一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法与流程

1.本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法。


背景技术：

2.半球谐振陀螺是一种极具发展前景的新型高精度陀螺，其优点在于：体积小、精度高、功耗低、可靠性高、启动时间短、机械部件结构简单、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、对线性过载不敏感、断电时稳定性好、制造半球谐振陀螺时可以实现自动化生产等，此外，半球谐振陀螺还具有较长的寿命。有关资料表明：半球谐振陀螺可以连续工作15年以上，并保持所要求的性能，因此被公认为是最长寿命的陀螺。
3.半球谐振陀螺至少通过一对空间位置相距45
°
的激励电极对谐振子施加控制，其依靠激励电极和谐振子的镀层形成的平板电容对谐振子施加静电力。由于工艺限制，这两个激励电极的电容间距往往不一致，存在最大0.1%的误差，大约造成1000ppm的增益误差，这会影响半球谐振陀螺对谐振子施加静电力的精度，产生额外的漂移，如果不进行校准，将会影响半球谐振陀螺的精度及稳定性。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法，通过改变其中一个激励电极的增益，驻波绑定效应使陀螺振型绑定在不同的振型角，由绑定的振型角的偏差计算激励电极的增益，然后通过计算出的激励电极的增益，对激励电极的输出电压进行校准，解决了激励电极增益不一致的问题。
5.本发明是通过以下技术方案予以实现：
6.一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法，其包括如下步骤：第一步：将半球谐振陀螺静止在测试平板上，向激励x电极、激励y电极施加相同的稳幅电压，待半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置后，记录半球谐振陀螺的稳幅力合力及振型波腹振动方向角；第二步：将激励y电极增益增大，待半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置后，记录半球谐振陀螺的增益稳幅力合力及增益振型波腹振动方向角；第三步：将第一步及第二步记录的半球谐振陀螺的稳幅力合力、振型波腹振动方向角、增益稳幅力合力及增益振型波腹振动方向角代入式（1）中，计算半球谐振陀螺的稳幅力合力方向角；（1）；
第四步：根据式（2）及式（3）计算半球谐振陀螺的激励电极增益误差，并将激励y电极的输出电压乘以（）倍，使激励x电极与激励y电极的增益校准一致；（2）（3）；其中：表示稳幅力合力方向与两个激励电极的角分线之间的偏离角度。
7.优化的，向激励x电极、激励y电极施加相同的稳幅电压后至半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置的时间为10分钟。
8.进一步，第三步中通过将激励y电极的输出电压增加（1+）倍的方式使激励y电极增益增大。
9.发明的有益效果：本发明通过改变其中一个激励电极的增益，驻波绑定效应使陀螺振型绑定在不同的振型角，由绑定的振型角的偏差计算激励电极的增益，然后通过计算出的激励电极的增益，对激励电极的输出电压进行校准，解决了激励电极增益不一致的问题，防止由于半球谐振陀螺对谐振子施加静电力的精度产生额外的漂移，提高了半球谐振陀螺的精度及稳定性。
附图说明
10.图1是本发明半球谐振陀螺振型位置示意图。
具体实施方式
11.一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法，其包括如下步骤：第一步：将半球谐振陀螺静止在测试平板上，向激励x电极、激励y电极施加相同的稳幅电压，待半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置后，记录半球谐振陀螺的稳幅力合力及振型波腹振动方向角；第二步：将激励y电极增益增大，待半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置后，记录半球谐振陀螺的增益稳幅力合力及增益振型波腹振动方向角；第三步：将第一步及第二步记录的半球谐振陀螺的稳幅力合力、振型波腹振动方向角、增益稳幅力合力及增益振型波腹振动方向角代入式（1）中，计算半球谐振陀螺的稳幅力合力方向角；（1）；第四步：根据式（2）及式（3）计算半球谐振陀螺的激励电极增益误差，并将激励y电极的输出电压乘以（）倍，使激励x电极与激励y电极的增益校准一致；
（2）；（3）；其中：表示稳幅力合力方向与两个激励电极的角分线之间的偏离角度。
12.半球谐振陀螺的激励x电极、激励y电极为一对相距45
°
的激励电极，假设激励x电极的增益为，激励y电极的增益为，则激励x电极的增益与激励y电极的增益之间的关系如式（4）所示：（4）；
