半球谐振陀螺仪频率裂解及固有刚性轴的测试方法

半球谐振陀螺仪以其寿命长、可靠性高、体积小、重量轻、精度高而且可微型化的优点将在卫星、潜艇等导航领域有着广泛的应用前景。对半球谐振陀螺仪的而言,频率裂解值与固有刚性轴的位置是其关键的技术指标,因此设计测试方案对其进行精确测试是十分必要的。根据陀螺仪工作原理,从理论角度进行了推导,建立存在频率裂解及与固有刚性轴不重合时谐振子的运动方程,通过研究主驻波及辅助波的表达式,进而得到了振动位移的精确表达式,最后设计了在固定位置安装两组激励电极以及两组位移传感器对频率裂解以及固有刚性轴位置进行测试的测试方案,并给出了最佳的测试时间。

谐振子密度偏差引起的频率裂解的分析

为研究半球谐振子密度不均匀引起的频率裂解,首先利用解微分方程的布勃诺夫-加廖尔金法建立了谐振子环向密度分布不均匀的动力学方程,根据动力学方程建立了振动系统的状态方程,进而推导了系统的特征方程,根据特征方程解出了在谐振子存在环向密度不均匀的前提下,振动系统存在的两个二阶固有频率,最后求解了固有频率裂解的表达式.

硅微半球陀螺频率裂解修调工艺规律仿真分析

频率裂解是影响半球谐振陀螺性能的主要因素之一。硅微半球陀螺谐振子球壳的厚度为μm量级,半径为mm量级,小而脆弱的谐振子导致修调难度大,针对此问题,文中通过有限元仿真的方法分析了在硅半球壳谐振子唇边进行打孔对频率裂解的影响规律。得到了“应该在低频模态上打孔以减小频率裂解”、“修调的加工精度需要在微米级甚至是亚微米级”、“修调的频率裂解较小时,应优先使用深宽比较大的孔”等结论,该仿真结果将为实践中确定合适的修调工艺参数提供理论指导。

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。

石英微壳体振动陀螺频率裂解调谐仿真分析

频率裂解是影响微壳体振动陀螺综合性能的关键指标。对于石英微壳体振动陀螺而言,其尺寸小,可加工区域受限,频率裂解的降低需要在关键位置上进行高效率的微质量去除。利用有限元仿真,在沿微陀螺工作模态轴径向,分析不同位置打微孔对于频率裂解的影响规律。仿真结果表明:调谐效率由外到内,先减小再增大,当调谐孔中线位于T型块与壳体连接处时,调谐效率达到最小值。根据规律,提出不同方位的粗、精结合的调谐策略,并且利用仿真验证调谐方式的正确性,将频率裂解降低至0.0035 Hz,为提高精密调谐的效率提供了指导。

基于激光多普勒的杯形波动陀螺频率裂解测量

频率裂解是杯形波动陀螺的关键技术指标,对陀螺性能有着重要影响,因此设计测试方案对其进行准确测量十分必要。根据陀螺的工作原理,设计了扫频激励、单频激励2种激励方案,在周向不同方位实现陀螺的激振;利用激光多普勒测振仪采集陀螺的振动信号,解算出陀螺的谐振频率,实现频率裂解的非接触式检测;在此基础上,对陀螺低频轴和高频轴进行了区分。实验表明,两种激励方案的测量结果具有较好的可重复性和一致性,可以实现陀螺频率裂解的准确测量。

基于幅频响应特性的半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角测定方法

半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角是影响陀螺性能指标的核心因素。提出了一种基于幅频响应特性的半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角测定方法,采用压电激振台扫频激振,多普勒激光测振仪检测谐振子的幅频响应特性,通过幅频响应特性曲线分析实现频率裂解与固有刚度轴方位角的测定。对该方法进行了理论分析,搭建了实验装置,并对半球谐振子进行了测试,结果表明:该方法频率裂解测量精度优于0.01Hz,固有频率主轴方位角确定精度优于±1.17°,具有良好的可行性,在半球谐振陀螺研制方面具有良好的参考意义。

