光纤陀螺结构谐振分析及研究

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1、光纤陀螺结构谐振分析及研究蔡明，孙超，肖松，刘晓明，朱钟涂(电子科技大学机械电子工程学院，四川成都611731)StructuralVibrationAnalysisandResearchintheFOGCAIMing,SUNChao,XIAOSong,LIUXiao-ming,ZHUZhong-gan(SchoolofMiechatronicsEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ChengDu611731,China)摘要：针对光纤陀螺在振动环境中可能因机械振动产生非互易相位差的问题，采用

2、计算机有限元仿真的方法分析光纤陀螺结构件谐振特性，并在此基础上提出了陀螺结构件的改进方法。最终达到了改善陀螺抗振性能、提高陀螺指示精度并减轻重量的目的。关键词：光纤陀螺；振动特性；有限元；结构设计中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：Abstract:AccordingtotheappearanceoftheFiberopticalgyroscope(FOG)'snonreciprocalphaseerrorintheenvironmentofmechanicalvibration,thecharacteristicofvibrationoftheFOGwasana

3、lyzedusingthefiniteelementmethod.AndwebroughtforwardthemethodstoimproveontheframeworkdesignofFOG・Theimproveddesignachievedfavorableeffectinthevibrationperformanceandprecisionwithlessmass.Keywords:Fiberopticalgyroscope;Characteristicofvibration;Finiteelement;Frameworkdesign0引言光纤陀螺(FOG)是--种基于S

4、agnac效应的角速率传感器，其具有体积小、质量轻、精度范围广、无运动部件等优点，是一种新型的全固态惯性仪衣⑴。从这个概念首次提出到现在，光纤陀螺经过了30年的发展，已广泛地应用于航空、航天等多个领域。理论分析口J知，光纤陀螺对线振动是不敏感的⑵。但实际中受结构、材料、光纤缠绕方式、封装工艺以及光学器件等因素影响，线振动会给光纤陀螺引入非互易误差，从而增大其动态误差⑶。同时，由于光纤陀螺所应用的平台人多有重量和尺寸要求，设计者往往会在满足性能指标的前提下，尽量使光纤陀螺的重量和尺寸达到最小。光纤环是光纤陀螺的核心敏感元件，即使受到外界较小的应力干扰，所导致的陀螺误差很可能也相当

5、显著，因此光纤环骨架的合理设计对提高光纤陀螺的振动性能至关重要⑷。本文利用AXSYS有限元分析软件対光纤环骨架进行建模仿真，优化对象为某在研型号光纤陀螺。通过仿真，可以分析光纤环骨架的振动特性，进一步就可以摸索出其变化规律，最终可以达到提高光纤陀螺系统结构抗振性能和减轻质最、减小体积的目的。1振动理论及有限元分析1.1机械振动对光纤陀螺性能的影响分析干涉式光纤陀螺输入输出关系的基木表达式为：2兀LD皿=寸°式中：△玄为相干两束光之间的相位差；厶和〃分别为光纤长度和光纤环圈直径；久为光在真空中的波长；c为真空屮的光速；。为旋转角速度。可以看出，机械振动作用在光纤陀螺上时，光纤长度

6、/会发生变化，当这种由振动引起的应变沿线圈非对称分布时，就会产生一个非互易相位谋差这种相位误差在动态坏境中很难与由旋转角速度辽引起的相位潦相IX别，无法通过信号检测的方法消除，因此必须耍从提高光纤陀螺结构机械性能入手加以改善。我们知道，当物休受到与其固有频率相接近的激励作用时，就会发牛谐振。因此光纤陀螺振动特性研究的重点，就是明确光纤陀螺结构的固有频率，并通过优化设计使具远离外界机械振动频率。一般的，研究振动的途径是：先从具体的工程对象屮捉炼力学模型，然后建立数学模型，通常'是微分方程组和代数方程组，接下来进行求解。1.2固有频率求解的动力学原理⑸由经典力学理论可知物体的动力学

7、通用方程是:[M]{ii}+[C]{ii}+[K]M={F（r）}式中[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；{"}是位移矢量；{F}是力矢量。对于模态分析，假定为自由振动并忽略阻尼时，F（r）二0,动力学方程为：+[K]®}={0}当发生谐振动，即u=Usin（a）t）吋，方程为：（[K]一研[M]）@}={0}故通过解上述方程，就可以得到结构固有频率和振型。1.3有限元分析工程小除少数简单边值问题可以用解析法求出精确解外，一般都只能用数值法求解。随着电子计算机的飞速发展，有