CN104390638A - 一种三维多曲面融合敏感结构元件及包含该元件的振动陀螺 - Google Patents

一种三维多曲面融合敏感结构元件及包含该元件的振动陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维多曲面融合敏感结构元件及包含此元件的振动陀螺，所述元件包括三维敏感结构（1）、压电电极（2）、支撑中轴（3）、底座（4）以及外壳（5）。三维敏感结构（1）采用恒弹性合金材料（Ni43CrTi）整体加工一体成型，与支撑中轴（3）构成“Ψ型”谐振结构，通过机械手段固定于底座（4）上。压电电极（2）贴装于所述三维敏感结构（1）外表面。本发明所述的三维多曲面融合敏感结构是一种通过结构优化设计的、具有多种曲面融合特征的三维敏感元件，具有较高的品质因数和抗过载能力，其构成的固态振动陀螺可以满足高速、高旋、高过载等高动态环境下的载体角速率的直接测量。

Description

一种三维多曲面融合敏感结构元件及包含该元件的振动陀螺
技术领域
本发明涉及固态振动陀螺技术领域，具体涉及一种三维多曲面融合敏感结构振动陀螺。
背景技术
固态振动陀螺是基于哥氏效应原理工作的一类陀螺，利用受激振动在谐振壳体中产生的纵向驻波随基体旋转时由于哥氏效应而使振型相对壳体进动，来敏感角运动的测量。这种陀螺具有体积小、能耗小、机械部件结构简单、抗冲击过载能力强、成本低等突出优点，具有广阔的应用前景。
现有的固态振动类陀螺主要有MEMS陀螺和谐振壳类三维敏感结构振动陀螺。MEMS陀螺采用的敏感结构主要有二维弹簧-质量块、振梁、音叉振动轮、振动板等二维敏感结构，其驱动和检测模态均为二维平面内的横向和纵向运动。这类陀螺体积小、功耗低，但其本身不能承受较大过载，只能通过外部封装等工艺手段来提高抗冲击性能。谐振壳类三维敏感结构振动陀螺的敏感元件主要为圆筒形（或圆杯形、圆柱形）、半球形、旋转抛物面形等三维单曲面结构，其通过哥氏力作用下的扭转形变来敏感输入角速度。这类陀螺的抗过载能力较之MEMS陀螺有了显著提高，可达到10000g左右。
由于在适应高动态约束的惯性测量领域缺乏突破高过载的原理性技术，导致上述两类陀螺在用于高动态常规炮弹制导化等特殊领域时，会遇到技术瓶颈，严重影响军事化需求及发展。因此，有必要从敏感机理上进行突破，开发一种三维多曲面融合的可抗20000g以上过载的固态振动陀螺技术。
发明内容
本发明所要解决的问题在于：针对现有固态振动陀螺技术存在的不足，尤其是抗高过载能力差、品质因数低等瓶颈问题，提供一种结构简单、易于加工、抗高过载能力强、品质因数高的三维多曲面融合敏感结构，以及由此构成的精度和灵敏度较高、量程较大的固态振动陀螺。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种三维多曲面融合敏感结构元件，包括：三维敏感结构（1）、压电电极（2）、支撑中轴（3）、底座（4）以及外壳（5）；所述三维敏感结构（1）与支撑中轴（3）构成“Ψ型”谐振结构，共同固定于底座（4）上；所述压电电极（2）贴装于三维敏感结构（1）外表面；其特征在于：所述三维敏感结构（1）是沿三个方向都有振动运动的用于敏感角速率信号的立体结构。
所述三维敏感结构（1）采用恒弹性合金材料整体加工一体成型，优选Ni43CrTi合金。三维多曲面融合敏感结构的固有频率和进动因子受振子结构参数和材料特性影响，通过对各参数进行定性化的分析，得到三维多曲面融合敏感结构振动特性随结构参数和材料特性的变化规律如下式
其中，为关于厚度、杨氏模量、密度的函数，是关于半球面形结构半径、圆柱面形结构高度、圆环面形结构半径、圆环面形结构高度的函数。针对上式进行数值仿真分析出各变化参数与固有频率的对应关系后，采用正交正交试验法进行三维多曲面融合敏感结构多参数的优化选取，建立多参数间相互影响关系，依据实际使用环境特点，选用恒弹性合金（Ni43CrTi）作为振子材料，材料密度：8.170g/cm3；泊松比：0.3；杨氏模量：196.76MPa；抗拉强度：500MPa；屈服强度：275MPa。
