一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺及其驅動和檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺及其驅動和檢測方法，該陀螺包括諧振環1、支撐彈簧2、錨點3及壓電電極4；所述壓電電極4固連在近錨點端的支撐彈簧2側壁上，用于激勵和檢測諧振環的變形。整個結構簡單，檢測方法操作方便，與現有的采用上表面安置壓電電極的環形振動陀螺相比，采用側壁壓電驅動的環形振動陀螺具有驅動位移大、檢測靈敏度高、能耗低、體積小、抗沖擊等特性。
【專利說明】—種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺及其驅動和檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺及其驅動和檢測方法。
【背景技術】
[0002]環形振動陀螺是利用諧振環中彈性波的慣性效應實現角速動測量。環形振動陀螺具有固體波動陀螺特有的精度高、能耗低、準備時間短、工作溫度范圍大、抗電離輻射能力強、抗沖擊振動性能好、使用壽命長等優點，發展和應用前景極為廣闊。
[0003]環形振動陀螺的工作原理為:通過某種驅動方式(電磁驅動、靜電驅動或者壓電驅動等方式)，以特定的頻率激勵出諧振環如圖1所示的第一模態(即驅動模態)，由圖1可見，諧振環的第一模態為環向波數為2的駐波，其中波腹點處的振幅最大，波節點處的振幅為零，波腹點連線構成固有剛性軸系；當有軸向角速度輸入時，諧振環在哥氏力的作用下產生如圖2所示的另一固有剛性軸系的第二模態(即檢測模態)，諧振環第二模態的振動通過某種檢測方式(電磁檢測、電容檢測或者壓電檢測等方式)獲得敏感電信號，該敏感電信號與輸入角速度成正比，經過濾波及放大等處理即可得到輸入角速度。
[0004]在環形振動陀螺的設計與制造過程中，驅動與檢測方式的設計具有至關重要的作用，其直接影響了陀螺的靈敏度及精度。現有的環形振動陀螺多采用兩種驅動檢測方式:一種是靜電驅動電容檢測的方式，例如專利US 5616864，US 6282958 BI, US 7958781 BI中描述的；另一種是電磁驅動磁電檢測的方式，例如專利US 5932804，US 7188524 B2, EP0859219 BI中描述的。靜電驅動電容檢測環形振動陀螺的驅動力強度和檢測靈敏度取決于電極與環體小的電容間隙以及大的電容面積，對于平面結構的環結構來說，不能做到較大電容面積，因此只能將電容間隙設計的很小，但是小的電容間隙則限制了諧振環的振動幅值，而且增加了制造難度；而電磁驅動磁電檢測原理的環形振動陀螺采用電磁感應原理進行激勵和檢測，具有容易被外界電磁場干擾的不足。靜電驅動、電磁驅動與壓電驅動方式的特性對比如表I所示。由表I可知壓電驅動方式與靜電驅動方式相比具有驅動力大的優勢，與電磁驅動方式相比具有驅動效率高，響應快和不受外界干擾的優點。
[0005]表I靜電驅動、電磁驅動與壓電驅動的對比
[0006]
驅動方式力/面積(N/cm2) 效率響應時間抗干擾性靜電100高數十微秒強電磁100中數百微秒弱壓電14高數十微秒*
[0007]壓電驅動方式主要有兩種，一種是伸縮驅動，另一種是彎曲驅動。伸縮驅動利用壓電材料在逆壓電效應下的伸縮變形，來產生位移或振動；這種驅動模式的特點是驅動力大，位移較小，工作電壓高。現有技術中常見的壓電驅動環形振動陀螺均利用壓電材料的伸縮驅動方式，例如專利US 8601872 B2,WO 2009/119205 A1,CN 102980565 A中描述的。然而，現有技術中的壓電驅動環形振動陀螺仍然無法滿足更高驅動效率和靈敏度要求的需要。
【發明內容】
[0008]為了克服環形振動陀螺驅動效率以及檢測靈敏度方面的不足，本發明提供了一種更高驅動效率以及檢測靈敏度的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺及其驅動和檢測方法。
[0009]一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，包括諧振環1、支撐彈簧2、錨點3及壓電電極4 ;
