 (22)3.3.1微玻璃半球谐振子的模态分析 (22)3.3.2微玻璃半球谐振子的谐响应分析 (25)3.4微玻璃半球谐振陀螺电极的结构 (26)3.4.1环形玻璃电极结构 (27)3.4.2硅电极结构 (30)3.4.3两种电极结构的比较 (31)3.5本章小结 (32)4. 微玻璃半球谐振陀螺工艺加工及表征 (34)4.1微玻璃半球谐振子吹塑成型的原理 (34)4.2基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺加工流程 (35)4.2.1 基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺的版图设计 (36)4.2.2 基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺流程 (37)4.3基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺加工流程 (41)4.3.1 基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺的版图设计 (41)4.3.2.基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺的工艺流程 (43)4.4微玻璃半球谐振陀螺的表征 (46)4.4.1 普通光学显微镜的整体形貌观测 (47)4.4.2 扫描电子显微镜的观测 (49)4.4.3 原子力显微镜的观测 (52)4.4.4 电容测试 (52)4.5 本章小结 (53)5.总结与展望 (54)5.1工作总结 (54)5.2论文创新点 (55)5.3工作展望 (55)参考文献 (57)攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 (62)致谢 (63)1. 绪论1.1课题研究的意义随着社会的进步和科技的发展，人类发现一些旋转的物体具有独特的物理现象，并通过这些物理现象可以感测旋转运动体的旋转特性，比如角速度、角加速度等。
半球谐振陀螺仪原理
半球谐振陀螺仪原理
半球谐振陀螺仪是一种高精度的惯性导航仪器，其原理基于半球谐振器的运动特性。
半球谐振器是一种具有高度对称性的物体，其在自由运动时会呈现出谐振运动，即以固有频率振动。
利用这种特性，可以将半球谐振器作为陀螺仪的核心部件，实现高精度的姿态测量和导航定位。
半球谐振陀螺仪的工作原理是基于陀螺效应。
当半球谐振器受到外力作用时，其会产生一个与外力方向垂直的陀螺力矩，使其保持稳定的旋转状态。
同时，半球谐振器的旋转运动也会产生一个惯性力矩，使其保持稳定的姿态。
通过测量半球谐振器的旋转速度和角度变化，可以计算出陀螺力矩和惯性力矩，从而实现姿态测量和导航定位。
半球谐振陀螺仪具有高精度、高稳定性和高可靠性等优点，广泛应用于航空、航天、军事和工业等领域。
例如，在航空领域中，半球谐振陀螺仪可以用于飞机的姿态控制和导航定位，实现高精度的飞行控制和导航定位。
在军事领域中，半球谐振陀螺仪可以用于导弹、火箭和战斗机等武器装备的姿态控制和导航定位，提高武器装备的精度和打击能力。
半球谐振陀螺仪是一种高精度的惯性导航仪器，其原理基于半球谐振器的运动特性。
通过测量半球谐振器的旋转速度和角度变化，可以实现姿态测量和导航定位。
半球谐振陀螺仪具有高精度、高稳定
性和高可靠性等优点，广泛应用于航空、航天、军事和工业等领域。
【原创】石英半球谐振子超精密加工技术现状及发展建议
【原创】石英半球谐振子超精密加工技术现状及发展建议概述半球谐振陀螺由半球谐振子、激励罩、敏感基座三部分组成，均由高品质因数的熔融石英材料超精密加工而成，并在表面进行金属化处理。
将半球谐振子、静电激励罩、敏感基座精密装配焊接在一起，密封在一个高真空的容器中，形成一个完整而独立的角度或角速度传感器。
其结构如图1、图2所示。
图1 传统半球谐振陀螺结构图2 新型半球谐振陀螺结构半球谐振子作为陀螺的敏感部件，是半球谐振陀螺的核心，其加工面形精度、位置精度和表面质量是影响半球谐振陀螺精度和性能的最关键因素。
半球谐振子加工精度越高，越接近理想谐振子状态，陀螺精度越高。
半球谐振子材料为熔融石英材料，形状为带有中心支撑杆的半球形薄壁壳体，直径一般为φ15～60mm，壁厚一般为0.3～1.1mm，面形精度＜0.5μm，内外球同心度＜0.5μm，表面粗糙度Ra ＜0.025μm，品质因数Q值高于107。
异形球面半球谐振子的面形精度和内外球面同心度要求高，精度达亚微米级，且由于石英玻璃材料硬脆，加工易崩边、裂纹、碎裂，加工工艺特殊，常规球面光学元件加工方法不能适用，合格率很低，加工难度很大，一直以来都是制约半球谐振陀螺发展的瓶颈。
图3为石英半球谐振子零件。
图3 石英半球谐振子（镀膜前后）2.国内外研究现状2.1国外现状国外从事半球谐振陀螺研究主要集中在美国、俄罗斯和法国。
美国是最早研制半球谐振陀螺的国家，经历了较长历程，技术成熟，并在空间和导弹等高精度制导系统中得到成功应用，代表着半球谐振陀螺的世界先进水平。
俄罗斯、法国、英国、日本等国家也先后投入力量开展研究，俄罗斯、法国已取得明显效果，其他国家基本处于探索阶段。
目前，半球谐振陀螺正朝着高精度、系统型号多样化、系统应用多样化、小体积与微型化、抗辐射等方向发展。
半球谐振陀螺发展历程参见图4。
图4 半球谐振陀螺发展历程半球谐振陀螺的基本理论由英国物理学家布莱恩于1890年提出。
几种新型陀螺简介
几种新型陀螺简介何传五北京控制工程研究所,北京100080摘 要 随着航空航天技术的发展,对惯性测量装置提出了更多的要求。
利用不同原理研制成的陀螺在各种领域均有不同应用。
本文仅就微机械陀螺、半球谐振陀螺、挠性陀螺、光纤陀螺的原理、结构及特性作一简介。
主题词 陀螺仪 3微机械陀螺 3半球谐振陀螺 动力调谐陀螺仪 纤维光学陀螺仪Brief I ntroduction to Several G yrosHe ChuanwuBeijing Institute of C ontrol Engineering,Beijing100080Abstract More and more requirements for the inertial measurement units are presented withdovelopment o f the aerospace technology.Several gyros developed by different concepts are po-ssessed o f different application areas in aerospace.In the paper the operating principle,struc2ture and characteistics only for micromechanical gyro,hemispherical resonator gyro,dynami2cally tuned gyro and fiber2optic gyro are introduced briefly.Subject terms Gyroscope 3Micromechamical gyro 3Hemispherical resonator gyroDynamically tuned gyro Fiber optic gyroscope1 微机械陀螺微机械陀螺是微电子与微机械组结合的微型振动陀螺。