CN105841683B - 一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，包括：非谐振部分等效电路和谐振部分等效电路，其中：所述谐振部分等效电路包括：n并联谐振电路，n为大于等于1的正整数；每个并联谐振电路均由动态电容、动态电感和动态电阻构成；所述非谐振部分等效电路由静态电容、串联电阻和并联电阻构成。当压电陀螺需要模拟n个谐振模态，只要加入n条并联谐振电路。本发明所述等效电路能够精确的描述压电陀螺的多种谐振模态及能量损耗问题，能够为压电陀螺的仿真提供精确的数值。

Description

一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路

技术领域

本发明涉及一种压电陀螺的等效电路，具体地，涉及一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路。

背景技术

陀螺仪作为一种载体角速度敏感惯性传感器，是惯性测量单元(IMU)中的核心器件，在航空、航天、船舶等传统工业领域的姿态控制和导航定位等方面有着非常重要的作用。微陀螺具有尺寸质量小、功耗低、成本低、环境适应性好、集成度高等优点，使其不仅在航空、航天、船舶等传统工业领域部分替代了传统陀螺仪，而且能够在汽车工业、工业自动化控制、消费电子的姿态稳定控制等市场领域以惊人的速度拓展。

等效电路指的是同一个电路的不同的表示方法。当电路中某一部分用其等效电路代替之后，未被代替的部分电压和电流均不发生变化，也就是说电压和电流不变的部分只是等效部分以外的电路，故称“对外等效”。元件的种类和位置都相同，但是在画电路时有不同的画线方法，就是等效电路。在许多情况下，人们常利用作用的效果相同，来认识和处理复杂的问题。现代电子技术中，在分析一些复杂电路时，人们常常只关注整个电路(或电路的某一部分)的输入、输出关系，即电流和电压的变化关系。这样就可以用一个简单的电路代替复杂电路，使问题得到简化。这个简单的电路就是复杂电路的等效电路。

在对压电陀螺利用以及分析时，通常是将压电陀螺等效为电路模型，然后对等效电路进行处理。等效电路中的电感L与陀螺的质量有关，电容C与材料的弹性劲度张量有关，它是由压电体的运动方程导出的，电阻R由陀螺的介质损耗和机械品质因数Q决定。

压电陀螺的等效电路的电参数对于压电陀螺的生产，制造和研究具有重要的意义，所以提出一种可靠准确的等效电路是非常重要的。一般的压电陀螺的等效电路的不足之处在于只能简单的产生一种谐振频率来表示一种谐振模态，并且一般的压电陀螺的等效电路并没有考虑到压电陀螺的能量损耗问题。

经检索，公开号为CN102508034A、申请号为CN201110327151.4中国专利，公开一种微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法及装置，其中：所述微固体模态陀螺等效电路包括一条由动态电容，动态电感和动态电阻串联组成的支路和与这条支路并联的静态电容，等效电路中的静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容；等效电路中的动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量。

上述专利没有考虑到压电陀螺的能量损耗，进一步的，也只能简单的产生一种谐振频率来表示一种谐振模态，仍旧没有解决上述的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷/之一，本发明的目的是提供一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，并进一步的实现压电陀螺多谐振模态的模拟，解决了上述的压电陀螺等效电路的不足。

为实现以上目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，包括：非谐振部分等效电路和谐振部分等效电路，非谐振部分等效电路和谐振部分等效电路采用并联方式连接，具有相同的输入端和输出端；

所述非谐振部分等效电路包括静态电容、串联电阻和并联电阻，其中：串联电阻和静态电容串联得到的支路与并联电阻单独构成的支路进行并联，静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容，串联电阻和并联电阻表示陀螺的能量损耗；

所述谐振部分等效电路包括n条并联谐振电路，n为大于等于1的正整数，其中：n条并联谐振电路互相并联，具有相同的输入端和输出端；每个并联谐振电路均由动态电容、动态电感和动态电阻串联构成，动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量。

优选地，所述压电陀螺等效电路能够精确表征陀螺的能量损耗问题，并且能够产生n种谐振频率进而表示n种谐振模态。当n等于1时，本发明等效电路能够是一种考虑能量损耗的、模拟一种谐振模态的等效电路；当n大于1时，本发明等效电路能够是一种考虑能量损耗的、模拟多种谐振模态的等效电路。

优选地，所述压电陀螺等效电路的电导的电学模型为：

G＝1/RP+1/(2*RS+i*(-1/(2πf*C0/2)))+1/(2*R1+i*(2πf*2*L1-1/(2πf*C1/2)))+1/(2*R2+i*(2πf*2*L2-1/(2πf*C2/2)))+…+1/(2*Rn+i*(2πf*2*Ln-1/(2πf*Cn/2)))；

