半球谐振陀螺质量不均匀性调平技术研究综述

半球谐振陀螺是具有精度高、质量小、寿命长等特点的新型固态陀螺,在航海、航空、航天等领域有着广泛应用前景。半球谐振陀螺的质量不均匀性调平技术是制造高精度半球谐振陀螺的关键技术。针对半球谐振陀螺质量不均匀性调平技术,首先对谐振子性能影响最大的四次谐波缺陷辨识方法及其关键性能指标发展现状进行了分析;其次,对影响谐振子性能的一次、二次、三次谐波缺陷辨识方法进行了归纳梳理;然后,总结分析了谐振子四类调平工艺——传统机械加工、化学刻蚀、激光刻蚀和离子束刻蚀的工艺方法及特点;最后,展望了谐振子调平技术待解决的问题及未来研究的重点。     

无温度传感器的金属振动陀螺温度补偿

金属振动陀螺是一种低成本、长寿命的新型简并模谐振陀螺,其结构相对简单,加工相对容易实现。但是,金属材料的温度系数和热膨胀系数大,其受到温度变化的影响明显,温度漂移对器件最终性能的影响较为明显。因此,对金属振动陀螺进行温度补偿,可以显著提高器件性能指标。建立了金属振动陀螺的温度模型,确定环境温度对器件谐振频率和零位偏移的影响关系。研究发现,金属振动陀螺谐振频率的温度系数具有超高线性度,可以替代温度传感器的作用,直接用谐振频率作为温度补偿量的输入。基于温度模型,进一步建立了温度漂移补偿模型,计算金属振动陀螺谐振频率的温度系数和零位偏移的温度关系,并对金属振动陀螺的温度漂移进行补偿。通过实验结果验证,金属振动陀螺谐振频率的温度系数为0.0536 Hz/℃,线性度达3.4×10~(-6),零位偏移和温度呈二次曲线关系,温度补偿后,金属振动陀螺的随机漂移可降低65%左右。     

新型磁悬浮振动陀螺的设计与分析研究

振动陀螺是一种利用哥氏效应检测角速度的传感器,其谐振子的结构精度和阻尼均匀性限制了陀螺性能的提升。为减小谐振子结构与支撑锚点的影响,提出了一种全新概念的磁悬浮振动陀螺。该陀螺利用电磁悬浮的方法将谐振子悬空,从而简化了谐振子为无支撑锚点的集中质量块,降低了其结构精度要求,消除了机械结构阻尼,最终达到提升陀螺性能的目的。基于经典振动陀螺模型,理论分析了磁悬浮振动陀螺的基本工作原理,并说明了谐振子误差对陀螺性能的影响规律,设计了新型磁悬浮振动陀螺的结构,并对该结构的磁感应强度进行了仿真分析。仿真结果证明,悬浮质量块振动稳定,具有较好的磁场均匀性。最后对陀螺样机进行了测试,其固有频率为20Hz,标度因子约为1.6mV/[(°)/s],测试结果验证了所提磁悬浮振动结构的陀螺效应。     

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.     

半球谐振陀螺谐波缺陷振动特性有限元分析

半球谐振陀螺具有惯导级性能、寿命长、可靠性高、体积小、质量小、精度高的特点,在航空、航海、卫星等领域有着广泛应用前景,研究半球谐振子不平衡质量与频率裂解关系是制造高精度半球谐振陀螺的关键。针对半球谐振子质量不平衡问题,分析了谐振子不同谐波质量缺陷分布与频率裂解关系。采用有限元仿真的方法,分析了半球谐振子不同谐波质量缺陷的模态振型、固有频率、频率裂解的变化规律,研究了谐振子质量缺陷沿球壳周向和径向分布对振动特性的影响。基于有限元仿真的结果表明：二、四次谐波缺陷质量差对频率裂解有明显影响,二者呈线性比例关系,比例系数分别为536.57和1779.5,同时谐振子质量差分布在壳体唇沿位置对频率裂解影响较大。该结果对开展半球谐振陀螺调平技术研究提供了参考,具有一定指导意义。     

