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

1、固態(tài)振動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)的機電類陀螺和光電類陀螺相比，只有它能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，同時還具有成本低、尺寸小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和市場需求的推動，高精度、長壽命和微型化的固態(tài)振動陀螺將在慣性技術(shù)領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。它和加速度計一起構(gòu)成的慣性測量組合，可以同時輸出多個方向的角速度、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)定等多種慣性測量的核心器件，用途相當廣

2、泛。對固態(tài)振動陀螺的研究與應(yīng)用開發(fā)已經(jīng)成為近年來的研究熱點。但是，已研制的固態(tài)振動陀螺受其設(shè)計和制作水平的限制，其綜合性能指標不高，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、低精度的測量。 作為慣性儀表的核心，固態(tài)振動陀螺的綜合性能是決定系統(tǒng)性能的主要因素，必須對固態(tài)振動陀螺從器件和系統(tǒng)兩個方面加以研究，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、小體積和長命慣性儀表的需求日益增長和在國外對該類技術(shù)進行嚴格封鎖情況下，如何從器件級到系統(tǒng)級全面掌握和創(chuàng)新具有諸多潛能的固態(tài)振動陀螺及系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，具有十分重要的學術(shù)價值和現(xiàn)實意義。 論文以北京某空軍機載姿態(tài)測量參考系統(tǒng)和大慶油田有限責任公司試油試采分公司的陀螺尋北測斜儀研制項目為應(yīng)用背景展開研究。制作、封裝和測試了振梁式固態(tài)振動陀螺，提出了以試制陀螺為核心的航空姿態(tài)儀動

4、態(tài)測量精度優(yōu)化算法和方位測井尋北儀快速尋北算法，從理論和實驗兩方面對上述算法進行了研究，并成功實現(xiàn)了試制陀螺的高精度集成化工程應(yīng)用。 論文主要研究內(nèi)容如下： 1.從理論上分析了振梁式固態(tài)振動陀螺的基本驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)，推導(dǎo)了其動力學模型，并對振動梁的結(jié)構(gòu)進行了詳細的有限元分析。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了陀螺機械結(jié)構(gòu)和傳感單元尺寸方案、改進了振動粱的節(jié)點支撐結(jié)構(gòu)、增加了陀螺的抗沖擊、抗振動性能。 2.根據(jù)陀螺的信號處

5、理模型，在原有陀螺接口電路基礎(chǔ)上，設(shè)計和制作了高集成度，寬帶寬，同時具有高精度數(shù)字信號輸出的接口電路。采用厚膜電路將模擬和數(shù)字信號處理模塊集成在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)達到45Hz。 3.在對各種測試數(shù)據(jù)進行分析基礎(chǔ)上，反復(fù)修改和優(yōu)化了設(shè)計方案和工藝，最終獲得了高性能和低成本的實驗樣機。試制陀螺具有非常高的機械品質(zhì)因素Q值，達6000，相應(yīng)的諧振頻率達5670.3

6、Hz；靈敏度達到0.001°/s；具有較高的零位穩(wěn)定性：短期穩(wěn)定性達0.01°/s，中期為0.2°/s，長期為0.6°/s；同時傳感器對加速度和振動不敏感。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，而造價只有光纖陀螺的1/5～1/3。在大量實驗基礎(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)過技術(shù)改進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)測量儀的基礎(chǔ)，但零位輸出

7、隨時間和溫度的非線性變化是降低試制陀螺動態(tài)測量精度最主要的原因。論文結(jié)合應(yīng)用開發(fā)實例，針對陀螺零位輸出與時間和溫度存在的多值對應(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償。試驗證明，運用新的誤差補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)標準差的30.8﹪?；谠撍惴▽崿F(xiàn)的航空姿態(tài)儀動態(tài)零位補償技術(shù)提高了系統(tǒng)測量精度。研制的姿態(tài)儀靜態(tài)精度達到±0.1°

8、，動態(tài)精度達到1°(rms)，并具有低成本，小體積的優(yōu)勢。 5.采用試制的高靈敏度陀螺，完成了針對石油勘探測井的陀螺方位測井尋北儀研究，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。陀螺的方位角測量精度達到±0.5°，尋北時間不超過125s。仿真分析、硬件實測和試用單位的使用結(jié)果證實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