CN101968359A - 钟形振子式角速率陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有变厚度轴对称多曲面融合结构特征的钟形结构振子作为敏感元件的角速率陀螺。该角速率陀螺由振子、振子支撑结构、气密罩、筒型外框架和系统电路组成。振子采用石英材料并与Φ形支撑杆整体加工成型；支撑杆上下端分别固定在支撑罩的顶端和支撑底盘的中心位置；驱动电极和振型稳定电极贴在支撑罩上；检测电极安装于钟形振子内部空间；支撑结构的外部依次是气密罩和筒型外框架；系统电路位于气密罩底部和外框架之间。本发明适用于高动态环境下的中低精度角速率测量应用领域，钟形结构振子具有较高的品质因子和抗高过载能力，且具有断电保持能力、结构简单、适于批量生产等特点。

Description

钟形振子式角速率陀螺

技术领域

本发明涉及一种角速率陀螺，特别是涉及一种钟形振子角速率陀螺。

背景技术

陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导与控制系统的核心部件，其中振动陀螺代表一种重要的惯性技术，具有所有的惯性品质。基于哥氏力原理的振动陀螺在惯性技术领域的地位越来越重要，已被人们当作新一代的惯性仪表受到广泛的重视。在科学技术的发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。目前，振动陀螺主要有半球谐振、压电振动和微机械振动三种工作方式。

半球谐振陀螺利用其径向振动驻波的进动效应来实现角度和角速率的测量，具有测量精度高、温度特性稳定、启动时间短、时间常数大、抗干扰能力强和全旋转角记忆等特性，是较早在高精度角速率测量领域得到成功应用的振动陀螺。但是，半球谐振陀螺复杂的结构和对加工工艺的严格要求使得它并不适合大批量生产，无法满足中低精度、大批量角速率测量领域的应用要求。

压电振动陀螺采用压电元件作为激励元件或者采用压电元件读取哥氏力信号。压电振动陀螺由于具有可靠性高、性能稳定、线性度好、性价比高等优点，已在很多领域得到广泛的应用。但是，目前压电振动陀螺振子的品质因子普遍偏低，无法实现陀螺在恶劣工作环境下的断电自保持功能，且振子读出面的频率提取也影响了陀螺精度的进一步提高。

微机械振动陀螺已在中低精度角速率测量领域中得到广泛应用并具备大批量生产能力。其最突出的特点是采用了微电子技术来加工振动元件，具有重量轻、体积小、成本低、适合批量生产的特点。但是微机械振动陀螺对工作环境要求高、需要进行温度和漂移补偿，并且，如何提高振子的有效质量和角速率的检测精度是微机械振动陀螺性能指标进一步提升的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有陀螺的抗高过载能力差、品质因数低、无断电自保持能力、结构复杂、加工工艺要求严格等缺陷，提供了一种具有变厚度轴对称多曲面融合结构特征的钟形结构振子作为敏感元件的角速率陀螺，即：钟形振子式角速率陀螺。

为了解决上述技术问题，本发明的采用的技术方案是：

钟形振子式角速率陀螺，包括振子、振子上支撑杆、振子下支撑杆、开口小槽、支撑罩、支撑底盘、驱动电极、振幅检测电极、振型稳定电极、切向位移检测电极，驱动电极安装块、振幅检测电极安装块、振型稳定电极安装块、切向位移检测电极安装块、气密罩、气密底盘、筒型外框架和系统电路；振子与振子上支撑杆和振子下支撑杆整体加工成型；开口小槽位于振子的下边缘；上支撑杆顶端与支撑罩的顶端中心限位圆孔固定；下支撑杆低端与支撑底盘的中心限位圆孔固定；支撑罩边缘与支撑底盘上凹部圆周吻合；支撑底盘安装在气密底盘上方；气密罩将支撑罩盖住并与气密底盘紧密连接；由气密罩和气密底盘形成的密封结构通过气密底盘与筒型外框架安装在一起；驱动电极、振幅检测电极和振型稳定电极引出的线路分别通过支撑底盘的密封孔和气密底盘的密封孔引到位于密封底盘下方的控制板上；陀螺内部线路通过加工在筒型外框架侧面的电气接口与外部连接。

所述的开口小槽为8个；且8个开口小槽在振子下端边缘一周对称分布。

所述的驱动电极安装块和振型稳定电极安装块安装在支撑罩的内侧，振幅检测电极安装块和切向位移检测电极安装块固定在振子内部的支撑底盘上；驱动电极、振幅检测电极、振型检测电极和切向位移检测电极位于振子同一横切面上，上述所有电极与振子金属化的表面形成电极对。

