CN102968540B - 一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法，该方法包括：（1）建立压电振动陀螺的有限元模型，并根据实际情况配置各部分材料、结构等参数；（2）应用模态分析得出谐振子的固有频率和相关振型，并在此基础上向压电电极施加正弦激励电压进行谐响应分析；（3）通过步骤（2）的分析结果推导出激励电极各参数对谐振子的影响规律；（4）综合多方面考虑，选取最优设计参数。本发明采用有限元仿真分析方法，克服了经验试凑法的缺点，提高了激励电极设计效率及准确性，降低了研发成本，加快了研发进度，同时为压电振动陀螺激励电极的合理设计提供了依据。
Description
技术领域
本发明属于压电振动陀螺技术领域，具体涉及一种压电振动陀螺激励电极的设计方法。
背景技术
压电振动陀螺利用激励电极在轴对称谐振壳体中激发产生的纵向驻波在基体绕中心轴旋转时产生的哥氏效应而使振型相对壳体进动，来敏感角运动的测量。与其他类型的陀螺相比，这种陀螺具有体积小、精度高、能耗小、寿命长、机械部件结构简单、断电时稳定性好、工作温度范围大、性能稳定、耐恶劣环境、成本低等突出优点，是一种具有广阔应用前景的哥氏振动陀螺。
激励电极通常由PZT压电陶瓷材料制成，可以作为压电振动陀螺的驱动与检测换能器，其材料属性、结构尺寸、被覆位置等因素都会影响谐振子的振动特性，以及陀螺的最终性能，因而需要对其进行合理设计。目前，压电振动陀螺激励电极的设计主要依赖经验试凑法，即通过实际的物理操作对多种材料、结构不同的PZT进行电极试验，这种方法必然延长了研发周期、增加了开发成本，同时造成了不必要的浪费。
发明内容
本发明的目的是为了克服经验试凑法设计压电振动陀螺激励电极的研发成本高、开发周期长等缺点，提出了一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法。该方法主要通过有限元仿真的方法进行电极设计，避免了实际工程设计时的多种复杂过程，因而具有操作灵活简便，参数分析全面，结果准确可靠等优点，缩短了激励电极设计周期，降低了研发成本，同时有效增大了谐振子的振幅，提高了陀螺的灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1，建立压电振动陀螺的有限元模型，并根据实际情况配置谐振子、粘结胶、压电激励电极各部分的材料属性、结构尺寸等参数；
步骤2，应用有限元模态分析方法计算出谐振子的固有频率和相关振型，并在此基础上通过向压电电极施加特定频率的正弦激励电压进行谐响应分析，求解谐振子的稳态响应；
步骤3，按照步骤2的分析方法，通过修改激励电极的多种不同参数得出多组结果，分析并总结出激励电极各个参数对谐振子振动特性的影响规律。重点分析不同结构尺寸的压电电极对谐振子谐振频率、频率裂解、输出增益及等效应力的影响；
步骤4，根据上述分析得出的激励电极各参数对谐振子振动特性的影响规律，同时综合考虑一些其它方面的因素，以使谐振子产生最大振幅为主要目的（此时激励电极的输出增益最大，最终研制的陀螺灵敏度也最好），选取激励电极最优设计参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法采用CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）结构分析，以及结构—电场耦合分析，取代了传统的经验试凑法，提高了验证分析的能力和准确性，为压电振动陀螺激励电极的合理设计提供了科学依据；
（2）本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法利用有限元模态分析以及谐响应分析方法，计算出了不同参数的激励电极对谐振子谐振频率、频率裂解、输出增益、等效应力等方面的影响，得出有效分析数据，对激励电极设计进行定量分析，确保最终优化结果准确可靠；
