半球谐振陀螺的基础理论研究

针对半球谐振陀螺的几个基本理论问题,对包括环形谐振子和半球谐振子的动力学理论、控制理论和信号处理理论等进行了系统的阐述和总结,建立了包括谐振子振动频率和进动特性、激励系统稳定性、信号处理等在内的半球谐振陀螺的基本理论框架,以期为今后的具体工程提供理论指导。     

谐振子质量分布不均时HRG加速度影响分析

半球谐振陀螺运用哥氏效应来测量角速率,从原理上讲加速度会对其工作状态造成影响。分析半球谐振陀螺谐振子质量沿圆周角分布不均匀的情况下,加速度引起的惯性力对谐振子的工作状态的影响,并通过考察谐振子驻波进动角的变化来判断谐振子工作状态是否发生变化。推导结果表明,加速度对半球谐振陀螺谐振子的工作状态没有影响。     

一种半球谐振陀螺谐振子动力学建模方法

准确完备的半球谐振陀螺（HRG）谐振子动力学模型是陀螺误差分析的基础。为建立半球壳谐振子动力学模型,基于弹性力学薄壳理论,提出了一种谐振子动力学建模方法。首先,在薄壳的弹性力学几何方程基础上,推导了半球壳谐振子的变形几何方程。其次,在提高受力分析计算精度的基础上,推导了半球壳谐振子的物理方程。然后,分析了谐振子中面的受力平衡关系,推导了谐振子的平衡微分方程。最后,基于以上对整个谐振子的动力学分析,建立了谐振子动力学方程。根据谐振子的不同外载荷形式,利用布勃诺夫-伽辽金法求解得到谐振子2阶谐振状态动力学模型,并得到了谐振子比例系数和2阶谐振频率的表达式。通过对比验证可以看出,参数计算值与实测数据结果一致,证明了所建立的动力学模型的准确性。     

摆振效应对半球谐振陀螺精度的影响

本文研究了非理想壳体谐振子的摆式固有振荡对半球谐振陀螺精度的影响。得到了一些表达式，它们把非理想谐振子固有工作状态的固有频率和振荡衰减系数与其摆式振荡参数联系在一起。     

半球陀螺谐振子超声旋转磨削加工关键技术研究

针对Al2O3陶瓷材料半球陀螺谐振子的难加工性,基于超声旋转磨削加工技术研究了其加工过程关键技术,包括超声振动频率选取,刀具结构参数和切削力对谐振子加工影响,以及壁厚均匀性加工.通过模态分析确定超声振动频率;建立了刀具结构参数与薄壁壳体加工表面质量之间数学模型;利用有限元软件研究在切削力作用下谐振子受力变化情况;并分析...     

金属壳谐振子研究进展

金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺，具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点，可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质，而且具有抗高过载、量程大的特点，这是其他类型陀螺所不具备的。作为金属壳谐振陀螺的核心部件，金属壳谐振子的性能至关重要。结合金属壳谐振陀螺综述了金属壳谐振子的研究进展，从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论，并指出了金属壳谐振陀螺及其谐振子的发展趋势。     

石英半球谐振子精密成型技术

石英半球谐振陀螺以其轻质、低功耗、长寿命、高可靠、应用精度范围宽、成本低等优势，引起了惯性技术界的瞩目。半球谐振陀螺的核心器件——石英半球谐振子的成型技术是当前的研究重点。经不断试验和摸索，以范成球面弹性展成为基础，通过均衡磨削原则、磨头最大包络原则和三阶段37道工序的精细优化工艺流程，较好地实现了高精度微应力硬脆石英谐振子异形薄壁件的成型，形成了专用的结构成型中心，为石英半球谐振陀螺的核心半球谐振子球壳成型开创了一条可行途径。     

抑制旋转抛物面形谐振子频率裂解研究

旋转抛物面形金属结构作为一种新型固体波动陀螺的振子,利用处于谐振 状态下的轴对称谐振壳体中驻波的哥氏效应敏感角运动。谐振子本身的结构特点使其具 有抗高过载、高冲击的特性,因而在高动态环境下的中低精度角速率测量场合具有广阔 的应用前景。在实际制造过程中,由于旋转抛物面形谐振子的壁厚、密度、弹性模量等 结构和材料参数的不均匀会导致其固有频率发生裂解,其值的大小是决定能否产生陀螺 效应以及影响陀螺整体性能指标的关键因素。针对上述问题,提出了一种通过去除谐振 子边缘质量的方法减小其频率裂解。通过有限元仿真分析及试验测试证明该方法能够有 效抑制谐振子的固有频率裂解,使得频率裂解减小到0.2Hz 以下。     

