CN115420203A - 半球谐振子金属化镀膜均匀性的评估方法 - Google Patents

Abstract

一种半球谐振子金属化镀膜均匀性的评估方法，本发明能够有效地评估谐振子膜厚的整体均匀性分布，避免重复试验，节省了成本，在半球谐振子加工、调试领域具有重要应用。

Description

半球谐振子金属化镀膜均匀性的评估方法

技术领域

本发明涉及惯性导航系统的半球谐振子陀螺仪，特别是一种半球谐振子金属化镀膜均匀性的评估方法。

背景技术

半球谐振陀螺是一种新型固态陀螺仪，它是利用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应感测基座旋转，具有惯导级性能的哥式振动陀螺。与传统机械陀螺相比，半球谐振陀螺属于振动旋转传感器，具有高精度、体积小、长寿命、高稳定性、低噪声、高分辨率、耐高冲击、低功耗、抗辐射等优点。与当下激光陀螺和光纤陀螺相比，半球谐振陀螺的结构更简单、零部件数大大减少，理论上精度不依赖于尺寸，噪声性能不受量子效应限制，因此，半球谐振陀螺是最有潜力实现高精度、小型化、低成本的陀螺仪。

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心元件，由半球壳和中心杆组成。熔融石英谐振子由高Q值的石英玻璃经超精密加工而成。因半球谐振陀螺基于谐振子振动并获取振动信号来工作，为确保谐振子静电激励效率，要对半球谐振子表面进行金属化镀膜。金属膜层的不均匀性会引起谐振子质量沿轴向的不对称，从而增大谐振子的频差和损耗。因此谐振子金属化镀膜工序应尽量减少对谐振子的性能影响，这就要求金属化膜层具有较高的均匀性。谐振子金属化膜层的厚度约为几百纳米，在不破坏谐振子的前提下对其膜层厚度进行测量的难度很大，目前对谐振子金属化镀膜均匀性的评价方法主要有两种：

一种是贴片法测量膜厚，将小尺寸的陪镀片直接用胶带或者借助机械结构贴附于谐振子表面或者与谐振子相同尺寸的金属模型的表面，镀制成台阶片，贴片表面金属化镀膜后将其取下测量膜层台阶，进而得到膜层厚度的均匀性分布情况。由于谐振子属于异形零件，而贴片一般为若干毫米大小的平片，且有一定厚度，用平面镀膜元件代替曲面元件会导致其与谐振子真实均匀性分布差异较大，使得贴片膜层的均匀性无法完整代表谐振子膜层的均匀性。

另一种方法是在谐振子完成金属化镀膜后，对谐振子进行破坏，分别对谐振子镀膜部位做断面测试，采用扫描电子显微镜对膜层厚度进行分析，从而得到谐振子的膜层厚度均匀性分布。该方法需破坏谐振子，且随着测量点的增加，需要进行断面分析的测量点就会更多。虽然该方法可以较为准确地评价谐振子膜层的均匀性，但对于评估谐振子整体均匀性的成本高、效率低。

发明内容

本发明旨在提供一种半球谐振子金属化镀膜均匀性的评估方法，该方法克服现有的贴片法和电镜断面分析方法的局限性，解决谐振子金属化膜层均匀性全面评估的技术难题。

为实现上述发明目的，本发明的技术解决方案如下：

一种半球谐振子金属化镀膜均匀性的评估方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

1)将镀膜前的半球谐振子的支撑杆垂直地固定在装有夹具的转台上，该转台整体放置在真空腔室内，在所述的半球谐振子的侧边安装有压电陶瓷驱动的橡胶小锤子，所述的真空腔室整体放置在减震气浮平台上，在所述的气浮平台上架设一激光测振仪，使所述的激光测振仪发出的激光光斑通过所述的真空腔室的窗口水平垂直地入射到所述的半球谐振子的唇沿表面，所述的激光测振仪的另一端与计算机的输入端相连，所述的计算机的控制端经一控制器与所述的橡胶小锤子相连；

