光纤陀螺结构谐振分析研究

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)structural vibration analysis and research in the fogcai ming, sun chao, xiao song, liu xiao-ming, zhu zhong-gan(school of mi echat ronics engineering, university of electronic science and technology of china,cheng du 611731, china)摘要：针对光纤陀螺在振

2、动环境中可能因机 械振动产生非互易相位差的问题，采用计算机有限 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: according to the appearance of the fiber optical gyroscope (fog)'s nonreciprocal phase error in the environment of mechanical vibrat

3、ion, the characteristic of vibration of the fog was analyzed using the finite element method. and we brought forward the methods to improve on the framework design of fog the improved design achieved favorable effect in the vibration performance and precision with less mass.key words: fiber optical

4、gyroscope; characteristic of vibration; finite element; framework design 0引言光纤陀螺(fog)是-种基于sagnac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。 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。 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。同时，由于 光纤陀螺所应用的平台人多

5、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。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

6、=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/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

7、。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由经典力学理论可知物体的动力学通用方程是: mii+cii+km = 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

8、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，有限元方法成为目前最常用也是 故冇效的数值求解方法。这种方法的主要思路是将 求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组 成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解, 然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡 条件），从而得到问题的解。木文使用的冇限元分析 软件是 ansys 12. 1。2光纤环骨架ansys有限元分析结构进行合理的简化，如取消过渡小圆角、线路板 安装孔、小凹槽等。这样既可以保证计算精度，又 可以捉高计算速度。简化后的模型如图1所示。图1光纤环骨架初始模型将简化示的模型导入ansys进行有限

9、元仿真。首 先对模型划分网格，本模型采用的是自动划分法（如 图2）。图2初始模型网格划分然后对模型进行模态分析。首先设定结构材料属 性为硬铝合金，下来将4个安装孔设置为固定连接。 经过计算得到光纤环骨架的前4阶固有频率，如表1 所示。表1初始模型前4阶固有频率阶数12固有频率38793930.93938.74649.9(hz)本文采用pro/e建立光纤环骨架模型，并对模型图3为第一阶振型云图。 a»4u (abffs) 7»« aliffpr»<aa««y 2s*t mruut m2®33011*31 14 i)35

10、00图3初始模型第一阶振型云图从前4阶固有频率可以看出：骨架结构的固有频 率均较高，并h冇些频率值极为接近，这是由于该 模型基本属于轴对称结构，会出现振型和频率相同 但相位不同的情况。在谐响应分析中，对光纤环骨架施加一个径向力 载荷，进行05000hz谐响应分析。图4是骨架表面 的谐响应illi线。frequency response图4初始模型谐响应分析由于木文中光纤陀螺的拟使用平台是喷气式飞 机，根据国军标gjb150. 16军用设备环境试验方法 振动试验中喷气式飞机的冇关规定，光纤陀螺须 能承受152000hz频率范围内的机械振动，因此莫 固冇频率不应在这个范围内。从图4中对骨架的谐 响

11、应分析可以看出，该光纤环骨架结构件的共振频 率为3879iizo虽然能够满足喷气式飞机的振动测试 要求，但山于使用环境的复杂性，各种高频振动也 可能随机出现。在复杂环境下，3879hz的共振频率 显然还不是很好，需要对该结构进行优化设计。3光纤陀螺结构件的改进通过对陀螺模型模态分析可以看出，应变较集小 的位置是在陀螺环顶端以及底座各边的中间点处。 为了改善陀螺结构件的振动特性，针对薄弱环节重 新设计了光纤环骨架结构。在满足内容积足够放下 电路板组件的情况下，适当减小光纤环直径和高度, 增加底座与骨架壁厚。将改进后的光纤环骨架模型 （如图5）导入ansys进行有限元仿真，新模型网格 划分如图6所

12、示。图5改进后的光纤环骨架模型图6新模型网格划分应用上节的方法，对新模型做模态分析和谐响应 分析，得到新模型的询4阶固有频率，如表2所示。频率表2新模型固有频率阶数1234固有6622.68396.88403.68740.4(hz)在模态分析屮发现，改进后的光纤坏骨架共振频 率都有了较大幅度提鬲，最低阶频率也已超过了 600011zo图7为第一阶振型云图。图7新模型第一阶振型云图在谐响应分析中，同样对新模型施加一个径向力 载荷，进行05000hz谐响应分析。图8是骨架表面 的谐响应曲线。图9光纤环组件(a)(b)图10实验设备图8新模型谐响应分析(a)0vp一 £°恪

13、74;x s由新模型谐响应曲线可以看岀，改进后的光纤坏 骨架在05000hz的频率范围内振幅平滑增加，已不 存在谐振点，体现了优异的抗振能力。4试验和结论按照改进前相同的试验条件和方法，对改进后的 骨架制作的光纤传感坏圈(图9)进行振动性能检测。 此次试验的力学环境为202000hz，图10是振动实 验所用的设备，其结果如图11所示。从图屮可以看 (i'm改进后的骨架很好地消除了环圈结构谐振对陀 螺性能的影响，振动过程屮的振幅及陀螺零偏均在 正常范围内。用。图11随机振动试验结果木文通过对光纤陀螺光纤环骨架结构进行ansys 有限元模态分析，初步分析了机械振动对光纤陀螺 性能的影响，提

14、出了光纤陀螺结构设计的改进方法。 改进示的光纤环骨架，不仅提高了抗振性能，还减 小了整体的尺寸重量。改进后体积减小了 43%,质量 减轻了 8%,初步达到了小型化、轻量化的目的。为 了进一步满足光纤陀螺小型化的使用需求，今后的 研究重点必将是用绕如何提高电了元器件以及光学 器件的集成化水平等问题展开。以上对光纤陀螺结构件的ansys仿其结果受多 方而因素影响，如有限元模型的仿真程度、边界条 件的设置等。但是，分析结果一般来说能够反应真 实情况，可以作为陀螺结构设计的重要参考加以应参考文献：1 张桂才.光纤陀螺原理与技术m.北京：国防工业出版 社,2008.2 lefevreh. the fiber optic gyroscopes m. norwood: artech house, 1993.3 liu shu-rong, wu yan-ji, xu lei. relationship between vibration error tmd structural resonance in closed loop fogj infrared and laserenirieerir）r 20084 song ning-fang, zhang chun-xi, li li-jing, et al. analysis of vi