CN106153044B - 一种用于微惯性测量单元的减振结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于微惯性测量单元的减振结构。包括壳体、支撑架、弹性减振环；所述壳体用于容纳所述支撑架和弹性减振环；所述支撑架外部设置有圆环形凸起，支撑架的内部空腔用于放置微惯性测量单元；所述弹性减振环为一个内壁开设有凹槽的圆环，该凹槽的大小与圆环形突起的大小相适应从而将圆环形突起卡紧在凹槽内；弹性减振环将所述支撑架悬空放置在所述壳体内部；支撑架及其内部安装的微惯性测量单元构成的整体的质心与圆环形凸起的几何中心重合。本发明使得微惯性测量单元即使在振动环境下也能够提高微惯性测量单元的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于减振技术领域，具体涉及一种用于微惯性测量单元的减振结构。
背景技术
惯性传感器是利用物体的惯性性质来测量物体运动情况的一类传感器，其包括加速度计和陀螺仪。传统惯性传感器由于体积大、质量重、成本高等原因，限制了其应用范围。随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技术的发展，出现了新一代的MEMS惯性传感器。
近年来，由MEMS惯性传感器硅微陀螺仪及硅微加速度计组成的微惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit,MIMU)因其体积小、可靠性高、适合大批量生产等特点，其应用越来越广。但在实际应用中，微惯性测量单元的测量精度受载体振动的影响较大，因此为微惯性测量单元设计一个在工程应用中效果较佳的减振结构，使其性能不受环境影响是目前微惯性测量单元应用的研究热点之一。
目前，现有的用于微惯性测量单元的减振结构主要存在以下问题：(1)大多数减振结构使用多个减振器分布支撑的方式为微惯性测量单元减振，由于单个减振器加工尺寸误差的影响，难以使分布支撑的每一个减振器的刚度完全相同，因此在确定振结构设计方案时虽然将由减振结构与微惯性测量单元组成的整体系统(以下简称为系统)的弹性中心与微惯性测量单元和支撑架构成的整体的质心设计为重合，但在实际制造出的产品中，由于每个减振器的刚度误差而会偏离方案的位置从而导致系统各方向振动的耦合，引起正交方向上惯性传感器的测量误差；(2)在设计减振结构时，未考虑系统对于微惯性测量单元内传感器带宽频率范围内信号的放大，使得系统的共振峰落在带宽范围内，干扰信号被放大，严重影响了微惯性测量单元的测量精度；(3)系统三个线振动方向上的刚度不统一，导致三个线振动方向上的频率不一致，从而使系统的固有频率范围变大过宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于微惯性测量单元的减振结构，使得微惯性测量单元即使在振动环境下也能够提高微惯性测量单元的测量精度。
本发明的技术解决方案为一种用于微惯性测量单元的减振结构，包括壳体、支撑架、弹性减振环；所述壳体用于容纳所述支撑架和弹性减振环；所述支撑架外部设置有圆环形凸起，支撑架的内部空腔用于放置微惯性测量单元；所述弹性减振环为一个内壁开设有凹槽的圆环，该凹槽的大小与圆环形突起的大小相适应从而将圆环形突起卡紧在凹槽内；壳体内部为圆柱形空间，其底部四周设置有凸台用于放置弹性减振环，从而使弹性减振环将所述支撑架悬空放置在所述壳体内部，且所述支撑架与壳体内壁之间的间距足够大使得支撑架在振动时不会与壳体接触；支撑架及其内部安装的微惯性测量单元构成的整体的质心与圆环形凸起的几何中心重合。
