CN109655050A - 基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法 - Google Patents

基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109655050A
CN109655050A CN201910094387.4A CN201910094387A CN109655050A CN 109655050 A CN109655050 A CN 109655050A CN 201910094387 A CN201910094387 A CN 201910094387A CN 109655050 A CN109655050 A CN 109655050A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
harmonic oscillator
correction
flank shape
cracking
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910094387.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109655050B (zh
Inventor
曲天良
汪玉婷
陶云峰
潘瑶
贾永雷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN201910094387.4A priority Critical patent/CN109655050B/zh
Publication of CN109655050A publication Critical patent/CN109655050A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109655050B publication Critical patent/CN109655050B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C15/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by etching
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法，属于振动陀螺技术领域。本发明包括半球谐振子化学蒸气修形系统和半球谐振子化学蒸气修形方法两个部分。化学修形系统包括蒸气产生装置以及谐振子反应装置。基于设计的化学蒸气修形系统，通过确定谐振子的主轴方向及频率裂解、确定去除质量与频率裂解间的斜率、标定斜率确定修形时间、处理四个待修形区域等步骤，完成了对半球谐振子频率裂解的修调，解决了由频率裂解引起的半球谐振陀螺零偏漂移的问题，具有不降低半球谐振子品质因数、修形区域可控、修形效率高、系统简单、成本低等优点，在航天、航空、航海等惯性导航领域具有广泛的应用前景。

Description

基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法
技术领域
本发明属于振动陀螺技术领域，具体涉及到一种基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法。
背景技术
半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope,HRG)是一种新型哥氏振动陀螺仪(Coriolis Vibratory Gyroscopes)，利用哥氏振动效应(Coriolis Effect)测量转角和角速度，具有精度高、能耗低、寿命长、抗冲击，结构简单、不需要维护等特点，近年来在航天、航空、航海等领域得到广泛应用。
半球谐振陀螺的经典结构包括激励电极、熔融石英半球谐振子、敏感读出电极，其中熔融石英半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感元件，其精度对整个陀螺的性能有着重要的影响。
对于理想的半球谐振子，激励模态和敏感模态频率相同，在自由振动时，振型方向是随机的。对于非理想谐振子，由于质量、刚度等误差的影响，谐振子将产生两个互成45°的固有轴系，又称振动主轴(Principle axis)。谐振子沿两个固有轴振动时谐振频率分别为ω1和ω2，如图1所示，二者之差的绝对值即为频率裂解。在实际应用中，常常要求半球谐振子n＝2模式的两个模态简并，即频率裂解越小越好。然而实际生产加工出来的谐振子不是完美的，由于谐振子四周的壁厚不均匀、谐振子弹性模量分布有差异等各种因素的影响，半球谐振子总是存在一定大小的频率裂解。研究表明，谐振子的频裂解是引起谐振陀螺零偏漂移的重要来源。如何降低谐振子的频率裂解，即调节谐振子的两个频率成分使其相等，是当前亟待解决的问题。