所述的振子的边缘外沿加工超出振子的厚度，振子的边缘外沿与振子通过倒角过渡。

所述的驱动电极包括第一驱动电极、第二驱动电极，振幅检测电极包括第一振幅检测电极、第二振幅检测电极，振型稳定电极包括第一振型稳定电极、第二振型稳定电极，切向位移检测电极包括第一切向位移检测电极、第二切向位移检测电极；驱动电极安装块有2块，第一驱动电极安装块、第二驱动电极安装块，第一驱动电极安装在第一驱动电极安装块上、第二驱动电极安装在第二驱动电极安装块上；振幅检测电极安装块有2块，第一振幅检测电极安装块、第二振幅检测电极安装块，第一振幅检测电极安装在第一振幅检测电极安装块上、第二振幅检测电极安装在第二振幅检测电极安装块上；切向位移检测电极安装块有2块，第一切向位移检测电极安装块、第二切向位移检测电极安装块，第一切向位移检测电极安装在第一切向位移检测电极安装块上、第二切向位移检测电极安装在第二切向位移检测电极安装块上；振型稳定电极安装块有2块，第一振型稳定电极安装块、第二振型稳定电极安装块，第一振型稳定电极安装在第一振型稳定电极安装块上、第二振型稳定电极安装在第二振型稳定电极安装块上。

第一驱动电极、第二驱动电极、第一振型稳定电极、第二振型稳定电极位于振子的外圆周，第一驱动电极和第二驱动电极间隔角度为180°，第一振型稳定电极和第二振型稳定电极间隔角度为180°；第一振幅检测电极、第二振幅检测电极、第一切向位移检测电极、第二切向位移检测电极位于振子的内圆周，第一振幅检测电极和第二振幅检测电极间隔角度为180°，第一切向位移检测电极和第二切向位移检测电极间隔角度为180°。

2个驱动电极、2个振型稳定电极、2个振幅检测电极、2个切向位移检测电极在振子周向均匀分布，相邻两电极间隔角度为45°。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)本发明将振子设计为具有变厚度轴对称多曲面融合结构特征的钟形结构，该结构易于振动且振动稳定。钟形结构振子的两振动模态品质因子高、结构强度好，和其他类型振子相比，其灵敏度高、抗过载能力强。振子材料石英具有极好的标度因数稳定性和轴对准度，易于大批量生产，同时也为钟形振子式角速率陀螺的高过载能力和断电保持能力特性提供了前提保障。

2)在振子下端外边缘设有开口小槽，经有限元仿真分析振子开槽后克服了由振子唇缘质量不均匀产生的误差，使振子在各个方向获得等幅震荡，以实现振子动平衡的调整，从而有利于提高钟形振子式角速率陀螺的精度。

3)振子与上支撑杆和下支撑杆整体加工成型；振子边缘外沿加工超出振子的厚度，外沿与振子通过倒角过渡，避免直角结构的应力集中。

4)振子的外壳加工成筒型，筒型外框架的一阶固有频率高于振子的工作频率，从而避免振子工作时与外框架发生耦合振动。

5)检测量选择了由哥氏力引起的振子质点位移，避免了半球谐振陀螺由测量振子与振型相对转角对振型进动性的要求，简化了检测电路。

附图说明

图1为本发明钟形振子式角速率陀螺结构示意图；

图2为钟形振子下边缘挖出开口小槽仰视图

图3本发明钟形振子式角速率陀螺俯视图；

图4为本发明电极排列示意图；

图5为本发明沿图3中A-A轴的剖视图；

图6为本发明沿图3中B-B轴的剖视图；

图7为本发明沿图3中C-C轴的剖视图；

图8为本发明沿图3中D-D轴的剖视图；

图9为本发明的钟形振子式角速率陀螺电路系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明利用钟形振子在驱动电极作用下处于稳定的四波腹谐振状态，哥氏力使振子环向扭转变形，通过检测电极检测振子形变位移。因振子形变位移与哥氏力呈线性关系，检测出振子形变位移便可以解算出外界输入角速率的大小。

本发明的工作原理：

振子质点在X轴向(径向)工作于谐振状态：

x(t)＝x₀sin(ω₁t)    (1)

式中：χ₀——振子径向振动的最大位移；

ω₁——振动的基波频率。

当整个结构在Z轴方向受到一个角速率载荷Ω时，振子质点将在y轴向(环向)产生哥氏力：

F_c＝-2mx₀Ω₀ω₁cos(Ω_zt)cos(ω₁t)    (2)