进一步，支撑架由支撑架上盖和底部封闭的圆筒形支撑架底座组成；圆环形凸起设置在支撑架底座的外侧面；支撑架底座的外侧面与壳体内壁的距离大于支撑架在振动时产生的相对于壳体内壁的最大径向位移。
进一步，通过在支撑架内部添加配重，使得支撑架及其内部安装的微惯性测量构成的整体的质心与圆环形凸起的几何中心重合。
进一步，弹性减振环由阻尼橡胶制作而成，且弹性减振环的横截面为方形，凹槽关于弹性减振环的径向中轴线对称。
进一步，壳体包括上盖和外壳，上盖的内侧边缘设置有凸台，弹性减振环的外径应略大于外壳内部圆柱形空间的内径，弹性减振环在轴向的高度略大于上盖内侧凸台与外壳底部凸台之间的轴向距离，上盖与外壳固定连接在一起。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明采用单一均匀的弹性减振环为微惯性测量单元减振，即整个减振结构的核心部件为一个弹性减振环，避免了由于使用多个减振器分布布置时产生的刚度差问题，减小了系统实际产品的弹性中心与设计方案中弹性中心位置的偏离差距，即减小了实际位置与设计方案之间的偏差，易于系统解耦；本发明的弹性减振环，其横截面关于弹性减振环的径向中轴线对称，使得系统径向与轴向的刚度相同，系统在径向与轴向上的频率较为集中，从而使系统的固有频率范围变小并高于微惯性测量单元的带宽，对于微惯性测量单元内传感器带宽频率范围内的输入信号，系统对其放大率小于1.1，从而降低了微惯性测量单元在检测载体运动信息时受外界振动影响的程度，保证了测量输出精度。
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明用于微惯性测量单元的减振结构爆炸图。
图2为本发明用于微惯性测量单元的减振结构装配示意图。
图3为本发明用于微惯性测量单元的减振结构的剖视图。
图4为本发明中支撑架的结构示意图。
图5为图3中弹性减振环的局部放大图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明用于微惯性测量单元的减振结构的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1、图2和图3，本实施例包括上盖1、支撑架2、弹性减振环3和外壳4；所述上盖1和外壳4组成用于容纳所述支撑架2和弹性减振环3的壳体；所述支撑架2外部设置有圆环形凸起2-2-1，支撑架2的内部空腔用于放置微惯性测量单元；所述弹性减振环3为一个内壁开设有凹槽的圆环，该凹槽的大小与圆环形突起2-2-1的大小相适应，从而将圆环形突起2-2-1卡紧在凹槽内；外壳4内部为圆柱形空间，其底部四周设置有凸台用于放置弹性减振环3，从而使弹性减振环3将所述支撑架2悬空放置在所述壳体的内部，且所述支撑架2与壳体内内壁之间留有充足间距，使得支撑架2在振动时不会与壳体接触；支撑架2及其内部安装的微惯性测量单元构成的整体的质心与圆环形凸起2-2-1的几何中心重合，从而保证微惯性测量单元的测量精度。
结合图4，作为一个优选方案，支撑架2由支撑架上盖2-1和底部封闭的圆筒形支撑架底座2-2组成；圆环形凸起2-2-1设置在支撑架底座2-2的外侧面；支撑架底座2-2的外侧面与壳体内壁的距离大于支撑架2在振动时产生的相对于壳体内壁的最大径向位移，以避免支撑架2在振动时与壳体接触。如图5所示，支撑架2的除圆环形凸起2-2-1以外的外侧面2-2-2与弹性减振环3的凹槽内壁3-1之间的距离L应大于支撑架2在振动时产生的相对于外壳的最大径向位移，这样，以避免支撑架2在振动时与壳体接触，从而影响微惯性测量单元的测量精度。
作为优选方案，使得支撑架及其内部安装的微惯性测量构成的整体的质心与支撑架外部圆环形凸起2-2-1的几何中心重合的方法有两种：
