圆柱壳体振动陀螺技术现状与发展趋势

席 翔，肖定邦，吴宇列，张勇猛，吴学忠

（国防科技大学智能科学学院，长沙410073）

0 引言

壳体振动陀螺主要包括半球壳体振动陀螺、圆柱壳体振动陀螺及其他壳体形状的振动陀螺，通过壳体驻波振动的哥氏效应实现角速度检测，具备精度高、工作温度范围广、启动时间短、对冲击过载不敏感等突出特点［1］。其中，圆柱壳体振动陀螺在近年来受到了广泛关注，其精度范围一般为 0.1（°）/h～10（°）/h（战术级）， 且在成本、 体积和功耗等方面具有综合优势，在近程导弹、精确制导炸弹、反坦克弹、无人机等军用领域，以及稳定平台、无人勘探设备、工业机器人等民用领域均有广阔的应用前景。

圆柱壳体振动陀螺的关键制造技术是高品质谐振结构及高性能测控电路，如图1所示。其中，高品质谐振结构的核心是要获得极高的机械品质因数（Q值）和极小的频率裂解，这对谐振结构的材料、结构、封装及其加工制造均提出了很高要求。对于圆柱壳体振动陀螺，其测控电路通常采用力平衡模式，使谐振结构能够稳定地振动在驻波模态，能够对正交漂移、温度漂移等误差进行一定程度的抑制和补偿。本文主要针对圆柱壳体振动陀螺的关键技术、研究现状及其应用情况进行了梳理和综述，并对其未来发展趋势进行了讨论，为该领域的读者提供一定参考。

图1 圆柱壳体振动陀螺的关键技术Fig.1 Key technologies of cylindrical vibratory gyroscope

1 研究现状

1890年，英国人Bryan针对振动壳体波动效应的研究奠定了壳体振动陀螺的理论基础［2］。进入20世纪以来，美国人Lynch对现代壳体振动陀螺的理论发展及性能提升做出了重要贡献［3］。目前，国外研究壳体振动陀螺最多的国家包括了美国、俄罗斯、法国、英国等。美国从20世纪60年代开始对半球形的壳体振动陀螺进行了研究，Northrop Grumman公司制造的半球壳体振动陀螺的零偏漂移优于 0.0001（°）/h， 已被成功应用于武器装备、NASA深空探测等重要领域［4］。俄罗斯于20世纪80年代开始也对壳体振动陀螺进行了系统性研究，俄罗斯拉明斯克仪器制造局、Medicon研究所等单位都研制出了高性能的壳体振动陀螺。近年来，法国Sagem公司利用零偏自校正等新技术实现了半球壳体振动陀螺性能的大幅提升，再次引发了业内的广泛关注［5］。

相对于高精度的半球壳体振动陀螺，圆柱壳体振动陀螺则定位于中低精度、低成本的应用场合，其出现始于20世纪80年代。随着材料和加工技术的不断进步，圆柱壳体振动陀螺的精度实现了大幅提升，图2为圆柱壳体振动陀螺的发展历程。近年来，英国航天公司、日本住友精密工业公司、美国Watson公司及Innalabs公司等都对圆柱壳体振动陀螺进行了大量研究，并推出了成熟产品。Watson公司的压电陶瓷圆柱壳体振动陀螺的零偏稳定性为 0.1（°）/s， 分辨率为 0.025（°）/s（VSG-E 型）［6］。 为进一步提升性能， Watson 公司推出了一款以金属-压电陶瓷为混合结构的圆柱壳体振动陀螺，能够实现Q值的大幅提升。目前，精度最高的圆柱振动陀螺是Innalabs公司设计的CVG系列陀螺（于2007年推出），其采用变壁厚结构形式和高弹性合金材料，在保证低成本的同时大幅提升了谐振结构的Q值（＞30000），在常温条件下零偏漂移优于 0.1（°）/h， 在全温条件下零偏漂移优于 10（°）/h， 并被成功应用于多款装备［7-8］。 此外，圆柱壳体振动陀螺在微机电（MEMS）领域也受到一定程度的关注，如美国密歇根大学的Cho等人［9］利用 Silicon-on-Glass （SOG）工艺制造了一种微型圆柱陀螺，其深度为350μm，半径为2.5mm，Q值达到了 21800， 零偏稳定性为 0.16（°）/s。

图2 圆柱壳体振动陀螺的发展历程Fig.2 Development history of cylindrical vibratory gyroscope

我国对圆柱壳体振动陀螺的研究始于20世纪80年代末期，先后有多家单位分别对其基础理论、加工制造、信号处理等问题进行了较为全面的研究。近年来，随着壳体振动陀螺研究热潮的再度兴起，以中电集团26所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、北京信息科技大学等为代表的单位在陀螺结构设计、加工制造和电路控制等方面已取得了一些实质性的研究成果［10-13］。

2 材料技术

圆柱壳体振动陀螺的灵敏度高、工作温度范围大，其材料要具备高机械品质因数（Q值）和低频率温度系数。硅、熔融石英、蓝宝石等都具有较低的阻尼和稳定的物理化学性质，可以用于制造陀螺谐振结构。在一些对精度要求较低的场合，也可以用压电陶瓷材料制造圆柱壳体振动陀螺。但是，如果要获得高性能，则必须采用熔融石英等高Q值材料，如半球壳体振动陀螺就是采用各向同性的熔融石英材料达到了极高的性能。但是，熔融石英为硬脆材料，对其进行机械加工十分困难，对精密加工设备的要求很高，加工成本高、效率低。表1为用不同材料制造圆柱壳体振动陀螺的优缺点对比。