其中：m——质点的质量；

Ω₀——输入旋转角速率幅值；

Ω_z——输入角频率。

在F_C的作用下，y轴方向的质点运动规律可由以下微分方程表示：

$T^2\stackrel{\·\·}{y}\left(t\right)+2\mathrm{\ζT}\stackrel{\·}{y}\left(t\right)+y\left(t\right)=\frac{F_c\left(t\right)}{m}---\left(3\right)$

其中：T——系统的运动时间；

ζ——系统阻尼系数。

联合(2)式、(3)式求得y轴方向的位移y(t)，

y(t)∝Ω    (4)

若保持振子工作在谐振状态并维持振子振型稳定：

Δs∝y(t)      (5)

ΔC＝εΔs/d   (6)

上式中，Δs是电容极板有效面积，ε是介电常数，d是极板间距。由式(5)、(6)可得：

ΔC∝Ω    (7)

式中，∝是正比符号。因此，得到振子检测电容变化ΔC便可以解算出输入角速率Ω。

如图1所示，本发明的钟形振子式角速率陀螺包括振子1、振子上支撑杆2、振子下支撑杆3、开口小槽24、支撑罩4、支撑底盘5、驱动电极、振幅检测电极、振型稳定电极、切向位移检测电极，驱动电极安装块、振幅检测电极安装块、振型稳定电极安装块、切向位移检测电极安装块、气密罩12、气密底盘13、筒型外框架14和系统电路15。

图2为钟形振子下边缘挖出开口小槽仰视图，研究表明，对于n≥2的环向波数，只要在每个环向半径内挖出2个以上的开口小槽就可以确保开口小槽不会使振子1的振型受到影响，故对于环向波数为2的振型，至少应该开出8个开口小槽；本发明中开口小槽的数目为8，其中，弧度为φ₁的部分是挖出的小槽、弧度为φ₂的部分是剩下的部分、φ为开口小槽的深度(相对于球心的角度)，则φ₁+φ₂＝π/4，定义γ＝φ₁/φ₂＝4，φ＝2°，用有限元法对其进行结构分析，首先建立带有开口小槽的钟形陀螺振子的有限元模型，然后对其前7阶进行模态分析，得出振子1环向波数为2时，振子1前7阶的谐振频率如下表1所示，环向波数n＝2阶振型的谐振频率远离相邻振型的谐振频率，因此具有良好的振动特性，谐振子可以正常工作的同时，采用挖开口小槽的方法可以调节钟形谐振子的动平衡，从而有利于提高钟形振子式角速率陀螺的测量精度。

表1

阶数	1	2	3	4	5	6	7
								频率/HZ	1016	1017	3644	3861	6822	6823	18139

如图3、4、5、6、7、8所示，其中，驱动电极包括第一驱动电极6-1、第二驱动电极6-2，振幅检测电极包括第一振幅检测电极7-1、第二振幅检测电极7-2，振型稳定电极包括第一振型稳定电极8-1、第二振型稳定电极8-2，切向位移检测电极包括第一切向位移检测电极22-1、第二切向位移检测电极22-2。驱动电极安装块有2块，第一驱动电极安装块9-1、第二驱动电极安装块9-2，第一驱动电极6-1安装在第一驱动电极安装块9-1上、第二驱动电极6-2安装在第二驱动电极安装块9-2上；振幅检测电极安装块有2块，第一振幅检测电极7-1安装在第一振幅检测电极安装块10-1上、第二振幅检测电极7-2安装在第二振幅检测电极安装块10-2上；切向位移检测电极安装块有2块，第一切向位移检测电极22-1安装在第一切向位移检测电极安装块23-1上、第二切向位移检测电极22-2安装在第二切向位移检测电极安装块23-2上；振型稳定电极安装块有2块，第一振型稳定电极8-1安装在第一振型稳定电极安装块11-1上、第二振型稳定电极8-2安装在第二振型稳定电极安装块11-2上。

振子1与振子上支撑杆2和振子下支撑杆3整体加工成型；上支撑杆2顶端与支撑罩4的顶端中心限位圆孔固定；下支撑杆3低端与支撑底盘5的中心限位圆孔固定；支撑罩4边缘与支撑底盘5上凹部圆周吻合。