半球陀螺谐振子环向振型进动特性研究

基于半球谐振子的实际加工结构特征,为降低维持半球谐振陀螺振动所需的能量损耗,建立半球谐振陀螺能量型谐振子数学模型,并研究半球谐振子绕中心轴旋转时环向振型的变化规律;通过分析半球谐振子顶端角、底端角和壁厚的非理想性对进动因子的影响,确定半球壳体旋转时应选取的最佳振型与进动因子。采用ANSYS软件构建一系列模型,验证有关理论研究结果。通过计算仿真分析可知,半球谐振子进动因子对顶端角变化的敏感性远大于对底端角变化的敏感性,且顶端角变化引起的角速度误差远大于相同底端角变化引起的角速度误差,为半球谐振陀螺的谐振子加工研制提供了理论依据。     

基于FPGA的半球谐振陀螺频率跟踪技术

半球谐振陀螺谐振频率的跟踪精度与稳定性很大程度上决定了陀螺的性能。通过分析半球谐振陀螺的频率特性以及锁相环基本原理,设计了基于锁相环的半球谐振陀螺频率跟踪方案,并用FPGA进行全数字化实现。半球谐振陀螺采用真空封装,内部温度难以测量,然而其谐振频率与温度具有很好的线性相关性,因此可采用谐振频率对陀螺温度进行测量。传统的频率跟踪方案一般采用模拟锁相环实现,其缺点是频率值隐含于输出的正弦波中,无法供后继测量模块使用,本文所设计的FPGA全数字方案可弥补这一缺陷。根据陀螺谐振频率与温度之间的关系,给出了利用跟踪频率测温的分辨率公式并进行了相关实验。实验结果显示,谐振频率为4440Hz时频率跟踪稳态相对误差可达10-7量级,利用跟踪频率测温的分辨率可达0.0042℃。     

有缺陷圆柱壳振型进动的研究

谐振陀螺是一种不存在高速转子和活动支承的新型陀螺仪。其敏感部件是一个轴对称壳谐振子,圆柱壳便是其中一种。本文建立了圆柱壳在旋转情况下的动力学方程。研究了有缺陷的圆柱壳谐振子振型的进动情况;分析了其环向振型进动因子的相对扰动和绝对扰动;给出了圆柱壳谐振子环向缺陷对其振型进动特性的影响规律及实际加工,选择谐振子的准则。这些对于设计谐振陀螺有指导意义。     

金属壳谐振陀螺误差补偿方法研究

针对金属壳谐振陀螺的误差建模与补偿方法进行研究.首先,通过分析金属壳谐振陀螺的敏感机理,找到影响陀螺性能的误差源,建立金属壳谐振陀螺的误差模型.然后,研究陀螺的误差传播特性,对误差源进行分类,提出金属壳谐振陀螺的误差补偿方法.最后,利用试验方法对建立的误差模型和补偿方法进行验证.试验结果表明:经过补偿后的金属壳谐振陀螺在工作温度范围内(-45℃ ～55℃)零偏不稳定性降低至4.67(°)/h,全温度段线性度由0.2％降低至0.03％,随机游走为0.6982(°)/h1/2,陀螺的综合性能得到显著提升,证明了误差模型和补偿方法的有效性.     