2)所述的计算机通过所述的控制器控制所述的橡胶小锤子以一定的冲击力对所述的半球谐振子进行敲击激振，同时，所述的激光测振仪输出的激光光斑与所述的半球谐振子的唇沿接触后发生多普勒效应而改变频率，并被所述的半球谐振子反射形成反射光信号，该反射光信号被所述的激光测振仪接收后输入所述的计算机；

3)所述的计算机对反射光信号进行数据分析，得到所述的半球谐振子的振动速度随时间的衰减曲线，基于此结果分析计算所述的半球谐振子的振动频率f₀和衰减时间τ，进而获得所述的半球谐振子的品质因子Q₁；

4)通过所述的转台对所述的半球谐振子进行位置调整，依次测量所述的半球谐振子唇沿其他位置的品质因子Q₂、Q₃、……、Q_N,其中，N为所述的半球谐振子唇沿圆周方向的测量点数，可获得N个等角度位置变化的半球谐振子唇沿圆周方向的Q值曲线；

5)对所述的半球谐振子进行超声波清洗后进行金属化镀膜；

6)将金属化镀膜后的半球谐振子的支撑杆垂直地固定所述的转台上，按步骤1)调整所述的的金属化镀膜后的半球谐振子的位置，并按步骤2)、3)、4)对金属化镀膜后的半球谐振子唇沿圆周方向N个位置进行测量，分别获得值Q′₁、Q′₂、Q′₃……Q′_N，所述的计算机将各个测量点在镀膜前后的Q值变化量ΔQ进行差分计算，ΔQ_i＝Q_i-Q′_i，分别获得Q值变化量ΔQ₁、ΔQ₂、ΔQ₃……ΔQ_N，在半球谐振子在唇沿圆周方向的镀膜前后的Q值变化曲线；

7)对圆周方向的镀膜前后的Q值变化曲线进行统计分析，对于超过1个标准偏差σ的测量结果进行分析，重点分析介于-3σ～-2σ和2σ～3σ区间的数据点，前者体现了对应测量位置的膜层相比平均膜厚偏厚，而后者体现了对应测量位置的膜厚相比平均膜厚偏薄。

本发明的有益效果：

1)基于激光测振系统，通过半球谐振子唇沿圆周方向的Q值在镀膜前后的变化规律对金属化镀膜均匀性的进行评估。

2)该方法可以在不破坏半球谐振子的情况下，避免了谐振子断面制样、扫描电镜分析等复杂、精细的测量过程。

3)通过细化测量点，可对半球谐振子唇沿方向的金属化膜层均匀性进行全面评估。

附图说明

图1为本发明半球谐振子Q值测试平台示意图；

图2为本发明半球谐振子振子振动的测试结果；

图3为本发明半球谐振子金属化镀膜前半球谐振子唇沿圆周方向的Q值分布曲线；

图4为本发明的半球谐振子金属化镀膜后半球谐振子唇沿圆周方向的Q值分布曲线；

图5为本发明的金属化镀膜对半球谐振子唇沿圆周方向的Q值变化曲线及均匀性异常点分析示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。

激光多普勒测振仪利用光的多普勒效应测量物体表面的位移和速度，其工作原理为激光源发出的激光束，由分光镜分解为同频率同相位的测量光束和参考光束；测量光束通过透镜聚焦在被测物体的振动表面，光波的频率发生变化，经振动表面反射至光敏元件处；通过计算测量光束与参考光束的频差，即可求得被测件的振动速度:

式中，Δf为测量光束与参考光束的频差，v为被测结构的振动速度，λ为测量激光的波长。

通过半球谐振子振动频率f₀和衰减时间τ的测试分析，获得半球谐振子的Q值：

Q＝π·f₀·τ。

图1为本发明实施例半球谐振子Q值测试平台示意图。

本发明半球谐振子金属化镀膜均匀性的评估方法，包括以下步骤：

1)将镀膜前的半球谐振子1的支撑杆垂直地固定在装有夹具的转台2上，该转台整体放置在真空腔室3内，在所述的半球谐振子1的侧边安装有压电陶瓷驱动的橡胶小锤子4，所述的真空腔室3整体放置在减震气浮平台上，在所述的气浮平台上架设一激光测振仪6，使所述的激光测振仪6发出的激光光斑通过所述的真空腔室3的窗口7水平垂直地入射到所述的半球谐振子1的唇沿表面，所述的激光测振仪6的另一端与计算机8的输入端相连，所述的计算机8的控制端经一控制器5与所述的橡胶小锤子4相连；

2)所述的计算机8通过所述的控制器5控制所述的橡胶小锤子4以一定的冲击力对所述的半球谐振子1进行敲击激振，同时，所述的激光测振仪6输出的激光光斑与所述的半球谐振子1的唇沿接触后发生多普勒效应而改变频率，并被所述的半球谐振子1反射形成反射光信号，该反射光信号被所述的激光测振仪6接收后输入所述的计算机8；

3)所述的计算机8对反射光信号进行数据分析，得到所述的半球谐振子1的振动速度随时间的衰减曲线，基于此结果分析计算所述的半球谐振子1的振动频率f₀和衰减时间τ，进而获得所述的半球谐振子1的品质因子Q₁；

4)通过所述的转台2对所述的半球谐振子1进行位置调整，依次测量所述的半球谐振子1唇沿其他位置的品质因子Q₂、Q₃、……、Q_N,其中，N为所述的半球谐振子1唇沿圆周方向的测量点数，可获得N个等角度位置变化的半球谐振子1唇沿圆周方向的Q值曲线；

5)对所述的半球谐振子1进行超声波清洗后进行金属化镀膜；

6)将金属化镀膜后的半球谐振子1的支撑杆垂直地固定所述的转台2上，按步骤1)调整所述的的金属化镀膜后的半球谐振子1的位置，并按步骤2)、3)、4)对金属化镀膜后的半球谐振子1唇沿圆周方向N个位置进行测量，分别获得值Q′₁、Q′₂、Q′₃……Q′_N，所述的计算机(8)将各个测量点在镀膜前后的Q值变化量ΔQ进行差分计算，ΔQ_i＝Q_i-Q′_i，分别获得Q值变化量ΔQ₁、ΔQ₂、ΔQ₃……ΔQ_N，在半球谐振子在唇沿圆周方向的镀膜前后的Q值变化曲线；

7)对圆周方向的镀膜前后的Q值变化曲线进行统计分析，对于超过1个标准偏差σ的测量结果进行分析，重点分析介于-3σ～-2σ和2σ～3σ区间的数据点，前者体现了对应测量位置的膜层相比平均膜厚偏厚，而后者体现了对应测量位置的膜厚相比平均膜厚偏薄。

本实施例半球谐振子1的振动频率f₀＝5041Hz和衰减时间τ＝257.8，进而获得半球谐振子该点的品质因子Q₁＝4082719，如图2所示；

通过转台2对半球谐振子1进行位置调整，依次测量半球谐振子1唇沿其他位置的品质因子Q₁、Q₂、Q₃……Q_N,获得半球谐振子1唇沿圆周方向的Q值曲线，如图3所示；

对金属化镀膜后的半球谐振子1的唇沿圆周方向的Q值Q′₁、Q′₂、Q′₃……Q′_N再次进行测量，如图4所示；

利用计算机8将各个测量点在镀膜前后的Q值变化量ΔQ进行差分计算(如ΔQ₁＝Q₁-Q′₁)，分别获得Q值变化量ΔQ₁、ΔQ₂、ΔQ₃……ΔQ_N在半球谐振子在唇沿圆周方向的变化曲线，如图5所示；