半球谐振子的修形，即通过改变谐振子的局部质量或者刚度来减小频率裂解。当前存在许多修形方法减小谐振子的频率裂解，一类是电学调平方法，通过实时改变电学参数，进而调节谐振子外围的刚度分布以改变频率裂解[对比文献1：Hu Z X,Gallacher B J,Burdess J S,Bowles S R,Grigg H T D.A systematic approach for precisionelectrostatic mode tuning of a MEMS gyroscope[J].Journal of Micromechanicsand Microengineering,2014,24(12):12503.]。这类方法的局限在于，调节范围有限，且功耗较大，降低频率裂解并不是永久性的。
另一类方法的调节是永久性的，比如机械修调、激光烧蚀、离子束修形、化学溶液修形等方法。机械修调：陶溢等人采用机械调节的方法降低金属谐振子的频率裂解，实验表明，机械调节精度不高，且会使得谐振子的品质因数降低[对比文献2：Tao Y,Xi X,Xiao D,Tan Y,Cui H,Wu X.Precision balance method for cupped wave gyro based on cup-bottom trimming[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2012,25(1):63～70.]；美国加利福尼亚大学的Yusheng等人利用定向研磨的方法，将微酒杯谐振子的频率裂解由41Hz修调至7Hz[对比文献3：Wang Y,Asadian M H,Shkel AM.Frequency splitreduction by directional lapping of fused quartz micro wineglass resonators[C]//4th IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems,INERTIAL 2017-Proceedings,2017:78～81.]。
激光烧蚀：Lynch利用激光烧蚀处理半球谐振子上的齿[对比文献4：Lynch DD.Vibration-induced drift in the hemispherical resonator gyro[C]//1987Institute of Navigation,Annual Meeting,43rd,Dayton,1987:34～37.]，这种有齿的谐振子并不是当前研究的热点，研究表明激光烧蚀会使得谐振子的品质因数降低[对比文献5：Abdelmoneum M A,Demirci M M,Lin Y-W L Y-W,Nguyen C T-C.Location-dependent frequency tuning of vibrating micromechanical resonators via lasertrimming[C]//Frequency Control Symposium and Exposition,Proceedings of the2004IEEE International,2004:272～279.]；Gallacher等人研究了存在结构缺陷的微环陀螺的激光烧蚀方法。他们的研究表明，激光烧蚀通过同时改变谐振子的质量以及刚度分布实现频率裂解的修调，谐振子的频率裂解从26Hz降低到7Hz。他们同时指明了，激光烧蚀有一个不可忽视的弱点，即激光烧蚀的热效应会使得局部形态发生改变[对比文献6：Gallacher B J,Hedley J,Burdess J S,Harris A J,McNie M E.Multimodal tuning ofa vibrating ring using laser ablation[J].Proceedings of the Institution ofMechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2003,217(5):557～576.]。
离子束修形：Bodunov等人开展了半球谐振子的离子束修形研究，成功地将谐振子的频率裂解由0.45Hz降低至0.003Hz。他们的研究表明，机械修调以及激光修调都会不可避免地使得相关的声学参数变差，而采用离子束修形的方法能够在球壳的表面去除多余质量的同时，给谐振子带来最小的附加影响[对比文献7：Bodunov B P,Lopatin V M,Lunin BS,Lynch D D,Voros AR.Low-cost hemispherical resonator for use in smallcommercial HRG-based navigation systems[C]//The 4th Saint PetersburgInternational Conference on Intergrated Navigation Systems,Saint Petersburg,Russia,1997:41～47.]；胡晓东等人通过离子束修形降低了半球谐振子的频率裂解，这种方法所需设备昂贵、流程复杂、且修形效率不高[对比文献8：胡晓东；罗康俊；余波.采用离子束技术对半球振子进行质量调平[C].中国惯性技术学会第五届学术年会论文集,中国，桂林，2002,247～252.]；
