CN105698779A - 一种石英微机械陀螺双轴减振装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石英微机械陀螺双轴减振装置的设计方法，属于惯性零件测量器件技术领域。本发明方法通过结构设计，把第一单轴结构和第二单轴结构设计成正交结构；再对设计结构进行模态分析优化、谐响应分析优化使其达到减振效果，同时又可以完成两个待测单轴石英微机械陀螺的角速度检测。有效地减少了外界噪声，提高了性能。

Description

一种石英微机械陀螺双轴减振装置的设计方法

技术领域

本发明涉及一种石英微机械陀螺双轴减振装置的设计方法，属于惯性零件测量器件技术领域。

背景技术

惯性仪器在测量物体的角加速度、加速度和线加速度中有着广泛的应用。在《石英微机械陀螺敏感器件减振设计》的文章中，涉及到单轴石英微机械陀螺敏感器件的减振设计，但在实际应用下，根据在多轴陀螺应用中，各敏感器件之间存在振动干扰，导致陀螺噪声过大，输出信号中存在低频信号，需要同时测量多个轴向的角速度，如果采用单轴减振结构，那么每个敏感元件都需要一个减振结构，增加了器件的体积，不利于实际应用。

发明内容

为解决现有微机械陀螺减振装置存在的不足，本发明提供了一种石英微机械陀螺双轴减振装置的设计方法，当此双轴减振装置使用时，能同时满足两个轴向的减振，并且比两个敏感元件分别加装减振结构体积要小。

一种石英微机械陀螺双轴减振装置的设计方法，包括如下三个步骤：

步骤一、结构设计。设计结构包括法兰、减振体和减振橡胶垫。

所述法兰为空心圆柱，圆柱外表面中部有一个外缘，外缘上均匀分布四个用于固定法兰的螺孔。

所述减振体位于法兰的空心部分，与法兰同轴且与法兰内壁有间隙，包括第一单轴结构和第二单轴结构，第一单轴结构和第二单轴结构均为中空的长方体、大小形状相同、相互垂直放置。两个单轴结构中空部分大小与被测石英微机械陀螺相同，中空部分两侧的长方体边缘上各设置一个用于安装陀螺敏感器件的安装孔，在垂直放置两个单轴结构时，四个安装孔互不遮掩且均匀对称分布。

所述减振橡胶垫位于法兰及双层减振体的中间位置，第一单轴结构、第二单轴结构和法兰内壁的间隙中沿环形均匀分布，用于连接法兰和减振体的四块减振橡胶垫，使得第一单轴结构、第二单轴结构和法兰之间不相互滑动。两个被测陀螺敏感器件分别安装在第一单轴结构、第二单轴结构的中空部分，与第一单轴结构、第二单轴结构之间采用胶粘接的方式，两个被测陀螺敏感元件的敏感轴成90度正交。法兰通过螺钉组装在需要检测角速度的结构体内，陀螺敏感器件通过减振橡胶垫进行减振，减振橡胶垫采用甲基乙烯基材料，各方向的方向刚度相同，不会出现偏振。

步骤二、对步骤一设计的结构进行优化，使得其同时满足以下三个条件：

(1)减振装置在石英微机械陀螺敏感器件工作频率(通常为11kHz)的减振效率最高。所述减振效率是通过隔离敏感元器件之间振动的隔振系数来说明的，减振效率最高即隔振系数最大。隔振系数η为

$\mathrm{\η}=\frac{\sqrt{1+{\left(2\mathrm{\ϵ}Z\right)}^2}}{\sqrt{{(1-Z^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ϵ}Z\right)}^2}},$

其中，Z＝w/w_n，w为减振装置的激励频率，w_n为减振装置固有频率；ε为系统阻尼比系数。时，η<1，则起到了减振效果。

(2)减振装置转动振动模态的固有频率大于被测陀螺敏感器件带宽的两倍。

(3)减振装置低阶线性振动模态的固有频率大于被测陀螺敏感器件检测频率与激励频率之差的两倍或两倍以上。

步骤2.1、模态分析优化

为预测双轴减振装置减振效果，并对减振橡胶垫结构的材料进行指导，采用模态分析对减振装置固有频率进行数值模拟：根据步骤一设计的结构，建立有限元模型，采用四面体三维实体单元类型，根据已确定的边界条件，将边界条件施加在法兰的安装面上，约束法兰安装面的所有自由度，计算出减振装置前10阶固有频率。

从而得到减振装置的工作频率要求：工作频率在前10阶固有频率内，能避开共振区，使得减振装置能够发挥减振的作用。

步骤2.2、谐响应分析优化

为使得双轴减振装置能够经受不同频率的各种正弦(简谐)载荷作用，采用谐响应分析对双轴减振装置隔振效率进行仿真分析：原点随意选取，X轴方向在由X-Z轴组成的水平面上，Y轴为垂直方向，从X轴方向施加作用于法兰安装位置100N的压力、振幅为0.5mm、频率范围为10-12kHz的正弦激励，计算获得双轴减振装置的有限元模型上各点的位移响应谱，然后随机选取双轴减振装置的有限元模型中减振体第一单轴结构和第二单轴结构各3个不同位置的节点，分析正弦激励下两个单轴结构的位移。同时，还随机选取螺孔处的点，观察其实际位移变化，采用位移变化值除以振幅(0.5mm)的方式推导出隔振系数，进而分析得到减振装置的有限元模型的减振效率。若隔振系数η<1，则起到了减振效果；若隔振系数η＞1，则起不到减振效率，那么通过根据情况适当改变减振橡胶垫的参数来使其达到减振效果。