同时，抗高过载特性是本发明所述陀螺仪的一个重要指标，而材料特性和结构特性是保证该性能最重要的因素。通过有限元仿真，在敏感轴向上施加12000g，10ms的冲击过载，分析得到三维多曲面融合敏感结构在承受冲击过载时最大应力为134MPa，因此三维多曲面融合敏感结构材料的屈服强度至少应大于300MPa才不会发生塑性形变，考虑充足裕量后，选用上述恒弹性合金（Ni43CrTi）材料。
由此可见，本发明在材料选取时通过对多种金属材料进行仿真分析并实物加工，最终选择了恒弹性合金材料Ni43CrTi。对于谐振子加工而言，该合金并不是一种常规技术选择，而是经过大量仿真及实验得到的结论。
所述三维敏感结构（1）不同于单一曲面类振动薄壳，而是一种具有多种曲面融合特征的三维敏感元件，无法用统一的母线函数来建立其动力学方程，可将其分解为三个标准结构的融合体，分别为半球面（11）、圆柱面（12）、圆环或圆锥环（13）。经过结构参数优化设计以及残料特性的选择，所述三维敏感结构（1）可通过20000g高过载仿真实验。
所述压电电极（2）采用薄长条形PZT5压电材料制成。压电陶瓷的种类多种多样，不同压电陶瓷材料制成的压电电极更是千差万别，需要根据具体应用环境进行定制。本发明所述压电电极用于驱动及检测三维多曲面融合敏感结构，通过对三维敏感结构厚度、振幅、应力等因素综合考虑后选择采用薄长条形PZT5A压电材料。 
所述压电电极（2）的长度、宽度、厚度以及被覆位置都经过优化设计，使之主要粘贴于圆柱面（12）部分的外表面上，并呈现出最大的驱动与检测效率。优化结构参数为8×2×0.3mm，中心距顶端的距离为6mm，其空间分布定义为8片电极沿圆周方向间隔45°环列。同上所述，压电电极并不是常规通用元件，所采用的陶瓷材料、结构参数都是针对应用环境综合考虑一些目标参数后定制的，并不是本领域技术人员的常规技术选择。中心距顶端的距离更是与应用环境息息相关。本发明采用的压电电极的结构参数、中心距顶端的距离都是通过仿真分析和实物实验测试后得出的最优参数。
本发明所述压电电极共有8个分为4对，分别具有各自不同的功能。所述压电电极（2）按功能分为驱动电极（21-25）、检测电极（22-26）、反馈电极（23-27）、阻尼电极（24-28）。驱动电极（21-25）用于施加正弦激励电压，驱动三维多曲面融合敏感结构按照其固有频率振动；检测电极（22-26）获取由哥氏力引起振子振型进动产生的偏移量，实现对输入角速度的测量；反馈电极（23-27）获取振动敏感结构的振幅、频率等信息，用于构成陀螺的振幅控制、频率控制等控制回路的反馈环节；阻尼电极（24-28）上施加与驱动信号同频率的正弦电压，通过调节信号幅值、相位进行振型的校正。
作为一个总的技术体系，本发明还提供一种三维多曲面融合敏感结构振动陀螺，所述三维多曲面融合敏感结构振动陀螺是以上述三维多曲面融合敏感结构元件为敏感元件的陀螺。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构元件，易于起振且振型稳定，尤其具有较高的品质因数和抗过载能力，其构成的固态振动陀螺可以满足高速、高旋、高过载等高动态环境下的载体角速率的直接测量；
（2）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构元件，其谐振频率较高，能够有效抑制其它频率噪声信号的干扰，大大提高了敏感结构的信噪比；同时有效减小能量衰减时间，为陀螺的断电保持能力提供了前提保障；
