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半球谐振子金属化镀膜残余应力与膜厚均匀性研究

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半球谐振子金属化镀膜残余应力与膜厚均匀性研究

作者：孙婧晗华中科技大学

学位级别：硕士

作为一种高精度、长寿命、低功耗的惯导器件,半球谐振陀螺(HRG)在各种航空航天等战略性武器当中具有广阔的应用前景。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,以其高Q值、低频差的优良特性保证了半球谐振陀螺的工作精度。对谐振子表面金属... 详细信息

作为一种高精度、长寿命、低功耗的惯导器件,半球谐振陀螺(HRG)在各种航空航天等战略性武器当中具有广阔的应用前景。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,以其高Q值、低频差的优良特性保证了半球谐振陀螺的工作精度。对谐振子表面金属化镀膜是半球谐振子制造的重要工艺环节。薄膜残余应力和膜厚均匀性对谐振子的Q值和频差具有重要影响。本文对半球谐振子表面金属化镀膜后薄膜残余应力和膜厚均匀性对谐振子Q值和频差的影响进行了理论研究,发现不均匀的薄膜会引发谐振子固有频率的改变从而增大频差,薄膜内的残余应力使谐振子产生内耗从而降低其Q值;研究了薄膜残余应力分类及各类残余应力的产生机制,对Au与Cr构成的双层薄膜系统的热应力进行了理论建模,根据模型得知各层膜的热应力值与其他膜层无关,且此双层膜系统的中性轴位于基底距下端自由面2/3基底厚度的位置;模拟了不同基底温度下的薄膜热应力并确定了基底温度的最佳理论值,模拟结果显示残余应力中的本征应力远大于热应力;针对超薄薄膜残余应力的非接触式测量,分别以曲率基片法、X射线常规法和X射线掠入射法进行了实验研究,发现Au和Cr材料的延展性使得曲率基片法测得的残余应力值小于其真实值,X射线常规法对本课题的薄膜残余应力只能进行定性分析,X射线掠入射虽然适合超薄膜的残余应力测试,但其在测量过程中自由度受限导致接收到的薄膜材料衍射峰不完整。本文提出了利用贴片法测量球面膜厚均匀性的工艺,分别利用磁控溅射和电子束蒸发进行了球面金属化镀膜实验,发现电子束蒸发镀膜可获得均匀性较好的球面金属薄膜;根据朗伯定律,利用ZEMAX模拟了谐振子球面膜厚分布和均匀性,模拟结果与膜厚均匀性测试结果基本一致;分析了谐振子半球在镀膜过程中的运动方式对膜厚分布和均匀性的影响。

关键词：半球谐振子金属化残余应力膜厚均匀性球面

半球谐振子磁流变抛光加工技术及其工艺实验研究

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半球谐振子磁流变抛光加工技术及其工艺实验研究

作者：张杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

半球谐振陀螺关键部件之一的半球谐振子加工质量的好坏直接影响着半球谐振陀螺的性能。目前我国半球谐振子的加工质量仅仅能达到亚微米级,为了提高半球谐振子的加工质量需对超精密磨削后的半球谐振子进行抛光加工。由于半球谐振子的结... 详细信息

