一种非均匀壁厚杯形谐振子及杯形谐振陀螺仪

本发明属于杯形谐振陀螺仪领域，具体涉及一种非均匀壁厚杯形谐振子及杯形谐振陀螺仪。

背景技术：

1、杯形谐振陀螺仪是一种利用杯形谐振子结构唇沿的驻波进动来测量基座旋转的无转子式振动陀螺仪，其核心部件为杯形谐振子，与传统陀螺仪的振子相比，可以减少摩擦漂移，具有较高的测量精度和较低的功能损耗。此外，杯形谐振陀螺仪还具有结构简单、可靠性强、使用寿命长、抗辐射性强等优点，因而被广泛运用于飞行器稳定控制、航天器导航、石油勘探等众多领域。

2、杯形谐振子作为杯形谐振陀螺仪的核心部件，品质因数的高低将直接影响了杯形谐振陀螺仪的测量精度，若其采用金属材料，杯形谐振陀螺仪的结构强度高、加工成本低，尽管可获得抗过载能力强的杯形谐振子，但品质因数较低；若采用熔融石英材料，传统构形的杯形谐振陀螺仪结构强度较低、加工成本高，尽管可获得较高品质因数的杯形谐振子，但其抗过载能力不足。因此，获得具有高抗过载性能、高品质因数的杯形谐振子及杯形谐振陀螺仪是要解决的重要问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是获得品质因数高、抗载性能强的杯形谐振子，并提供一种非均匀壁厚杯形谐振子及杯形谐振陀螺仪设计方案，本发明对杯形谐振子的结构进行优化，能够避免其在高过载环境下发生结构失效的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

3、一种非均匀壁厚杯形谐振子，其特殊之处在于：

4、包括轴柄和谐振子壳体；

5、所述轴柄设置在谐振子壳体外部，其下端与谐振子壳体的壳体外壁中心连接；

6、所述谐振子壳体的壳体内壁的轮廓曲线为一个半球，壳体外壁的轮廓曲线为一个半球，使得谐振子壳体的厚度h(θ)从上到下不断减小。

7、进一步地，所述谐振子壳体的厚度h(θ)为，

8、

9、其中，θ为谐振子壳体上任意位置在极坐标下的转角，ak为非均匀壁厚杯形谐振子二阶弯曲频率相关的设计参数，n取值范围为3-5。

10、进一步地，所述轴柄的直径通常取d1为0.5r0-0.7r0，所述轴柄和谐振子壳体的壳体外壁通过半径为r1的圆角连接，r1＝0.1r0-0.4r0，其中r0为壳体内壁的半径。

11、进一步地，所述r0＝30mm。

12、同时，本发明还提供了一种非均匀壁厚谐振陀螺仪，其特殊之处在于：包括内部设置有真空腔的金属壳，设置在金属壳内的激励罩、基座、以及上述的非均匀壁厚杯形谐振子；

13、所述激励罩设置在基座上端，其内部构成第一腔体，所述非均匀壁厚杯形谐振子设置在第一腔体内。

14、进一步地，所述激励罩包括从上往下依次连接且相互连通的第一壳体和第二壳体，所述第一壳体中心设置有与轴柄相匹配的安装孔；

15、所述基座包括设置在第二壳体下端的基座托台，所述基座托台上设置有用于放置谐振子壳体的环形凹槽，环形凹槽内部的基座托台上设置有均匀分布的多个接线柱，所述接线柱外圈上设有读出电极，所述基座托台中心设置有贯通的气密导管，所述谐振子壳体与环形凹槽之间设置有间隙；

16、所述金属壳包括通过法兰盘相互连接，且同轴设置的第三壳体和第四壳体，第三壳体上设置有用于放置第一壳体的连接孔，所述第四壳体下端设置有与气密导管同轴的密封导管，所述密封导管用于与外部吸气嘴连接，在工作时，第三壳体可与第四壳体之间形成真空腔；