13.当给两个激励电极施加同样的稳幅激励电压时，若两个激励电极的增益一致，则为0。由矢量的合成法则可知，半球谐振陀螺的稳幅力合力作用在两个激励电极的角分线上，若陀螺无漂移和外部输入角速度，振型波腹将被绑定在稳幅力合力方向，这称为驻波绑定效应。当两个激励电极增益不一致时，稳幅力合力方向与两个激励电极的角分线会出现一个偏离角度，该偏离角度和的关系为式（5）：（5）；在实际情况中，一般外界存在输入角速度，如地球自转角速度以及半球谐振陀螺自身有漂移时，驻波在稳态时不处在稳幅力合力方向，而是产生一个偏移，如图1所示。这是因为外输入角速度引起的陀螺漂移和哥氏力驻波进动，直到稳幅力合力在陀螺漂移和哥氏力作用方向上的投影分量相等并反向。检测电极、检测电极通过对振动信号检测，并通过信号解调模块可以实时输出驻波的位置，即振型角，一般以驻波振动方向在检测电极处表示振型角0
°
，并且振型角的增加定义为逆时针旋转，则图1中激励电极x和激励电极y的激励电极角分线对应的振型角为112.5
°
，因为哥氏力和陀螺漂移作用方向和振型波腹振动方向恒相差90
°
，这是半球谐振陀螺的工作原理决定的。
14.则这几个变量之间的关系式如式（6）所示：（6）；其中：为哥氏力与漂移力之和；
15.又根据式（7），式（6）可以改写成式（8）的形式：（7）；（8）；式（8）中、为未知量，和为已知量，若能求得就能通过式（5）求出。
16.主动将激励y电极的增益增大已知的，可以通过将激励y电极的输出电压增大的方式实现，振型稳定后就可以得到新的关系式（9）：（9）；
根据式（8）和式（9）就可以得到式（1），根据式（1）就可以计算出的值，再将根据式（2）及式（3）就可以计算出半球谐振陀螺的激励电极增益误差，然后改变激励y电极的输出电压，将激励y电极的输出电压乘以（）倍，就可以将激励x电极与激励y电极的增益校准一致，解决了激励x电极与激励y电极增益不一致的问题，防止由于半球谐振陀螺对谐振子施加静电力的精度产生额外的漂移，从而提高半球谐振陀螺的精度及稳定性。
17.优化的，向激励x电极、激励y电极施加相同的稳幅电压后至半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置的时间为10分钟，向激励x电极、激励y电极施加相同的稳幅电压后，必须等待一段时间，待半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置，才能使记录的数据更加准确，最后校准的更加精准，从而保证半球谐振陀螺的精度及稳定性。
18.进一步，第三步中通过将激励y电极的输出电压增加（1+）倍的方式使激励y电极增益增大，这种方式使得操作更加简单直接，更加便于工程实现，具有较强的工程应用价值。
19.综上所述，本发明提出的一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法，通过改变其中一个激励电极的增益，由绑定的振型角的偏差计算出激励电极的增益，对激励电极的输出电压进行校准，解决了激励电极增益不一致的问题，提高了半球谐振陀螺的精度及稳定性，并且便于工程实现，具有较强的工程应用价值。
20.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：将半球谐振陀螺静止在测试平板上，向激励x电极、激励y电极施加相同的稳幅电压，待半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置后，记录半球谐振陀螺的稳幅力合力及振型波腹振动方向角；第二步：将激励y电极增益增大，待半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置后，记录半球谐振陀螺的增益稳幅力合力及增益振型波腹振动方向角；第三步：将第一步及第二步记录的半球谐振陀螺的稳幅力合力、振型波腹振动方向角、增益稳幅力合力及增益振型波腹振动方向角代入式（1）中，计算半球谐振陀螺的稳幅力合力方向角；（1）；第四步：根据式（2）及式（3）计算半球谐振陀螺的激励电极增益误差，并将激励y电极的输出电压乘以（）倍，使激励x电极与激励y电极的增益校准一致；（2）（3）；其中：表示稳幅力合力方向与两个激励电极的角分线之间的偏离角度。2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法，其特征在于，向激励x电极、激励y电极施加相同的稳幅电压后至半球谐振陀螺输出的振型角到达稳态位置的时间为10分钟。3.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法，其特征在于，第三步中通过将激励y电极的输出电压增加（1+）倍的方式使激励y电极增益增大。

技术总结
本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺激励电极增益校准方法，包括如下步骤：将半球谐振陀螺静止在测试平板上，向X电极、Y电极施加相同的稳幅电压，记录及；将Y电极增益增大，记录及；根据、、及计算半球谐振陀螺的稳幅力合力方向角；再计算半球谐振陀螺的激励电极增益误差，并将Y电极的输出电压进行调节，使X电极与Y电极的增益校准一致。本发明提供的方法解决了激励电极增益不一致的问题，提高了半球谐振陀螺的精度及稳定性。谐振陀螺的精度及稳定性。谐振陀螺的精度及稳定性。


技术研发人员：唐明浩 贾晨凯 陈刚 贾志强 孙文超
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/8/24