一种基于半球谐振陀螺仪的测量装置及测量方法与流程
本发明涉及陀螺仪测量，尤其涉及一种基于半球谐振陀螺仪的测量装置及测量方法。
背景技术：
1、半球谐振陀螺仪（hrg）是一种基于固态波动陀螺原理的高精度惯性传感器，在工作状态下，谐振子通过高频振动产生驻波。当装置随载体转动时，由于科氏力的作用，驻波相位会发生漂移，通过测量该位移量即可解算出载体的角速度。由于谐振子对外部应力和振动干扰极其敏感，为了保证测量精度，通常需要将半球谐振陀螺组件安装在带有减振和退耦功能的承载机构内。现有的承载机构多采用金属弹簧、橡胶阻尼垫或简单的柔性支承件来实现物理隔离，试图通过降低支撑刚度的方式来滤除外部的高频冲击载荷。
2、然而，在深入的工程应用中，现有的承载机构表现出以下不足之处。首先，现有的柔性支承件（如单层平面弹簧或螺旋形支撑结构）在受到外部冲击产生轴向位移时，由于力学结构在非线性形变下的不对称性，往往会伴随产生一个绕轴心的微小旋转趋势。由于半球谐振陀螺仪本身就是精密测量转动量的传感器，这种由支撑结构形变导致的寄生扭转信号会直接与真实的角速度信号混叠，形成严重的零点漂移，使系统无法区分载体转动与支撑形变。其次，常规的减振机构属于被动隔振方案，其仅在特定频率范围外有效。在面对复杂多变的宽带随机振动时，外部能量极易通过支撑路径传递至内部悬浮筒，并在特定频率下激起整个承载系统的共振。这种共振会导致半球谐振子的支承点发生空间位移畸变，破坏谐振模态的对称性，导致频率裂解度增大，从而使得测量噪声大幅上升，甚至导致驻波信号丢失。此外，当装置遭受剧烈瞬时冲击后，传统的柔性支撑结构由于缺乏有效的动能中和机制，其势能释放过程往往表现为长时间的衰减振荡。在恢复期间，陀螺仪的测量数据处于不可信状态。同时，长期频繁的形变会导致柔性件产生机械疲劳和残余应力，使得支撑组件的物理中心发生偏移，难以保持长期稳定的机械零位。
技术实现思路
1、本发明为了解决上述技术问题提供一种基于半球谐振陀螺仪的测量装置及测量方法。
2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种基于半球谐振陀螺仪的测量装置，包括封装基座和待测量的半球谐振陀螺组件，所述封装基座内部安装有承载机构，所述承载机构包括定子框架和悬浮套管，所述悬浮套管通过轴向间距设置的第一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘悬挂于所述定子框架内，所述半球谐振陀螺组件通过支撑轴固定安装在所述悬浮套管内部；
4、还包括环形动力调谐组件，所述环形动力调谐组件包括同轴嵌套在所述悬浮套管外周的惯性载荷环，以及连接所述惯性载荷环与所述悬浮套管的多个弹性耦合连杆，所述惯性载荷环上设有永磁体组件，所述定子框架上设有与所述永磁体组件相对布置的金属感应阻尼板，其中，所述第一螺旋柔性支承盘与所述第二螺旋柔性支承盘的螺旋旋向相反设置。
5、进一步的，所述第一螺旋柔性支承盘与所述第二螺旋柔性支承盘构成扭矩中和结构，用以在所述悬浮套管轴向位移时抵消寄生扭转力矩，以锁定所述悬浮套管的周向角度。通过设置旋向相反的一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘，当悬浮套管向上或向下移动时，第一螺旋柔性支承盘产生的顺时针扭矩与第二螺旋柔性支承盘产生的逆时针扭矩在套管壁上实时交汇。由于两者的结构参数一致且旋向镜像，两个寄生力矩在物理上实现瞬时对冲中和。确保悬浮套管在全量程位移过程中，其周向相位被刚性锁定在零位，从而使内部的半球谐振陀螺组件仅感知载体真实的转动，消除由支撑结构形变引起的虚假角速度干扰。
6、进一步的，所述第一螺旋柔性支承盘和所述第二螺旋柔性支承盘在安装状态下具有相反方向的轴向初始预应力，用以提高所述悬浮套管在平衡位置的轴向刚度。通过使第一螺旋柔性支承盘具有向上的预拉力，下层的第二螺旋柔性支承盘具有向下的预拉力，使悬浮套管在静态时处于张紧平衡状态。根据预应力模态原理，在不改变膜片材料厚度的前提下，显著提升了支撑系统在平衡点附近的切线刚度。这不仅抑制了悬浮套管因重力或微振动产生的下垂位移，还优化了系统对小幅振动的线性响应区间。当受到冲击后，相反方向的预应力能够提供更强的几何恢复力，使系统迅速回归平衡位置，避免了柔性支承常见的零位漂移现象。
7、进一步的，所述惯性载荷环的质心与所述半球谐振陀螺组件的谐振中心在所述悬浮套管的轴向上重合。将环形惯性载荷环的质量分布中心与内部的半球谐振陀螺组件的振动敏感中心锁定在同一轴向水平面上。消除由于偏心载荷产生的附加力矩，使得装置在受到任意方向的径向冲击时，悬浮套管仅产生平动位移而非倾斜摆动。保证半球谐振陀螺组件内部驻波分布的对称性，防止了因轴线倾斜导致的频率裂解增大，极大提升了陀螺仪在复杂振动环境下的角位移输出稳定性。
8、进一步的，所述永磁体组件为环形钕铁硼磁组，所述金属感应阻尼板为固定在定子框架内壁的无氧铜环，用于在永磁体组件和金属感应阻尼板之间形成非接触的电磁感应间隙。根据楞次定律，当惯性载荷环相对于定子框架发生往复运动时，高磁通密度的环形钕铁硼磁组会在高导电率的无氧铜环内部感生涡流。涡流产生的感应磁场阻碍永磁体的相对运动，从而产生阻尼力。电磁阻尼具有零静摩擦、零滞后和高度线性的特征，能够针对惯性载荷环的余振进行快速耗散，而不会因物理接触引入高频噪声或由于温度变化导致粘度波动。
9、进一步的，所述封装基座底部设有由多层波纹金属片构成的减振垫，用以对所述承载机构进行初级振动隔离。外部高频机械噪声和发动机引起的结构驻波在穿过多层波纹结构时，会经历多次界面反射和散射，能量在金属片的微幅弹塑性形变中被转化为热能。减振垫能够先行滤除大部分3000hz以上的超高频振动，减轻内部承载机构的解耦负担。并确保了即便在极端噪声环境下，传导至中心悬浮套管的应力谱线也已被平滑。
10、进一步的，所述第一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘均为变厚度盘状结构，所述第一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘靠近悬浮套管的中心部位的厚度均大于边缘部位的厚度。螺旋支承盘在变形过程中，应力通常集中在靠近中心悬浮套管的连接根部，而边缘部位应力相对分散。通过对中心部位的加厚增强了对悬浮套管的夹持刚度和抗疲劳强度，而边缘部位的减薄则使得螺旋臂具备更好的弹性补偿能力。支承盘在受到大位移冲击时，形变能被均匀地分散到整条支承盘路径上，显著提高了支承组件的使用寿命和动态线性度。同时，变厚度结构还有助于抑制膜片自身的寄生高频振型，提高了模态纯度。
11、进一步的，所述第一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘采用铍青铜材料经冷冲压及光刻腐蚀工艺一体化成型。铍青铜具有较高的弹性极限和优异的疲劳抗力，其热膨胀系数与石英谐振子支撑结构相匹配，能够最大限度减少温变引起的温漂。采用光刻腐蚀工艺可确保螺旋槽的边缘无毛刺、无热影响区，从而保证第一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘旋向镜像的高度一致性。
12、进一步的，所述惯性载荷环由高密度钨合金材料制成。惯性载荷环选用高密度钨合金，旨在有限的空间体积内提供最大的惯性质量。根据调谐质量阻尼原理，惯性载荷环的质量越大，其对冲振动动能的能力就越强。钨合金的高密度特性使得摆锤效应更加显著，能够在更宽的频段内通过惯性反作用力抵消外部冲击对悬浮套管的影响。
13、一种测量装置的测量方法，包括以下步骤：
14、s1：通过调节第一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘的轴向预紧力，利用反向螺旋产生的差分力矩使中心悬浮套管在旋转自由度上处于零应力平衡态；
15、s2：当外部冲击载荷通过封装基座传递至半球谐振陀螺组件时，引导惯性载荷环通过弹性耦合连杆产生反向惯性力，对传向半球谐振陀螺组件的振动能量进行动力中和；
16、s3：利用惯性载荷环运动时永磁体组件与金属感应阻尼板产生的相对位移，感生涡流以吸收惯性载荷环的剩余动能，抑制系统共振；
17、s4：利用旋向相反的第一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘的力矩对冲特性，抵消悬浮套管退耦过程中的伴随力矩，维持半球谐振陀螺组件的角位移锁定状态；
18、s5：通过半球谐振陀螺组件提取不受基座应力和寄生转动干扰的谐振驻波信号，解算输出角速度数据。
19、进一步的，在所述步骤s3中，通过调节所述永磁体组件与所述金属感应阻尼板之间的电磁感应间隙，将所述环形动力调谐组件的振动响应相位调整至与所述悬浮套管的振动相位差为90度至180度之间，从而与所述步骤s2中的动力中和过程形成相位协同耦合，使半球谐振陀螺组件的支撑中心在频域上形成一个机械阻抗极大值区间，以实现在载体全频域宽带振动下的动态准静止状态。
20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21、1、本发明通过设置旋向相反的第一螺旋柔性支承盘和第二螺旋柔性支承盘，当中心悬浮套管发生轴向位移时，两层支承盘分别产生大小相等、方向相反的寄生扭矩，这两个扭矩在悬浮套管体上相遇并相互抵消，确保了悬浮套管仅存在轴向平动，从力学本质上锁定了其周向角度，减少或消除虚假角速度信号；
22、2、本发明通过弹性耦合连杆的精密调谐，使惯性环在振动环境下的运动相位与主筒体形成对冲，结合电磁感应阻尼的相位协同效应，在谐振组件的安装位点创造出阻抗极大值区间，使得外部能量在传递到半球谐振子之前，大部分动能已被惯性载荷环的反向作用力抵消，实现载体在剧烈晃动时谐振子却能处于准静止状态；
23、3、本发明通过设置永磁体组件与感应阻尼板构成的非接触式电磁阻尼器，能够以无机械磨损的方式迅速吸除冲击余振，不仅缩短了系统在受扰后的信号恢复时间，还避免了由于机械接触导致的迟滞误差，保证了半球谐振陀螺组件在极端恶劣环境下的高精度测量能力。