（3）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构元件，采用金属材料整体加工成型，易于大批量生产且成本较低；多曲面融合部分都采用倒角过度，避免了冲击振动时的应力集中现象，提高了陀螺在高动态等恶劣使用环境中的适应性；
（4）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构元件的结构参数、材料特性的选择，以及压电电极的结构参数、空间分布的选择，都采用CAE（计算机辅助工程）仿真方法进行了结构分析、结构—电场耦合分析、高过载分析，综合不同指标给出了最终的最优参数；这种方法取代了传统的经验凑试法，科学地给出了与实际情况相近的定量数据分析，为三维多曲面融合敏感结构的合理设计提供了科学依据；
（5）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构元件的数学模型建立，创造性地提出了一种“分解+融合”的方法，即先将整体结构分解为半球面、圆柱面、圆环或圆锥环三种标准曲面，并分别建立其振型函数、固有频率计算关系和振型的进动特性；然后将三者按照一定的边界条件设置进行融合，得到最终的多曲面融合敏感结构的数学模型；
（6）本发明的三维多曲面敏感结构元件非常简单，只有5个部件；“Ψ”型结构端口朝上；压电电极均匀贴装于结构外侧圆柱面部分；振子材料为恒弹性合金而非石英。与现有技术之间有很大差别。
综上所述，本发明提出的一种三维多曲面融合敏感结构元件及安装有该敏感结构元件的固态振动陀螺具有品质因数高、抗高过载能力强、加工方便、可大批量生产等显著优点。
附图说明
图1为本发明三维多曲面融合敏感结构元件的主要部件示意图；
图2为本发明三维多曲面融合敏感结构元件的优化参数结构图；
图3为本发明三维多曲面融合敏感结构元件的曲面分解示意图；
图4为本发明实施例中的三维多曲面融合敏感结构元件的第一模态示意图；
图5为本发明实施例中的三维多曲面融合敏感结构元件的第二模态示意图；
图6为本发明实施例中的三维多曲面融合敏感结构元件的高过载仿真图。
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。
如图1所示，本发明所述三维多曲面融合敏感结构元件的核心部分包括三维敏感结构（1）、压电电极（2）、支撑中轴（3）、底座（4）以及外壳（5）。依据实际使用环境特点，三维敏感结构（1）采用一种恒弹性合金材料整体加工一体成型，其主要材料特性为：密度ρ=8170g/cm 3，泊松比μ=0.3，杨氏模量E=196.76Gpa，抗拉强度σb=500Mpa，屈服强度σs=275MPa。进一步，如图2所示，经过有限元仿真设计后得到的三维敏感结构（1）的优化参数为：半球面形结构半径（R1）：9mm；圆柱面形结构高度（L1）：8mm；圆环面形结构半径（R2）：10mm；圆环面形结构高度（L2）：2mm；厚度（H）：0.5mm。三维敏感结构（1）与支撑中轴（3）以“Ψ型”方式装配，通过机械手段固定于底座（4）上，该方式可以有效地减小其他振动模态和随机振动的影响。压电电极（2）的优化结构参数为8×2×0.3mm，该参数可以激励出最大的驱动力，增大振子的振幅，提高灵敏度，同时还使其呈现最大的检测效率，提高陀螺分辨率。压电电极中心距顶端的距离为6mm，其空间分布定义为8片电极沿圆周方向间隔45°环列贴装于三维敏感结构（1）的圆柱面（12）部分的外表面上。
在建模方面，三维多曲面融合敏感结构元件的数学模型的建立，创造性地提出了一种“分解+融合”的方法，即先将整体结构分解为半球面、圆柱面、圆环或圆锥环三种标准曲面，如图3所示，并分别建立其振型函数、固有频率计算关系和振型的进动特性；然后将三者按照一定的边界条件在统一的坐标系下进行融合，得到最终的多曲面融合敏感结构的数学模型。