化学溶液修形：Basarab提出了化学溶液修形，他们给出了化学溶液修形的理论分析以及步骤[对比文献9：Basarab M A,Lunin B S,Matveev V A,Chumankin EA.Balancing of hemispherical resonator gyros by chemical etching[J].Gyroscopyand Navigation,2015,6(3):218～223.]，研究表明，化学修形效率高，但是当前可达到的精度不高，不方便量产和推广[对比文献10：Wang,Y.；Pan,Y.；Qu,T.；Jia,Y.；Yang,K.；Luo,H.Decreasing Frequency Splits of Hemispherical Resonators by Chemical Etching[J].Sensors 2018,18,3772.]。
当前存在的几种修形方法均存在一些不足：机械修调以及激光烧蚀会使得谐振子的品质因数降低，离子束修形的修形效率低下，当前化学溶液修形的精度不高。为了降低谐振子的频率裂解，同时不降低谐振子品质因数，且保持一定的修形效率以及修形精度，需要研究一种基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法。该系统能有效降低半球谐振子的频率裂解，进而提升半球谐振陀螺的整体性能。与当前的化学溶液修形相比，能够更好地控制反应面的大小、形状以及反应的速率即质量去除的速率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为减小熔融石英半球谐振子的频率裂解，提出一种基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法。该发明采用化学蒸气刻蚀技术，建立了半球谐振子的等价不平衡质量与频率裂解的线性关系，通过在谐振子低频轴对应的四个方位上去除一定的质量来减小半球谐振子的频率裂解值。该发明系统简单、成本低、效率高、修形精度高，且不会降低半球谐振子的品质因数。
本发明提供的技术方案为：
基于化学蒸气的半球谐振子修形系统。
所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统由蒸气产生装置以及谐振子反应装置两部分组成，所述蒸气产生装置由温控加热装置、化学修形溶液、蒸气导管a、抽气装置、蒸气导管b、吹气装置、蒸气导管c、流速控制装置、蒸气导管d、出气端口组成；所述谐振子反应装置由熔融石英半球谐振子、谐振子姿态控制装置组成；
所述温控加热装置用于对化学修形溶液进行加热，并在实验过程中保持恒温；
所述化学修形溶液由质量百分比49％的HF溶液以及质量百分比40％的NH4F溶液以体积比10:1混合而成；
所述蒸气导管a用于传输化学修形溶液经温控加热装置加热产生的化学蒸气至抽气装置；
所述抽气装置通过蒸气导管a将化学修形溶液经温控加热装置加热产生的化学蒸气抽出，送至蒸气导管b；
所述蒸气导管b用于传输经抽气装置抽出的化学蒸气至吹气装置；
所述吹气装置将抽气装置抽出的化学蒸气传递至蒸气导管c；
所述蒸气导管c用于传输化学蒸气由吹气装置至流速控制装置；
所述流速控制装置用于对吹气装置吹出的化学蒸气的流速进行控制，确保熔融石英半球谐振子的去除速率的稳定；
所述蒸气导管d用于传输由流速控制装置产生的浓度均一、流速恒定的化学蒸气至出气端口；
所述出气端口用于控制蒸气作用于熔融石英半球谐振子的面形以及大小，蒸气与谐振子反应的面形和大小影响修形的效果；
所述谐振子姿态控制装置用于控制谐振子的姿态，与出气端口配合以调节谐振子的修形效果，同时谐振子姿态控制装置上安装有旋转基座，实现谐振子绕其主轴的旋转。
基于化学蒸气的半球谐振子修形方法，采用所述的基于化学蒸气的半球谐振子修形系统，该方法包括如下步骤：
S1：确定半球谐振子两个振动主轴的方向及频率裂解；
为了配合系统减小半球谐振子的频率裂解，需先确定半球谐振子的振动主轴方向以及频率裂解的大小。
首先通过对谐振子进行扫频确认谐振子的激励模态和检测模态频率，然后用两组频率分别与激励模态和检测模态频率相同的正弦信号，激励谐振子产生自由振动，当振动分别达到稳定时的两个主轴方向即为谐振子振动的主轴方向；谐振子激励模态和检测模态下各自频率的差值即为频率裂解Δf；
S2：确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率；
S(2a)确定有缺陷的半球谐振子的频率裂解
将有缺陷的半球谐振子等价为一个质量为M0的等效圆环，其上有质量为m的附加质量点缺陷。
理想圆环在工作模式下作自由振动时的圆频率为ω0，其径向振幅与切向振幅之比为振幅比α2。此时谐振子高低频方向上的圆频率ω1、ω2分别为：
圆频率失配量Δω＝│ω1-ω2│可通过上述两式得到：
当缺陷点的质量m很小时，有以下的近似：
根据圆频率失配量Δω与频率裂解Δf之间的关系：以及圆频率ω0与频率f0之间的关系：确定频率裂解与不平衡质量的关系为即确定了有缺陷的半球谐振子的频率裂解△f。
S(2b)确定消除半球谐振子频率裂解所需的质量
