基于叉指电极激励和衰减信号拟合的半球谐振子性能测试方法.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:装备预研基金项目()作者简介:郑倓()男硕士研究生:.通信作者:雷宏杰()男博士研究员博士生导师:.:./.基于叉指电极激励和衰减信号拟合的半球谐振子性能测试方法郑 倓雷宏杰岳亚洲胡 强曹诗音朱良健(.中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所 西安.飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室 西安)摘要:半球谐振子是半球谐振陀螺的核心敏感元件其频率裂解值和时间常数等性能参数直接决定陀螺精度所以在陀螺研制过程中需要对其性能参数进行准确测试 针对性能参数测试问题设计优化了基于叉指电极的半球谐振子非接触激励方法研究基于
2、衰减信号拟合的性能参数辨识方法并进行建模仿真分析各类误差对测试精度的影响搭建实验装置进行了测试频率裂解值、时间常数和刚度轴角位置的测试重复性分别为.、.和 结果表明该方法测试重复性较好能较准确测得石英半球谐振子的性能参数可为半球谐振陀螺研制提供测试基础支持关键词:半球谐振子频率裂解值时间常数刚度轴角位置叉指电极本文引用格式:郑倓雷宏杰岳亚洲等.基于叉指电极激励和衰减信号拟合的半球谐振子性能测试方法.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言半球谐振陀螺是一种新型哥氏振动陀螺其采用高品质半球谐振子和相对简单的陀螺结构具有精度高、可靠性高、体积小、
3、质量轻和功耗低等优点 截至 年美国 公司的半球谐振陀螺共搭载在 多架次航天器中在太空总工作时间超过了 万小时且无一失效 法国 公司在国际惯性传感器与系统会议上公布的半球谐振陀螺零偏稳定性达到了.()/因此半球谐振陀螺在航空、航天、航海等各领域具有极大的应用价值 半球谐振陀螺研制过程中其核心的半球谐振子需要在成型加工、调平、镀膜、装配和封装等各阶段对频率裂解值、时间常数、刚度轴角位置等性能参数进行测试 本文中针对尚未镀制金属膜层的石英半球谐振子设计优化基于叉指电极的非接触激励方法研究其性能参数辨识方法搭建实验装置进行实验验证 基于叉指电极的非接触激励方法测试半球谐振子性能首先需要激励半球谐振子使
4、其处于振动状态 敲击半球谐振子的传统激励方法有损伤和污染半球谐振子的风险且激励位置不易确定 与其相比叉指电极激励半球谐振子具有非接触、激励位置可控等优点如图()所示叉指电极由两组指电极 和 互相交叉构成 电极/的宽度称为指宽电极 之间间隙称为指间距 将电介质平行于叉指电极放置沿叉指电极长度方向剖视图如图 ()所示 其中 指宽为、指间距为/()、叉指电极与电介质之间间隙为 电极与电介质组合可看作电容器一对叉指电极与电介质构成电容器的电容为 ()()其中 为叉指电极的长度如图()、图()所示将半球谐振子作为电介质建立叉指电极激励半球谐振子的模型 其中所用叉指电极等间隙且安装方式相对半球谐振子垂向安
5、装叉指电极指宽度可用中心角 表征如图()所示 采用有限元仿真软件计算叉指电极与半球谐振子之间电容选择半球谐振子典型石英材料参数:杨氏模量 、泊松比.、密度 /、相对介电常数.仿真结果如图 所示可以看出叉指电极与半球谐振子之间电容随着间隙减小而逐渐增大图 叉指电极结构图.图 仿真模型图.郑 倓等:基于叉指电极激励和衰减信号拟合的半球谐振子性能测试方法图 叉指电极电容与间隙关系图.叉指电极两端施加交变电压半球谐振子作为电介质会向使电容器总能量最小的方向运动在静电力的作用下半球谐振子发生振动 图 模型中电容越大其能量越大施加交变电压时电容器能量变化越大半球谐振子受静电力越大 半球谐振子受到的静电力可
6、使用有限元软件仿真计算设叉指电极两端正弦电压幅值为 叉指电极与半球谐振子间隙为 式()中指宽与指间距之比/称为指宽比其大小直接影响叉指电极的电容从而改变叉指电极对半球谐振子的力但公式中未考虑电极厚度的影响 仿真指宽比、电极厚度与半球谐振子受力的关系如图 所示图 电极厚度、指宽比与半球谐振子受力图.由图 可知叉指电极指宽比越大半球谐振子的受力越大 当叉指电极的电极厚度增大时半球谐振子受力会变大但电极厚度大于 后半球谐振子受力开始下降 指宽比、电极厚度、中心角度时叉指电极对半球谐振子的力达到 满足实验需求叉指电极指宽度也会对半球谐振子受力产生影响 仿真可得不同中心角与半球谐振子受力的关系如图 所示
7、当叉指电极中心角度由小增大时半球谐振子受力增加而中心角大于 后受力增加缓慢因此设计叉指电极中心角大于 即可满足半球谐振子激励需求 叉指电极安装方式和构型也会对半球谐振子静电力产生影响 其他的安装方式和构型还包括:叉指电极平行安装方式如图()所示扇形叉指电极垂直安装如图()所示图 中心角与叉指电极受力关系图.图 不同类型叉指电极示意图.设叉指电极指宽比 、电极厚度 中心角 仿真图、图()、图()中不同安装方式、构型的叉指电极激励下半球谐振子受力大小结果如表 所示表 叉指电极不同安装方式、构型下仿真结果 等间隙叉指电极垂向安装等间隙叉指电极平行安装扇形叉指电极垂向安装半球谐振子受力/由表 可知叉指
8、电极安装方式由垂直安装改为平行安装后叉指电极对半球谐振子的受力减小了一半 而扇形叉指电极垂向安装与叉指电极垂向安装相比对半球谐振子的受力略低 综上所述叉指电极垂向安装和指宽比 、电极厚度 、中心角 的叉指电极参数时对半球谐振子的静电力力达到 满足实验要求 半球谐振子性能参数辨识方法.基于衰减信号拟合的性能参数辨识方法基本原理半球谐振子振动示意图如图 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 初始时刻振动图.理想情况下半球谐振子唇沿任意位置纵向振动为()()()式中:为半球谐振子振动幅值 为方位角为初始振动方位角为谐振频率 半球谐振子的不平衡质量等误差会使振动发生裂解其振动可表示为 个振动谐
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