慣性測量裝置敏感元件組合減振改進設計研究

羅小秋

【摘?要】通過對某型動力調諧陀螺慣性測量裝置試驗數據進行分析，得到了該型慣性測量裝置在振動試驗過程中存在較大的附加角速度信號，對載體控制回路存在一定的影響。針對此現象，對慣性測量裝置中角速度測量元件的減振方案進行了說明，并通過試驗確定了附加角速度的產生是由于慣性測量裝置內部動力調諧陀螺的減振系統所致。提出了改進敏感元件組合減振設計來抑制慣性測量裝置減振系統中附加角速度的產生，并通過試驗的方法驗證了其可行性，達到了很好的效果。

【關鍵詞】慣性測量裝置;減振設計;敏感元件組合

1?概述

慣性測量裝置在其載體振動試驗過程中，由于載體自振和其它動力設備工作會造成載體發生一定頻率的振動，如果振動頻率信號與載體其它設備有用信號的頻率接近時，將導致頻率信號互相混合，干擾載體其它設備正常工作，從而對彈上控制系統帶來影響，后果嚴重時還會導致載體失控任務失敗。因此，敏感設備在載體工作過程中，一定要對固定頻率的信號進行有效抑制，使其能量遠遠小于系統所需信號的能量，保證載體其它設備輸出信號不受干擾，提高系統控制的穩定性。

慣性測量裝置采用減振設計是為了保護敏感元件在良好力學環境條件下工作，近而到達較高的測量精度和工作可靠性。然而，在減振系統中，由于敏感元件系統和慣性測量裝置殼體采用了彈性連接減振方式，致使敏感元件系統在由彈體有振動輸入的情況下，產生附加角速度，影響慣性測量裝置角速度的測量精度，通過控制解算后，輸出虛假的控制信號，造成控制系統失穩。

2?附加角速度產生機理

2.1?試驗數據分析

慣性測量裝置在參與載體振動試驗過程中，其輸出的角速度信號在不同時間段疊加了不同頻率信號，如圖1所示，圖中只取了試驗過程中的30秒的數據進行分析。

將以上數據進行頻譜分析，可知在角速度信號中主要混雜有44Hz、48Hz和91Hz頻率的信號，角速度通道最大峰值達到9（°）/s。在該時段內，載體在空間各種環境應力的綜合作用下，致使慣性測量裝置中的敏感元件系統在彈性力和慣性力作用下，出現了40Hz以上的振動信號，而慣性測量裝置角速度通道對該振動信號敏感并放大，在角速度通道輸出信號中疊加了虛假的角速度信號，該虛假的角速度信號經控制回路形成的虛假的舵控制指令，控制舵面偏轉，造成控制系統出現短時振蕩，從而影響載體控制回路的穩定性。

2.2?減振系統設計方案介紹

該型慣性測量裝置的設計方案采用動力調諧陀螺作為角速度測量元件，石英撓性加速度計作為線運動測量元件，由于動力調諧陀螺抗力學環境性能較差，因此對陀螺儀采用了減振設計技術，使陀螺儀能經受較強的力學環境條件。慣性測量裝置與導彈直接固聯，內部對陀螺儀和加速度計安裝在專用的敏感元件支架中，構成敏感元件系統，最后通過8對專用的阻尼墊實現與慣性測量裝置殼體的彈性連接，達到局減振的目的，減振系統方式如圖2所示，在設計過程中使減振系統的剛度中心與質量中心重合，抑制敏感元件系統在動態環境下產生較大的角位移和角振動，致使彈體振動沖擊時高頻部分的絕大部分能量在減振環節中被阻尼吸收、消耗掉。

2.3?附加角速度產生過程

2.3.1?產生原理分析

由于慣性測量裝置與導彈采用直接固聯的安裝方式，因此，當載體有較強的振動信號輸入時，振動能量通過彈體直接傳遞至慣性測量裝置結構本體，慣性測量裝置通過內部減振系統吸收了大部分振動能量，保證了陀螺儀正常穩定工作。

由于減振系統是通過上下支撐板（如圖2中所示）與慣性測量裝置殼體進行彈性連接，因此，彈性連接的中間部分敏感元件系統，可近似為單自由度振動系統，當該系統有周期性干擾外力作用時，自身也會產生與周期外力同頻率的強迫振動，由于敏感元件系統與支撐板的彈性連接方式，敏感元件系統所敏感到的強迫振動會在慣性測量裝置的三個方向上形成周期性的撓性擺動，該擺動過程中所生的運動即為減振系統中的附加角速度，其產生原理如圖3所示。當周期性干擾外力去除后，敏感元件系統恢復力仍維持振動，所以，該附加角速度也會相應的維持一段時間。

敏感元件系統中的陀螺儀是角速度測量元件，具備角運動測量功能，因此，附加角速度所引起的撓性擺動肯定會被陀螺儀所敏感，輸出固定頻率的角速度信號。該角速度信號由于是敏感元件系統撓性擺動而產生的，并不是載體真實的角運動體現，所以，該角速度信號為虛假信息，當陀螺儀所敏感到的該虛假角速度信息達到一定的數值后，在控制解算后，就必然導致輸出錯誤的控制指令，造成載體偏離控制。

2.3.2?試驗情況

通過上述分析可知，慣性測量裝置減振系統中存在一定的撓性擺動，致使陀螺儀敏感到角速度信息，這種情況還可以通過振動試驗進一步驗證，將該型號慣性測量裝置安裝在振動臺上，分別對慣性測量裝置X、Y和Z軸進行定頻正弦振動試驗，振動過載幅值為3g，頻率點分別為44Hz、48Hz和91Hz，慣性測量裝置角速度通道帶寬為85Hz，其角速度通道所測得的附加角速度值詳細情況見表1。

通過表1的數據可以看出，在沿慣性測量裝置Y軸輸入91Hz正弦振動試驗過程中，X軸輸出的附加角速度為9（°/s），這與載體試驗過程中所出現的現象相符。

3?抑制附加角速度的方法

3.1?改進減振設計

3.1.1?改進方案

從慣性測量裝置的減振原理分析，在系統使用力學振動環境不惡劣的情況下，可以適當降低減振強度，提高減振系統與慣性測量裝置本體結構連接處的軸向和徑向剛度，對減振系統采用局部改進的方式實現。

針對減振系統的改進措施，在慣性測量裝置系統中進行了大量的振動試驗，采用了多種減振系統的改進措施，經過對試驗數據分析論證，確定了如圖4所示的改進措施，即在減振系統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量裝置之間的連接具備一定的鋼度，阻止敏感元件系統由于外部振動引起的撓性擺動。

3.1.2?試驗驗證

根據上述分析結果，對減振系統進行了圖4所示的改進措施，重新進行定頻正弦振動試驗，試驗方法與2.3.2相同，試驗結果詳見表2。

從表2數據分析可知，與改進前相比，在同樣的正弦振動條件輸入的情況下，在減振系統引起的附加角速度最大為1.08（°/s），遠小于未改進前9（°/s）的附加角速度，有效地抑制了減振系統中附加角速度的產生。

4?結論

慣性測量裝置敏感元件組合改進減振設計技術經過試驗驗證，有效抑制減振系統中虛假的附加角速度的產生，既保證了敏感元件系統的減振效果，又未使慣性測量精度受到損失，有效解決了前期減振振系統設計的不足。

參考文獻：

[1] 王心清.結構設計.北京：宇航出版社.1994年12月.

（作者單位：貴州航天控制技術有限公司）