[0010]所述錨點3設置于所述諧振環I的圓心；
[0011]所述錨點是用于固定支撐彈簧的固定部件；
[0012]所述支撐彈簧均勻分布在所述諧振環的內部，且每根支撐彈簧的一端固定在所述諧振環的內壁，另一端與錨點相連；
[0013]所述支撐彈簧用于支撐諧振環，同時便于諧振環的變形；
[0014]所述壓電電極4固連在近錨點端的支撐彈簧2側壁上，用于激勵和檢測諧振環的變形。
[0015]所述支撐彈簧2包括相連的錨點直線段和曲線段，所述錨點直線段的一端與錨點相連，所述曲線段的一端與諧振環相連，所述支撐彈簧的兩端與所述諧振環圓心相連形成的圓心角角度范圍45° -90°。
[0016]所述支撐彈簧還包括徑向直線段，所述徑向直線段的一端與諧振環相連，另一端與所述曲線段相連。
[0017]支撐彈簧采用徑向直線段、曲線段及錨點直線段三段式結構，能夠更好的產生諧振環的形變；
[0018]所述支撐彈簧的兩端與所述諧振環圓心相連形成的圓心角角度為90°。
[0019]90°時，產生的形變效果最好；
[0020]所述支撐彈簧至少包括8根。
[0021]所述支撐彈簧的數量為16根。
[0022]采用16個電極可以進行頻率裂解的補償，因此16根電極的設計較8根電極的設計陀螺潛在精度更高。
[0023]一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺的驅動方法，采用所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，在支撐彈簧直線段的側壁上的壓電電極施加驅動電壓，逆壓電效應使得所述壓電電極帶動所述支撐彈簧做撓曲變形，激勵出所述諧振環的驅動模態。
[0024]一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺的檢測方法，采用所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，對所述環形振動陀螺輸入角速度，所述諧振環的檢測模態被激勵出，所述壓電電極在支撐彈簧直線段的彎曲過程中會伸長或縮短，由壓電效應在所述壓電電極的上下電極之間產生電信號，檢測該電信號的大小獲得所述支撐彈簧的撓曲變形量。
[0025]彎曲驅動是一般采用壓電膜或壓電片與彈性梁粘連的復合梁結構，如圖3所示，逆壓電效應使得壓電電極做伸縮變形，這相當于對彈性梁上表面施加切向力，由于該切向力與彈性梁的中性面不重合，由力的平移定理可以將該切向力等效為一個等效彎矩和一個與彈性梁中性面重合的等效力，由于復合梁結構的彎曲剛度較小，該等效彎矩使復合梁結構產生較大的彎曲變形，而復合梁結構的拉壓剛度遠大于其彎曲剛度，使得等效力產生的復合梁結構的伸縮變形相對于其彎曲變形可以忽略不計；彎曲驅動模式下，驅動位移大，驅動力相對較小，工作電壓低。
[0026]有益效果
[0027]與現有技術相比，本發明的優點在于:通過將壓電電極設置在支撐彈簧的側壁，巧妙的利用壓電驅動的彎曲驅動方式，與采用電磁驅動檢測方式和靜電驅動電容檢測方式的環形振動陀螺相比，該環形振動陀螺中的諧振環所采用的側壁壓電驅動檢測方式具有抗干擾能力強、驅動效率高以及檢測靈敏度高的優點；與現有的采用上表面安置壓電電極的環形振動陀螺相比，采用側壁壓電驅動的環形振動陀螺具有驅動位移大、檢測靈敏度高、能耗低、體積小、抗沖擊等特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為現有技術中環形振動陀螺諧振環的第一模態(驅動模態)示意圖；
[0029]圖2為現有技術中環形振動陀螺諧振環的第二模態(即檢測模態)示意圖；
[0030]圖3為壓電彎曲驅動示意圖；
[0031]圖4為本發明的環形振動陀螺結構俯視圖；
[0032]圖5為本發明的環形振動陀螺結構等軸測圖；
[0033]圖6為對本發明的環形振動陀螺進行有限元分析得到的驅動模態與檢測模態，其中圖(a)為驅動模態，圖(b)為檢測模態。
[0034]標號說明:1-諧振環，2-支撐彈簧,3-錨點,4-壓電電極,5-上金屬電極,6-壓電層，7-下金屬電極，8-彈性梁。