为降低半球谐振子的频率裂解，在低频轴方向上去除四个质量点ΔM，此时谐振子高低频方向上的圆频率ω’1、ω’2分别为：
根据式(5)、式(6)得到圆频率失配量Δω’＝│ω’1-ω’2│：
当前圆频率失配量Δω′与初始频率失配量Δω有如下关系：
当前频率裂解Δf′与初始频率裂解Δf满足：
为了消除谐振子的频率裂解，即谐振子最终的频率裂解Δf′为0Hz，故总的去除量表示为：
S(2c)确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率
根据式(10)中去除质量4ΔM与频率裂解Δf之间存在的一次函数关系，确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率其与初始频率裂解等因素有关，同时还受到诸如蒸气流速、谐振子表面状态、谐振子结构尺寸等因素影响，实验中可通过多次少量分步去除质量标定在一定蒸气流速下斜率的大小。
S3：根据剩余频率裂解的大小以及测定的斜率K，确定使用所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统对熔融石英半球谐振子开展化学蒸气修形的去除质量，进而确定所需化学蒸气修形的时间；
S4：将熔融石英半球谐振子的内表面以及外表面不需要进行修形的部位保护起来，将谐振子固定在谐振子姿态控制装置上，根据实际应用的需要选择相应的出气端口，并调节出气端口使其与谐振子待修形区域对准；
S5：对化学修形溶液进行加热产生蒸气，抽气装置将密闭容器内盛放的化学蒸气抽出至吹气装置，吹气装置将化学蒸气送至流速控制装置，流速控制装置对蒸气的流速进行控制，流速稳定的化学蒸气由出气端口达到熔融石英半球谐振子表面待修形区域，开始计时；
S6：到达预设的修形时间的四分之一后，迅速关闭蒸气，使化学蒸气远离谐振子，并立即用去离子水和无水乙醇对谐振子进行反复清洗后吹干；
S7：通过谐振子姿态控制装置将谐振子沿其中心轴旋转90度，重复步骤S5和S6；
S8：重复步骤S7两次，直到四个待修形区域修形完毕，用去离子水和无水乙醇对谐振子进行反复清洗后烘干；
S9：待谐振子表面状态达到稳定时，测量谐振子的频率裂解，若达到设定的目标值，则停止修形，若没有，重复步骤S1-S8直到频率裂解达到要求为止。
以上步骤基于化学蒸气刻蚀技术，建立了半球谐振子的等价不平衡质量与频率裂解的线性关系，通过在谐振子低频轴对应的四个方位上去除一定的质量达到减小半球谐振子的频率裂解的目的。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提出的基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法具有成本低、效率高、修形精度高、操作简单等优点，能有效减小熔融石英半球谐振子的频率裂解，从而提升半球谐振陀螺的整体性能。
附图说明
图1是频率裂解示意图；
图2是化学蒸气修形系统示意图；
图3是有附加质量点缺陷的等效圆环图；
图4是在有附加质量点缺陷的等效圆环上去除质量；
图5是仿真非理想谐振子频率裂解示意图；
图6是仿真修形示意图。
附图标号说明：
1-温控加热装置；2-化学修形溶液；3-蒸气导管a；4-抽气装置；5-蒸气导管b；6-吹气装置；7-蒸气导管c；8-流速控制装置；9-蒸气导管d；10-出气端口；11-熔融石英半球谐振子；12-谐振子姿态控制装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
基于化学蒸气的半球谐振子修形系统，如图2所示。
所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统由蒸气产生装置以及谐振子反应装置两部分组成，所述蒸气产生装置由温控加热装置1、化学修形溶液2、蒸气导管a 3、抽气装置4、蒸气导管b 5、吹气装置6、蒸气导管c 7、流速控制装置8、蒸气导管d 9、出气端口10组成；所述谐振子反应装置由熔融石英半球谐振子11、谐振子姿态控制装置12组成；
所述温控加热装置1用于对化学修形溶液2进行加热，并在实验过程中保持恒温；
所述化学修形溶液2由质量百分比49％的HF溶液以及质量百分比40％的NH4F溶液以体积比10:1混合而成；
所述蒸气导管a 3用于传输化学修形溶液2经温控加热装置1加热产生的化学蒸气至抽气装置4；
所述抽气装置4通过蒸气导管a 3将化学修形溶液2经温控加热装置1加热产生的化学蒸气抽出，送至蒸气导管b 5；
所述蒸气导管b 5用于传输经抽气装置4抽出的化学蒸气至吹气装置6；
所述吹气装置6将抽气装置4抽出的化学蒸气传递至蒸气导管c 7；
所述蒸气导管c 7用于传输化学蒸气由吹气装置6至流速控制装置8；
所述流速控制装置8用于对吹气装置6吹出的化学蒸气的流速进行控制，确保熔融石英半球谐振子11的去除速率的稳定；
所述蒸气导管d 9用于传输由流速控制装置8产生的浓度均一、流速恒定的化学蒸气至出气端口10；
所述出气端口10用于控制蒸气作用于熔融石英半球谐振子11的面形以及大小，蒸气与谐振子反应的面形和大小影响修形的效果；
所述谐振子姿态控制装置12用于控制谐振子的姿态，与出气端口10配合以调节谐振子的修形效果，同时谐振子姿态控制装置12上安装有旋转基座，实现谐振子绕其主轴的旋转。
