杯形陀螺谐振子振动特性分析及修整技术研究

论文摘要

杯形陀螺是一种新型的振动惯性传感器,利用杯形结构中弹性波的惯性效应实现角运动测量,具有精度高、能耗小、准备时间短、工作温度范围大、抗辐射能力强、抗冲击振动好、使用寿命长等优点。金属谐振子是杯形陀螺的核心元件,其振动特性、驱动特点、频率特性等关系到整个陀螺的性能,因此,对谐振子进行研究是十分必要的。本文针对杯形陀螺的金属谐振子,主要开展了以下研究:1.介绍了杯形陀螺的基本结构和工作原理,建立了杯形陀螺的数学模型。通过建立杯形陀螺谐振子的运动方程,分析了谐振子的工作模态;通过以驻波的形式表现谐振子的振动,对谐振子的振动特性进行了研究。2.建立了基底-胶层-压电电极层压板有限元模型,通过Ansys软件对模型进行仿真和分析,并对分析结果进行实验验证。重点研究了粘胶层厚度、材料特性、以及胶层中有缺陷等因素对谐振子的Q值、输出增益、频率裂解的影响,得出了具有指导意义的结论。3.分析了压电电极对杯形陀螺谐振子的影响,通过建模分析和实验验证,主要研究了压电电极在全温区的频率特性、电流特性、振幅特性,以及压电电极对谐振子频率特性和Q值的影响。为研究杯形陀螺在全温区的稳定性提供了依据。4.建立了谐振子的误差模型,由模型分析得知:加工误差会导致谐振子的振型偏移和固有频率裂解,是陀螺正交误差的主要来源,谐振子的修整工艺是提高陀螺性能的关键。5.针对谐振子的修整工艺,提出了对谐振子的谐振环进行修形以减小频率裂解的方法,并对谐振子的修形部位的灵敏度进行建模分析。通过建立谐振子的结构误差的有限元模型,对谐振环修形进行仿真实验,最后对金属谐振子进行了实验验证,将谐振子的频率裂解降低到了0.1Hz的水平,达到了修形的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外杯形陀螺研究综述
• 1.2.1 国外杯形陀螺的研究与发展概况
• 1.2.2 国内杯形陀螺的研究与发展概况
• 1.3 论文研究内容
• 第二章 杯形陀螺理论模型
• 2.1 杯形陀螺的结构
• 2.2 杯形陀螺的数学建模
• 2.2.1 建立杯形陀螺谐振子运动方程
• 2.2.2 以驻波的形式表示谐振子的振动
• 2.3 本章小结
• 第三章 粘接胶层对谐振子振动特性的影响规律研究
• 3.1 谐振子粘胶层建模
• 3.2 粘胶层对谐振子振动特性的影响分析
• 3.2.1 粘胶层厚度对振动特性的影响
• 3.2.2 粘胶层材料特性对谐振子振动特性的影响
• 3.2.3 粘胶层中有缺陷对谐振子振动特性的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 压电电极对谐振子振动特性的影响规律研究
• 4.1 温度对压电电极性能影响的数学模型
• 4.1.1 压电陶瓷横梁的建模分析
• 4.1.2 对压电横梁模型引入温度的影响
• 4.2 实验设计与结果分析
• 4.3 建立谐振子温度频率特性的有限元分析模型
• 4.3.1 谐振子在Ansys 中的静态分析
• 4.3.2 谐振子在Ansys 中的动态分析
• 4.4 谐振子频率特性和Q 值的实验分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 谐振子的频率特性分析及修整技术研究
• 5.1 修形的基本原理
• 5.1.1 谐振子的误差建模
• 5.1.2 谐振子修形部位灵敏度建模分析
• 5.1.3 谐振子修形仿真
• 5.2 谐振子修形的实验研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果