本发明所述三维多曲面融合敏感结构振动陀螺的工作原理是利用敏感结构的径向振动驻波由于旋转时受哥氏力影响而产生的进动效应来感测角运动的。当向驱动电极（21-25）施加与敏感结构（1）谐振同频率的交流电压时，由于逆压电效应激励出谐振子的驱动模态（第一模态，如图4所示），当沿轴向有角速率输入时，敏感结构（1）在哥氏力的作用下产生沿另一固有刚性轴系的检测模态（第二模态，如图5所示），该轴系上的4个压电检测电极由于压电效应产生正比于输入角速率的电压信号，通过信号读出及处理电路即可解算得到被测角速率。
按照前述优化结构参数设计的三维多曲面融合敏感结构，通过有限元仿真得到的模态分析结果图如图4、图5所示，谐振频率为6109.3Hz，其显著区别于噪声频率。
为了验证本发明设计的三维多曲面融合敏感结构振动陀螺的抗高过载特性，仍然采用有限元仿真进行分析。在敏感轴向上施加20000g，10ms的冲击过载，得到的仿真试验结果如图6所示，由图可见，三维多曲面融合敏感结构在承受冲击过载时所受最大应力为134MPa，远小于材料的抗拉强度，故不会发生塑性形变。
综上所述，可以得出结论：本发明提出的三维多曲面融合敏感结构振动陀螺能够适应20000g的高动态应用环境。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的优选实施方式而非限制，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 (9)

1.一种三维多曲面融合敏感结构元件，包括：三维敏感结构（1）、压电电极（2）、支撑中轴（3）、底座（4）以及外壳（5）；所述三维敏感结构（1）与支撑中轴（3）构成“Ψ型”谐振结构，通过机械手段共同固定于底座（4）上；所述压电电极（2）贴装于三维敏感结构（1）外表面；其特征在于：所述三维敏感结构（1）是沿三个方向都有振动运动的用于敏感角速率信号的立体结构。
2.根据权利要求1所述的三维多曲面融合敏感结构元件，其特征在于：所述三维敏感结构（1）采用恒弹性合金材料整体加工成型。
3.根据权利要求2所述的三维多曲面融合敏感结构元件，其特征在于：所述三维敏感结构（1）采用Ni43CrTi合金。
4.根据权利要求1所述的三维多曲面融合敏感结构元件，其特征在于：所述三维敏感结构（1）具有多种曲面融合特征，无法用统一的母线函数来建立其动力学方程，可将其分解为三个标准结构的融合体。
5.根据权利要求4所述的三维多曲面融合敏感结构元件，其特征在于：所述三维敏感结构（1）可分解为半球面（11）、圆柱面（12）、圆环或圆锥环（13）三种标准曲面。
6.根据权利要求1所述的三维多曲面融合敏感结构元件，其特征在于：所述压电电极（2）采用薄长条形PZT5压电材料制成。
7.根据权利要求6所述的三维多曲面融合敏感结构元件，其特征在于：所述压电电极（2）的结构参数为8×2×0.3mm，中心距顶端的距离为6mm，其空间分布定义为8片电极沿圆周方向间隔45°环列。
8.根据权利要求6所述的三维多曲面融合敏感结构元件，其特征在于：所述压电电极（2）包括驱动电极（21-25）、检测电极（22-26）、反馈电极（23-27）、阻尼电极（24-28）；其中驱动电极（21-25）用于施加正弦激励电压，驱动三维多曲面融合敏感结构元件按照其固有频率振动；检测电极（22-26）获取由哥氏力引起振子振型进动产生的偏移量，实现对输入角速度的测量；反馈电极（23-27）获取三维多曲面融合敏感结构元件的振幅、频率等信息，用于构成陀螺的振幅控制、频率控制等控制回路的反馈环节；阻尼电极（24-28）上施加与驱动信号同频率的正弦电压，通过调节信号幅值、相位进行振型的校正。
9.一种三维多曲面融合敏感结构振动陀螺，其特征在于：所述三维多曲面融合敏感结构振动陀螺安装有权利要求1~8中任一项所述的三维多曲面融合敏感结构元件。
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