基于化学蒸气的半球谐振子修形方法，采用所述的基于化学蒸气的半球谐振子修形系统，该方法包括如下步骤：
S1：确定半球谐振子两个振动主轴的方向及频率裂解；
为了配合系统减小半球谐振子的频率裂解，需先确定半球谐振子的振动主轴方向以及频率裂解的大小。首先通过对谐振子进行扫频确认谐振子的激励模态和检测模态频率，然后用两组频率分别与激励模态和检测模态频率相同的正弦信号，激励谐振子产生自由振动，当振动分别达到稳定时的两个主轴方向即为谐振子振动的主轴方向；谐振子激励模态和检测模态下各自频率的差值即为频率裂解Δf。
在本实施例中，首先固定半球谐振子的外支撑柱外表面，激励谐振子产生自由振动；当振动分别达到稳定时的两个主轴方向即为谐振子振动的主轴方向，其中频率较高的振动主轴是高频轴，频率较低的振动主轴是低频轴；谐振子激励模态和检测模态下的频率，如附图5所示，分别为4395.3232Hz和4402.288Hz，二者之差即为频率裂解Δf；
S2：确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率；
S(2a)确定有缺陷的半球谐振子的频率裂解
将有缺陷的半球谐振子等价为一个质量为M0的等效圆环，其上有质量为m的附加质量点缺陷，如图3所示。
理想圆环在工作模式下作自由振动时的圆频率为ω0，其径向振幅与切向振幅之比为振幅比α2。此时谐振子高低频方向上的圆频率ω1、ω2分别为：
圆频率失配量Δω＝│ω1-ω2│可通过上述两式得到：
当缺陷点的质量m很小时，有以下的近似：
根据圆频率失配量Δω与频率裂解Δf之间的关系：以及圆频率ω0与频率f0之间的关系：确定频率裂解与不平衡质量的关系为即确定了有缺陷的半球谐振子的频率裂解△f。
S(2b)确定消除半球谐振子频率裂解所需的质量
为降低半球谐振子的频率裂解，在低频轴方向上去除四个质量点ΔM，如图4所示，此时谐振子高低频方向上的圆频率ω’1、ω’2分别为：
根据式(15)、式(16)得到频率失配量Δω’＝│ω’1-ω’2│：
当前圆频率失配量Δω′与初始圆频率失配量Δω有如下关系：
当前频率裂解Δf′与初始频率裂解Δf满足：
为了消除谐振子的频率裂解，即谐振子最终的频率裂解Δf′为0Hz，故总的去除量表示为：
S(2c)确定去除质量与频率裂解Δf的斜率
根据式(20)中去除质量4ΔM与频率裂解Δf之间存在的一次函数关系，确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率其与初始频率裂解等因素有关，同时还受到诸如蒸气流速、谐振子表面状态、谐振子结构尺寸等因素影响，实验中可通过多次少量分步去除质量标定在一定蒸气流速下斜率的大小。
在本实施例中，根据其中初始频率裂解为Δf＝6.9468Hz，谐振子初始质量为M0＝4.460881g，谐振子初始振幅比为α2＝0.355,谐振子初始振动频率为f0＝4395.3232Hz，得到每去除1mg的质量，可以使得频率裂解变化5.204Hz，即斜率K为5.204Hz/mg。为消除该半球谐振子的频率裂解所需的质量约为1.3mg。
S3：根据剩余频率裂解的大小以及测定的斜率K，确定使用所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统对熔融石英半球谐振子11开展化学蒸气修形的去除质量，进而确定所需化学蒸气修形的时间；
S4：将熔融石英半球谐振子11的内表面以及外表面不需要进行修形的部位保护起来，将谐振子固定在谐振子姿态控制装置12上，根据实际应用的需要选择相应的出气端口10，并调节出气端口10使其与谐振子待修形区域对准；
S5：对化学修形溶液2进行加热产生蒸气，抽气装置4将密闭容器内盛放的化学蒸气抽出至吹气装置6，吹气装置6将化学蒸气送至流速控制装置8，流速控制装置8对蒸气的流速进行控制，流速稳定的化学蒸气由出气端口10达到熔融石英半球谐振子11表面待修形区域，开始计时；
S6：到达预设的修形时间的四分之一后，迅速关闭蒸气，使化学蒸气远离谐振子，并立即用去离子水和无水乙醇对谐振子进行反复清洗后吹干；
S7：通过谐振子姿态控制装置12将谐振子沿其中心轴旋转90度，重复步骤S5和S6；
S8：重复步骤S7两次，直到四个待修形区域修形完毕，用去离子水和无水乙醇对谐振子进行反复清洗后烘干；
S9：待谐振子表面状态达到稳定时，测量谐振子的频率裂解，若达到设定的目标值，则停止修形，若没有，重复步骤S1-S8直到频率裂解达到要求为止。本实施例中，目标值设为0.05Hz，修形结果见附图6。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于化学蒸气的半球谐振子修形系统，其特征在于：所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统由蒸气产生装置以及谐振子反应装置两部分组成，所述蒸气产生装置由温控加热装置(1)、化学修形溶液(2)、蒸气导管a(3)、抽气装置(4)、蒸气导管b(5)、吹气装置(6)、蒸气导管c(7)、流速控制装置(8)、蒸气导管d(9)、出气端口(10)组成；所述谐振子反应装置由熔融石英半球谐振子(11)、谐振子姿态控制装置(12)组成；
