杯形陀螺的温度特性及其补偿方法研究

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杯形陀螺是一种新型固体波动陀螺,利用杯形谐振子结构中的弹性波惯性效应来实现角运动的测量,具有精度高、结构简单、易于批量生产、成本低等显著优势。目前,杯形陀螺还存在温度漂移较大的问题,制约了该陀螺的工程应用。本文以杯形陀螺的温度特性为研究对象,从理论分析和实验分析两个方面研究了杯形陀螺的频率温度特性和零偏温度特性,在大量实验的基础上建立了温度漂移模型,并利用所建立模型进行了温度补偿。具体研究内容如下:1.分析了杯形固体波动陀螺的工作原理及其温度误差的产生原因。当温度变化时,谐振子材料的弹性模量、泊松比和密度等随之发生变化,由于制造误差与材料的非理想性的存在,谐振子的振动刚性轴随温度的变化而偏转,造成陀螺的零偏输出发生变化。2.通过理论分析推导和实验验证,从理论和实验两个方面研究了温度对谐振频率和零偏的影响。测试了各固定温度点下的谐振频率和零偏及其重复性,研究了温度连续变化情况下谐振频率和零偏与温度的对应关系,研究表明温度测量误差导致了谐振频率回滞效应。测试了谐振频率与零偏的对应关系,实验表明,谐振频率可以快速跟踪零偏的变化。3.研究了杯形陀螺的温度补偿方法。从工程实际出发,选择建立杯形陀螺温度漂移的多项式模型进行温度补偿。分别建立了零偏-温度模型与零偏-频率模型,并利用这两种模型对杯形陀螺进行温度补偿。采用零偏-温度模型进行补偿后,全温区的温度漂移由6.33°/s减小为1.15°/s,减小到了补偿前的18.2%。采用零偏-频率模型进行补偿后,全温区的温度漂移由6.33°/s减小为0.45°/s,减小到了补偿前的7.1%。常温下的零偏稳定性由22.98°/h分别提高到4.67°/h和3.18°/h。4.分别建立了基于温度传感器的与基于零偏-频率模型的杯形陀螺温度补偿系统。设计了硬件电路,编写了温度补偿算法程序;利用等精度测频法测量驱动频率,频率测量精度达到了10-3Hz量级,可以满足温度补偿的需求。
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