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传感技术学报 2012年第9期25卷 1230-1235页

作者：张勇猛吴宇列席翔崔红娟陶溢国防科学技术大学机电工程及自动化学院长沙410073 武汉军械士官学校武汉430075

温度变化严重影响了杯形陀螺的使用精度,为了消除或减小温度对杯形陀螺性能的影响,首先从理论上分析了温度对陀螺性能的影响机理,在此基础上提出了一种基于陀螺内部信号对杯形陀螺进行温度补偿的方法;通过大量的温度实验,从工程应用实... 详细信息

温度变化严重影响了杯形陀螺的使用精度,为了消除或减小温度对杯形陀螺性能的影响,首先从理论上分析了温度对陀螺性能的影响机理,在此基础上提出了一种基于陀螺内部信号对杯形陀螺进行温度补偿的方法;通过大量的温度实验,从工程应用实际出发,分别建立了陀螺的零偏-温度、零偏-驱动电压以及零偏-频率的多项式模型,并利用上述模型对陀螺进行了补偿,分析了补偿结果。实验证明,所述方法能显著提高杯形陀螺的温度性能。

关键词：杯形陀螺温度补偿漂移温度模型频率

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杯形陀螺谐振子振动特性分析及修整技术研究

杯形陀螺谐振子振动特性分析及修整技术研究

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作者：朱炳杰国防科学技术大学

学位级别：硕士

杯形陀螺是一种新型的振动惯性传感器,利用杯形结构中弹性波的惯性效应实现角运动测量,具有精度高、能耗小、准备时间短、工作温度范围大、抗辐射能力强、抗冲击振动好、使用寿命长等优点。金属谐振子是杯形陀螺的核心元件,其振动特性... 详细信息

杯形陀螺是一种新型的振动惯性传感器,利用杯形结构中弹性波的惯性效应实现角运动测量,具有精度高、能耗小、准备时间短、工作温度范围大、抗辐射能力强、抗冲击振动好、使用寿命长等优点。金属谐振子是杯形陀螺的核心元件,其振动特性、驱动特点、频率特性等关系到整个陀螺的性能,因此,对谐振子进行研究是十分必要的。本文针对杯形陀螺的金属谐振子,主要开展了以下研究: 1.介绍了杯形陀螺的基本结构和工作原理,建立了杯形陀螺的数学模型。通过建立杯形陀螺谐振子的运动方程,分析了谐振子的工作模态;通过以驻波的形式表现谐振子的振动,对谐振子的振动特性进行了研究。 2.建立了基底-胶层-压电电极层压板有限元模型,通过Ansys软件对模型进行仿真和分析,并对分析结果进行实验验证。重点研究了粘胶层厚度、材料特性、以及胶层中有缺陷等因素对谐振子的Q值、输出增益、频率裂解的影响,得出了具有指导意义的结论。 3.分析了压电电极对杯形陀螺谐振子的影响,通过建模分析和实验验证,主要研究了压电电极在全温区的频率特性、电流特性、振幅特性,以及压电电极对谐振子频率特性和Q值的影响。为研究杯形陀螺在全温区的稳定性提供了依据。 4.建立了谐振子的误差模型,由模型分析得知:加工误差会导致谐振子的振型偏移和固有频率裂解,是陀螺正交误差的主要来源,谐振子的修整工艺是提高陀螺性能的关键。 5.针对谐振子的修整工艺,提出了对谐振子的谐振环进行修形以减小频率裂解的方法,并对谐振子的修形部位的灵敏度进行建模分析。通过建立谐振子的结构误差的有限元模型,对谐振环修形进行仿真实验,最后对金属谐振子进行了实验验证,将谐振子的频率裂解降低到了0.1Hz的水平,达到了修形的目的。

关键词：杯形陀螺谐振子频率裂解有限元模型修整技术

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杯形陀螺的温度特性及其补偿方法研究

杯形陀螺的温度特性及其补偿方法研究

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作者：张勇猛国防科学技术大学

学位级别：硕士

杯形陀螺是一种新型固体波动陀螺，利用杯形谐振子结构中的弹性波惯性效应来实现角运动的测量，具有精度高、结构简单、易于批量生产、成本低等显著优势。目前，杯形陀螺还存在温度漂移较大的问题，制约了该陀螺的工程应用。本文以杯... 详细信息