所述温控加热装置(1)用于对化学修形溶液(2)进行加热，并在实验过程中保持恒温；
所述化学修形溶液(2)由质量百分比49％的HF溶液以及质量百分比40％的NH4F溶液以体积比10:1混合而成；
所述蒸气导管a(3)用于传输化学修形溶液(2)经温控加热装置(1)加热产生的化学蒸气至抽气装置(4)；
所述抽气装置(4)通过蒸气导管a(3)将化学修形溶液(2)经温控加热装置(1)加热产生的化学蒸气抽出，送至蒸气导管b(5)；
所述蒸气导管b(5)用于传输经抽气装置(4)抽出的化学蒸气至吹气装置(6)；
所述吹气装置(6)将抽气装置(4)抽出的化学蒸气传递至蒸气导管c(7)；
所述蒸气导管c(7)用于传输化学蒸气由吹气装置(6)至流速控制装置(8)；
所述流速控制装置(8)用于对吹气装置(6)吹出的化学蒸气的流速进行控制，确保熔融石英半球谐振子(11)的去除速率的稳定；
所述蒸气导管d(9)用于传输由流速控制装置(8)产生的浓度均一、流速恒定的化学蒸气至出气端口(10)；
所述出气端口(10)用于控制蒸气作用于熔融石英半球谐振子(11)的面形以及大小，蒸气与谐振子反应的面形和大小影响修形的效果；
所述谐振子姿态控制装置(12)用于控制谐振子的姿态，与出气端口(10)配合以调节谐振子的修形效果，同时谐振子姿态控制装置(12)上安装有旋转基座，实现谐振子绕其主轴的旋转。
2.基于化学蒸气的半球谐振子修形方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于化学蒸气的半球谐振子修形系统对半球谐振子进行修形，该方法包括如下步骤：
S1：确定半球谐振子两个振动主轴的方向及频率裂解；
为了配合系统减小半球谐振子的频率裂解，需先确定半球谐振子的振动主轴方向以及频率裂解的大小；首先通过对谐振子进行扫频确认谐振子的激励模态和检测模态频率，然后用两组频率分别与激励模态和检测模态频率相同的正弦信号，激励谐振子产生自由振动，当振动分别达到稳定时的两个主轴方向即为谐振子振动的主轴方向；谐振子激励模态和检测模态下各自频率的差值即为频率裂解Δf；
S2：确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率；
S(2a)确定有缺陷的半球谐振子的频率裂解
将有缺陷的半球谐振子等价为一个质量为M0的等效圆环，其上有质量为m的附加质量点缺陷；理想圆环在工作模式下作自由振动时的圆频率为ω0，其径向振幅与切向振幅之比为振幅比α2；此时谐振子高低频方向上的圆频率ω1、ω2分别为：
圆频率失配量Δω＝│ω1-ω2│可通过上述两式得到：
当缺陷点的质量m很小时，有以下的近似：
根据圆频率失配量Δω与频率裂解Δf之间的关系：以及圆频率ω0与频率f0之间的关系：确定频率裂解与不平衡质量的关系为即确定了有缺陷的半球谐振子的频率裂解△f；
S(2b)确定消除半球谐振子频率裂解所需的质量
为降低半球谐振子的频率裂解，在低频轴方向上去除四个质量点ΔM，此时谐振子高低频方向上的圆频率ω’1、ω’2分别为：
根据式(5)、式(6)得到圆频率失配量Δω’＝│ω’1-ω’2│：
当前圆频率失配量Δω′与初始频率失配量Δω有如下关系：
当前频率裂解Δf′与初始频率裂解Δf满足：
为了消除谐振子的频率裂解，即谐振子最终的频率裂解Δf′为0Hz，故总的去除量表示为：
S(2c)确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率
根据式(10)中去除质量4ΔM与频率裂解Δf之间存在的一次函数关系，确定去除质量与频率裂解Δf间的斜率其与初始频率裂解等因素有关，同时还受到诸如蒸气流速、谐振子表面状态、谐振子结构尺寸等因素影响，实验中可通过多次少量分步去除质量标定在一定蒸气流速下斜率的大小；
S3：根据剩余频率裂解的大小以及测定的斜率K，确定使用所述基于化学蒸气的半球谐振子修形系统对熔融石英半球谐振子(11)开展化学蒸气修形的去除质量，进而确定所需化学蒸气修形的时间；
S4：将熔融石英半球谐振子(11)的内表面以及外表面不需要进行修形的部位保护起来，将谐振子固定在谐振子姿态控制装置(12)上，根据实际应用的需要选择相应的出气端口(10)，并调节出气端口(10)使其与谐振子待修形区域对准；
S5：对化学修形溶液(2)进行加热产生蒸气，抽气装置(4)将密闭容器内盛放的化学蒸气抽出至吹气装置(6)，吹气装置(6)将化学蒸气送至流速控制装置(8)，流速控制装置(8)对蒸气的流速进行控制，流速稳定的化学蒸气由出气端口(10)达到熔融石英半球谐振子(11)表面待修形区域，开始计时；
S6：到达预设的修形时间的四分之一后，迅速关闭蒸气，使化学蒸气远离谐振子，并立即用去离子水和无水乙醇对谐振子进行反复清洗后吹干；
S7：通过谐振子姿态控制装置(12)将谐振子沿其中心轴旋转90度，重复步骤S5和S6；
S8：重复步骤S7两次，直到四个待修形区域修形完毕，用去离子水和无水乙醇对谐振子进行反复清洗后烘干；
S9：待谐振子表面状态达到稳定时，测量谐振子的频率裂解，若达到设定的目标值，则停止修形，若没有，重复步骤S1-S8直到频率裂解达到要求为止。