形位误差对半球谐振子频率裂解的影响

半球谐振子是半球谐振陀螺(hemispherical resonant gyroscope,HRG)最重要的部件,其加工时引入的形位误差是造成其频率裂解并最终影响HRG精度的主要因素.本文通过优化网格划分方法建立理想半球谐振子有限元模型,大幅提升了仿真模型精度,分析了厚度误差、中径误差、端面误差、相对位置误差等各类形位误差对谐振子频率裂解的影响规律,利用滤波与同心处理从圆度测量数据中提取谐振子厚度差信息,同时采用白光干涉子孔拼接技术获取半球端面全口径面形,结合离子束加工技术验证了球壳厚度与端面面形度误差对半球谐振子频率裂解的影响,为进一步提高半球谐振子加工性能提供理论与技术支撑.

嵌套环式MEMS陀螺频率裂解与品质因数研究

频率裂解和品质因数是制约MEMS陀螺准确度的关键因素。本文以嵌套环式MEMS陀螺为研究对象,以降低频率裂解与提高品质因数为目的,开展频率裂解与品质因数仿真研究。针对频率裂解问题,提出一种转轴偏心修调方法,建立ANSYS模态分析仿真模型,解析转轴偏心参数对模态振型的影响机制,明确频率裂解变化规律;针对品质因数问题,聚焦空气阻尼及热弹性阻尼损耗的影响机理,明确低压强、多谐振环数、薄谐振环、小锚点会有效提高陀螺品质因数。此外,对比仿真与Zener理论模型,说明仿真模型有效性。以上研究有效揭示嵌套环式MEMS陀螺频率裂解和品质因数的变化规律,为MEMS陀螺准确度的提高提供研究基础。

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。

基于加工误差仿真的半球谐振子优化设计

针对半球谐振陀螺谐振子制造过程中存在的加工误差,采用有限元仿真,分析了半球谐振子结构参数、尺寸公差和形位公差变化对其工作模态频率和临近模态频率的影响,研究了半球谐振子形位公差变化对频率裂解和品质因数的影响。通过仿真分析可知,半球谐振子结构参数壁厚、半球中心半径及内倒角半径都会影响模态频率;半球谐振子形位公差中的内外球心距离误差对其工作模态影响较大,中心轴平行误差对频率裂解和品质因数影响较大;半球谐振子壁厚、内倒角半径、小柱半径及内外球心距离误差变化会使工作模态频率与相邻模态间存在干扰。在此基础上,提出了半球谐振子结构参数及形位公差优化设计建议,并通过半球谐振子品质因数Q值和频率裂解测量对该建议进行了验证。

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。

微半球谐振陀螺频率修调技术研究进展

微半球谐振陀螺是一种基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺的高精度微陀螺,具有精度高、体积小、功耗低等显著优点,是高性能微机电陀螺的重要发展方向之一。目前,国内外报道的微半球谐振陀螺品质因数已超过500万,零偏不稳定性已达到导航级指标(0.01°/h),显示出了极大的性能潜力优势。随着微半球谐振陀螺结构尺寸与体积不断减小,其相对制造误差更加凸显,具体表现为陀螺工作模态频率裂解误差,这将直接导致陀螺输出零偏漂移与噪声增大,严重制约陀螺综合性能提升。频率修调技术是微半球谐振陀螺制造过程中的核心工艺之一,不同于传统的机械加工方法,受材料与结构尺寸限制,必须要开发新的修调工艺。介绍了多种微半球谐振陀螺的频率修调方法,对比分析了不同工艺特点,并对微半球谐振陀螺修调技术发展趋势进行了总结与展望。

半球谐振子质量不平衡对振动特性的影响研究

质量不平衡是半球谐振子制造过程产生的主要缺陷之一,其对谐振子的振动特性产生重要的影响。为制定半球谐振质量不平衡评价方法及为修调提供依据,对谐振子的结构特征及质量不平衡进行了表征,通过耦合振动物理模型及仿真分析,明确了谐振子耦合振动产生机理、质量不平衡对频率裂解及支撑损耗的影响。并通过实验,测得了谐振子的不同去除质量下频率裂解特性及耦合振动特性,得到了谐振子质量不平衡与振动特性之间的关系,通过实验数据得出未经过平衡的谐振子1、3次谐波及2次谐波的分布特征,以及它们引入的支撑损耗分别为1.6×10^(-8)、3.7×10^(-9);频率裂解与4次谐波不平衡质量对应关系为0.01 Hz/μg,由此可以对谐振子质量不平衡进行评价及制定调平工艺。