步骤三、减振装置经步骤二优化后，把两个待测单轴石英微机械陀螺分别安置在第一单轴结构和第二单轴结构上，并用胶粘结，使其固定；在需要进行双轴角速度检测的待测单轴石英微机械陀螺内部，按照法兰上的螺丝位置留好螺丝孔；用螺丝把法兰和待测单轴石英微机械陀螺连接固定，减振装置即可完成对干扰信号的减振。

有益效果

本发明通过把第一单轴结构和第二单轴结构设计成正交结构，可以完成双轴的角速度检测，在第一单轴结构第二单轴结构与法兰之间加入了减振橡胶，使得整个装置既能完成正交的角速度检测，又能起到减振效果。有效地减少了外界噪声，提高了性能。

附图说明

图1为本发明方法设计的双轴减振装置三维视图；

图2为本发明方法设计的双轴减振装置三维剖面图；

图3为本发明方法设计的双轴减振装置俯视图；

图4(1)为本发明方法设计的双轴减振装置三维立体图，(2)为本发明方法设计的双轴减振装置三维剖面图；

图5为本发明方法设计的减振橡胶垫；

图6为具体实施方式中第1阶剪切线性振动模态；

图7为具体实施方式中第2-4阶模态，其中(1)为2阶转动振动模态、(2)为3阶转动振动模态、(3)为4阶转动振动模态；

图8为具体实施方式中第5-6阶模态，其中(1)为5阶拉伸线性振动模态、(2)为6阶拉伸线性振动模态；

图9为具体实施方式中在第一单轴结构上随机选取三个点进行谐响应分析的位移结果，y1是点471，y2是点3912，y3是点3957；

图10为具体实施方式中在第二单轴结构上随机选取三个点进行谐响应分析的位移结果，y4是点2542，y5是点3199，y6是点4430；

图11为具体实施方式中在法兰螺孔上随机选取三个点进行谐响应分析的位移结果，y7是点6275，y8是点6271，y9是点1355。

标号说明：1是法兰；2是螺钉孔；3是减振橡胶垫；4是减振体。

具体实施方式

如图1-5所示，本减振装置设计结构包括法兰1、减振橡胶垫3和减振体4。

所述法兰1为空心圆柱，圆柱外表面中部有一个外缘，外缘上均匀分布四个用于固定法兰的螺钉孔2。

所述减振体4位于法兰的空心部分，与法兰1同轴且与法兰内壁有间隙，包括第一单轴结构和第二单轴结构，第一单轴结构和第二单轴结构均为中空的长方体、大小形状相同、相互垂直放置。两个单轴结构中空部分大小与被测石英微机械陀螺相同，中空部分两侧的长方体边缘上各设置一个用于安装减振装置的安装孔，在垂直放置两个单轴结构时，四个安装孔互不遮掩且均匀对称分布。

所述减振橡胶垫3如图5所示，位于法兰1及双层减振体4的中间位置，第一单轴结构、第二单轴结构和法兰内壁的间隙中沿环形均匀分布，用于连接法兰和减振体的四块减振橡胶垫，使得第一单轴结构、第二单轴结构和法兰之间不相互滑动。两个被测陀螺敏感器件分别安装在第一单轴结构、第二单轴结构的中空部分，与第一单轴结构、第二单轴结构之间采用胶粘接的方式，两个被测陀螺敏感元件的敏感轴成90度正交。法兰通过螺钉组装在需要检测角速度的结构体内，陀螺敏感器件通过减振橡胶垫进行减振，减振橡胶垫采用甲基乙烯基材料，各方向的方向刚度相同，不会出现偏振。

本实施例的微机械陀螺敏感器件的体积较小，一个实例石英微机械敏感器件的体积为15mm*10mm*2mm，因此设计的减振装置的体积也很小，实物的具体数据可以根据应用改变。

减振橡胶垫内径为18mm±2mm，外径为21mm±2mm，法兰为高21mm±2mm，内径21mm±2mm，外径25mm±2mm的空心圆柱。

所述法兰采用钢型材料，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，密度为7800kg/m³；所述减振体采用钢型材料，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，密度为7800kg/m³；所述减振橡胶垫采用甲基乙烯基材料，弹性模量为9MPa，泊松比为0.371，密度为1000kg/m³。

将本实施例的减振装置进行模态分析，1-6阶的分析如图6-8所示，具体数据结果如下：

以上对本发明的具体实施例进行了描述。证明石英微机械减振装置完全避开了石英微机械敏感器件的工作频率，频率是11kHz左右，大约范围是10-12kHz，六阶频率是1288.524Hz，七阶频率是18515.45Hz。