（3）本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法通过CAE结构分析、结构—电场耦合分析，得到了指导激励电极设计的有效分析数据，从而方便设计人员总结设计规律，丰富实践经验，并归纳形成设计的规范和标准；
（4）本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法通过有限元方法得到了激励电极不同参数的影响特性，从而简化了其设计方案，提高了电极制作的成功率，节约了产品材料，缩短了设计周期。
附图说明
图1为一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法流程图；
图2为实施例中一种圆杯形压电振动陀螺谐振子的结构示意图；
图3为实施例中一种圆杯形压电振动陀螺谐振子的有限元模型；
图4为实施例中一种圆杯形压电振动陀螺谐振子四波腹振型图；
图5为向激励电极施加电压激励谐振子振动的仿真示意图；
图6为PZT长度对谐振子振幅和等效应力的影响；
图7为PZT宽度对谐振子振幅和等效应力的影响；
图8为PZT厚度对谐振子振幅和等效应力的影响；
其中，1、安装孔，2、压电电极，3、导振体，4、谐振环。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
压电振动陀螺的工作原理是利用处于谐振状态下的轴对称谐振壳体中受激励产生的纵向驻波在基体绕中心轴旋转时产生的哥氏效应而使振型相对壳体进动，来敏感角运动的测量。由此可见压电振动陀螺的工作前提是使谐振子起振，并稳定于环向波数n=2的理想振型。为此我们必须准确控制激励电极上所施加的正弦电压的激振频率，而这一频率正是该振型下的振子固有频率。另外，在分析激励电极的材料属性、结构尺寸、被覆位置等因素对谐振子振动特性及陀螺最终性能的影响时，主要考虑在该频率正弦电压的激励下不同参数的激励电极导致振子振幅、等效应力等方面的变化。因此，我们主要通过有限元方法中的模态分析和谐响应分析对激励电极进行优化设计。
本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，建立压电振动陀螺谐振子的有限元模型；
本实施例选取圆杯形压电振动陀螺，其谐振子具有轴对称变厚度的结构特点，因其外形类似圆杯而得名。谐振子的结构示意图如图2所示，主要由谐振环4、导振体3、压电电极2、安装孔1组成。其中，谐振环4指圆杯杯口处圆柱壳体较厚部分，主要用于产生陀螺效应；导振体3包括杯体较薄部分和杯底圆形薄板，用于支撑谐振环4，以及传递压电电极2与谐振环4之间的振动驻波；八片压电电极2依次均匀环列于杯底圆面内，按功能可分为激励电极和检测电极两类，分别用于激励和检测谐振子的振动；整个结构通过底部安装孔1固定在基座上。
根据实际情况分别配置谐振子和粘结胶的密度、弹性模量、泊松比等材料参数。压电激励电极选用薄长条形PZT-5A压电陶瓷材料，分别配置其密度、刚度矩阵[C]、应力矩阵[e]、相对介电常数矩阵ε/ε0等材料属性，以及长、宽、高等结构尺寸。参数设置完成后建立谐振子结构模型并划分网格，得到的有限元模型如图3所示；
步骤2，计算机辅助工程设计及有限元分析过程；
首先，对谐振子整体进行振动特性分析，应用有限元结构分析方法对谐振子进行模态分析，计算出它的固有频率和相关振型，并提取环向波数为2的模态，模态振型图如图4所示；然后选取该四波腹振型对应的固有频率作为激励电极上施加的正弦激励电压频率，在两片相对位置粘贴的压电片上施加5v的正弦电压载荷，通过谐响应分析方法中的完全法求解激励电极在此频率范围附近对振子产生的振幅和应力情况，示意图如图5所示。通过上述分析可以得到同一参数下谐振子振幅和应力随频率的响应变化曲线。从这些曲线上可以得到“峰值”响应。
步骤3，总结激励电极各个参数对谐振子振动特性的影响规律；
重复步骤（2）的分析过程，通过修改激励电极的不同材料属性、结构参数或被覆位置可以得出多组计算结果。对比不同参数时的峰值响应（即谐振频率处响应），分析并总结出激励电极各个参数对谐振子振动特性的影响规律，为下一步电极参数优选提供可靠依据。
