慣性測(cè)量裝置敏感元件組合減振改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

羅小秋

【摘?要】通過(guò)對(duì)某型動(dòng)力調(diào)諧陀螺慣性測(cè)量裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了該型慣性測(cè)量裝置在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中存在較大的附加角速度信號(hào)，對(duì)載體控制回路存在一定的影響。針對(duì)此現(xiàn)象，對(duì)慣性測(cè)量裝置中角速度測(cè)量元件的減振方案進(jìn)行了說(shuō)明，并通過(guò)試驗(yàn)確定了附加角速度的產(chǎn)生是由于慣性測(cè)量裝置內(nèi)部動(dòng)力調(diào)諧陀螺的減振系統(tǒng)所致。提出了改進(jìn)敏感元件組合減振設(shè)計(jì)來(lái)抑制慣性測(cè)量裝置減振系統(tǒng)中附加角速度的產(chǎn)生，并通過(guò)試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了其可行性，達(dá)到了很好的效果。

【關(guān)鍵詞】慣性測(cè)量裝置;減振設(shè)計(jì);敏感元件組合

1?概述

慣性測(cè)量裝置在其載體振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，由于載體自振和其它動(dòng)力設(shè)備工作會(huì)造成載體發(fā)生一定頻率的振動(dòng)，如果振動(dòng)頻率信號(hào)與載體其它設(shè)備有用信號(hào)的頻率接近時(shí)，將導(dǎo)致頻率信號(hào)互相混合，干擾載體其它設(shè)備正常工作，從而對(duì)彈上控制系統(tǒng)帶來(lái)影響，后果嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致載體失控任務(wù)失敗。因此，敏感設(shè)備在載體工作過(guò)程中，一定要對(duì)固定頻率的信號(hào)進(jìn)行有效抑制，使其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)所需信號(hào)的能量，保證載體其它設(shè)備輸出信號(hào)不受干擾，提高系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。

慣性測(cè)量裝置采用減振設(shè)計(jì)是為了保護(hù)敏感元件在良好力學(xué)環(huán)境條件下工作，近而到達(dá)較高的測(cè)量精度和工作可靠性。然而，在減振系統(tǒng)中，由于敏感元件系統(tǒng)和慣性測(cè)量裝置殼體采用了彈性連接減振方式，致使敏感元件系統(tǒng)在由彈體有振動(dòng)輸入的情況下，產(chǎn)生附加角速度，影響慣性測(cè)量裝置角速度的測(cè)量精度，通過(guò)控制解算后，輸出虛假的控制信號(hào)，造成控制系統(tǒng)失穩(wěn)。

2?附加角速度產(chǎn)生機(jī)理

2.1?試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

慣性測(cè)量裝置在參與載體振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，其輸出的角速度信號(hào)在不同時(shí)間段疊加了不同頻率信號(hào)，如圖1所示，圖中只取了試驗(yàn)過(guò)程中的30秒的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，可知在角速度信號(hào)中主要混雜有44Hz、48Hz和91Hz頻率的信號(hào)，角速度通道最大峰值達(dá)到9（°）/s。在該時(shí)段內(nèi)，載體在空間各種環(huán)境應(yīng)力的綜合作用下，致使慣性測(cè)量裝置中的敏感元件系統(tǒng)在彈性力和慣性力作用下，出現(xiàn)了40Hz以上的振動(dòng)信號(hào)，而慣性測(cè)量裝置角速度通道對(duì)該振動(dòng)信號(hào)敏感并放大，在角速度通道輸出信號(hào)中疊加了虛假的角速度信號(hào)，該虛假的角速度信號(hào)經(jīng)控制回路形成的虛假的舵控制指令，控制舵面偏轉(zhuǎn)，造成控制系統(tǒng)出現(xiàn)短時(shí)振蕩，從而影響載體控制回路的穩(wěn)定性。

2.2?減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案介紹

該型慣性測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方案采用動(dòng)力調(diào)諧陀螺作為角速度測(cè)量元件，石英撓性加速度計(jì)作為線運(yùn)動(dòng)測(cè)量元件，由于動(dòng)力調(diào)諧陀螺抗力學(xué)環(huán)境性能較差，因此對(duì)陀螺儀采用了減振設(shè)計(jì)技術(shù)，使陀螺儀能經(jīng)受較強(qiáng)的力學(xué)環(huán)境條件。慣性測(cè)量裝置與導(dǎo)彈直接固聯(lián)，內(nèi)部對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)安裝在專用的敏感元件支架中，構(gòu)成敏感元件系統(tǒng)，最后通過(guò)8對(duì)專用的阻尼墊實(shí)現(xiàn)與慣性測(cè)量裝置殼體的彈性連接，達(dá)到局減振的目的，減振系統(tǒng)方式如圖2所示，在設(shè)計(jì)過(guò)程中使減振系統(tǒng)的剛度中心與質(zhì)量中心重合，抑制敏感元件系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下產(chǎn)生較大的角位移和角振動(dòng)，致使彈體振動(dòng)沖擊時(shí)高頻部分的絕大部分能量在減振環(huán)節(jié)中被阻尼吸收、消耗掉。

