CN104165624B - 一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法 - Google Patents

一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法，该陀螺包括谐振环1、支撑弹簧2、锚点3及压电电极4；所述压电电极4固连在近锚点端的支撑弹簧2侧壁上，用于激励和检测谐振环的变形。整个结构简单，检测方法操作方便，与现有的采用上表面安置压电电极的环形振动陀螺相比，采用侧壁压电驱动的环形振动陀螺具有驱动位移大、检测灵敏度高、能耗低、体积小、抗冲击等特性。

Description

一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法。
背景技术
环形振动陀螺是利用谐振环中弹性波的惯性效应实现角速动测量。环形振动陀螺具有固体波动陀螺特有的精度高、能耗低、准备时间短、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、抗冲击振动性能好、使用寿命长等优点，发展和应用前景极为广阔。
环形振动陀螺的工作原理为：通过某种驱动方式(电磁驱动、静电驱动或者压电驱动等方式)，以特定的频率激励出谐振环如图1所示的第一模态(即驱动模态)，由图1可见，谐振环的第一模态为环向波数为2的驻波，其中波腹点处的振幅最大，波节点处的振幅为零，波腹点连线构成固有刚性轴系；当有轴向角速度输入时，谐振环在哥氏力的作用下产生如图2所示的另一固有刚性轴系的第二模态(即检测模态)，谐振环第二模态的振动通过某种检测方式(电磁检测、电容检测或者压电检测等方式)获得敏感电信号，该敏感电信号与输入角速度成正比，经过滤波及放大等处理即可得到输入角速度。
在环形振动陀螺的设计与制造过程中，驱动与检测方式的设计具有至关重要的作用，其直接影响了陀螺的灵敏度及精度。现有的环形振动陀螺多采用两种驱动检测方式：一种是静电驱动电容检测的方式，例如专利US 5616864，US 6282958 B1，US 7958781 B1中描述的；另一种是电磁驱动磁电检测的方式，例如专利US 5932804，US 7188524 B2，EP 0859219 B1中描述的。静电驱动电容检测环形振动陀螺的驱动力强度和检测灵敏度取决于电极与环体小的电容间隙以及大的电容面积，对于平面结构的环结构来说，不能做到较大电容面积，因此只能将电容间隙设计的很小，但是小的电容间隙则限制了谐振环的振动幅值，而且增加了制造难度；而电磁驱动磁电检测原理的环形振动陀螺采用电磁感应原理进行激励和检测，具有容易被外界电磁场干扰的不足。静电驱动、电磁驱动与压电驱动方式的特性对比如表1所示。由表1可知压电驱动方式与静电驱动方式相比具有驱动力大的优势，与电磁驱动方式相比具有驱动效率高，响应快和不受外界干扰的优点。
表1静电驱动、电磁驱动与压电驱动的对比
压电驱动方式主要有两种，一种是伸缩驱动，另一种是弯曲驱动。伸缩驱动利用压电材料在逆压电效应下的伸缩变形，来产生位移或振动；这种驱动模式的特点是驱动力大，位移较小，工作电压高。现有技术中常见的压电驱动环形振动陀螺均利用压电材料的伸缩驱动方式，例如专利US 8601872 B2，WO 2009/119205 A1，CN 102980565 A中描述的。然而，现有技术中的压电驱动环形振动陀螺仍然无法满足更高驱动效率和灵敏度要求的需要。
发明内容
为了克服环形振动陀螺驱动效率以及检测灵敏度方面的不足，本发明提供了一种更高驱动效率以及检测灵敏度的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法。
一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，包括谐振环1、支撑弹簧2、锚点3及压电电极4；
所述锚点3设置于所述谐振环1的圆心；
所述锚点是用于固定支撑弹簧的固定部件；
所述支撑弹簧均匀分布在所述谐振环的内部，且每根支撑弹簧的一端固定在所述谐振环的内壁，另一端与锚点相连；
所述支撑弹簧用于支撑谐振环，同时便于谐振环的变形；
所述压电电极4固连在近锚点端的支撑弹簧2侧壁上，用于激励和检测谐振环的变形。
所述支撑弹簧2包括相连的锚点直线段和曲线段，所述锚点直线段的一端与锚点相连，所述曲线段的一端与谐振环相连，所述支撑弹簧的两端与所述谐振环圆心相连形成的圆心角角度范围45°-90°。
所述支撑弹簧还包括径向直线段，所述径向直线段的一端与谐振环相连，另一端与所述曲线段相连。
支撑弹簧采用径向直线段、曲线段及锚点直线段三段式结构，能够更好的产生谐振环的形变；
所述支撑弹簧的两端与所述谐振环圆心相连形成的圆心角角度为90°。
90°时，产生的形变效果最好；
所述支撑弹簧至少包括8根。
所述支撑弹簧的数量为16根。
采用16个电极可以进行频率裂解的补偿，因此16根电极的设计较8根电极的设计陀螺潜在精度更高。
一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺的驱动方法，采用所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，在支撑弹簧直线段的侧壁上的压电电极施加驱动电压，逆压电效应使得所述压电电极带动所述支撑弹簧做挠曲变形，激励出所述谐振环的驱动模态。
一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺的检测方法，采用所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，对所述环形振动陀螺输入角速度，所述谐振环的检测模态被激励出，所述压电电极在支撑弹簧直线段的弯曲过程中会伸长或缩短，由压电效应在所述压电电极的上下电极之间产生电信号，检测该电信号的大小获得所述支撑弹簧的挠曲变形量。