CN201910094387.4A 2019-01-31 2019-01-31 基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法 Active CN109655050B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910094387.4A CN109655050B (zh) 2019-01-31 2019-01-31 基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910094387.4A CN109655050B (zh) 2019-01-31 2019-01-31 基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109655050A true CN109655050A (zh) 2019-04-19
CN109655050B CN109655050B (zh) 2020-04-24

Family

ID=66121748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910094387.4A Active CN109655050B (zh) 2019-01-31 2019-01-31 基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109655050B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112461264A (zh) * 2020-11-20 2021-03-09 大连理工大学 一种石英半球谐振子纳米制造装备
CN112484683A (zh) * 2020-11-19 2021-03-12 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种半球谐振器质量平衡处理装置及工作方法
CN113551691A (zh) * 2021-07-16 2021-10-26 中国人民解放军国防科技大学 一种具有测频功能的微半球谐振陀螺在线激光修调系统及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160194200A1 (en) * 2014-12-31 2016-07-07 The Regents Of The University Of Michigan Three Dimensional Microstructures And Fabrication Process
CN105865430A (zh) * 2016-05-03 2016-08-17 中国人民解放军国防科学技术大学 基于化学刻蚀一体式石英圆柱壳体谐振子修形系统及方法
CN108613686A (zh) * 2018-04-28 2018-10-02 中南大学 一种振动陀螺自动化修调方法
CN108709548A (zh) * 2018-05-24 2018-10-26 上海航天控制技术研究所 一种固体振动陀螺谐振子在线调频调谐设备及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160194200A1 (en) * 2014-12-31 2016-07-07 The Regents Of The University Of Michigan Three Dimensional Microstructures And Fabrication Process
CN105865430A (zh) * 2016-05-03 2016-08-17 中国人民解放军国防科学技术大学 基于化学刻蚀一体式石英圆柱壳体谐振子修形系统及方法
CN108613686A (zh) * 2018-04-28 2018-10-02 中南大学 一种振动陀螺自动化修调方法
CN108709548A (zh) * 2018-05-24 2018-10-26 上海航天控制技术研究所 一种固体振动陀螺谐振子在线调频调谐设备及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
于得川等: "金属筒形谐振陀螺的频率修调技术研究", 《导航定位与授时》 *
朱炳杰: "杯形陀螺谐振子振动特性分析及修整技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112484683A (zh) * 2020-11-19 2021-03-12 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种半球谐振器质量平衡处理装置及工作方法
CN112461264A (zh) * 2020-11-20 2021-03-09 大连理工大学 一种石英半球谐振子纳米制造装备
CN112461264B (zh) * 2020-11-20 2023-04-11 大连理工大学 一种石英半球谐振子纳米制造装备
