金屬振動陀螺諧振子性能參數的分析與研究

楊 柳，楊 勇,余 波,譚文躍,方 針

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

金屬振動陀螺不同于傳統的機械轉子式陀螺和基于薩格納克效應的光學陀螺，它是一種全固態哥氏振動陀螺，主要優勢在于其成本低，體積小，功耗低，性能穩定，響應快速，抗振動沖擊，無轉動部件且可瞬時啟動，因而在制導武器、汽車、導航、機器人等領域具有廣泛的應用前景。

陀螺儀的技術狀態和水平是制約慣性系統發展的核心[1]，為提高金屬振動陀螺的性能，眾多學者開展了相關理論的建模與分析[2]、低成本化[3]、工藝、諧振子材料機理等的研究，結果表明，金屬振動陀螺的性能與諧振子所選材料的屬性有關。近年來，隨著金屬振動陀螺的不斷深入研究，已取得了長足的發展與進步[4]。

本文概述了金屬振動陀螺的工作原理、諧振子的設計、制作到成型裝配要求。基于金屬振動陀螺性能參數要求。重點研究諧振子的材料特性及制作過程中的熱處理工藝，分析了它們對金屬諧振子性能參數的影響。

1 金屬陀螺結構說明

金屬振動陀螺主要由基座、諧振子和外罩3部分組成(見圖1)?；c外罩焊接，將諧振子密封在真空中。薄壁金屬圓柱體的諧振子作為陀螺傳感器使用，諧振子的底部均勻分布8個圓孔，壓電片粘接在諧振子底部的8個圓孔之間，作為8個等間距電極，用來激勵和測試諧振子的振動，并提取用于振動幅度穩定、相位跟蹤誤差、頻率差異等的控制信號。而諧振子底部的圓孔是用來對壓電片定位的。諧振子由標準螺釘固定在基座上。

圖1 金屬CVG陀螺裝配單元

2 諧振子性能參數的損耗

由于設備和加工工藝的誤差，實際的諧振子和理想的對稱形狀總存在一些偏差，易導致諧振子在運動過程中能量損耗[5]，對陀螺的噪聲和穩定性等性能產生影響。其中諧振子的性能參數損耗為

1/Q∑=1/Qin+1/Qenv+1/Qfix+1/Qot

(1)

式中：1/Qin為由制作諧振子和確定品質因數 (Q)值極限的材料屬性引起的內部損耗；1/Qenv為由外部環境影響引起的損耗；1/Qfix為由諧振子圓周不對稱和底部固定差異引起的損耗；1/Qot為其他方面的損耗。

為減小諧振子的損耗，1/Qenv、1/Qfix、1/Qot可以采取相應的措施減小甚至消除。而內部損耗1/Qin與所選材料的屬性有關，主要由諧振子材料的選擇及其熱處理決定。為提高金屬諧振子陀螺的整體性能，希望選用Q值較高，性能參數穩定性較好，線膨脹系數較低，同時在受熱環境中參數變化線性度高的材料。當然，某單一材質的材料基本達不到這種要求，需選用符合要求的低阻尼合金材料，減小金屬諧振子材料的內在損耗。

3 諧振子性能參數的分析研究

3.1 諧振子材料的優化選擇

金屬諧振子CVG性能指標除了通過采用器件真空封裝技術和電路控制補償技術等得到提高外，有必要選用高穩定性、高Q值材料，以減小溫度漂移和控制信號的不穩定性。

現代冶金技術創造了大量特殊的合金，能提供溫度變化時合金參數的高穩定性，高Q值和受熱過程中參數變化的高線性度。由于金屬元素鎳、鈷、鉬、鈦對改善金屬諧振子主要參數各具特性，成為金屬諧振子材料不可或缺的元素成分。對不同金屬元素不同含量的合金，其Q值、熱膨脹系數等參數性能也有較大的差別，如Ni-SPAN-C合金902合金的線膨脹系數約為5×10-6℃-1。45NiCrTi合金和摻雜Co和Mo的其他合金具有更低的線膨脹系數，同時在受熱過程中參數線性度更好。用這種合金制成的諧振子Q值在大氣壓下超過10 000～20 000，真空中高2～3倍。針對諧振子金屬材料性能，列出Q值較高、線膨脹系數較小的幾種合金的性能參數(見表1)。表中,合金材料是純度較高的特殊合金。

表1 幾種合金的性能參數

由表1可知，從優化材料的選擇，提高陀螺的穩定性和Q，馬氏體時效鋼3J33和摻雜Co和Mo的NiTi合金較其他幾種材料性能優越。

3.2 金屬諧振子的熱處理優化

對金屬振動陀螺在恒溫和-40～+50 ℃內進行測試，結果顯示，-40～+50 ℃與恒溫性能相比，隨機游走系數為2倍，零偏穩定性是6倍，這是因為傳感器壓電噪聲的增加和諧振子Q值改變的緣故。減小壓電噪聲可選用溫度穩定性好的壓電材料，而諧振子Q值的改變，主要原因是諧振子材料對熱處理敏感，要想獲高Q值，就必須謹慎對待熱處理工藝。摻雜Co和Mo的NiTi合金和馬氏體時效鋼3J33的Q值相差不大，通過熱處理工藝，其Q值可超過30 000。

對馬氏體時效鋼3J33制作的諧振子進行熱處理工藝研究,通過高溫固溶處理法消除材料的帶狀組織，分別選擇不同的固溶溫度(800 ℃、900 ℃、1 050 ℃、1 150 ℃),均保溫1 h，以確定在不同溫度下材料的帶狀組織是否消除(見圖2)。

圖2 不同固溶溫度下金相組織

由圖2可知，溫度升高到900 ℃時，帶狀組織明顯減少，在1 050 ℃，帶狀組織基本消除，對時效過程中金屬間化合物的均勻彌散析出提供了較好的條件。而根據諧振子在真空中的Q值較常溫高2～3倍。選擇在950 ℃×1 h+575 ℃×3 h，真空度在10-3Pa的條件下進行熱處理，以提高諧振子材料的力學性能穩定性。

4 結束語

選擇馬氏體時效鋼3J33對金屬振動陀螺諧振子的性能參數優化有較好的效果，其Q值超過20 000。目前金屬振動陀螺研究在諧振子階段取得較大的突破，下一步需要繼續完善熱處理工藝和優化材料選擇，使Q值可超過30 000，線膨脹系數更低，以進一步提高金屬陀螺的性能。