抗高过载锥形振子式角速率陀螺关键技术研究

发布时间：2017-10-12 20:05

  本文关键词：抗高过载锥形振子式角速率陀螺关键技术研究

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【摘要】：随着隧道挖掘、矿山开采、石油勘探、城市地下管线铺设、精确制导武器等领域技术的突飞猛进,迫切需要能够在高过载环境下对运动体角速度进行精确测量的陀螺。本文借鉴中国传统大钟结构,提出了一种抗高过载锥形振子式角速率陀螺。作为陀螺核心敏感元件的锥形振子,其振动特性、抗过载特性、频率裂解等关键特性直接制约锥形振子式角速率陀螺能否实现抗高过载和精度的兼顾。为此,本文围绕锥形振子,开展了以下研究:(1)针对锥形振子的几何特征,分别建立了锥形振子在外部角速度和外部轴向过载作用下的动力学方程。推导出了锥形振子二阶固有频率与进动因子,建立了锥形振子二阶固有频率与振子结构特征参数、外部轴向过载的关系,为研究锥形振子的振动特性和抗过载特性奠定了理论基础。(2)锥形振子的振动特性研究。针对影响陀螺灵敏度和抗干扰能力的锥形振子二阶固有频率和振幅等关键振动特性,在锥形振子材料特性的约束条件下,根据建立的锥形振子在外部角速度作用下的动力学方程,对锥形振子的结构特征参数进行了优化。同时,考虑使得锥形振子的振幅达到最大,建立了激励组件施加于锥形振子的剪切力模型,优化了激励组件的结构参数。(3)锥形振子的抗过载特性研究。针对影响陀螺抗过载能力的锥形振子固有频率和应力等特性,根据建立的锥形振子在外部轴向过载作用下的动力学方程,在锥形振子材料约束条件下,研究了锥形振子结构特征参数对固有频率特性和应力特性的影响,得到了锥形振子的优化结构特征参数。(4)针对影响锥形振子式角速率陀螺精度的锥形振子频率裂解问题,通过将有缺陷的锥形振子等效为振子顶部边缘的质量缺陷,建立了锥形振子的质量缺陷模型。提出了一种非接触频率裂解抑制方法,有效抑制了锥形振子的频率裂解。(5)对锥形振子式角速率陀螺的电路进行了设计,完成了陀螺原理样机的研制,并对样机进行了性能和抗过载能力测试,得到锥形振子式角速率陀螺的零位漂移为0.76°/h,线性度0.7%,分辨率0.05°/s,抗过载能力不低于10000g。
【关键词】：角速率陀螺 锥形振子 振动特性 抗高过载 频率裂解抑制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究目的和意义11-12
• 1.2 振动陀螺的国内外研究现状及发展趋势12-22
• 1.2.1 半球谐振陀螺12-15
• 1.2.2 微机械振动陀螺15-19
• 1.2.3 压电振动陀螺19-22
• 1.3 本论文主要研究内容与章节安排22-25
• 第2章 锥形振子式角速率陀螺的机理研究25-41
• 2.1 锥形振子式角速率陀螺总体结构与工作原理25-27
• 2.1.1 总体结构25-26
• 2.1.2 工作原理26-27
• 2.2 锥形振子的动力学方程建立27-39
• 2.2.1 锥形振子的结构27
• 2.2.2 锥形振子的坐标系定义27-28
• 2.2.3 锥形振子在外部角速度作用下的动力学方程28-36
• 2.2.4 锥形振子在外部过载作用下的动力学方程36-39
• 2.3 本章小结39-41
• 第3章 锥形振子振动特性研究41-61
• 3.1 抗高过载锥形振子的材料约束和结构特征参数提取41-43
• 3.1.1 材料约束与确定41-42
• 3.1.2 结构特征参数提取42-43
• 3.2 锥形振子结构特征参数的优化43-50
• 3.2.1 锥形振子二阶固有频率的要求43-46
• 3.2.2 半锥角因素分析与优化46-47
• 3.2.3 壁厚因素分析与优化47
• 3.2.4 顶部半径因素分析与优化47-48
• 3.2.5 底部半径因素分析与优化48-50
• 3.3 激励组件对剪切力的影响50-60
• 3.3.1 PZT的力电耦合模型52-53
• 3.3.2 胶层的力学模型53-54
• 3.3.3 胶层对剪切力的影响与优化54
• 3.3.4 PZT对剪切力的影响与结构参数优化54-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第4章 锥形振子抗过载特性研究61-75
• 4.1 外部轴向过载下锥形振子二阶固有频率特性61-68
• 4.1.1 结构特征参数对固有频率的影响62-66
• 4.1.2 过载值对锥形振子二阶固有频率的影响66-68
• 4.2 外部轴向过载下锥形振子的应力特性68-72
• 4.2.1 结构特征参数对振子应力的影响68-71
• 4.2.2 过载值对锥形振子最大应力的影响71-72
• 4.3 抗过载锥形振子结构特征参数优化与特性对比72-74
• 4.3.1 抗过载锥形振子结构特征参数优化72
• 4.3.2 抗过载特性对比72-74
• 4.4 本章小结74-75
• 第5章 锥形振子频率裂解抑制研究75-90
• 5.1 锥形振子的频率裂解特性75-78
• 5.1.1 锥形振子顶部边缘的动力学方程75-77
• 5.1.2 锥形振子频率裂解对振子输出的影响77-78
• 5.2 锥形振子频率裂解抑制方法研究78-89
• 5.2.1 锥形振子频率裂解的质量缺陷模型78-81
• 5.2.2 频率裂解抑制有限元仿真81-85
• 5.2.3 非接触频率裂解抑制方法85-89
• 5.3 本章小结89-90
• 第6章 锥形振子式角速率陀螺原理样机设计与测试90-105
• 6.1 锥形振子式角速率陀螺的电路设计90-92
• 6.1.1 电路总体结构90-91
• 6.1.2 信号解算方法91-92
• 6.2 整机设计92-95
• 6.2.1 整机结构设计92-94
• 6.2.2 抗过载仿真94-95
• 6.3 陀螺原理样机测试95-104
• 6.3.1 振子模态测试95-97
• 6.3.2 电路测试97-98
• 6.3.3 陀螺效应测试98-99
• 6.3.4 转台跟踪试验99-100
• 6.3.5 陀螺零位漂移测试100-101
• 6.3.6 标度因数线性度测试101-102
• 6.3.7 分辨率测试102
• 6.3.8 抗过载测试102-104
• 6.4 本章小结104-105
• 结论105-108
• 参考文献108-115
• 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单115-116
• 致谢116

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王剑秋;吴宇列;张勇猛;;基于MEMS声传感器的圆柱壳体振动陀螺振型检测技术[J];传感技术学报;2014年10期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 赵洪波;半球谐振陀螺仪误差机理分析与误差抑制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 王旭;半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究[D];国防科学技术大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 周睿;哥氏振动陀螺的误差分析与建模[D];哈尔滨工业大学;2013年

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本文编号：1020636