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。     

金属筒形谐振陀螺的频率修调技术研究

旋转对称结构的谐振陀螺与传统的陀螺相比,具有高寿命、高稳定性、结构简单等诸多优点,然而该种陀螺在加工制造过程中产生的各种误差以及密度应力不均等缺陷,使得谐振子产生频率裂解,严重影响了陀螺性能。国内外对于频率裂解消除的技术已有一定研究,但缺乏系统化的算法指导修调过程。针对一种金属筒形谐振陀螺,推导了一套系统直观、便于指导修调过程的频率修调算法,并通过仿真验证了该算法的实用性。最后,搭建了一套基于电磁激励、声波检测的频率修调系统,按照修调算法进行了修调实验,成功将谐振子频率裂解修调至0.04Hz。     

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。     

石英半球谐振子精密加工技术探讨

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固体振动陀螺，应用前景广阔。作为半球谐振陀螺的核心零件，石英半球谐振子壁薄、形状复杂、对加工精度要求高、制造难度大，而这些因素是制约半球谐振陀螺研制的主要瓶颈。结合半球谐振陀螺的技术发展，分析了半球谐振陀螺的结构类型和特点，介绍了石英半球谐振子的粗磨成型、精密磨削、研磨抛光、化学腐蚀、质量调平、表面镀膜等加工方法及研究进展，提出了未来半球谐振陀螺的研究重点和建议。     

基于Labview的谐振式微光学陀螺锁频环路设计

谐振式微光学陀螺(RMOG) 是通过检测基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速度的一种新型光学传感器。针对RMOG检测电路信号质量差、功能单一,无法兼容不同光路结构的问题,提出了基于虚拟仪器的RMOG数字控制方案,利用Labview编程的灵活性,完成了锁频环路的设计并进行了实验验证,实验结果表明1h陀螺锁频精度为0.03 °/s。1 h的输出精度为1.4 °/s。     

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.     

谐振式光纤陀螺用光源模块实验研究

基于多光源结构的谐振式光纤陀螺(R-FOG)是一种小型、高精度惯性传感器。研究了谐振式光纤陀螺的光源模块方案,选用小型可调谐的窄线宽半导体激光器,并对光源中心波长、光功率进行测量,以建立光源的最优工作区域,在此基础上对光源之间的拍频进行静态测试,测试过程中的频率最小值为53Hz、最大值为25.9225MHz。该方案具有分辨率高与动态范围大的潜在优势,在拍频测试中,陀螺测量分辨率和动态范围分别可达9.13×10^(-4)(°)/h、±4.56×10~7(°)/h。     

单片集成三轴微机电陀螺仪

为使陀螺仪进一步小型化、集成化,提出了一种新型单片集成三轴微机电陀螺仪,该陀螺仪采用单一MEMS结构芯片实现3个轴向角速度的测量.介绍了单片三轴陀螺仪工作方式、结构设计以及电路原理,完成了MEMS结构的流片加工,对陀螺仪表头和整机进行了测试,单片三轴微机电陀螺仪x轴、y轴和z轴零偏稳定性分别达到53.4(°)/h、70.8(°)/h和18.4(°)/h,非线性度分别为1.59×10-4、3.3×10-4和2.18×10-4.该陀螺仪具有三轴角速率检测效应,具有集成度高、体积小的优势,具有较强的应用潜力.     

核磁共振陀螺信号仿真及噪声分析

核磁共振陀螺具有体积小、精度高、功耗低等优势,有望成为下一代惯性导航系统的核心部件,目前正受到人们的广泛关注。比较全面的介绍了核磁共振陀螺的基本理论,在此基础上利用时间离散化方法推导并建立了能够充分考虑核磁共振陀螺系统动态特性的仿真模型。利用该模型研究分析了锁相环相位、磁场、温度以及探测光强在1×10-5均方根幅度下均匀白噪声对陀螺信号的影响,发现它们对角随机游走、零偏不稳定性影响依次减小,且都具有自身独特的频率响应特性。其中,锁相环相位噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为5.1985×102(°)/h1/2、3.4593×103(°)/h,而探测光强噪声引起的角随机游走与零偏不稳定性分别为3.1623×10-1(°)/h1/2、4.7603×10-1(°)/h。该研究对深入分析核磁共振陀螺动力学机理、寻找主要噪声来源、提高陀螺性能具有重要意义。     