驱动电极安装块和振型稳定电极安装块安装在支撑罩内侧，振幅检测电极安装块和切向位移检测电极安装块固定在位于振子内部的支撑底盘5上；驱动电极、振幅检测电极、振型稳定电极和切向位移检测电极位于振子1同一横切面上；上述所有电极与振子1金属化的表面形成电极对；支撑底盘5安装在气密底盘13上方；气密罩12将支撑罩4盖住并与气密底盘13紧密连接；由气密罩12和气密底盘13形成的密封结构通过气密底盘13与外框架14安装在一起；驱动电极、振幅检测电极和振型稳定电极引出的线路分别通过支撑底盘的密封孔16和气密底盘的密封孔17引到位于密封底盘下方的控制板18上；陀螺内部线路通过加工在外框架侧面的电气接口19与外部连接。振子1边缘外沿20加工超出振子的厚度，目的是通过调节边缘外沿的厚度调整振子质量、刚度和不同模态的固有频率，外沿与振子通过倒角21过渡，根据实际需要，经有限元分析确定倒角半径。本发明倒角的半径取值范围为0.1mm～0.5mm，倒角21的设计可以避免直角结构的应力集中。

图4为陀螺振子的驱动与检测点所在横切面示意图，第一驱动电极6-1、第二驱动电极6-2、第一振型稳定电极8-1、第二振型稳定电极8-2位于振子1的外圆周，第一驱动电极6-1和第二驱动电极6-2间隔角度为180°，第一振型稳定电极8-1和第二振型稳定电极8-2间隔角度为180°；第一振幅检测电极7-1、第二振幅检测电极7-2、第一切向位移检测电极22-1、第二切向位移检测电极22-2位于振子的内圆周，第一振幅检测电极7-1和第二振幅检测电极7-2间隔角度为180°，第一切向位移检测电极22-1和第二切向位移检测电极22-2间隔角度为180°。2个驱动电极、2个振型稳定电极、2个振幅检测电极、2个切向位移检测电极在振子1周向均匀分布，电极间隔角度为45°。

气密罩12和气密底盘13形成的密封结构通过气密底盘13与筒型外框架14安装在一起，用有限元模态分析对筒型外框架进行计算得出其前7阶固有频率如表2所示，可以看出筒型外框架的一阶固有频率高于钟形振子的工作频率，从而避免了钟形振子工作时与筒型外框架发生耦合振动。

表2

阶数	1	2	3	4	5	6	7
								频率/HZ	2152	4475	7952	8572	12925	13125	18540

图9为本发明的钟形振子式角速率陀螺电路系统框图，该电路系统包括：振型稳定单元、电极驱动单元、驱动控制单元、差分电容检测器和信息检测单元。陀螺在驱动控制单元的驱动下，开始振动，经过振型稳定单元、驱动控制单元使钟形振子振型稳定。差分电容检测器对钟形振子式角速率陀螺振子的检测电极和反馈电极进行充放电，将检测到的差分电容信号转化成相应的误差电压信号输出到高精度放大器，经过解调后，由处理器解算出输入角速率。钟形振子式角速率陀螺在工作过程中将采用静电激励和电容检测的方式。激励和检测电极对都是由钟形振子上贴的电极与基座电极构成，电极材料是带绝缘衬底的金电极。

工作时，振子1在驱动控制单元的作用下沿振子1的径向作四波腹简谐振动；振幅检测电极检测振子1的径向振动幅度，并将振子1波腹点的振动情况反馈给驱动控制单元，再由驱动控制单元实时改变驱动电极的电压，从而实现振子径向的振动的振幅稳定；振幅检测电极还将检测出振子1的振动频率，将振子的实际工作频率反馈给振幅稳定单元，从而确保振子1在其固有频率下稳定振动，驱动频率的控制由驱动控制单元完成。当有角速率Ω沿着振子轴向输入时，由于哥氏效应的存在，振子1的边缘将沿着其切向产生位移，根据本发明工作原理可知，切向的位移与输入角速率成一定关系。切向位移检测电极用来检测振子1边缘的切向位移，从而提取出外界输入角速率。振型稳定电极配合驱动电极维持振子工作在稳定的谐振状态。在本发明中，互成180°角度的切向位移检测电极共同检测振子1边缘的切向位移。

总之，本发明将振子结构设计成钟形，其独特的设计，适用于高动态环境下的中低精度角速率测量应用领域，钟形结构振子具有较高的品质因子和抗高过载能力，且具有断电保持能力、结构简单、更适于批量生产等特点。在振子1驱动振动稳定的前提下，振子1上振动波节点采用高精度电容提取振子质点在哥氏力作用下的位移，最后解算出输入角速率，从而实对现输入角速率的测量。

Claims (7)