半球谐振陀螺关键部件之一的半球谐振子加工质量的好坏直接影响着半球谐振陀螺的性能。目前我国半球谐振子的加工质量仅仅能达到亚微米级,为了提高半球谐振子的加工质量需对超精密磨削后的半球谐振子进行抛光加工。由于半球谐振子的结构比较复杂,传统的抛光技术无法实现,因此本文将在结合磁流变抛光原理的基础上,完成对半球谐振子磁流变抛光专用机床的研制以及对半球谐振子磁流变抛光液材料去除性能和磁流变抛光工艺的研究。针对半球谐振子是一种小口径复杂结构薄壁件的结构特点以及较高的加工质量要求,设计了采用小直径永磁球头对半球谐振子进行磁流变抛光的加工工艺方案。在此基础上对半球谐振子专用磁流变抛光机床进行了总体方案设计,根据使用功能对机床进行相应的模块划分,并对模块进行相应的结构设计,最终完成机床的设计与搭建工作。对半球谐振子抛光加工过程中的磁流变抛光液材料去除性能进行了研究。通过分析磁流变液的性能要求,选择了磁流变抛光液成分:羰基铁粉、氧化铈、羟丙基甲基纤维素。采用单因素实验方法研究了磁流变抛光液成分(羰基铁粉、氧化铈、羟丙基甲基纤维素)含量对材料去除率的影响。通过正交实验设计方法研究了不同成分组合对材料去除率的影响规律,分析了磁流变抛光液中成分含量对熔石英玻璃材料去除率影响的主次关系,得到了材料去除率最高的磁流变成分配比组合:羰基铁粉36%、氧化铈3%,添加剂1.1%、水59.9%。通过分析半球谐振子的加工形式,结合Preston方程推导了半球谐振子磁流变抛光的去除函数。通过响应曲面法对熔石英玻璃进行了磁流变抛光加工工艺实验,根据实验结果建立了熔石英玻璃材料去除率关于磁流变抛光工艺参数(抛光头主轴转速、工件主轴转速、C轴转角、抛光间隙)的数学模型,并在此基础上分析了各磁流变抛光工艺参数对材料去除率的影响规律,通过粒子群算法优化了磁流变抛光工艺参数。根据优化结果进行抛光验证实验,得到实际值与理论值误差为5.6%。最后采用优化得到的磁流变抛光工艺参数对超精密磨削加工后的半球谐振子进行抛光验证实验,测量结果表明经过磁流变抛光加工的半球谐振子的表面粗糙度Ra值由78.3nm提高到14.3nm,面型精度PV值由0.5457μm改善到0.3320μm。

关键词：半球谐振子磁流变抛光磁流变液结构设计工艺优化

基于叉指电极激励和衰减信号拟合的半球谐振子性能测试方法

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兵器装备工程学报 2023年第6期44卷 272-278页

作者：郑倓雷宏杰岳亚洲胡强曹诗音朱良健中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所西安710065 飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室西安710065

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感元件,其频率裂解值和时间常数等性能参数直接决定陀螺精度,所以在陀螺研制过程中需要对其性能参数进行准确测试。针对性能参数测试问题,设计优化了基于叉指电极的半球谐振子非接触激励方法;研究基于... 详细信息

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感元件,其频率裂解值和时间常数等性能参数直接决定陀螺精度,所以在陀螺研制过程中需要对其性能参数进行准确测试。针对性能参数测试问题,设计优化了基于叉指电极的半球谐振子非接触激励方法;研究基于衰减信号拟合的性能参数辨识方法并进行建模仿真,分析各类误差对测试精度的影响;搭建实验装置进行了测试,频率裂解值、时间常数和刚度轴角位置的测试重复性分别为0.92 mHz、0.537 s和0.327°。结果表明,该方法测试重复性较好,能较准确测得石英半球谐振子的性能参数,可为半球谐振陀螺研制提供测试基础支持。

关键词：半球谐振子频率裂解值时间常数刚度轴角位置叉指电极

基于SiO2掩膜层的硅基微半球谐振子模具加工工艺

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微纳电子技术 2020年第4期57卷 312-319,332页

作者：郑显泽李严军王月唐彬熊壮中国工程物理研究院电子工程研究所四川绵阳621999

微半球模具的三维对称性对半球谐振子的性能有着决定性的影响。提出使用热氧化工艺生长的SiO2材料作为掩膜层,以达到在使用HNA腐蚀溶液制作微半球陀螺谐振子模具的过程中加快纵向腐蚀速率及实现半球模具三维对称的目的。详细研究了不同... 详细信息

微半球模具的三维对称性对半球谐振子的性能有着决定性的影响。提出使用热氧化工艺生长的SiO2材料作为掩膜层,以达到在使用HNA腐蚀溶液制作微半球陀螺谐振子模具的过程中加快纵向腐蚀速率及实现半球模具三维对称的目的。详细研究了不同腐蚀窗初始半径下HNA腐蚀溶液对〈111〉单晶硅进行纵向和侧向腐蚀时,其腐蚀深度和腐蚀速率的演化规律,并在此基础上通过设置适当的腐蚀窗初始半径(5μm)以及腐蚀时间(15 min),成功制作出了半径为38.937 7μm的三维对称半球谐振子模具,通过球度拟合证明该模具整体半径方差为0.789 3μm,球度偏差为2%,为半球谐振子三维对称性的提升奠定了基础。

关键词：微半球谐振陀螺各向同性腐蚀 HNA腐蚀溶液单晶硅半球谐振子 SiO2

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瑕疵半球谐振子频率分歧修正

压电与声光 2021年第3期43卷 413-416,420页

作者：周闯彭凯方海斌谭品恒方仲祺中国电子科技集团公司第二十六研究所固态惯性技术重庆市工程实验室重庆400060

针对半球谐振陀螺仪中半球谐振子频率分歧修正难题,该文提出在谐振子唇缘端固有刚性轴上去除四点修正方法。首先通过COMSOL有限元仿真建立瑕疵与固有刚性轴之间的关系,得到只有在固有刚性轴上才可以准确修正谐振子频率分歧。其次通过谐... 详细信息

针对半球谐振陀螺仪中半球谐振子频率分歧修正难题,该文提出在谐振子唇缘端固有刚性轴上去除四点修正方法。首先通过COMSOL有限元仿真建立瑕疵与固有刚性轴之间的关系,得到只有在固有刚性轴上才可以准确修正谐振子频率分歧。其次通过谐振子二维弹簧-阻尼运动方程求解谐振子运动轨迹,并通过MATLAB仿真得到李萨如图,由图可知,在阻尼较小的情况下,用自由振动法可以快速准确地找到固有刚性轴。再通过COMSOL有限元仿真验证了在半球谐振子固有刚性轴重轴唇缘位置4个正交对称区域,可以修正由质量瑕疵造成的频率分歧。结果表明,通过实验辨识得到谐振子频率分歧及瑕疵位置,可以为后续使用飞秒激光器进行刻蚀调平提供研究基础,实现飞秒激光调平。

关键词：半球谐振陀螺仪半球谐振子固有刚性轴频率分歧

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熔融石英半球谐振子精密磨削工艺研究

压电与声光 2021年第2期43卷 294-298页

作者：彭凯方针徐思宇谭文跃余波陈明君中国电子科技集团公司第二十六研究所重庆400060 哈尔滨工业大学精密工程研究所黑龙江哈尔滨150001

半球谐振子是高精度半球谐振陀螺的核心部件,特征为熔融石英材料薄壁Ψ型复杂结构件,其加工方法和制造精度是制约陀螺性能和产量提升的技术瓶颈。为解决石英谐振子异形复杂球面加工难题,从工程应用出发综合考虑了谐振子加工参数要求,分... 详细信息

半球谐振子是高精度半球谐振陀螺的核心部件,特征为熔融石英材料薄壁Ψ型复杂结构件,其加工方法和制造精度是制约陀螺性能和产量提升的技术瓶颈。为解决石英谐振子异形复杂球面加工难题,从工程应用出发综合考虑了谐振子加工参数要求,分析探讨了谐振子球面加工涉及的球面展成、轨迹磨削、磁流变抛光等工艺方法及技术可行性,提出了采用小直径球形砂轮的全包络轨迹磨削加工方法。研究结果表明,满足工程使用需求的谐振子加工后,内外球面圆度小于3μm,同心度小于2μm,表面粗糙度小于0.2μm,品质因数Q>1×10^(7),显著提高了半球谐振陀螺随机漂移精度。

关键词：熔融石英材料半球谐振子球面展成磨削全包络轨迹磨削品质因数Q值

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半球谐振子疲劳寿命分析与仿真

飞控与探测 2021年第1期4卷 36-45页

作者：宋丽君周蕾段杰孙湘钰李绍良路明慧西安建筑科技大学信息与控制工程学院西安710055 上海航天控制技术研究所上海201109

半球谐振子的寿命和损伤是直接影响高精度半球谐振陀螺使用时长和安全性的重要因素。目前,国内加工的半球谐振子所用的熔融石英玻璃材料主要依靠进口,采用传统的疲劳寿命实验确定方法成本过于高昂,因此需要利用疲劳分析软件对半球谐振... 详细信息

半球谐振子的寿命和损伤是直接影响高精度半球谐振陀螺使用时长和安全性的重要因素。目前,国内加工的半球谐振子所用的熔融石英玻璃材料主要依靠进口,采用传统的疲劳寿命实验确定方法成本过于高昂,因此需要利用疲劳分析软件对半球谐振子的疲劳寿命进行分析。文章通过半球谐振陀螺应力分析,采用ANSYS软件对熔融石英半球谐振子进行应力分析仿真,确定因残余应力所引发的疲劳危险部位,并在疲劳部位进行裂纹扩展分析,得到Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型应力强度因子,以在半球谐振子结构设计和使用过程中对易疲劳部位进行有效监控和预防。