对圆周方向的镀膜前后的Q值变化曲线进行统计分析，对于超过1个标准偏差σ的测量结果进行分析(如图5中A和B虚线所圈出的位置点)，重点分析介于-3σ～-2σ和2σ～3σ区间的数据点(如图5中C虚线所圈出的位置点)，前者体现了对应测量位置的膜层相比平均膜厚偏厚，而后者体现了对应测量位置的膜厚相比平均膜厚偏薄。基于上述方法可以对谐振子表面金属化镀膜均匀性进行快速、完整的评估。

实验表明，本发明克服现有的贴片法和电镜断面分析方法的局限性，解决谐振子金属化膜层均匀性全面评估的技术难题。本发明能够有效地评估谐振子膜厚的整体均匀性分布，避免重复试验，节省了成本，在半球谐振子加工、调试领域具有重要应用。

Claims (1)

1.一种半球谐振子金属化镀膜均匀性的评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将镀膜前的半球谐振子(1)的支撑杆垂直地固定在装有夹具的转台(2)上，该转台整体放置在真空腔室(3)内，在所述的半球谐振子(1)的侧边安装有压电陶瓷驱动的橡胶小锤子(4)，所述的真空腔室(3)整体放置在减震气浮平台上，在所述的气浮平台上架设一激光测振仪(6)，使所述的激光测振仪(6)发出的激光光斑通过所述的真空腔室(3)的窗口(7)水平垂直地入射到所述的半球谐振子(1)的唇沿表面，所述的激光测振仪(6)的另一端与计算机(8)的输入端相连，所述的计算机(8)的控制端经一控制器(5)与所述的橡胶小锤子(4)相连；

2)所述的计算机(8)通过所述的控制器(5)控制所述的橡胶小锤子(4)以一定的冲击力对所述的半球谐振子(1)进行敲击激振，同时，所述的激光测振仪(6)输出的激光光斑与所述的半球谐振子(1)的唇沿接触后发生多普勒效应而改变频率，并被所述的半球谐振子(1)反射形成反射光信号，该反射光信号被所述的激光测振仪(6)接收后输入所述的计算机(8)；

3)所述的计算机(8)对反射光信号进行数据分析，得到所述的半球谐振子(1)的振动速度随时间的衰减曲线，基于此结果分析计算所述的半球谐振子(1)的振动频率f₀和衰减时间τ，进而获得所述的半球谐振子(1)的品质因子Q₁；

4)通过所述的转台(2)对所述的半球谐振子(1)进行位置调整，依次测量所述的半球谐振子(1)唇沿其他位置的品质因子Q₂、Q₃、……、Q_N，其中，N为所述的半球谐振子(1)唇沿圆周方向的测量点数，可获得N个等角度位置变化的半球谐振子(1)唇沿圆周方向的Q值曲线；

5)对所述的半球谐振子(1)进行超声波清洗后进行金属化镀膜；

6)将金属化镀膜后的半球谐振子(1)的支撑杆垂直地固定所述的转台(2)上，按步骤1)调整所述的的金属化镀膜后的半球谐振子(1)的位置，并按步骤2)、3)、4)对金属化镀膜后的半球谐振子(1)唇沿圆周方向N个位置进行测量，分别获得值Q′₁、Q′₂、Q′₃……·Q′_N，所述的计算机(8)将各个测量点在镀膜前后的Q值变化量ΔQ进行差分计算，ΔQ_i＝Q_i-Q′_i，分别获得Q值变化量ΔQ₁、ΔQ₂、ΔQ₃……ΔQ_N，在半球谐振子在唇沿圆周方向的镀膜前后的Q值变化曲线；

7)对圆周方向的镀膜前后的Q值变化曲线进行统计分析，对于超过1个标准偏差σ的测量结果进行分析，重点分析介于-3σ～-2σ和2σ～3σ区间的数据点，前者体现了对应测量位置的膜层相比平均膜厚偏厚，而后者体现了对应测量位置的膜厚相比平均膜厚偏薄。

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