本实施例的减振装置进行谐响应分析的数据结果如下：

1、第一单轴结构上随机选取三个点，y1是点471，y2是点3912，y3是点3957。谐响应分析的位移结果如图9所示。

2、第二单轴结构上随机选取三个点，y4是点2542，y5是点3199，y6是点4430。谐响应分析的位移结果如图10所示。

3、法兰螺孔上随机选取三个点，y7是点6275，y8是点6271，y9是点1355。谐响应分析的位移结果如图11所示。

根据MATLAB数据图分析可知，位移变化均小于0.015mm，则隔振系数η＝0.015/0.5，即3％，也就是减振效果在97％以上，结果说明减振效果良好，法兰螺孔的实际位移变化也说明本发明减振装置在保护敏感元件时能够达到减振效果。

该双轴设计的集成式减振器，选用合适的减振垫的材料，以及经过测试选用合适的减振垫的尺寸，运用了ANSYS有限元分析进行了模态分析和谐响应分析的数值模拟技术验证，仿真结果显示减振效果明显。此发明并不局限于上述特定实施方式，可根据具体情况进行各种变形或修改，并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种石英微机械陀螺双轴减振装置的设计方法，其特征在于：包括如下三个步骤：

步骤一、结构设计。设计结构包括法兰、减振体和减振橡胶垫。

所述法兰为空心圆柱，圆柱外表面中部有一个外缘，外缘上均匀分布四个用于固定法兰的螺孔；

所述减振体位于法兰的空心部分，与法兰同轴且与法兰内壁有间隙，包括第一单轴结构和第二单轴结构，第一单轴结构和第二单轴结构均为中空的长方体、大小形状相同、相互垂直放置；两个单轴结构中空部分大小与被测石英微机械陀螺相同，中空部分两侧的长方体边缘上各设置一个用于安装陀螺敏感器件的安装孔，在垂直放置两个单轴结构时，四个安装孔互不遮掩且均匀对称分布；

所述减振橡胶垫位于法兰及双层减振体的中间位置，第一单轴结构、第二单轴结构和法兰内壁的间隙中沿环形均匀分布，用于连接法兰和减振体的四块减振橡胶垫，使得第一单轴结构、第二单轴结构和法兰之间不相互滑动；两个被测陀螺敏感器件分别安装在第一单轴结构、第二单轴结构的中空部分，与第一单轴结构、第二单轴结构之间采用胶粘接的方式，两个被测陀螺敏感元件的敏感轴成90度正交；法兰通过螺钉组装在需要检测角速度的结构体内，陀螺敏感器件通过减振橡胶垫进行减振，减振橡胶垫采用甲基乙烯基材料，各方向的方向刚度相同，不会出现偏振。

步骤二、对步骤一设计的结构进行优化，使得其同时满足以下三个条件：

(1)减振装置在石英微机械陀螺敏感器件工作频率的减振效率最高；

(2)减振装置转动振动模态的固有频率大于被测陀螺敏感器件带宽的两倍；

(3)减振装置低阶线性振动模态的固有频率大于被测陀螺敏感器件检测频率与激励频率之差的两倍或两倍以上。

步骤2.1、模态分析优化

采用模态分析对减振装置固有频率进行数值模拟：根据步骤一设计的结构，建立有限元模型，采用四面体三维实体单元类型，根据确定的边界条件，将边界条件施加在法兰的安装面上，约束法兰安装面的所有自由度，计算出减振装置前10阶固有频率；

从而得到减振装置的工作频率要求：工作频率在前10阶固有频率内，能避开共振区，使得减振装置能够发挥减振的作用；

步骤2.2、谐响应分析优化

采用谐响应分析对双轴减振装置隔振效率进行仿真分析：原点随意选取，X轴方向在由X-Z轴组成的水平面上，Y轴为垂直方向，从X轴方向施加作用于法兰安装位置100N的压力、振幅为0.5mm、频率范围为10-12kHz的正弦激励，计算获得双轴减振装置的有限元模型上各点的位移响应谱，然后随机选取双轴减振装置的有限元模型中减振体第一单轴结构和第二单轴结构各3个不同位置的节点，分析正弦激励下两个单轴结构的位移；同时，还随机选取螺孔处的点，观察其实际位移变化，采用位移变化值除以振幅的方式推导出隔振系数，进而分析得到减振装置的有限元模型的减振效率；若隔振系数η<1，则起到了减振效果；若隔振系数η＞1，则起不到减振效率，通过改变减振橡胶垫的参数来使其达到减振效果。

步骤三、减振装置经步骤二优化后，把两个待测单轴石英微机械陀螺分别安置在第一单轴结构和第二单轴结构上，并用胶粘结，使其固定；在需要进行双轴角速度检测的待测单轴石英微机械陀螺内部，按照法兰上的螺丝位置留好螺丝孔；用螺丝把法兰和待测单轴石英微机械陀螺连接固定，减振装置即可完成对干扰信号的减振。