弯曲驱动是一般采用压电膜或压电片与弹性梁粘连的复合梁结构，如图3所示，逆压电效应使得压电电极做伸缩变形，这相当于对弹性梁上表面施加切向力，由于该切向力与弹性梁的中性面不重合，由力的平移定理可以将该切向力等效为一个等效弯矩和一个与弹性梁中性面重合的等效力，由于复合梁结构的弯曲刚度较小，该等效弯矩使复合梁结构产生较大的弯曲变形，而复合梁结构的拉压刚度远大于其弯曲刚度，使得等效力产生的复合梁结构的伸缩变形相对于其弯曲变形可以忽略不计；弯曲驱动模式下，驱动位移大，驱动力相对较小，工作电压低。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将压电电极设置在支撑弹簧的侧壁，巧妙的利用压电驱动的弯曲驱动方式，与采用电磁驱动检测方式和静电驱动电容检测方式的环形振动陀螺相比，该环形振动陀螺中的谐振环所采用的侧壁压电驱动检测方式具有抗干扰能力强、驱动效率高以及检测灵敏度高的优点；与现有的采用上表面安置压电电极的环形振动陀螺相比，采用侧壁压电驱动的环形振动陀螺具有驱动位移大、检测灵敏度高、能耗低、体积小、抗冲击等特性。
附图说明
图1为现有技术中环形振动陀螺谐振环的第一模态(驱动模态)示意图；
图2为现有技术中环形振动陀螺谐振环的第二模态(即检测模态)示意图；
图3为压电弯曲驱动示意图；
图4为本发明的环形振动陀螺结构俯视图；
图5为本发明的环形振动陀螺结构等轴测图；
图6为对本发明的环形振动陀螺进行有限元分析得到的驱动模态与检测模态，其中图(a)为驱动模态，图(b)为检测模态。
标号说明：1-谐振环，2-支撑弹簧，3-锚点，4-压电电极，5-上金属电极，6-压电层，7-下金属电极，8-弹性梁。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图4和图5所示，一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，包括谐振环1、支撑弹簧2、锚点3及压电电极4；
所述锚点3设置于所述谐振环1的圆心；所述锚点是用于固定支撑弹簧的固定部件；
所述支撑弹簧均匀分布在所述谐振环的内部，且每根支撑弹簧的一端固定在所述谐振环的内壁，另一端与锚点相连；
所述支撑弹簧用于支撑谐振环，同时便于谐振环的变形；
所述压电电极4固连在近锚点端的支撑弹簧2侧壁上，用于激励和检测谐振环的变形。
所述支撑弹簧2包括相连的锚点直线段和曲线段，所述锚点直线段的一端与锚点相连，所述曲线段的一端与谐振环相连，所述支撑弹簧的两端与所述谐振环圆心相连形成的圆心角角度范围45°-90°。
所述支撑弹簧还包括径向直线段，所述径向直线段的一端与谐振环相连，另一端与所述曲线段相连。
支撑弹簧采用径向直线段、曲线段及锚点直线段三段式结构，能够更好的产生谐振环的形变；
所述支撑弹簧的两端与所述谐振环圆心相连形成的圆心角角度为90°，90°时，产生的形变效果最好；
所述支撑弹簧的数量为16根。
谐振环通过16根曲折的支撑弹簧与锚点连接，16根支撑弹簧呈中心对称辐射状分布，压电电极安置在支撑弹簧的侧壁，压电电极既用来激励谐振子在第一模态下工作，又用来检测谐振子因角速度产生的第二模态，通过有限元手段可以直观观测到所述新型固体波动谐振子的模态，结果如图6所示。
一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺的驱动方法，采用所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，在支撑弹簧直线段的侧壁上的压电电极施加驱动电压，逆压电效应使得所述压电电极带动所述支撑弹簧做挠曲变形，激励出所述谐振环的驱动模态。
一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺的检测方法，采用所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，对所述环形振动陀螺输入角速度，所述谐振环的检测模态被激励出，所述压电电极在支撑弹簧直线段的弯曲过程中会伸长或缩短，由压电效应在所述压电电极的上下电极之间产生电信号，检测该电信号的大小获得所述支撑弹簧的挠曲变形量。
压电电极带动支撑弹簧做挠曲变形的原理是：逆压电效应使得压电电极做伸缩变形，这相当于对支撑弹簧的梁施加切向力，由于该切向力与支撑弹簧梁结构的中性面不重合，由力的平移定理可以将该切向力等效为一个弯矩和一个与梁结构中性面重合的力。由于支撑弹簧与压电电极的复合梁结构的拉压刚度远大于其弯曲刚度，使得复合梁结构产生的挠曲变形远大于其伸缩变形。
压电电极检测支撑弹簧挠曲变形的原理是：支撑弹簧与压电电极的复合梁结构弯曲变形时，压电电极偏离复合梁结构的中性面，因此压电电极在复合梁的弯曲过程中会伸长或缩短，由压电效应会在压电电极的上下电极之间产生电信号，该电信号与支撑弹簧的挠曲变形量成正比。
上述基于侧壁压电驱动检测的环形振动陀螺的工作原理为：给驱动轴系对应的两对支撑弹簧上的驱动压电电极施加交流电压，压电电极由逆压电效应带动支撑弹簧做挠曲振动，振动由支撑弹簧传递到谐振环，如果驱动交流电压的频率与谐振子结构固有频率相等，则激励出谐振环的驱动模态；当有轴向角速度输入时，谐振环在哥氏力的作用下激励出检测模态，谐振环检测模态的振动通过支撑弹簧传递到敏感轴系对应的检测压电电极，由压电效应产生的敏感电信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。
理论上来说，采用8个电极就能够完成驱动与检测的功能，但是由于制造误差与材料不均等原因，导致谐振环的驱动模态与检测模态的谐振频率存在一定的差别，通常将这个频差称为频率裂解。较大的频率裂解将导致谐振子Q值的降低，影响陀螺的精度。通过改善工艺可以缩小频率裂解，但是并不能完全消除。
本实施例中采用16个电极的冗余设计，将多余的电极用于频率裂解的补偿，该设计能够进一步提高陀螺的精度。
谐振环可以使用多种材料、采用不同的工艺来制造，例如可以使用高Q值金属材料通过精密机械加工或者精密特种加工方法制造出来，也可以采用MEMS技术在制造出该结构，还可以采用其他的工艺将其他高Q值材料制造出该结构。
谐振环的尺寸也因制造工艺的不同而不同，例如采用精密机械加工或者精密特种加工金属材料的方式的话，结构尺寸设置的大一些，以减小相对误差，此时谐振环的直径介于15mm～40mm之间较为合适；如果采用MEMS技术制造的话，结构尺寸设置的小一些，此时谐振环的直径将小于15mm。