基于高灵敏超导探测器的新型脉冲光高精度光纤陀螺技术研究

高精度光纤陀螺的精度主要由光纤陀螺检测噪声决定,一般可用角随机游走系数来表征,光纤陀螺的角随机游走主要由光路干涉信号的信噪比和信号处理引入的噪声决定。提出了基于高灵敏超导探测器的脉冲光高精度光纤陀螺技术方案和精度提升方法,实现了陀螺光信号的高灵敏检测,显著降低了光纤陀螺的热噪声,降低了相对强度噪声,并避免了连续光因调制切换引入的尖峰脉冲误差的影响,有效提升了光纤陀螺的精度水平。通过仿真分析,可将光纤陀螺的随机游走系数检测极限从3.53×10-5(°)/h1/2降低至1.6×10-5(°)/h1/2,减小了约54.7%。     

MVG控制斜激波/湍流边界层干涉的大涡模拟

采用浸没边界法(IBM)对带有微型涡发生器(MVG)控制器的激波/湍流边界层干涉流动进行了大涡模拟(LES)。以来流马赫数为2.3的斜激波(由平板上方8°楔产生)为基本流动入射平板湍流边界层,通过在干涉区前布置MVG阵列来控制激波诱导的边界层分离。采用浸没边界法处理MVG的复杂几何,分析了MVG尾迹区平均流速度剖面,雷诺应力,瞬态旋涡结构。结果表明:时均流场显示MVG尾迹区存在一对对转的主流向涡,流向涡加剧了边界内的动量交换从而增加了边界层抗分离能力,而瞬态流场则反映出MVG尾迹区的剪切层由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性会卷起为一列展向旋涡。     

圆柱壳体振动陀螺技术现状与发展趋势

圆柱壳体振动陀螺具有精度高、寿命长、体积小、抗冲击强等突出优点,在精确制导武器尤其是战术武器等装备领域中具有广阔的应用空间,已成为当前振动陀螺的热点研究方向之一。简要介绍了圆柱壳体振动陀螺的发展历程,并对其材料、加工制造和电路控制等方面的关键技术、研究现状进行了梳理。最后,对圆柱壳体振动陀螺的未来发展趋势进行了讨论,并指出0.1(°)/h以下的小型化、高性能圆柱壳体振动陀螺将有广阔的发展空间。     

嵌套环MEMS陀螺研究综述

嵌套环MEMS谐振陀螺是一种基于Coriolis效应的振动陀螺,具有结构全对称、加工鲁棒性好、电容灵敏度高、可采用传统体硅加工工艺实现批量化制造等优点,是目前最具性能潜力的微陀螺方案之一。首先阐述了嵌套环MEMS谐振陀螺的基本结构和工作原理,然后针对其在敏感结构设计及演化、品质因数提升、频率匹配技术、非线性效应与参数放大技术及零偏补偿技术等方面的发展进行了讨论,并对其在结构设计、加工技术、测控电路、新机理和新效应的应用等方面的发展进行了展望。嵌套环MEMS谐振陀螺可以实现高精度的角速率测量,具有巨大的性能潜力和较好的应用前景。     

半球谐振陀螺信号检测与动态性能改进方法的研究

半球谐振陀螺是一种全新的固体陀螺,具有独特的结构和工作方式。针对 半球谐振陀螺信号的提取、检测与控制,提出了半球谐振陀螺信号检测的改进方法和自 主开发的力平衡控制电路系统,以及其动态性能指标的改善方法,实验结果表明了该技 术效果显著。研究可为半球谐振陀螺提供理论研究和工程应用参考。