17、所述法兰盘上设有螺栓孔。

18、进一步地，所述第一壳体径向截面为圆环形；所述第二壳体直径大于第一壳体直径；所述第二壳体的壳体厚度从上到下不断减小，直径从上而下不断增加；所述第二壳体内壁上设有八个均匀分布的激励电极，所述激励电极与接线柱位置相匹配。

19、进一步地，所述第四壳体内底面设有圆环状凸台，用于放置基座；所述环形凹槽内部基座托台的高度大于环形凹槽外部基座托台高度。

20、进一步地，所述激励罩、非均匀壁厚杯形谐振子和基座采用熔融石英制成。

21、进一步地，所述第三壳体和第四壳体间设置有密封橡胶垫片。

22、本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

23、1、本发明提供的一种非均匀壁厚杯形谐振子，通过对非均匀壁厚杯形谐振子进行优化设计，使谐振子壳体内壁轮廓曲线为一个半球，谐振子壳体外壁轮廓曲线为回转曲面，使得谐振子壳体厚度从上到下不断减小，这样远离轴的部分结构的质量小，靠近轴的部分结构的质量多，当非均匀壁厚杯形谐振子承受过载时，该设计能保证谐振子壳体与轴柄的结构的应力较小。

24、2、本发明提供的一种非均匀壁厚杯形谐振子，在轴柄和谐振子壳体的壳体外壁通过半径为r1的圆角进行连接，进一步避免此处的应力集中问题。

25、3、本发明提供的一种杯形谐振陀螺仪，通过对第二壳体形状进行设计，实现第二壳体厚度从上到下不断减小，从而增大电容有效面积，控制非均匀壁厚杯形谐振子二阶弯曲频率，并增加相邻谐振频率与二阶谐振频率的频率差，能够克服现有均匀厚度杯形谐振陀螺仪抗过载性能不足的缺陷，并使杯形谐振陀螺仪能够抵抗过载载荷为3000g以上的冲击作用。

26、4、本发明提供的一种杯形谐振陀螺仪，其中激励罩、非均匀壁厚杯形谐振子和基座均采用熔融石英材料，同时具有相同的力学特征和较小的内摩擦，可以使非均匀壁厚杯形谐振子具有很高的品质因数，同时降低了由材料热失配引起的检测误差。

技术特征：

1.一种非均匀壁厚杯形谐振子，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的非均匀壁厚杯形谐振子，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的非均匀壁厚杯形谐振子，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的非均匀壁厚杯形谐振子，其特征在于：

5.一种杯形谐振陀螺仪，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的杯形谐振陀螺仪，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的杯形谐振陀螺仪，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的杯形谐振陀螺仪，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的杯形谐振陀螺仪，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的杯形谐振陀螺仪，其特征在于：

技术总结
本发明提出了一种非均匀壁厚杯形谐振子及杯形谐振陀螺仪，主要解决获得品质因数高、抗载性能强的杯形谐振子的技术问题。非均匀壁厚杯形谐振子包括轴柄和谐振子壳体；所述轴柄设置在谐振子壳体外部，且其一端与谐振子壳体的壳体外壁中心连接；所述谐振子壳体的壳体内壁为半球形结构，壳体外壁的外径逐渐减小，从而形成变曲率球面，使得谐振子壳体厚度逐渐减小，轴柄和谐振子壳体的壳体外壁通过半径为R<subgt;1</subgt;的圆角连接，进一步改善应力集中。本发明杯形谐振陀螺仪包括激励罩、基座、金属壳和非均匀壁厚杯形谐振子；所述激励罩、基座和非均匀壁厚杯形谐振子设置在金属壳内，激励罩设置在基座上端，非均匀壁厚杯形谐振子设置在激励罩内。

技术研发人员：裴永乐,徐亮,高立民,原晓斌,黄伟,李华,李晓辉,李凡珂,马广昊,赵小军,张璐,王楠,严豪宇,傅亚帅
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16