本实施例重点分析不同结构尺寸的激励电极对谐振子谐振频率、频率裂解、输出增益及等效应力的影响。由于激励电极需粘贴于谐振子底部，故其尺寸大小受谐振子底部可容纳的有效范围所约束（8.2×2.2mm以内），在该约束条件下进行上述分析过程，可得出不同结构参数的压电激励电极对谐振子振动特性的影响规律为：
（1）压电激励电极尺寸的变化幅度相对于圆杯形振子的整体尺寸很小，因此对谐振子谐振频率、频率裂解的影响很小；
（2）压电片长度对其产生伸缩力的影响不是单一的，在宽度、厚度、材料等因素一定的条件下，其长度与谐振频率、纵波波数等因素共同构成影响因子，而长度的变化又会引起谐振频率与纵波波数的变化，因而，PZT长度对谐振子振动特性的影响比较复杂，不同条件下的结论会存在差异；
在本发明所述实施例条件下，PZT在3mm~8mm范围内时，长度越长产生的作用力越大，振子的振幅也越大，从而陀螺灵敏度越高；
（3）压电片宽度与其产生的作用力成正比；
在本发明所述实施例条件下，PZT宽度在0.5mm~2mm范围内时，宽度越大，其产生的作用力也越大。
（4）PZT厚度存在一最佳值（约为基体厚度的1/2），使其产生的有效弯矩最大，从而使谐振子振幅最大。太薄的压电电极产生的能量很小，太厚的压电电极会限制复合结构的弯曲从而使有效弯矩降低。
在本发明所述实施例条件下，PZT厚度在0.1mm~0.5mm范围内时，厚度为0.3mm的PZT产生的作用力最大（基体即圆杯形谐振子底部厚度为0.7mm）。
图6~图8分别为激励电极不同长、宽、厚参数下的数据分析处理曲线图，形象的反映了上述影响规律。
步骤4，选取激励电极最优设计参数；
根据步骤3得到的激励电极各参数对谐振子振动特性的影响规律，为保证谐振子获得高品质的振动特性，并在工作模态下振幅最大，同时综合考虑其他一些其它方面因素，可选取优化结构参数为8×2×0.3mm的PZT作为激励电极。
综上所述，本发明提供的优化方法降低了设计成本，节约了产品材料，缩短了设计周期，提高了产品研制的成功率，得到了优化设计的有效分析数据。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，建立压电振动陀螺的有限元模型，并根据实际情况配置谐振子、粘结胶、压电激励电极各部分的材料属性、结构尺寸等参数；所述压电激励电极各部分的材料属性包括：密度、刚度矩阵c、应力矩阵e、相对介电常数矩阵；
步骤2，应用有限元模态分析方法计算出谐振子的固有频率和相关振型，通过向压电电极施加特定频率的正弦激励电压进行谐响应分析，通过谐响应分析方法中的完全法求解激励电极在频率范围附近对振子产生的振幅和应力情况，从而求解谐振子稳态响应；
步骤3，应用步骤2的分析方法，修改激励电极的不同参数得出多组结果，获得激励电极各参数对谐振子振动特性的影响规律，分析不同结构尺寸的压电电极对谐振子谐振频率、频率裂解、输出增益及等效应力的影响；所述影响规律为：
（1）压电激励电极尺寸的变化相对于圆杯形振子的整体尺寸较小时，对谐振子谐振频率的影响很小；
（2）压电材料采用薄长条形PZT压电陶瓷制成，PZT越长产生的作用力越大，振子的振幅也越大，陀螺灵敏度越高；
（3）PZT宽度与其产生的作用力大小成正比；
（4）PZT的最佳厚度优选基体厚度的1/2，此时产生的有效弯矩最大，振子振幅最大；
步骤4，根据激励电极各参数对谐振子振动特性的影响规律，选取最优设计参数。
2.根据权利要求1所述的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法，其特征在于：所述方法适用于压电振动陀螺，其驱动电极与检测电极都由压电材料制作而成。
3.根据权利要求1所述的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法，其特征在于：所述步骤2中的谐响应分析为结构—电耦合分析，通过向压电电极施加电压求解谐振子的输出增益及应力。
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