其中：RP为并联电阻；RS为串联电阻；C0为静态电容；R1、L1、C1分别为第一并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容；R2、L2、C2分别为第二并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容；Rn、Ln、Cn分别为第n并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容。G为该等效电路的电导，f为外部激励信号的频率，i为虚数符号。

优选地，所述谐振部分等效电路中的并联谐振电路支路数量根据压电陀螺所需模拟的模态数量决定，即：并联谐振电路支路数量等于压电陀螺所需模拟的模态数量。

优选地，每个所述并联谐振电路中的动态电阻、动态电感、动态电容由调整阻抗分析仪测量的频率范围来确定各自的电阻值、电感值、电容值。

优选地，所述非谐振部分等效电路中的并联电阻、串联电阻、静态电容通过扫频测量和仿真来确定各自的电阻值、电容值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的压电陀螺等效电路考虑了能量损耗，能够精确的描述压电陀螺的能量损耗问题；

进一步的，本发明所述的压电陀螺等效电路解决了只能简单的产生一种谐振频率来表示一种谐振模态的问题，通过调整并联谐振电路支路数量，将其与所需模拟的压电陀螺所需模拟的模态数量相同，从而能够精确的描述压电陀螺的多种谐振模态以及能量损耗问题。

本发明能够为压电陀螺的仿真提供精确的数值，对于压电陀螺的生产、制造和研究具有重要的意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例压电圆盘微陀螺的结构示意图；

图2a、图2b为本发明一实施例压电圆盘微陀螺的驱动模态和检测模态的ANSYS仿真示意图；

图3为不考虑能量损耗的压电陀螺单谐振等效电路的结构示意图；

图4为本发明一实施例的考虑能量损耗的单一谐振频率的压电陀螺等效电路结构示意图；

图5为本发明一实施例的考虑能量损耗的多谐振频率的压电陀螺等效电路结构示意图，

图中：1为非谐振部分等效电路，2为谐振部分等效电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，压电微陀螺是一种基于科氏加速度效应的微机械振动陀螺，该陀螺采用圆盘状的谐振结构，利用压电方式驱动和检测，工作在模态匹配的状态下。所述陀螺的特别之处在于该陀螺的工作模态是厚度剪切方向上的振动，且驱动模态和检测模态为振型一样、相位正交的驻波振动。在圆盘表面有多个电极，其中：M1、M2、M3为监测电极，Dr1、Dr2、Dr3为驱动电极，S1、S2、S3为检测电极，B1、B2、B3为平衡电极。

如图2所示，为压电圆盘微陀螺的ANSYS仿真示意图，通过有限元分析的方法得到圆盘微陀螺的驱动模态和检测模态。圆盘微陀螺具有很多种模态，本实施例涉及的等效电路可以仿真多种模态。

如图3所示，为不考虑能量损耗的压电陀螺单谐振等效电路的结构示意图，该等效电路不需要考虑能量损耗以及只需要仿真一个模态，该电路包括一个静态电容C0以及动态电阻R1、动态电感L1和动态电容C1。

如图4-5所示，一种考虑能量损耗的多谐振压电陀螺等效电路，所述等效电路包括：非谐振部分等效电路1和谐振部分等效电路2，其中：

所述谐振部分等效电路2，包括n并联谐振电路(n为大于等于1的正整数)；每个并联谐振电路均由动态电容、动态电感和动态电阻构成，动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量；

所述非谐振部分等效电路1由静态电容、串联电阻和并联电阻构成，静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容，串联电阻和并联电阻表示陀螺的能量损耗；

所述等效电路能够精确的描述压电陀螺的多种谐振模态及能量损耗问题，为压电陀螺的仿真提供精确的数值。

在部分实施例中，所述压电陀螺采用的是压电材料。压电材料在外部力的作用下会产生电场，相反，当压电陀螺在外加电压作用下会伸展或收缩，这种特性被称为压电效应。压电效应是由于某些材料晶体原始单元中的电荷不对称性，从而导致形成电偶极子，在整个晶体内，这些偶极子效应的叠加产生整个晶体的极化，从而在材料内部产生电场。只有缺少对称中心的晶体才显现出压电特性。