Motion equations of hemispherical resonator and analysis of frequency split caused by slight mass non-uniformity

The mass non-uniformity of hemispherical resonator is one of reasons for frequency split, and frequency split can cause gyroscope to drift. Therefore, it is of great significance to analyze the relationship between mass non-uniformity and frequency split, which can provide a theoretical basis for mass balance of imperfect resonator. The starting point of error mechanism analysis for gyroscope is the motion equations of resonator. Firstly, based on the Kirchhoff-Love hypothesis in the elastic thin shell theory, the geometric deformation equations of resonator are deduced. Secondly, the deformation energy equation of resonator is derived according to the vibration mode and relationship between the stress and strain of hemispherical thin shell. Thirdly, the kinetic energy equation of resonator is deduced by the Coriolis theorem. Finally, the motion equations of resonator are established by the Lagrange mechanics principle. The theoretical values of precession factor and natural frequency are calculated by the motion equations, which are substantially consistent with the ones by the finite element method and practical measurement, the errors are within a reasonable range. Simultaneously, the varying trend of natural frequency with respect to the geometrical and physical parameters of resonator by the motion equations is consistent with that by the finite element analysis. The above conclusions prove the correctness and rationality of motion equations. Similarly, the motion equations of resonator with mass non-uniformity are established by the same modeling method in case of ignoring the input angular rate and damping, and the state equations with respect to the velocity and displacement of vibration system are derived, then two natural frequencies are solved by the characteristic equation. It is concluded that one of reasons for frequency split is the 4th harmonic of mass non-uniformity, and thus much attention should be paid to minimizing the 4th harmonic of mass non-uniformity in the course of mass balancing for imperfect resonator.     

固体波动陀螺金属振子温度特性研究

温度性能是制约陀螺精度等性能的一个主要因素,在各类陀螺技术的研究 中都备受关注。温度因素对固体波动陀螺性能的影响主要体现在陀螺的测量精度以及零 偏, 究其根本原因是温度变化对金属振子的振动特性产生了影响。本文分别从理论推 导、仿真分析和实验测试方面研究了温度对金属振子振动特性的影响行为,为解决温度 对固体波动陀螺性能影响的改善提供了一种新途径。     

轴对称多曲面融合结构金属谐振子模型建立方法

金属壳固体波动陀螺是基于固体波的进动效应进行角速度检测的一种全新 轴对称壳振动陀螺,具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点,可广泛应 用于中低精度角速度测量领域。为分析轴对称多曲面融合结构金属谐振子中固体波的进 动效应,在双曲率坐标系下,基于薄壳理论,建立了理想条件下轴对称多曲面融合结构 金属谐振子中固体波进动的动力学模型。针对动力学模型过于复杂、难于分析的缺陷, 提出了利用弹性力学中的能量原理,建立轴对称多曲面融合结构金属谐振子等效模型的 方法,为金属壳固体波动陀螺的信号检测方法和控制回路设计奠定了理论依据。     

微型化半球陀螺制备工艺发展现状及趋势分析

因低噪声、高性能、无磨损的优势，半球陀螺已成为航空、航天领域内的最佳导航陀螺。半球陀螺的微型化是微机电陀螺领域的研究热点，全球各研究单位设计了多种形态的谐振器结构，开发了各具特色的加工工艺，其选用的材质也各不相同，并研制出了形态各异的微半球陀螺结构。对半球陀螺微型化的历程和方式进行了综述，着重对微型化半球陀螺壳体谐振器的结构形态、工艺制备方法和选材进行了对比和分析，并对各微型化途径的特点进行了讨论和展望。     

Standing wave drift of hemispherical resonator with quality factor non-uniformity under a ring electrode excitation

Hemispherical Resonator Gyroscope(HRG) is a classical high precision Coriolis Vibration Gyroscope(CVG), which performs attitude estimation of carrier by detecting the precession of standing wave of resonator, thus, the drift of standing wave of resonator has a great influence on the output accuracy of gyroscope, where the quality factor nonuniformity of resonator is one of main error sources. Ring electrode is a classical excitation structure of HRG because the standing wave can precess freely u...     

RFOG中LD光源驱动电路设计

谐振式光纤陀螺具有良好的发展前景,光源在系统中有着很重要的作用.由于惯导系统工作在多变的外界环境下,环境因素引起的LD输出光功率不稳定会对陀螺的精度产生极大影响.为减小这种不稳定造成的检测误差,给出了一种恒流+温控的驱动电路来稳定光源输出功率,实验测定恒流电路的电流稳定性优于0.12％.激光器组件内包含的热敏电阻阻值随温度变化而改变,通过测量温控条件下热敏电阻两端电压,计算得到温度波动为±0.05℃.同时,实验还测量了在30C时,LD光源的输出功率标准差为0.0165mW.