陀螺仪利用敏感元件检测惯性空间中物体的角运动,在军用、民用领域都有着重要而广泛的应用。零偏漂移是衡量陀螺性能的最重要指标之一,直接影响武器装备的打击效果,因而各国都对高性能陀螺技术严格保密。因此掌握自主研发技术,提升陀螺性能,具有重要意义。杯形波动陀螺具有精度高、寿命长、抗冲击能力强等突出特点,是一类极具发展潜力的陀螺仪。杯形谐振子是杯形波动陀螺的核心元件,其品质直接决定了陀螺性能。然而,由于杯形谐振子是典型的薄壁零件,加工几何精度容易受到破坏,加工完毕后具有残余内应力,并且谐振子材料本身不可能完全均匀。这些基本缺陷将导致谐振子形成频率裂解、阻尼不一致以及内应力不均匀等品质特征参数缺陷,并最终影响陀螺的零偏漂移。本文围绕杯形波动陀螺的零偏漂移问题,重点解决了陀螺的漂移机理与抑制等关键问题,为我国发展高性能壳体振动陀螺提供新的分析理论和方法。主要研究了以下内容:1.杯形波动陀螺的理论基础。主要介绍了杯形波动陀螺的结构与工作原理、研究了杯形谐振子的固有频率、品质因数以及模态振型等动力学问题。推导了谐振子的固有频率计算公式。分析了谐振子的内在损耗机理,并分别建立了空气阻尼损耗、表面损耗、支撑损耗、热弹性阻尼损耗以及材料内摩擦损耗模型。利用有限元方法分析了谐振子的模态振型。2.杯形波动陀螺的品质缺陷形成机理。主要研究了杯形波动陀螺制造过程中的误差,分析了几种重要的品质缺陷的形成机理。建立了频率裂解与质量、刚度分布的内在关系模型。分析了由非连续结构造成的阻尼不均匀,并研究了品质缺陷造成的振型偏差。考虑了在温度变化的情况下,由结构突变导致的应力集中现象。并给出了杯形谐振子的品质缺陷测试方法,利用驻波的叠加原理,准确地获得了谐振子的频率裂解、振型偏移以及品质因数等重要参数信息。3.杯形波动陀螺的零偏漂移机理。分析了品质缺陷对杯形波动陀螺零偏漂移的影响。探讨了零偏漂移信号的基本构成因素,从理论上获得了频率裂解导致的振型慢漂、持续激励下的振型漂移,以及频率裂解所带来的节点振动相位误差。分析了阻尼不均匀、内应力不均匀等情况下谐振子的振型漂移。4.杯形波动陀螺的漂移抑制技术。从谐振子制造、品质修调以及电路控制的角度分析了如何抑制杯形波动陀螺的漂移。介绍了针对材料缺陷以及加工误差的主要抑制手段。重点分析了如何通过品质修调实现对陀螺漂移的抑制。在理论上建立了频率修调的数学模型,通过质量和刚度调节实现频率裂解的消除。此外,通过改变质量分布以及应力分布,还实现了对谐振子振型偏移的抑制。在理论上分析了力平衡控制电路对频率裂解的抑制作用。5.杯形波动陀螺的主要性能测试。对零偏漂移抑制前后的陀螺进行了测试分析,表明通过频率裂解修调、阻尼修调、应力修调以及力平衡控制,可以实现杯形波动陀螺性能的提高。