固態(tài)振動(dòng)陀螺關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、固態(tài)振動(dòng)陀螺代表一種重要的慣性技術(shù)，它不僅具有所有的慣性品質(zhì)，而且與傳統(tǒng)的機(jī)電類(lèi)陀螺和光電類(lèi)陀螺相比，只有它能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，同時(shí)還具有成本低、尺寸小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的推動(dòng)，高精度、長(zhǎng)壽命和微型化的固態(tài)振動(dòng)陀螺將在慣性技術(shù)領(lǐng)域中占有越來(lái)越重要的地位。它和加速度計(jì)一起構(gòu)成的慣性測(cè)量組合，可以同時(shí)輸出多個(gè)方向的角速度、角加速度和角位移，是完成姿態(tài)控制，安全導(dǎo)航和艦船穩(wěn)定等多種慣性測(cè)量的核心器件，用途相當(dāng)廣

2、泛。對(duì)固態(tài)振動(dòng)陀螺的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。但是，已研制的固態(tài)振動(dòng)陀螺受其設(shè)計(jì)和制作水平的限制，其綜合性能指標(biāo)不高，目前靈敏度在0.01～0.03°/s之間，而且零位穩(wěn)定性，特別是溫漂穩(wěn)定性方面較差，因此一直被研究者劃歸中、低精度傳感器行列，只能應(yīng)用于中、低精度的測(cè)量。 作為慣性儀表的核心，固態(tài)振動(dòng)陀螺的綜合性能是決定系統(tǒng)性能的主要因素，必須對(duì)固態(tài)振動(dòng)陀螺從器件和系統(tǒng)兩個(gè)方面加以研究，才能獲得慣性儀表性能的全面

3、提高。因此，在軍事和民用領(lǐng)域?qū)Ω呔取⒏呖煽啃?、低成本、小體積和長(zhǎng)命慣性儀表的需求日益增長(zhǎng)和在國(guó)外對(duì)該類(lèi)技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格封鎖情況下，如何從器件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)全面掌握和創(chuàng)新具有諸多潛能的固態(tài)振動(dòng)陀螺及系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 論文以北京某空軍機(jī)載姿態(tài)測(cè)量參考系統(tǒng)和大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司的陀螺尋北測(cè)斜儀研制項(xiàng)目為應(yīng)用背景展開(kāi)研究。制作、封裝和測(cè)試了振梁式固態(tài)振動(dòng)陀螺，提出了以試制陀螺為核心的航空姿態(tài)儀動(dòng)

4、態(tài)測(cè)量精度優(yōu)化算法和方位測(cè)井尋北儀快速尋北算法，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)上述算法進(jìn)行了研究，并成功實(shí)現(xiàn)了試制陀螺的高精度集成化工程應(yīng)用。 論文主要研究?jī)?nèi)容如下： 1.從理論上分析了振梁式固態(tài)振動(dòng)陀螺的基本驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)，推導(dǎo)了其動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)振動(dòng)梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了陀螺機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感單元尺寸方案、改進(jìn)了振動(dòng)粱的節(jié)點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)、增加了陀螺的抗沖擊、抗振動(dòng)性能。 2.根據(jù)陀螺的信號(hào)處

5、理模型，在原有陀螺接口電路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制作了高集成度，寬帶寬，同時(shí)具有高精度數(shù)字信號(hào)輸出的接口電路。采用厚膜電路將模擬和數(shù)字信號(hào)處理模塊集成在20×20mm2的電路板上，減小了陀螺體積并優(yōu)化了電路的增益穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，頻率響應(yīng)達(dá)到45Hz。 3.在對(duì)各種測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，反復(fù)修改和優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案和工藝，最終獲得了高性能和低成本的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。試制陀螺具有非常高的機(jī)械品質(zhì)因素Q值，達(dá)6000，相應(yīng)的諧振頻率達(dá)5670.3

6、Hz；靈敏度達(dá)到0.001°/s；具有較高的零位穩(wěn)定性：短期穩(wěn)定性達(dá)0.01°/s，中期為0.2°/s，長(zhǎng)期為0.6°/s；同時(shí)傳感器對(duì)加速度和振動(dòng)不敏感。綜合數(shù)據(jù)表明試制陀螺性能可與部分光纖陀螺相媲美，而造價(jià)只有光纖陀螺的1/5～1/3。在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上我們還獲得了制作該型陀螺所特有的工藝技術(shù)。 4.陀螺是構(gòu)成組合慣性儀表的核心。經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)完成的試制陀螺在精度和抗沖擊性能方面已經(jīng)具備了構(gòu)建高精度姿態(tài)測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)，但零位輸出

7、隨時(shí)間和溫度的非線性變化是降低試制陀螺動(dòng)態(tài)測(cè)量精度最主要的原因。論文結(jié)合應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)例，針對(duì)陀螺零位輸出與時(shí)間和溫度存在的多值對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了一種非線性誤差的三維空間建模理論，并將灰色RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于陀螺誤差的全溫補(bǔ)償。試驗(yàn)證明，運(yùn)用新的誤差補(bǔ)償算法可使陀螺零位漂移方差均值降至0.0004°/s，偏差降低至原采樣數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的30.8﹪。基于該算法實(shí)現(xiàn)的航空姿態(tài)儀動(dòng)態(tài)零位補(bǔ)償技術(shù)提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。研制的姿態(tài)儀靜態(tài)精度達(dá)到±0.1°

8、，動(dòng)態(tài)精度達(dá)到1°(rms)，并具有低成本，小體積的優(yōu)勢(shì)。 5.采用試制的高靈敏度陀螺，完成了針對(duì)石油勘探測(cè)井的陀螺方位測(cè)井尋北儀研究，提出了初始粗定位和小角度非等間距逼近的尋北方案，研制了以試制陀螺為核心的方位尋北儀，并提出了小波濾波結(jié)合小角度逼近的快速尋北算法。陀螺的方位角測(cè)量精度達(dá)到±0.5°，尋北時(shí)間不超過(guò)125s。仿真分析、硬件實(shí)測(cè)和試用單位的使用結(jié)果證實(shí)了尋北方案和算法的有效性，并在成本、體積、抗沖擊性能和溫度特性