【具體實施方式】
[0035]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0036]如圖4和圖5所示，一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，包括諧振環1、支撐彈簧2、錨點3及壓電電極4;
[0037]所述錨點3設置于所述諧振環I的圓心；所述錨點是用于固定支撐彈簧的固定部件；
[0038]所述支撐彈簧均勻分布在所述諧振環的內部，且每根支撐彈簧的一端固定在所述諧振環的內壁，另一端與錨點相連；
[0039]所述支撐彈簧用于支撐諧振環，同時便于諧振環的變形；
[0040]所述壓電電極4固連在近錨點端的支撐彈簧2側壁上，用于激勵和檢測諧振環的變形。
[0041]所述支撐彈簧2包括相連的錨點直線段和曲線段，所述錨點直線段的一端與錨點相連，所述曲線段的一端與諧振環相連，所述支撐彈簧的兩端與所述諧振環圓心相連形成的圓心角角度范圍45° -90°。
[0042]所述支撐彈簧還包括徑向直線段，所述徑向直線段的一端與諧振環相連，另一端與所述曲線段相連。
[0043]支撐彈簧采用徑向直線段、曲線段及錨點直線段三段式結構，能夠更好的產生諧振環的形變；
[0044]所述支撐彈簧的兩端與所述諧振環圓心相連形成的圓心角角度為90°，90°時，產生的形變效果最好；
[0045]所述支撐彈簧的數量為16根。
[0046]諧振環通過16根曲折的支撐彈簧與錨點連接，16根支撐彈簧呈中心對稱輻射狀分布，壓電電極安置在支撐彈簧的側壁，壓電電極既用來激勵諧振子在第一模態下工作，又用來檢測諧振子因角速度產生的第二模態，通過有限元手段可以直觀觀測到所述新型固體波動諧振子的模態，結果如圖6所示。
[0047]一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺的驅動方法，采用所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，在支撐彈簧直線段的側壁上的壓電電極施加驅動電壓，逆壓電效應使得所述壓電電極帶動所述支撐彈簧做撓曲變形，激勵出所述諧振環的驅動模態。
[0048]一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺的檢測方法，采用所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，對所述環形振動陀螺輸入角速度，所述諧振環的檢測模態被激勵出，所述壓電電極在支撐彈簧直線段的彎曲過程中會伸長或縮短，由壓電效應在所述壓電電極的上下電極之間產生電信號，檢測該電信號的大小獲得所述支撐彈簧的撓曲變形量。
[0049]壓電電極帶動支撐彈簧做撓曲變形的原理是:逆壓電效應使得壓電電極做伸縮變形，這相當于對支撐彈簧的梁施加切向力，由于該切向力與支撐彈簧梁結構的中性面不重合，由力的平移定理可以將該切向力等效為一個彎矩和一個與梁結構中性面重合的力。由于支撐彈簧與壓電電極的復合梁結構的拉壓剛度遠大于其彎曲剛度，使得復合梁結構產生的撓曲變形遠大于其伸縮變形。
[0050]壓電電極檢測支撐彈簧撓曲變形的原理是:支撐彈簧與壓電電極的復合梁結構彎曲變形時，壓電電極偏離復合梁結構的中性面，因此壓電電極在復合梁的彎曲過程中會伸長或縮短，由壓電效應會在壓電電極的上下電極之間產生電信號，該電信號與支撐彈簧的撓曲變形量成正比。
[0051]上述基于側壁壓電驅動檢測的環形振動陀螺的工作原理為:給驅動軸系對應的兩對支撐彈簧上的驅動壓電電極施加交流電壓，壓電電極由逆壓電效應帶動支撐彈簧做撓曲振動，振動由支撐彈簧傳遞到諧振環，如果驅動交流電壓的頻率與諧振子結構固有頻率相等，則激勵出諧振環的驅動模態；當有軸向角速度輸入時，諧振環在哥氏力的作用下激勵出檢測模態，諧振環檢測模態的振動通過支撐彈簧傳遞到敏感軸系對應的檢測壓電電極，由壓電效應產生的敏感電信號經過電路和軟件處理即可得到輸入角速度。