CN113551691A (zh) * 2021-07-16 2021-10-26 中国人民解放军国防科技大学 一种具有测频功能的微半球谐振陀螺在线激光修调系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109655050B (zh) 2020-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109655050A (zh) 基于化学蒸气的半球谐振子修形系统及修形方法
CN105865430B (zh) 基于化学刻蚀一体式石英圆柱壳体谐振子修形系统及方法
CN111504292B (zh) 一种石英圆柱谐振子第二次谐波误差的化学修调方法
CN115574798B (zh) 一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法
CN115876182A (zh) 一种半球谐振陀螺的电极误差建模方法
Shi et al. Micro hemispherical resonator gyroscope with teeth-like tines
CN115420269B (zh) 谐振结构频率裂解辨识与修调方法及平台
Senkal et al. MEMS micro-glassblowing paradigm for wafer-level fabrication of fused silica wineglass gyroscopes
Huo et al. High precision mass balancing method for the fourth harmonic of mass defect of fused quartz hemispherical resonator based on ion beam etching process
Efimovskaya et al. Mechanical trimming with focused ion beam for permanent tuning of MEMS dual-mass gyroscope
Ruan et al. In-run automatic mode-matching of whole-angle micro-hemispherical resonator gyroscope based on standing wave self-precession
Pai et al. Fabrication and testing of hemispherical MEMS wineglass resonators
CN117330044A (zh) 一种半球谐振陀螺的半球谐振子驻波输出电信号解调方法
CN115950451A (zh) 一种全角半球谐振陀螺阻尼不均漂移补偿方法
CN114227451B (zh) 一种半球谐振子的质量修调方法
Maslov et al. Hemispherical resonator gyros (an overview of publications)
Wang et al. Frequency splitting of hemispherical resonators trimmed with focused ion beams
Hu et al. Frequency Tuning Method on Teeth-Like Tines of the Fused Silica Micro-Hemispherical Resonator Using Femtosecond Laser
Ning et al. Anchor loss improvement in hemispherical resonators with ion beams
Li et al. Frequency split suppression of fused silica micro shell resonator based on rotating forming process
Lu et al. Investigation on precise frequency trimming of a micro shell resonator with T-shape masses using low-power femtosecond laser ablation
CN114184185B (zh) 基于附加电荷的石英圆柱谐振子精密平衡方法
Xu et al. Influence of elasticity modulus on the natural frequency in hemispherical resonator
CN115200611A (zh) 一种半球谐振子批量测试系统及测试方法
Senkal Micro-glassblowing paradigm for realization of rate integrating gyroscopes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant