谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性影响分析(英文)

半球壳谐振子是半球谐振陀螺的核心部件。基于弹性力学的有限单元法建立了谐振子的弹性动力学有限元方程,得到谐振子自由谐振方程。为分析谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性的影响,利用有限元分析软件(ANSYS)建立了半球壳谐振子有限元模型,分析了理想谐振子和存在支柱偏心误差谐振子的二阶谐振状态振动特性。深入分析了支柱偏心误差对谐振子谐振频率和变形特性等振动特性的影响规律。通过对两种影响规律的比较分析得到,支柱偏心误差导致的频率差将会引起陀螺的随机漂移;而支柱偏心误差引起的变形将会影响陀螺的零偏,可以通过标定补偿。为减小支柱偏心误差对陀螺精度和性能的影响,偏心误差的加工误差范围应小于1.2μm,分析结果为谐振子的加工设计和结构误差分析提供了理论基础。     

硅微阵列陀螺仪的模态分析与实验

考虑四质量硅微阵列陀螺仪的模态定阶,采用模态分析法和能量法建立模态分析模型,研究了驱动和检测模态的固有频率和振型。首先,利用集总参数模型和拉格朗日方程建立系统运动方程,分析了无阻尼振动的谐振频率和模态;其次,基于能量法推导了驱动梁和检测梁的等效刚度,得到模态分析的理论模型公式,并利用有限元仿真对理论模型进行了验证;最后,对实验样机进行了模态测试。实验结果表明:驱动模态理论分析结果与仿真结果的最大误差为2.4%,检测模态的最大误差为3.9%;样机测试实验中各模态振型与理论分析结果基本一致。与传统的依赖于经验和繁琐仿真迭代的陀螺仪结构设计不同,模态分析理论模型可减少迭代次数,加快设计进程,为陀螺仪的设计优化提供理论指导。     

金属筒形谐振振陀螺的电电磁修调调方法

针对金属筒形谐振陀螺的频率修调时,传统的微量去重调质量的方法需要高精度工艺技术,并且无法实现在线的正交控制的问题,提出了一种针对于合金钢谐振子的电磁调刚度方法。首先建立了环形谐振子的刚度修调理论模型,基于该模型,将对准谐振环的电磁头等效为带负刚度的"径向弹簧",进而得到了金属谐振子的电磁修调算法。在该算法指导下,研究了一套电磁修调方法,并搭建修调系统进行修调实验。实验表明,该方法成功将谐振子的频率裂解从2Hz左右修调至0.02Hz,验证了电磁修调方法的实用性,有望应用于在线的正交控制。     

半球谐振子装配倾角误差对频率裂解的影响分析

精密的装配工艺是保证半球谐振陀螺仪高精度性能的关键技术,研究装配误差对陀螺性能的影响可以为完善和优化工艺参数提供理论指导和依据。围绕装配过程中产生的偏心、倾斜误差对谐振子频率裂解的影响开展研究,建立了倾斜装配误差对谐振子频率裂解的影响数学模型。首先将谐振子唇沿与极板作为等效电容,建立装配倾角误差与等效电容之间的关系模型;然后基于等效电容两端电压与半球谐振子的静电力之间的数学模型,分析静电力不均匀对谐振子刚度的影响;最后建立数学模型分析了刚度扰动对频率裂解的影响。研究结果表明,对于直径30 mm的熔融石英半球谐振子,与基座的装配倾角误差为1角分时,由倾角误差引入的频率裂解为10-4 Hz量级。关于倾角误差对谐振子频率裂解的影响分析,为高精度半球谐振陀螺的精密装配工艺以及工艺参数配置奠定理论分析基础。     

多环谐振微陀螺结构参数对性能的影响分析

多环谐振微陀螺是一种全对称平面结构的MEMS陀螺仪,具有体积小、功耗低、可批量制造、抗冲击性强等优点,是目前最具发展前景的MEMS陀螺仪之一。围绕多环谐振微陀螺的结构及其优化设计展开研究,深入分析了多环谐振微陀螺的结构机理和关键性能参数,搭建了一套通用的有限元计算平台,仿真分析了结构参数对其关键性能的影响。仿真结果表明,谐振环宽度和谐振子半径是影响多环谐振微陀螺性能的主要参数,通过减小环宽度和增加谐振子半径可以有效地提高陀螺性能;多环谐振微陀螺热弹性阻尼可以用Zener热弹性阻尼理论近似;多环谐振微陀螺角度增益大小不受结构参数的约束,约为0.4。其仿真分析结果可以为设计高品质多环谐振微机械陀螺提供一定的参考。     

基于轨迹图法的半球谐振陀螺动力学模型描述

谐振子弹性系数和阻尼系数的不对称是引起半球谐振陀螺漂移的主要原因。根据半球谐振陀螺的动力学模型,用轨迹图法对谐振子的振动特性进行了研究。轨迹图直观地反映了谐振子的振动特性。当谐振子处于理想状态并且有角速率输入时,谐振子的轨迹图是以一定的角速率进动的标准椭圆。谐振子的非理想性严重影响陀螺的正常工作。当谐振子弹性系数不对称时,谐振子的轨迹图会发生明显变形。阻尼系数的不对称会导致振动平面向最低阻尼轴漂移。因此,消除弹性系数和阻尼系数不对称的影响对提高半球谐振陀螺的精度有重要意义。     

基于最小均方算法的半球谐振子特征参数辨识方法

作为半球谐振陀螺的核心元件,半球谐振子的加工水平直接决定了陀螺的性能优劣。然而,目前尚缺乏有效方法来对半球谐振子的性能进行量化评估。针对这一问题,提出一种利用最小均方(LMS)算法来对半球谐振子的刚度各向异性Δω、刚度失准角θ_ω、阻尼各向异性Δ(1/τ)和阻尼失准角θ_τ这四种特征参数进行辨识的方法。首先,根据非理想谐振子的正交误差方程,在外界恒定转速Ω的激励下,获得仅包含Δω和θ_ω信息的陀螺正交分量q的数据集;其次,根据非理想谐振子的驻波方位角误差方程,在外界恒定转速Ω的激励下,获得仅包含Δ(1/τ)和θ_τ信息的驻波方位角θ的数据集;然后,根据正交误差方程和驻波方位角误差方程构建基于LMS算法的特征参数辨识模型;最后,利用Simulink程序仿真验证所提出辨识方法的有效性。仿真结果表明:半球谐振子的四个特征参数全部在8s以内完成辨识,并且全部收敛于参数的设定值。该方法不仅可以实现对半球谐振子的加工水平进行量化评估,而且可以为半球谐振陀螺的误差分析与补偿提供理论依据。     

基于二维质点振动模型的半球谐振陀螺谐振子进动分析

半球谐振陀螺是基于固体波的进动效应进行角速度检测的一种全固态陀螺。为分析半球谐振子中固体波的进动效应,基于虚功原理,建立了理想条件下半球谐振陀螺谐振子中固体波进动的动力学模型。针对进动波的动力学模型过于复杂、难于分析的缺陷,提出采用相似系统的分析方法,将该动力学模型等效为二维空间质点的简谐振动模型;采用快变量与慢变量分离的方法,对等效模型进行了参数分析,通过与实际的半球谐振陀螺信号处理系统采集的李沙育图形进行对比,验证了等效简谐振动模型的有效性和正确性。     

半球谐振陀螺仪谐振子振动特性的有限元分析

应用 ANSYS 软件对半球谐振陀螺仪谐振子的振动特性进行了有限元分析,建立了Ψ型半球壳谐振子的有限元模型,计算出了谐振子的固有频率及振型。在理论分析的基础之上,提出了对于Ψ型半球壳谐振子的结构设计的合理建议。     

半球谐振陀螺真空度要求分析

空气阻尼是影响半球谐振陀螺精度的重要因素,直接影响了其核心零件谐振子的品质因数Q。首先,根据半球谐振陀螺的工作原理和结构特点,研究了在不同真空度环境下、克努森系数K_n不同取值范围内空气阻尼对半球谐振陀螺的作用;进而,推导出相应的空气阻尼计算公式,计算出谐振子的Q值,得出了高精度谐振陀螺必须工作在K_n10的分子流阶段,在此阶段Q值关于真空度的对数曲线等比例提高。最后通过某型半球谐振陀螺进行实验验证,实验结果与理论分析计算相吻合,验证了理论分析的正确性。为半球谐振陀螺的真空设计提供理论依据。     

检测信号非线性引起的全角半球谐振陀螺漂移模型

通过半球谐振子与电极所构成电容间距的改变来敏感驻波位置的方法会导致检测信号产生非线性失真,进而引起全角半球谐振陀螺产生漂移。针对这一问题,提出了一种用于描述这种漂移的数学模型,并进行了仿真分析。首先,详细阐述了电容变间距检测的原理,并分析了存在于检测信号中的非线性误差来源;然后,根据驻波位置的解调原理建立了检测信号非线性引起全角半球谐振陀螺产生漂移的数学模型;最后,通过转台实验和Simulink程序仿真分别验证了八次谐波信号的来源以及误差数学模型的正确性。实验结果表明,检测信号非线性会导致陀螺产生与角度八次谐波相关的误差项,当外界输入转速为400°/s时,八次谐波项归一化幅值为四次谐波项归一化幅值的14.52%。仿真结果表明,八次谐波误差的幅值与半球谐振子的振幅间距比呈高阶多项式正相关,与驻波的转速呈线性正相关。所提出的数学模型为全角半球谐振陀螺八次谐波误差的分析与补偿提供了理论依据。     

宽谱光源谐振式光纤陀螺谐振特性分析

为优化宽谱光源谐振式光纤陀螺（RFOG）谐振腔设计,进行了RFOG谐振特性分析。首先,根据光场传输理论完成了宽谱RFOG光场传输特性分析,建立了宽谱RFOG谐振频差曲线模型,给出了谐振特性参数表达式。理论证明了宽谱RFOG的陀螺精细度和半高全宽约为谐振腔光谱曲线的1/2和2倍。其次,基于宽谱RFOG光场理论模型,分析了耦合器交叉耦合系数、附加损耗和谐振腔腔长等谐振腔关键光学参数对陀螺精细度和极限灵敏度的影响。最后,实验验证了谐振特性理论分析的正确性,并通过优化谐振腔参数实现陀螺零偏不稳定性0.059°/h,对谐振式光纤陀螺工程设计具有理论指导意义。     

无驱动微机械陀螺敏感元件模态分析

鉴于常规微机械陀螺的驱动结构和检测结构往往需要进行频率匹配,造成带宽较窄,工艺复杂的问题,设计了一种新的微机械陀螺,安装于旋转飞行器上,利用飞行器的旋转获得角动量,敏感飞行器的偏航和俯仰横向角速度。由于没有驱动结构,所以结构简单,带宽较宽。首先基于这种巧妙的结构建立了敏感元件的振动方程。根据振动方程,扭转梁是影响质量振动模态和模态频率的关键,同时考虑到应力、残余应力的释放以及工作能力,扭转梁设计成横截面积为矩形的弧形梁,并对其抗扭刚度进行了解析推导和计算,从而确定了敏感元件的固有频率。接着利用有限元分析的方法,对其振动模态进行了仿真,仿真结果表明,敏感元件的第一模态是扭转振动,固有频率相对于解析结果的误差为9.86%。为了进一步验证,设计了静电驱动电容检测的方法,实验测试得到的谐振频率和解析值的相对误差为5.21%。仿真和实验结果与理论计算一致,表明扭转梁的设计是合理的,模态分析是正确的,而且为动态性能评估和结构优化提供了理论依据。     

基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法

针对因受加工技术、加工条件以及外部环境因素等影响,半球谐振陀螺在力平衡模式下输出零偏稳定性及重复性变化较大的问题,提出一种基于模态切换的陀螺自校准方法。基于半球谐振陀螺二阶振动模态机理,建立理想状态下谐振子运动方程,并分析推导了谐振子在阻尼不均和频率裂解等非理想因素影响下的运动模型和参数控制方程。根据谐振陀螺输出漂移特性,提出了一种基于电极功能切换的半球谐振陀螺自校准方法。通过相关实验,分析比较了电极模态切换前后陀螺输出稳定性及重复性,实验结果表明,陀螺零偏稳定性提升1.8倍以上,陀螺零偏重复性提升90.5%,所提方法能有效估计及补偿陀螺漂移,提高半球谐振陀螺输出的稳定性和重复性。     

线振动硅微机械陀螺结构误差参数分离和辨识

推导了线振动微机械陀螺的三自由度误差力学方程,并详细分析了陀螺耦合误差的产生机理。分析结果表明,各种结构误差是导致陀螺耦合误差信号的主要原因。在此基础上,利用振动和模态理论给出了陀螺结构误差参数的分离和辨识的试验方法和结果。试验结果表明,同相耦合分量和正交耦合分量是微机械陀螺的两种主要误差信号,造成正交耦合的主要原因是驱动轴和检测轴之间的刚度耦合以及驱动轴和检测轴各自的刚度不对称,造成同相耦合的主要原因是驱动轴和检测轴之间的阻尼耦合以及检测轴刚度不对称和驱动力不对称。结构误差参数的分离和辨识试验方法将为下一步的陀螺结构优化、微加工工艺改进以及耦合误差抑制提供基础。     

MEMS多环陀螺热弹性阻尼温度特性分析

多环谐振陀螺热弹性阻尼的稳定性对陀螺的全温性能有重要影响。为了使阻尼的温度补偿有据可依,展开了多环谐振陀螺热弹性阻尼与温度关系的研究,利用理论计算与仿真相结合的方式建立了两者的数学模型。首先建立了常温下的多环谐振陀螺的热弹性阻尼数学模型,从中分析出结构形式、工作模态振型及材料参数决定了热弹性阻尼的大小,而其中只有结构层的材料参数对温度较为敏感。因此建立了材料参数的温变数学模型,并利用该模型与理论和仿真相结合的热能量法建立了高效的多环谐振陀螺热弹性阻尼温变模型。接着利用该模型与幂函数拟合出了热弹性阻尼与温度之间的表达式。最后通过实验验证了模型与表达式的准确性,将误差量化后,模型参数误差最大值小于1.7%。     

谱分裂对集成光学陀螺灵敏度影响

为寻求谐振式集成光学陀螺可实现灵敏度的优化,基于调频光谱原理,应用双频率组合调制的闭环控制结构,在对通过陀螺核心敏感器件谐振腔的结构参数优化、调制频率选择等措施实现决定于谐振腔谐振特性一阶微分最大值的最佳灵敏度情形的理论分析基础上,研究了谐振峰分裂对陀螺灵敏度的影响。相关实验表明,对于给定结构的谐振式集成光学陀螺,理论上的最佳参数,并不能保证理论最佳灵敏度的实现。通过双频率组合调制下无源环形谐振腔谐振特性的测量,发现了谐振腔谐振峰分裂现象,分裂程度随腔长增加而趋明显;谐振峰的分裂,导致透射谱展宽;透射谱展宽后一阶微分谱最大值的下降,将使陀螺灵敏度随之劣化。为应对这种劣化,需要对系统调制频率进行相应调整,并控制腔长,以抑制峰分裂程度,进而控制对陀螺灵敏度的影响。     

集成光学陀螺的最佳腔长

作为谐振式光学陀螺的核心敏感器件,无源环形谐振腔(PRR)结构参数的选择,对陀螺灵敏度具有决定性作用.腔长正是这重要结构参数之一.基于多光束干涉理论的理论分析表明,谐振腔长的增加,一方面通过决定腔内干涉光程,优化PRR谐振特性,另一方面,又通过对腔光传输损耗的影响,决定着谐振条件的耦合比要求,从而成为腔内光传输总损耗重要决定因素,导致谐振特性劣化.根据谐振式光学陀螺的调频光谱测量原理,在陀螺灵敏度决定过程中,腔长的上述两方面影响所起的截然相反作用,从而决定了以陀螺最佳灵敏度为判据存在最佳腔长.仿真与实验结果与理论分析良好一致性,不仅证明了理论分析的正确性.也显示了其在集成光学陀螺结构设计与性能优化中的应用价值.     

铍铝合金在提高光纤陀螺动态性能方面的应用

光纤陀螺在应用环境确定的振动条件下保持输出精度是光纤陀螺工程化的必然要求,结构材料的选择直接影响输出精度。从陀螺结构的振动性能理论分析出发,将铍铝合金材料应用在轻小型光纤陀螺的关键结构设计中,通过建立有限元模型并仿真铍铝合金结构陀螺的振动性能,陀螺可满足谐振点大于2 k Hz的要求。加工、装配了铍铝结构实验样机(精度要求0.1(°)/h)并进行了多次10 Hz~2 k Hz正弦扫频振动实验。扫频过程中振动传感器未检测到结构的谐振,陀螺输出零位偏置变化0.04(°)/h,噪声水平与振动前后相当。结果表明铍铝合金材料优良的特性满足轻小型光纤陀螺振动性能要求,在严格重量约束下能降低结构设计难度,符合航空航天领域对惯性仪表质量苛刻的要求。     

力反馈模式半球谐振陀螺仪振幅控制稳态模型的建立

在力反馈模式下,半球谐振子上主激励电机与反馈激励电机处的振幅控制是半球谐振陀螺控制系统的一个重要环节。为了给出两电机的准确控制电压量,以控制谐振子在有角速率输入时波腹方位角与主激励电机方位基本一致,在建立了谐振子存在密度不均匀缺陷时谐振子的动力学方程的基础上建立了振动位移的状态方程,通过对状态方程的求解,给出了两激励电压的解析表达式。从反馈激励电机的激励电压的表达式中可以得出它与输入角速率、谐振子的缺陷之间的关系,为振幅控制和误差分析打下了基础。根据谐振子结构参数对激励电压进行了计算,计算结果与实际相符,证明了本文推导的半球谐振子振幅稳态模型的正确性。