[0052]理論上來說，采用8個電極就能夠完成驅動與檢測的功能，但是由于制造誤差與材料不均等原因，導致諧振環的驅動模態與檢測模態的諧振頻率存在一定的差別，通常將這個頻差稱為頻率裂解。較大的頻率裂解將導致諧振子Q值的降低，影響陀螺的精度。通過改善工藝可以縮小頻率裂解，但是并不能完全消除。
[0053]本實施例中采用16個電極的冗余設計，將多余的電極用于頻率裂解的補償，該設計能夠進一步提聞陀螺的精度。
[0054]諧振環可以使用多種材料、采用不同的工藝來制造，例如可以使用高Q值金屬材料通過精密機械加工或者精密特種加工方法制造出來，也可以采用MEMS技術在制造出該結構，還可以采用其他的工藝將其他高Q值材料制造出該結構。
[0055]諧振環的尺寸也因制造工藝的不同而不同，例如采用精密機械加工或者精密特種加工金屬材料的方式的話，結構尺寸設置的大一些，以減小相對誤差，此時諧振環的直徑介于15mm?40mm之間較為合適；如果采用MEMS技術制造的話,結構尺寸設置的小一些，此時諧振環的直徑將小于15mm。
【權利要求】
1.一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，其特征在于，包括諧振環(I)、支撐彈簧(2)、錨點(3)及壓電電極⑷； 所述錨點(3)設置于所述諧振環(I)的圓心； 所述支撐彈簧均勻分布在所述諧振環的內部，且每根支撐彈簧的一端固定在所述諧振環的內壁，另一端與錨點相連； 所述壓電電極(4)固連在近錨點端的支撐彈簧(2)側壁上，用于激勵和檢測諧振環的變形。
2.根據權利要求1所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，其特征在于，所述支撐彈簧(2)包括相連的錨點直線段和曲線段，所述錨點直線段的一端與錨點相連，所述曲線段的一端與諧振環相連，所述支撐彈簧的兩端與所述諧振環圓心相連形成的圓心角角度范圍 45。-90。。
3.根據權利要求2所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，其特征在于，所述支撐彈簧還包括徑向直線段，所述徑向直線段的一端與諧振環相連，另一端與所述曲線段相連。
4.根據權利要求2或3所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，其特征在于，所述支撐彈簧的兩端與所述諧振環圓心相連形成的圓心角角度為90°。
5.根據權利要求4所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，其特征在于，所述支撐彈簧至少包括8根。
6.根據權利要求5所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，其特征在于，所述支撐彈簧的數量為16根。
7.一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺的驅動方法，其特征在于，采用權利要求1-6任一項所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，在支撐彈簧直線段的側壁上的壓電電極施加驅動電壓，逆壓電效應使得所述壓電電極帶動所述支撐彈簧做撓曲變形，激勵出所述諧振環的驅動模態。
8.一種基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺的檢測方法，其特征在于，采用權利要求1-6任一項所述的基于側壁壓電驅動的環形振動陀螺，對所述環形振動陀螺輸入角速度，所述諧振環的檢測模態被激勵出，所述壓電電極在支撐彈簧直線段的彎曲過程中會伸長或縮短，由壓電效應在所述壓電電極的上下電極之間產生電信號，檢測該電信號的大小獲得所述支撐彈簧的撓曲變形量。
【文檔編號】G01C19/5677GK104165624SQ201410359182
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】吳宇列, 吳學忠, 周鑫, 崔紅娟, 吳小梅, 席翔, 張勇猛 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學