1.钟形振子式角速率陀螺，其特征在于：包括振子(1)、振子上支撑杆(2)、振子下支撑杆(3)、开口小槽(24)、支撑罩(4)、支撑底盘(5)、驱动电极、振幅检测电极、振型稳定电极、切向位移检测电极，驱动电极安装块、振幅检测电极安装块、振型稳定电极安装块、切向位移检测电极安装块、气密罩(12)、气密底盘(13)、筒型外框架(14)和系统电路(15)；开口小槽位于振子(1)的下边缘；振子(1)与振子上支撑杆(2)和振子下支撑杆(3)整体加工成型；上支撑杆(2)的顶端与支撑罩(4)的顶端中心限位圆孔固定；下支撑杆(3)低端与支撑底盘(5)的中心限位圆孔固定；支撑罩(4)的边缘与支撑底盘(5)上凹部圆周吻合且固定；支撑底盘(5)安装在气密底盘(13)上方；气密罩(12)将支撑罩(4)盖住并与气密底盘(13)紧密连接；由气密罩(12)和气密底盘(13)形成的密封结构通过气密底盘(13)与外框架(14)安装在一起；驱动电极、振幅检测电极和振型稳定电极引出的线路分别通过支撑底盘的密封孔(16)和气密底盘的密封孔(17)引到位于密封底盘下方的控制板(18)上；陀螺内部线路通过加工在外框架侧面的电气接口(19)与外部连接。

2.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于：所述的开口小槽为8个，且8个开口小槽在振子下端边缘一周对称分布。

3.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于：所述的驱动电极安装块和振型稳定电极安装块安装在支撑罩的内侧，所述的振幅检测电极安装块和切向位移检测电极安装块固定在振子内部的支撑底盘(5)上；所述的驱动电极、振幅检测电极、振型检测电极和切向位移检测电极位于振子(1)同一横切面上，所有电极与振子(1)金属化的表面形成电极对。

4.根据权利要求1或2所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于：所述的振子(1)的边缘外沿(20)加工超出振子的厚度，振子的边缘外沿与振子通过倒角(21)过渡。

5.根据权利要求1或2所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于：所述的驱动电极包括第一驱动电极(6-1)、第二驱动电极(6-2)，所述的振幅检测电极包括第一振幅检测电极(7-1)、第二振幅检测电极(7-2)，所述的振型稳定电极包括第一振型稳定电极(8-1)、第二振型稳定电极(8-2)，所述的切向位移检测电极包括第一切向位移检测电极(22-1)、第二切向位移检测电极(22-2)；所述的驱动电极安装块有2块，第一驱动电极安装块(9-1)、第二驱动电极安装块(9-2)，第一驱动电极(6-1)安装在第一驱动电极安装块(9-1)上、第二驱动电极(6-2)安装在第二驱动电极安装块(9-2)上；所述的振幅检测电极安装块有2块，第一振幅检测电极安装块(10-1)、第二振幅检测电极安装块(10-2)，第一振幅检测电极(7-1)安装在第一振幅检测电极安装块(10-1)上、第二振幅检测电极(7-2)安装在第二振幅检测电极安装块(10-2)上；所述的切向位移检测电极安装块有2块，第一切向位移检测电极安装块(23-1)、第二切向位移检测电极安装块(23-2)，第一切向位移检测电极(22-1)安装在第一切向位移检测电极安装块(23-1)上、第二切向位移检测电极(22-2)安装在第二切向位移检测电极安装块(23-2)上；所述的振型稳定电极安装块有2块，第一振型稳定电极安装块(11-1)、第二振型稳定电极安装块(11-2)，第一振型稳定电极(8-1)安装在第一振型稳定电极安装块(11-1)上、第二振型稳定电极(8-2)安装在第二振型稳定电极安装块(11-2)上。

6.根据权利要求5所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于：所述的第一驱动电极(6-1)、第二驱动电极(6-2)、第一振型稳定电极(8-1)、第二振型稳定电极(8-2)位于振子(1)的外圆周，第一驱动电极(6-1)和第二驱动电极(6-2)间隔角度为180°，第一振型稳定电极(8-1)和第二振型稳定电极(8-2)间隔角度为180°；第一振幅检测电极(7-1)、第二振幅检测电极(7-2)、第一切向位移检测电极(22-1)、第二切向位移检测电极(22-2)位于振子(1)的内圆周，第一振幅检测电极(7-1)和第二振幅检测电极(7-2)间隔角度为180°，第一切向位移检测电极(22-1)和第二切向位移检测电极(22-2)间隔角度为180°。

7.根据权利要求5所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于：所述的2个驱动电极、2个振型稳定电极、2个振幅检测电极、2个切向位移检测电极在振子周向均匀分布，相邻两电极间隔角度为45°。

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