[发明专利]平面电极结构半球谐振陀螺精密装配装置及方法

说明书

本发明涉及平面电极结构半球谐振陀螺精密装配装置及方法，其通过光谱共聚焦传感器获取谐振子与基座电极之间的间隙，通过四个方向的间隙的数值，通过多自由度定位平台实现间隙的调整；通过差分式电容检测装置获得振子与电极基座分别在X轴和Y轴方向的径向位置偏差，将径向位置偏差反馈到多轴位移平台控制系统中，从而可实现径向位置偏差的高精度调整的功能。本发明能够高精度检测并调整谐振子与电极基座之间X、Y、Z方向的位置偏差以及俯仰与翻滚偏差，解决平面电极结构半球谐振陀螺谐振子与基座电极间隙及径向位置偏差的精确测量与调整难题，提高陀螺表头一致性，进而提高陀螺性能，满足高精度半球谐振陀螺研制要求。

技术领域

本发明属于惯性测量传感器技术领域，尤其是平面电极结构半球谐振陀螺精密装配装置及方法。

背景技术

半球谐振陀螺是一种新型惯性级固体陀螺，它具有精度高、体积小、抗冲击能力强、寿命长、可靠性高等独特优点，在军事应用中具有明显的优势。按结构划分，半球谐振陀螺可分为三件套结构和两件套结构，两件套结构又可进一步分为球面电极结构和平面电极结构。相对于球面电极结构，法国赛峰公司研制的两件套平面电极结构的半球谐振陀螺装配难度和生产成本大大降低，年产量可达到25000只，精度可优于0.001°/h，具有非常强的市场竞争力。

平面电极结构半球谐振陀螺主要由半球谐振子与平面电极基座两大核心功能构件组成，一般采用静电激励和电容检测实现对谐振子中驻波的控制和检测。如图6所示，谐振子与电极基座之间间隙一般为几十微米，谐振子与电极基座之间形成的电容可等效为平行平板电容，其电容值为：

其中C为等效电容值，ε为介电常数，A为电容极板等效面积，d为谐振子与电极之间的间隙。由电容值的公式可知，谐振子与电极基座之间的电容值与电容极板之间的间隙成反比，与电极的面积成正比。因此谐振子与电极基座之间的间隙不一致，以及电极极板面积的不一致都会导致陀螺各个电极之间的电容值不一致，从而引入陀螺激励和检测的误差。另外，电极中心与谐振子回转中心位置偏差还会陀螺各个电极之间的电容值不一致，并产生电极角度位置偏差。

为保证半球谐振陀螺各离散电容的一致性，装配时需要对各个离散电极处谐振子与电极之间的间隙进行精确的测量和调整。然而由于技术封锁，目前没有谐振陀螺精密装配技术的相关报道。对于平面电极结构半球谐振陀螺来说，常规的装配方法是采用标准量块来保证谐振子与电极基座两个零件之间间隙的一致性，待两零件可靠连接之后再将量块取出。由于平面电极结构的陀螺其谐振子与电极之间的间隙一般在几十微米至120微米之间，间隙一致性达到亚微米量级，标准量块需要同时满足薄、精度高、不易变形等要求，很难获得。另一方面，谐振子与电极基座采用硬脆材料熔融石英加工而成，为形成电容极板需要在表面镀覆一层金膜，金膜较软且厚度在微米量级，在标准量块取出的过程中容易划伤金膜表面，导致电容异常，甚至谐振子或者电极基座零件的报废。并且基于标准量块的常规装配方法仅考虑了谐振子与电极之间间隙d的一致性，而不能兼顾电极中心与谐振子回转中心位置偏差。综上所述，开展谐振子与电极基座之间间隙的精确对准技术，以及电极中心与谐振子回转中心位置的精确对准技术研究，对于推动我国高精度半球谐振陀螺的研制具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现平面电极结构半球谐振陀螺谐振子与电极基座之间间隙、谐振子回转中心与电极中心位置偏差的高精度测量与调整的装置以及方法，能够实现半球谐振陀螺谐振子与电极基座之间间隙、电极中心与谐振子回转中心位置偏差的高精度测量与调整，满足高精度半球谐振陀螺研制要求，推动我国新型惯性器件及武器装备的发展。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：