表1 不同材料制造圆柱壳体振动陀螺的优缺点对比Table 1 Comparisons of cylindrical vibratory gyroscope made by different materials

为确保陀螺精度，同时降低加工成本、提升加工效率，目前较好的方案是利用合金材料制造圆柱壳体振动陀螺。在选择合金作为谐振结构材料时，应重点关注合金材料的内耗、线性热膨胀系数和弹性模量温度系数，可选用3J33等高弹性合金及 3J53、3J58等恒弹性合金（3J33、3J53、3J58均为国内牌号）。但是，使用合金材料制造圆柱壳体谐振结构需要进行严格的热处理，以获得良好的弹性和温度稳定性。目前，主要的热处理方式有：1）固溶处理：一般在950℃～980℃条件下，保温15min～40min后，迅速水淬，可获得晶粒细小的单相奥氏体组织；2）时效处理：固溶或冷变形后进行时效处理，选择适当的热处理参数，控制弥散相的析出量和分布形态，以提高材料的硬度和弹性；3）老化处理：在时效处理之后进行老化处理，其目的是使零件具有较高的时间稳定性和很小的非弹性行为。在进行热处理时，通常会采用一定的保护气氛（氮气、氢气、氩气）或使用真空进行热处理，以防止精密谐振结构被氧化，进而引发Q值降低。

3 制造技术

通常而言，精度良好的车床或加工中心即能够保证高质量的圆柱壳体振动陀螺谐振结构的制造。但由于圆柱壳体振动陀螺谐振结构是薄壁结构，在加工过程中要重点控制以下3种形式的变形：1）受力变形：在夹紧力的作用下，由于工件壁薄，零件极易发生变形，不仅工件的尺寸易受到影响，也会影响工件的形状精度；2）受热变形：工件会随着切削热的增加而发生变形，这使得工件的尺寸不易被控制；3）振动变形：薄壁零件在切削力尤其是径向切削力的作用下，极易发生振动与变形，工件的尺寸精度和形状不仅易受到影响，其位置精度和表面粗糙度也将被影响。上述这些因素使加工过程易出现变形、尺寸超差和表面振纹等问题，严重影响零件的加工精度和成品率。因此，在谐振结构的精密加工过程中，要重点解决加工变形问题，确定相关工艺参数，如切削速度、进给量、刀具几何参数、夹具定位方式和夹紧力等。

在加工完毕后，谐振结构还需要进行精密机械平衡。这是由于加工误差必然使谐振结构的质量和刚度分布不均，导致振型偏角和频率裂解的产生，引起正交误差，成为影响陀螺性能的主要因素。在制造高性能的圆柱壳体振动陀螺时，谐振结构的频率裂解要求在0.01Hz以下。谐振结构的机械平衡能够矫正振型偏角并消除频率裂解，是提高陀螺性能的关键。谐振结构的机械平衡包括静平衡和动平衡。静平衡使谐振结构的质量中心与其回转轴线重合，可消除质量偏心，但通常会产生额外的频率裂解；动平衡的目标是使谐振结构的频率裂解和振型偏角降低至一定范围内。谐振结构的动平衡在静平衡之后进行，且动平衡过程不应破坏静平衡。因此，谐振结构动平衡的修调应满足原点中心对称条件。实现静平衡和动平衡的主要方式是激光修形和离子束修形。其中，离子束修形方式常用于熔融石英材料的结构修形，对结构的损伤小，不会生成微裂纹；激光修形方式常用于金属材料的结构修形，操作更加方便灵活。

4 测控技术

高精度的陀螺谐振结构是陀螺的核心部件，但相关外围电路的集成才能最终实现陀螺整机的研制。圆柱壳体振动陀螺定位于中低精度，基本均采用力平衡模式的测控电路。如图3所示，其主要功能为：1）激励起谐振结构的驱动模态，使其能够以稳定的驻波形式振动；2）抑制检测模态的振动，使陀螺具有较好的响应带宽；3）从力平衡信号中解调出角速度，实现角速度的信号输出。近年来，模态交换等新控制技术的提出，也为从电路上提升圆柱壳体振动陀螺的性能提供了新的思路［14］。在理论上，当陀螺的驱动模态与检测模态互换后，陀螺刻度因子相同，由阻尼不均引起的零偏漂移方向相反。借助这个特性，便可以将阻尼漂移从陀螺输出信号中减去，进而大幅提升陀螺的零偏稳定性。该方法的缺点是如果只用1个陀螺，则降低了带宽；如果要同时保证陀螺带宽，则需要额外增加1个陀螺。由于在提升陀螺性能方面的显著作用，该方法目前引起了波音、Northrop Grumman等公司的广泛关注。

图3 基于模态交换的自补偿原理Fig.3 Principle of self-compensation based on mode exchange

5 结论

圆柱壳体振动陀螺的结构形式虽然出现已久，但随着材料和加工技术的不断进步，其焕发出了新的活力。近10年以来，面对日益增长的军事、航天需求，圆柱壳体振动陀螺正朝着高精度化、小型化及低成本化的方向发展。在具有较小体积的同时， 制造0.1（°）/h以下的高性能圆柱壳体振动陀螺，正成为一个发展趋势。

圆柱壳体振动陀螺是振动陀螺中的一类重要分支，已被证实具有精度高、体积小、稳定性好、抗冲击性能强等突出优点，具有良好的市场应用前景。开展针对圆柱壳体振动陀螺的技术研究，对提高我国惯性导航领域的自主研发与创新能力具有实际意义。