Claims (7)

1.一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，其特征在于，包括谐振环(1)、支撑弹簧(2)、锚点(3)及压电电极(4)；
所述锚点(3)设置于所述谐振环(1)的圆心；
所述支撑弹簧均匀分布在所述谐振环的内部，且每根支撑弹簧的一端固定在所述谐振环的内壁，另一端与锚点相连；
所述压电电极(4)固连在近锚点端的支撑弹簧(2)侧壁上，用于激励和检测谐振环的变形；
所述支撑弹簧(2)包括相连的锚点直线段和曲线段，所述锚点直线段的一端与锚点相连，所述曲线段的一端与谐振环相连，所述支撑弹簧的两端与所述谐振环圆心相连形成的圆心角角度范围45°-90°。
2.根据权利要求1所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，其特征在于，所述支撑弹簧还包括径向直线段，所述径向直线段的一端与谐振环相连，另一端与所述曲线段相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，其特征在于，所述支撑弹簧的两端与所述谐振环圆心相连形成的圆心角角度为90°。
4.根据权利要求3所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，其特征在于，所述支撑弹簧至少包括8根。
5.根据权利要求4所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，其特征在于，所述支撑弹簧的数量为16根。
6.一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺的驱动方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，在支撑弹簧锚点直线段的侧壁上的压电电极施加驱动电压，逆压电效应使得所述压电电极带动所述支撑弹簧做挠曲变形，激励出所述谐振环的驱动模态。
7.一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺的检测方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，对所述环形振动陀螺输入角速度，所述谐振环的检测模态被激励出，所述压电电极在支撑弹簧锚点直线段的弯曲过程中会伸长或缩短，由压电效应在所述压电电极的上下电极之间产生电信号，检测该电信号的大小获得所述支撑弹簧的挠曲变形量。
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