基于叉指电极激励和衰减信号拟合的半球谐振子性能测试方法

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感元件,其频率裂解值和时间常数等性能参数直接决定陀螺精度,所以在陀螺研制过程中需要对其性能参数进行准确测试。针对性能参数测试问题,设计优化了基于叉指电极的半球谐振子非接触激励方法;研究基于衰减信号拟合的性能参数辨识方法并进行建模仿真,分析各类误差对测试精度的影响;搭建实验装置进行了测试,频率裂解值、时间常数和刚度轴角位置的测试重复性分别为0.92 mHz、0.537 s和0.327°。结果表明,该方法测试重复性较好,能较准确测得石英半球谐振子的性能参数,可为半球谐振陀螺研制提供测试基础支持。

圆柱壳体振动陀螺修调技术进展

圆柱壳体振动陀螺是一种重要的惯性导航传感器,有精度高、能耗低、耐冲击和寿命长等特点,具有广阔的应用空间。其性能与频率裂解、振型偏移、品质因数有关,它们直接影响陀螺的零偏稳定性。为了提高圆柱壳体振动陀螺的性能,机械修调十分必要。本文梳理了圆柱壳体振动陀螺修调的相关理论和近年来国内外有关陀螺修调的方法与装置,提出修调技术在未来可能的发展方向。

半球谐振子振动特性批量化测试技术

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,其振动性能测试贯穿生产加工、调平和装配整个过程,是半球谐振陀螺制造必不可少的环节,特别是对于高精度半球谐振陀螺,其谐振子具备高Q值低频率裂解的特性,需要高效率、批量化的测试手段,以满足半球谐振陀螺批量生产的需求。为解决谐振子批量化测试问题,首先,介绍了半球谐振子的工作原理,仿真分析了谐振子振动特性和表征方法;其次,针对半球谐振陀螺谐振子振动特性测试问题,提出了基于波动特性原理的振动特性测试方法;最后,根据所提出的振动特性的测试方法,设计了单腔室多工位谐振子振动特性批量化测试平台和工艺,采用激光测振仪进行振动信号的采集,完成了谐振子振动特性的检测,极大地提高了测试效率,满足半球谐振陀螺批量生产的要求。

熔融石英半球谐振子亚表面缺陷的湿法刻蚀工艺

为了提高半球谐振子的品质因数,提出采用湿法刻蚀的方法去除半球谐振子亚表面的微缺陷。通过研究熔融石英材料的湿法刻蚀机理,在专用半球谐振子湿法刻蚀设备上能够稳定实现半球谐振子亚微米刻蚀精度,半球谐振子经过湿法刻蚀后表面粗糙度优于100nm,半球谐振子Q值能够提高至2000万以上,半球谐振子频差变化小于0.03Hz。

微型固体波动陀螺技术发展研究

微型固体波动陀螺具有超高精度的潜质,可作为不依赖卫星的导航系统的传感器。首先简述了固体波动陀螺的技术方案;然后较为详细介绍了微型半球谐振陀螺的发展现状和制备工艺;着重讨论了微型半球谐振陀螺的主要误差源;最后分析了存在的问题,提出了解决途径。

减小金属筒形谐振子振型偏移角的方法

金属筒形谐振子的频率裂解、阻尼不均匀会使谐振子的振型发生偏移,导致激励和检测偏离波腹波节点,影响陀螺的输出零位、零偏稳定性等性能,因而减小谐振子的振型偏移角是提高金属筒形谐振陀螺性能的关键。在分析了谐振子加工误差对振型偏移角的影响的基础上,提出了基于前馈和反馈控制的振型偏移角的校正方法,并分析了其优缺点。实验结果表明:前馈控制方案使谐振子振型的偏移角减小0. 8°~0. 9°,反馈控制方案使偏移角减小0. 6°~0. 7°,为谐振子的修调和测控电路的设计提供了参考。