其一，微惯性测量单元装配在支撑架底座2-2后查看支撑架2的几何中心以及装配体质心的位置，通过不断调整微惯性测量单元在支撑架2内的位置使装配体的质心与圆环形凸起2-2-1的几何中心重合；
其二，微惯性测量单元装配在支撑架底座2-2后查看支撑架2的几何中心以及装配体质心的位置，通过在支撑架盖2-1及支撑架底座2-2内部的适当位置添加配重，使装配体的质心与圆环形凸起2-2-1的几何中心重合。
图3中水平的中心线可以看作一个垂直于纸面的平面，弹性减振环3应关于该平面对称。在进行方案设计时，为达到三向等刚度的目的，对弹性减振环3进行了形状优化，并以弹性减振环3的截面尺寸作为优化变量，以弹性减振环3轴向径向刚度相等为优化目标进行优化，以微惯性测量单元内传感器带宽频率范围内所有信号的放大率小于1.1为依据。经优化计算得出，弹性减振环3应由阻尼橡胶制作而成，例如纯硅橡胶、硫化橡胶、苯基硅橡胶等，尤其以苯基硅橡胶为佳3，且弹性减振环3的横截面最佳为方形，凹槽关于弹性减振环3径向中轴线对称，使得弹性减振环3的径向刚度与轴向刚度相等，从而使系统的最低固有频率高于微惯性测量单元内传感器的带宽范围，微惯性测量单元在震动时的位移放大率在带宽范围内小于1.1。
作为一种优选方案，上盖1的内侧边缘也设置有凸台，弹性减振环3的外径应略大于外壳内部圆柱形空间的内径，弹性减振环3在轴向的高度应略大于上盖1内侧凸台与外壳4底部凸台之间的轴向距离，上盖1与外壳4通过通过螺钉紧固的方式连接在一起，使用上盖1内侧凸台与外壳4底部凸台将弹性减振环3压紧在壳体内，使弹性减振环3与壳体之间不会产生相对位移。
结合图2，本发明各组件装配时，上盖1与外壳4通过螺钉5连接形成壳体，壳体通过外壳4底部支耳上的通孔，由螺钉6固连在安装平台7上。
Claims (5)
1.一种用于微惯性测量单元的减振结构，其特征在于，包括壳体、支撑架、弹性减振环；
所述壳体用于容纳所述支撑架和弹性减振环；
所述支撑架外部设置有圆环形凸起，支撑架的内部空腔用于放置微惯性测量单元；
所述弹性减振环为一个内壁开设有凹槽的圆环，该凹槽的大小与所述圆环形凸 起的大小相适应从而将圆环形凸起卡紧在凹槽内；
所述壳体内部为圆柱形空间，其底部四周设置有凸台用于放置弹性减振环，从而使弹性减振环将所述支撑架悬空放置在所述壳体内部，且所述支撑架与壳体内壁之间的间距足够大使得支撑架在振动时不会与壳体接触；
所述支撑架及其内部安装的微惯性测量单元构成的整体的质心与圆环形凸起的几何中心重合；
所述支撑架由支撑架上盖和底部封闭的圆筒形支撑架底座组成；圆环形凸起设置在支撑架底座的外侧面；支撑架底座的外侧面与壳体内壁的距离大于支撑架在振动时产生的相对于壳体内壁的最大径向位移。
2.如权利要求1所述用于微惯性测量单元的减振结构，其特征在于，通过在所述支撑架内部添加配重，使得支撑架及其内部安装的微惯性测量单元构成的整体的质心与圆环形凸起的几何中心重合。
3.如权利要求1所述用于微惯性测量单元的减振结构，其特征在于，所述弹性减振环由阻尼橡胶制作而成，且弹性减振环的横截面为方形，凹槽关于弹性减振环的径向中轴线对称。
4.如权利要求3所述用于微惯性测量单元的减振结构，其特征在于，所述阻尼橡胶为苯基硅橡胶。
5.如权利要求1所述用于微惯性测量单元的减振结构，其特征在于，所述壳体包括上盖和外壳，上盖的内侧边缘设置有凸台，弹性减振环的外径略大于外壳内部圆柱形空间的内径，弹性减振环在轴向的高度略大于上盖内侧凸台与外壳底部凸台之间的轴向距离，上盖与外壳固定连接在一起。
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