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随着隧道挖掘、矿山开采、石油勘探、城市地下管线铺设、精确制导武器等领域技术的突飞猛进,迫切需要能够在高过载环境下对运动体角速度进行精确测量的陀螺。本文借鉴中国传统大钟结构,提出了一种抗高过载锥形振子式角速率陀螺。作为陀螺核心敏感元件的锥形振子,其振动特性、抗过载特性、频率裂解等关键特性直接制约锥形振子式角速率陀螺能否实现抗高过载和精度的兼顾。为此,本文围绕锥形振子,开展了以下研究:(1)针对锥形振子的几何特征,分别建立了锥形振子在外部角速度和外部轴向过载作用下的动力学方程。推导出了锥形振子二阶固有频率与进动因子,建立了锥形振子二阶固有频率与振子结构特征参数、外部轴向过载的关系,为研究锥形振子的振动特性和抗过载特性奠定了理论基础。(2)锥形振子的振动特性研究。针对影响陀螺灵敏度和抗干扰能力的锥形振子二阶固有频率和振幅等关键振动特性,在锥形振子材料特性的约束条件下,根据建立的锥形振子在外部角速度作用下的动力学方程,对锥形振子的结构特征参数进行了优化。同时,考虑使得锥形振子的振幅达到最大,建立了激励组件施加于锥形振子的剪切力模型,优化了激励组件的结构参数。(3)锥形振子的抗过载特性研究。针对影响陀螺抗过载能力的锥形振子固有频率和应力等特性,根据建立的锥形振子在外部轴向过载作用下的动力学方程,在锥形振子材料约束条件下,研究了锥形振子结构特征参数对固有频率特性和应力特性的影响,得到了锥形振子的优化结构特征参数。(4)针对影响锥形振子式角速率陀螺精度的锥形振子频率裂解问题,通过将有缺陷的锥形振子等效为振子顶部边缘的质量缺陷,建立了锥形振子的质量缺陷模型。提出了一种非接触频率裂解抑制方法,有效抑制了锥形振子的频率裂解。(5)对锥形振子式角速率陀螺的电路进行了设计,完成了陀螺原理样机的研制,并对样机进行了性能和抗过载能力测试,得到锥形振子式角速率陀螺的零位漂移为0.76°/h,线性度0.7%,分辨率0.05°/s,抗过载能力不低于10000g。