高灵敏多层式壳体振动陀螺的设计理论与关键技术研究

High sensitive resonant structure is a basic component of the high performance axisymmetric vibratory gyroscope. At present, the mainly studied resonant structures are 2-D resonant rings and disks which are based on micromachining processes. But their sensitivity improvement is limited by the small size. 3-D shell structures own relatively large vibratory masses and amplitude, high signal-noise ratio, and good performance. However, the shell type gyroscopes, such as hemispherical resonator gyroscopes, usually need complicated machining processes which result in high cost. The cylinder gyroscope with a single shell is easy to be manufactured. But their low quality factor can not meet high performance requirement. Aiming at high accuracy attitude control and north-finding navigation, this project proposes a novel 3-D multiple-shell structure. It increases the vibratory masses, lowers the internal loss, enlarges the amplitude, which will achieve high mechanical sensitivity. The project pays attention to the dynamical modeling of the multiple-shell vibratory gyroscope, imperfect deformation origin and its distribution. The influence of mass, stiffness perturbation and damping control on structure vibration is also studied. In this project, the key problems of the multiple-shell gyroscope will be solved. These basic problems include: geometric parameters design, structure optimization, precision machining, and trimming of imperfect structures, ect. This project will provide basic theory and key technique support for the design of high sensitive vibratory gyroscopes.

高灵敏的谐振结构是保证轴对称型振动陀螺性能优良的基础。目前主流的谐振结构形式以基于微制造工艺的2维谐振环/盘为代表，但其机械灵敏度的提升受几何尺寸限制。3维的壳体结构具有较大的敏感振动质量与振幅，信噪比高，性能潜力好。但以半球谐振陀螺为代表的壳体振动陀螺工艺复杂、价格昂贵；单层式的圆柱壳体陀螺制造简单，但机械品质因数又较低，不能满足高性能需求。项目以装备高精度姿态控制、寻北导航等对高性能陀螺的需求为背景，提出一种新的3维多层式壳体结构，能增大敏感振动质量，降低结构内耗，放大谐振结构振幅，将实现良好的机械灵敏度。拟重点围绕多层式壳体振动陀螺的动力学建模、制造过程中的非理想变形产生机理及分布规律、质量/刚度扰动与阻尼控制对结构振动的影响规律等科学问题展开研究。重点解决多层式谐振结构的参数设计、结构优化、精密加工、非理想结构修调等基础问题，为我国高灵敏振动陀螺的研制提供基础理论和关键技术支撑。

项目背景：针对精确姿态控制、寻北导航等领域对高灵敏振动陀螺的需求，围绕多层式壳体振动陀螺在设计与制造过程中的科学问题展开具体研究。重点突破了多层式谐振结构的优化设计、精密加工与修调等关键技术，为我国高灵敏振动陀螺的研制提供技术支撑。.主要研究内容：项目重点研究了多层式谐振结构的几何参数设计与动力学问题，建立了关于固有频率和品质因数的理论模型，掌握了高灵敏谐振结构的演化规律与优化方法。利用精密车削和电火花加工相结合的制造方式，制造出了高灵敏度的谐振结构。研究了基于质量、刚度扰动和阻尼控制的修调方法，改善了非理想谐振结构的振动特性。最后研制了配套的测控电路、完成了谐振结构封装与系统集成，并对陀螺性能进行了测试。.重要结果：多层式谐振结构圆度优于5微米，初始频率裂解优于3Hz；原理样机标度因数180mv/度/秒，零偏稳定性达到2度/秒。.关键数据：项目完成预期目标，共发表论文8篇，其中被本领域高水平SCI期刊检索5篇；参加国际学术会议3次，并做大会报告2次。邀请本领域内专家来校开展国际交流与讲学共2人次。申请国家发明专利2项。培养了壳体振动陀螺领域的研究生3名。项目组已与陕西中航华燕仪器仪表公司签订成果转化合同，面向空天装备姿态测控需求，进行高性能壳体振动陀螺小批量试生产，目前进展顺利。 .科学意义：高灵敏多层式壳体振动陀螺的研究具有重要的理论和工程意义。项目通过掌握多层式谐振结构的动力学建模方法，实现了高灵敏度设计。通过掌握制造过程中的非理想形变产生机理与分布规律，解决了制造误差抑制问题。通过掌握质量、刚度扰动与阻尼控制对多层式谐振结构振动特性的影响机理，解决了非理想谐振结构的模态失稳问题。研究成果在军用和民用设备中的应用前景都十分广阔，对提升我国在惯性导航领域的关键技术水平有重要意义。