常用的压电材料：石英、压电陶瓷(如LiNbO3、BaTiO3)、PZT(锆钛酸铅)、ZnO、PVDF(聚偏氟乙稀)等。为了陀螺的力学性能指标和敏感度，要求压电材料有高的压电常数及高的机电耦合系数；为了防止压电材料的破碎，要求压电材料具有高的静态和动态抗拉强度；为了保证振子温度升高情况下的效率，要求压电材料具有低的介质损耗因子和高的机械品质因数。根据以上分析，优选采用高激励特性良好、耦合系数高的压电陶瓷PZT作为振动体。

具体的，如图4所示，在需要考虑能量损耗以及只需要仿真一个模态的情况下，得到一种考虑能量损耗的单一谐振频率的压电陀螺等效电路，该电路包括一个静态电容C0、串联电阻RS和并联电阻RP，以及动态电阻R1、动态电感L1和动态电容C1；其中：静态电容C0、串联电阻RS和并联电阻RP构成非谐振部分等效电路，动态电阻R1、动态电感L1和动态电容C1构成谐振部分等效电路。

如图5所示，在需要考虑能量损耗以及需要仿真多个模态的情况下，得到一种考虑能量损耗的多谐振频率的压电陀螺等效电路，包括非谐振部分等效电路1和谐振部分等效电路2，具体的：

RP、RS、C0分别为非谐振部分等效电路1的并联电阻、串联电阻、静态电容；

谐振部分等效电路2包括第一并联谐振电路、第二并联谐振电路、第三并联谐振电路……、第n并联谐振电路，其中：R1、L1、C1分别为第一并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容；R2、L2、C2分别为第二并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容；Rn、Ln、Cn分别为第n并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容。

本实施例中，多个所述并联谐振电路用于等效产生压电陀螺的多个谐振频率来模拟多个谐振模态。

本实施例中，每个所述并联谐振电路中的动态电阻、动态电感、动态电容由调整阻抗分析仪测量的频率范围来确定各自的电阻值、电感值、电容值。

本实施例中，所述非谐振部分等效电路中的并联电阻、串联电阻、静态电容通过扫频测量和仿真来确定各自的电阻值、电容值。

所述谐振部分等效电路2中的并联谐振电路的支路数量等于压电陀螺所需要模拟的模态数量，因此可以很方便模拟多种谐振模态的压电陀螺，且整个电路的适应性非常强。

上述各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，其特征在于，包括：非谐振部分等效电路和谐振部分等效电路，非谐振部分等效电路和谐振部分等效电路采用并联方式连接，具有相同的输入端和输出端；

所述非谐振部分等效电路包括静态电容、串联电阻和并联电阻，其中：串联电阻和静态电容串联得到的支路与并联电阻单独构成的支路进行并联，静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容，串联电阻和并联电阻表示陀螺的能量损耗；

所述谐振部分等效电路包括n条并联谐振电路，n为大于等于1的正整数，其中：n条并联谐振电路互相并联，具有相同的输入端和输出端；每个并联谐振电路均由动态电容、动态电感和动态电阻串联构成，动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量。

2.根据权利要求1所述的一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，其特征在于，所述压电陀螺等效电路能够精确表征陀螺的能量损耗问题，并且能够产生n种谐振频率进而表示n种谐振模态。

3.根据权利要求1或2所述的一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，其特征在于，所述压电陀螺等效电路的电导的电学模型为：

G＝1/RP+1/(2*RS+i*(-1/(2πf*C0/2)))+1/(2*R1+i*(2πf*2*L1-1/(2πf*C1/2)))+1/(2*R2+i*(2πf*2*L2-1/(2πf*C2/2)))+…+1/(2*Rn+i*(2πf*2*Ln-1/(2πf*Cn/2)))；

其中：RP为并联电阻；RS为串联电阻；C0为静态电容；R1、L1、C1分别为第一并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容；R2、L2、C2分别为第二并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容；Rn、Ln、Cn分别为第n并联谐振电路的动态电阻、动态电感、动态电容；G为该等效电路的电导，f为外部激励信号的频率，i为虚数符号。

4.根据权利要求1或2所述的一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，其特征在于，并联谐振电路支路数量等于压电陀螺所需模拟的模态数量。

5.根据权利要求4所述的一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，其特征在于，每个所述并联谐振电路中的动态电阻、动态电感、动态电容由调整阻抗分析仪测量的频率范围来确定各自的电阻值、电感值、电容值。

6.根据权利要求1或2所述的一种考虑能量损耗的压电陀螺等效电路，其特征在于，所述非谐振部分等效电路中的并联电阻、串联电阻、静态电容通过扫频测量和仿真来确定各自的电阻值、电容值。