【摘要】：圓柱殼體振動陀螺具有測量精度高、加工難度大、成本低、能耗小等一系列優(yōu)點,逐漸成為波動陀螺領(lǐng)域的重要研究方向。高品質(zhì)的圓柱殼體諧振子對于陀螺的性能至關(guān)重要,但由于材料不均勻和加工誤差的存在,諧振子會出現(xiàn)頻率裂解和阻尼不均勻性等缺陷。頻率裂解可以通過機(jī)械修調(diào)或者閉環(huán)反饋控制進(jìn)行消除,但阻尼不均勻性對陀螺的影響一般無法通過修調(diào)或者閉環(huán)控制進(jìn)行有效去除。陀螺工作在力平衡模式下時,其主要的漂移誤差來源于阻尼不均勻性,但目前對于阻尼不均勻性及其修調(diào)方法的研究相對比較匱乏。因此本文針對圓柱殼體諧振子的阻尼不均勻性,探究了其基本理論及影響,基于Q值圓周分布分析了阻尼不均勻性,研究了壓電電極對諧振子阻尼特性的影響,提出了阻尼不均勻性修調(diào)方案,主要有以下幾項內(nèi)容:1.概述了圓柱殼體振動陀螺的結(jié)構(gòu)及工作原理,建立了圓柱殼體諧振子的誤差模型和動力學(xué)模型,并且分析了在開環(huán)模式和力平衡模式下的阻尼不均勻性對陀螺性能的影響。2.基于圓柱殼體諧振子的Q值圓周分布對其阻尼不均勻性進(jìn)行分析,簡要介紹了阻尼不均勻性的來源,并且分析了通常用于測量諧振子Q值的幅頻響應(yīng)法的缺陷,同時建立了圓柱殼體諧振子的理論模型,從理論上分析了諧振子Q值圓周分布規(guī)律,最后通過設(shè)計實驗進(jìn)行了驗證。3.分析和歸納了壓電電極對諧振子阻尼特性的影響規(guī)律,首先建立了諧振子-粘結(jié)層-壓電電極耦合系統(tǒng)的動力學(xué)模型,并且分析了影響壓電電極和粘結(jié)層能量損耗的因素,然后利用有限元模型分析了粘結(jié)層和壓電電極參數(shù)對諧振子阻尼特性的影響,最后設(shè)計實驗對有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證。4.分析了壓電材料的阻尼特性,建立了圓柱殼體諧振子阻尼不均勻性修調(diào)的理論模型,并且利用有限元方法仿真了壓電電極阻尼不均勻性修調(diào)的方向性,歸納了修調(diào)時阻尼變化的規(guī)律,最后基于理論分析提出了正向修調(diào)和逆向修調(diào)兩種阻尼不均勻性修調(diào)方案,并且進(jìn)行了相應(yīng)的實驗驗證。
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH824.3
【圖文】：

圖 1.1 美國諾斯羅普·格魯門公司生產(chǎn)的半球諧振陀螺國從上世紀(jì) 60 年代就開始對固體波動陀螺理論進(jìn)行研究，并于 70 年代品研制階段。當(dāng)時主要研究的是半球諧振陀螺，其研制過程從最初的“蘑杯”形，到“雙基”形，最后采用雙芯柱支撐的“雙基”形諧振子，大陀螺的穩(wěn)定性。之后開始了漫長的陀螺性能改進(jìn)階段，并且在此過程中研新型結(jié)構(gòu)的固體波動陀螺，高精度的固體波動陀螺已經(jīng)成功應(yīng)用于軍事、要領(lǐng)域，代表了固體波動陀螺的最高水平[13]。國通用電氣航空電子設(shè)備有限公司(GEC 和 Marconi 合并)在 20 世紀(jì) 80

國防科技大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文系列振動陀螺是英國航天公司和日本住友精密工業(yè)公司合作的產(chǎn)品，其基本結(jié)構(gòu)為中心對稱的振動圓筒陶瓷杯外掛 8 片壓電硅片。其主要產(chǎn)品為 CRS03，壓電電極直接粘貼于諧振環(huán)，一方面可以增大陀螺的增益，但另一方面也會導(dǎo)致諧振環(huán)質(zhì)量不均勻，并且對諧振環(huán)的阻尼影響較大，其零偏穩(wěn)定性為 10 /s，主要應(yīng)用于精度要求不高的低成本場合。Watson 公司以壓電陶瓷材料為基體制造過一種圓柱形振動陀螺[15]，該陀螺的諧振子體積小，能夠?qū)崿F(xiàn)器件級真空封裝。如圖 1.2(b)所示，其 VSG-E 型陀螺零偏穩(wěn)定性為 0.1 s，分辨率為 0.025 /s，壓電材料的加工誤差及其晶粒缺陷導(dǎo)致了其阻尼較大并且分布不均勻，精度難以進(jìn)一步提升[16]。

(a) START 筒形波動陀螺 (b) Watson 公司的圓筒形陀圖 1.2 早期的圓柱殼體陀螺期的圓柱殼體陀螺精度較低，主要的誤差來源于諧振子的材料不均及不成熟的陀螺控制技術(shù)，但是其以結(jié)構(gòu)簡單、低成本等優(yōu)勢吸引了構(gòu)和公司。其中最具有代表性的就是美國的 Innalabs 公司，該公司柱殼體振動陀螺由經(jīng)過熱處理的彈性合金材料制成，具有高品質(zhì)因度系數(shù)等優(yōu)點。Innalabs 公司在圓柱殼體振動陀螺控制技術(shù)上實現(xiàn)了制和多參數(shù)零偏補償，有效提升了陀螺的精度[17]。08 年，Innalabs 公司公布了一系列不同參數(shù)的金屬圓筒陀螺并且分析別。由研究得知陀螺的阻尼特性主要受諧振子金屬材料的影響，同時處理、化學(xué)處理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計和環(huán)境對于陀螺的阻尼特性均有較大nalabs 公司主要通過諧振子材料選擇，設(shè)計參數(shù)優(yōu)化和熱處理工藝提阻尼特性，得到了較高 Q 值的諧振子。同時為了提高陀螺的性能，大小，其正在研制高 Q 值、低阻尼特性的石英圓筒形振動陀螺[19]。如金屬圓筒陀螺的產(chǎn)品圖，圖 1.3(b)所示為 Innalabs 公司未來發(fā)展的石動陀螺。

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本文編號：2774716