关键词：半球谐振子疲劳寿命熔融石英玻璃残余应力应力强度因子裂纹扩展

半球谐振子金属化镀膜残余应力的测量方法及影响因素研究

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真空 2022年第2期59卷 55-61页

作者：朱蓓蓓刘青秦琳楚建宁陈肖汪学方许剑锋上海航天控制技术研究所上海201109 华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074

半球谐振子金属化镀膜是半球谐振陀螺制造的重要工艺环节。镀膜过程所产生的薄膜残余应力对谐振子Q值有较大影响,决定着半球谐振陀螺零偏稳定性等最终性能。本文采用X射线衍射法测量薄膜残余应力,研究了镀膜工艺参数和膜层厚度对残余应... 详细信息

半球谐振子金属化镀膜是半球谐振陀螺制造的重要工艺环节。镀膜过程所产生的薄膜残余应力对谐振子Q值有较大影响,决定着半球谐振陀螺零偏稳定性等最终性能。本文采用X射线衍射法测量薄膜残余应力,研究了镀膜工艺参数和膜层厚度对残余应力的影响,结果表明:薄膜残余应力均呈压应力状态;随着沉积速率的增大,薄膜应力先增大后减小,有转化为拉应力的趋势;随着膜层厚度的增加,薄膜应力先略微减小再增大;基底温度对残余应力的影响无明显规律。本文的研究对薄膜残余应力与谐振子Q值关系模型的建立具有重要指导意义。

关键词：残余应力工艺参数金属化镀膜半球谐振子

基于接触式探针的半球谐振子原位测量方法研究

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基于接触式探针的半球谐振子原位测量方法研究

作者：王峻澎天津大学

学位级别：硕士

半球谐振子作为谐振陀螺仪的关键部件,谐振子的加工精度直接影响陀螺仪的性能。为满足谐振子面形精度要求,在其磨削加工中需要进行多次测量,并根据测量数据反馈补偿加工。原位测量可以避免离线测量导致的工件重复装夹误差,有效提高测量... 详细信息

半球谐振子作为谐振陀螺仪的关键部件,谐振子的加工精度直接影响陀螺仪的性能。为满足谐振子面形精度要求,在其磨削加工中需要进行多次测量,并根据测量数据反馈补偿加工。原位测量可以避免离线测量导致的工件重复装夹误差,有效提高测量精度和效率。因此实现半球谐振子的原位测量对于提升谐振子形状加工精度,提高半球谐振陀螺仪性能具有重要的影响意义。根据半球谐振子面形检测需求,本文对基于接触探针的原位测量方法进行研究,搭建了谐振子轮廓度误差原位测量系统,开发了基于最小区域法的谐振子轮廓度误差拟合算法,实现了高效高精度的谐振子面形信息获取和轮廓度误差检出。针对半球谐振子面形精度的测量需求,提出了基于接触探针的谐振子轮廓度误差原位测量方法,并搭建了实验测量系统。通过理论计算及运动仿真,确保测量系统在强度、刚度、模态及运动轨迹合理性方面满足谐振子测量过程对于测量系统的要求,在此基础上合理规划了谐振子的原位测量路径和测量轴转角。结合开发的高频数据采集系统,实现谐振子面形点云数据的高频采集。在分析原位测量系统误差主要来源及影响因素的基础上,通过补偿降低系统误差对测量结果的影响。开发了测量数据处理算法,对测量信号进行分析与处理。在此基础上对测量系统进行标定,结合坐标变换得到测头位置信息,并利用微球面半径补偿算法实现测头半径补偿。对谐振子的轮廓度误差评定方法进行了研究,建立基于最小区域法的误差评定模型。采用曲面细分法求解测点到理想面形轮廓的最短距离,并通过优化曲面细分算法的细分参数提高算法效率。在此基础上提出了一种改进的差分进化算法,对测点与理想曲面的空间位置进行最优匹配,从而准确获取谐振子面形误差分布。实验结果表明了轮廓度误差评定方法的有效性和可行性。

关键词：半球谐振子原位测量轮廓度误差最小区域法