2.3?附加角速度產(chǎn)生過(guò)程

2.3.1?產(chǎn)生原理分析

由于慣性測(cè)量裝置與導(dǎo)彈采用直接固聯(lián)的安裝方式，因此，當(dāng)載體有較強(qiáng)的振動(dòng)信號(hào)輸入時(shí)，振動(dòng)能量通過(guò)彈體直接傳遞至慣性測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)本體，慣性測(cè)量裝置通過(guò)內(nèi)部減振系統(tǒng)吸收了大部分振動(dòng)能量，保證了陀螺儀正常穩(wěn)定工作。

由于減振系統(tǒng)是通過(guò)上下支撐板（如圖2中所示）與慣性測(cè)量裝置殼體進(jìn)行彈性連接，因此，彈性連接的中間部分敏感元件系統(tǒng)，可近似為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)有周期性干擾外力作用時(shí)，自身也會(huì)產(chǎn)生與周期外力同頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)，由于敏感元件系統(tǒng)與支撐板的彈性連接方式，敏感元件系統(tǒng)所敏感到的強(qiáng)迫振動(dòng)會(huì)在慣性測(cè)量裝置的三個(gè)方向上形成周期性的撓性擺動(dòng)，該擺動(dòng)過(guò)程中所生的運(yùn)動(dòng)即為減振系統(tǒng)中的附加角速度，其產(chǎn)生原理如圖3所示。當(dāng)周期性干擾外力去除后，敏感元件系統(tǒng)恢復(fù)力仍維持振動(dòng)，所以，該附加角速度也會(huì)相應(yīng)的維持一段時(shí)間。

敏感元件系統(tǒng)中的陀螺儀是角速度測(cè)量元件，具備角運(yùn)動(dòng)測(cè)量功能，因此，附加角速度所引起的撓性擺動(dòng)肯定會(huì)被陀螺儀所敏感，輸出固定頻率的角速度信號(hào)。該角速度信號(hào)由于是敏感元件系統(tǒng)撓性擺動(dòng)而產(chǎn)生的，并不是載體真實(shí)的角運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)，所以，該角速度信號(hào)為虛假信息，當(dāng)陀螺儀所敏感到的該虛假角速度信息達(dá)到一定的數(shù)值后，在控制解算后，就必然導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤的控制指令，造成載體偏離控制。

2.3.2?試驗(yàn)情況

通過(guò)上述分析可知，慣性測(cè)量裝置減振系統(tǒng)中存在一定的撓性擺動(dòng)，致使陀螺儀敏感到角速度信息，這種情況還可以通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，將該型號(hào)慣性測(cè)量裝置安裝在振動(dòng)臺(tái)上，分別對(duì)慣性測(cè)量裝置X、Y和Z軸進(jìn)行定頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)過(guò)載幅值為3g，頻率點(diǎn)分別為44Hz、48Hz和91Hz，慣性測(cè)量裝置角速度通道帶寬為85Hz，其角速度通道所測(cè)得的附加角速度值詳細(xì)情況見表1。

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以看出，在沿慣性測(cè)量裝置Y軸輸入91Hz正弦振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，X軸輸出的附加角速度為9（°/s），這與載體試驗(yàn)過(guò)程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象相符。

3?抑制附加角速度的方法

3.1?改進(jìn)減振設(shè)計(jì)

3.1.1?改進(jìn)方案

從慣性測(cè)量裝置的減振原理分析，在系統(tǒng)使用力學(xué)振動(dòng)環(huán)境不惡劣的情況下，可以適當(dāng)降低減振強(qiáng)度，提高減振系統(tǒng)與慣性測(cè)量裝置本體結(jié)構(gòu)連接處的軸向和徑向剛度，對(duì)減振系統(tǒng)采用局部改進(jìn)的方式實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)減振系統(tǒng)的改進(jìn)措施，在慣性測(cè)量裝置系統(tǒng)中進(jìn)行了大量的振動(dòng)試驗(yàn)，采用了多種減振系統(tǒng)的改進(jìn)措施，經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析論證，確定了如圖4所示的改進(jìn)措施，即在減振系統(tǒng)中的第一層和第三層之間增加0.5mm不銹鋼平墊，使敏感元件組合與慣性測(cè)量裝置之間的連接具備一定的鋼度，阻止敏感元件系統(tǒng)由于外部振動(dòng)引起的撓性擺動(dòng)。

3.1.2?試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述分析結(jié)果，對(duì)減振系統(tǒng)進(jìn)行了圖4所示的改進(jìn)措施，重新進(jìn)行定頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法與2.3.2相同，試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

從表2數(shù)據(jù)分析可知，與改進(jìn)前相比，在同樣的正弦振動(dòng)條件輸入的情況下，在減振系統(tǒng)引起的附加角速度最大為1.08（°/s），遠(yuǎn)小于未改進(jìn)前9（°/s）的附加角速度，有效地抑制了減振系統(tǒng)中附加角速度的產(chǎn)生。

4?結(jié)論

慣性測(cè)量裝置敏感元件組合改進(jìn)減振設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，有效抑制減振系統(tǒng)中虛假的附加角速度的產(chǎn)生，既保證了敏感元件系統(tǒng)的減振效果，又未使慣性測(cè)量精度受到損失，有效解決了前期減振振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王心清.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京：宇航出版社.1994年12月.

（作者單位：貴州航天控制技術(shù)有限公司）