杯形陀螺是一种新型固体波动陀螺，利用杯形谐振子结构中的弹性波惯性效应来实现角运动的测量，具有精度高、结构简单、易于批量生产、成本低等显著优势。目前，杯形陀螺还存在温度漂移较大的问题，制约了该陀螺的工程应用。本文以杯形陀螺的温度特性为研究对象，从理论分析和实验分析两个方面研究了杯形陀螺的频率温度特性和零偏温度特性，在大量实验的基础上建立了温度漂移模型，并利用所建立模型进行了温度补偿。具体研究内容如下： 1．分析了杯形固体波动陀螺的工作原理及其温度误差的产生原因。当温度变化时，谐振子材料的弹性模量、泊松比和密度等随之发生变化，由于制造误差与材料的非理想性的存在，谐振子的振动刚性轴随温度的变化而偏转，造成陀螺的零偏输出发生变化。 2．通过理论分析推导和实验验证，从理论和实验两个方面研究了温度对谐振频率和零偏的影响。测试了各固定温度点下的谐振频率和零偏及其重复性，研究了温度连续变化情况下谐振频率和零偏与温度的对应关系，研究表明温度测量误差导致了谐振频率回滞效应。测试了谐振频率与零偏的对应关系，实验表明，谐振频率可以快速跟踪零偏的变化。 3．研究了杯形陀螺的温度补偿方法。从工程实际出发，选择建立杯形陀螺温度漂移的多项式模型进行温度补偿。分别建立了零偏-温度模型与零偏-频率模型，并利用这两种模型对杯形陀螺进行温度补偿。采用零偏-温度模型进行补偿后，全温区的温度漂移由6.33°/s减小为1.15°/s，减小到了补偿前的18.2%。采用零偏-频率模型进行补偿后，全温区的温度漂移由6.33°/s减小为0.45°/s，减小到了补偿前的7.1%。常温下的零偏稳定性由22.98°/h分别提高到4.67°/h和3.18°/h。 4．分别建立了基于温度传感器的与基于零偏-频率模型的杯形陀螺温度补偿系统。设计了硬件电路，编写了温度补偿算法程序;利用等精度测频法测量驱动频率，频率测量精度达到了10-3Hz量级，可以满足温度补偿的需求。

关键词：杯形陀螺零偏温度漂移频率温度特性温度补偿

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六波腹金属杯形陀螺控制系统研究

六波腹金属杯形陀螺控制系统研究

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作者：郭潇林中北大学

学位级别：硕士

金属杯形陀螺具有精度高、体积小、寿命长、在极端条件下也能保持性能工作状态等显著优点,适用于航天航空、精确制导武器等尖端领域。我国对金属杯形陀螺仪的研究经历了从无到有,从落后到先进的发展过程,在诸多科研人员的努力下取得了... 详细信息

金属杯形陀螺具有精度高、体积小、寿命长、在极端条件下也能保持性能工作状态等显著优点,适用于航天航空、精确制导武器等尖端领域。我国对金属杯形陀螺仪的研究经历了从无到有,从落后到先进的发展过程,在诸多科研人员的努力下取得了长足的进步,但与国际领先水平仍有一定的差距,因此开展金属杯形陀螺技术研究,提高自主创新能力具有重要意义。现有的金属杯形陀螺工作模态通常为n=2的工作模态,这是由于n=2模态通常具有更大的角增益与最低的谐振频率,但以常规的技术加工n=2模态的金属杯形陀螺,会使陀螺产生较大的频率裂解与较小的机械灵敏度。本文围绕一种基于压电效应,在n=3工作模态下的六波腹金属杯形陀螺,设计并通过数字测控电路实现了其控制系统的建立,测试得出六波腹金属杯形的关键性能参数。本文以课题组研制的六波腹金属杯形陀螺仪为研究对象,对其控制系统进行研究,设计了相应的数字测控电路并进行了相应的测试,主要的工作内容如下:(1)首先对杯形振动陀螺仪的控制系统研究现状进行了阐述;(2)对六波腹金属杯形陀螺的谐振子模态与结构进行了简单的陈述,其次对谐振子的工作原理进行了介绍,最后,分析了六波腹金属杯形陀螺的动力学模型,对谐振子在理想情况下和引入误差耦合项的谐振子进行了动力学方程的推导,阐述了谐振子刚性轴、阻尼轴与驱动轴相对位置的测试方法。(3)设计了基于数字测控电路的驱动闭环系统与正交校正闭环控制系统,使用锁相环与鲁棒性强的自动增益控制回路为陀螺提供稳定的驱动信号,提供了驱动位移幅值与相位的具体解算方法以及正交校正控制系统的总体设计方法,阐述了陀螺输出信号的组成,在最后对驱动闭环回路与正交校正系统进行了相应的测试,实验结果表明,整体系统具有稳定的控制效果。(4)搭建了陀螺的测试系统,测量了陀螺标度因数与零偏的系列参数,在-40℃到60℃升温过程中,驱动幅值能够保持稳定,始终保持在0.5 V上下,波动不超过2 m V;在加入正交校正闭环控制之前,检测输出有150 m V;在正交闭环控制之后,检测输出降低到8.9 m V,正交校正前后,检测输出幅值减小了141.2 m V,标度因数由21 m V/°/s降低至20 m V/°/s基本没有变化,角度随机游走由0.1902°/√h降低为0.1310°/√h,零偏不稳定性由1.914°/h降低为1.327°/h。实验结果表明,本文所设计的六波腹金属杯形陀螺及其测控系统具有较强的稳定性与低输出噪声。

关键词：杯形陀螺控制系统正交校正六波腹驱动

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