CN108955665B - 参激放大柔性结构振动微陀螺仪 - Google Patents

参激放大柔性结构振动微陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了参激放大柔性结构振动微陀螺仪，包括基部，从所述基部一侧外伸一柔性梁及柔性梁四周压电层结构，本发明柔性梁四周压电层不与柔性梁粘贴，有一定空隙，而所述柔性梁及柔性梁四周压电层的另一侧与柔性梁末端质量块固持；沿着质量块y和z方向各有一电极板，z向电极板与基部间连接直流和交流电压为驱动方向，y向电极板与基部间连接有直流电压为敏感方向；柔性梁四周压电片连接有交流电压，所取频率为谐振频率的两倍，可以使得柔性梁受到一轴向力而对柔性梁产生参数激励。如果将压电片跟柔性梁粘贴，给压电片通电将会使得柔性梁产生弯矩作用。本发明使得梁的振动幅值增大，从而达到放大振动微陀螺仪信号的作用。

Description

参激放大柔性结构振动微陀螺仪
技术领域
本发明涉及惯性传感器领域，是一种可检测旋转物体角速度的振动微陀螺仪。
背景技术
惯性传感器一直是航空航天领域内一项十分重要的器件，作为惯性传感器的重要组成部分，振动微陀螺仪是一类利用振动运动来代替传统自旋运动的陀螺敏感元件。相关技术的振动微陀螺仪主要利用压电驱动检测原理或者静电驱动检测原理制作而成，所述振动微陀螺仪仅靠旋转产生的科氏力使得敏感方向产生振动，从而测得角速度。为了得到振动微陀螺仪更好的工作品质，有必要提出一种新的技术方案提高柔性结构的振动幅值，从而达到放大振动微陀螺仪信号的目的。
发明内容
本发明旨在放大振动微陀螺仪的信号。
本发明是这样实现目的的：
一种振动微陀螺仪，所述振动微陀螺仪包括：基部，从所述基部一侧外伸一柔性梁及柔性梁四周压电片结构；与传统压电振动陀螺仪不同的是，该振动微陀螺仪所述柔性梁四周压电片不与柔性梁粘贴，有一定空隙，而所述柔性梁四周压电片的另一侧与柔性梁末端金属质量块固持；该振动微陀螺仪将采用沿着柔性梁长度方向的x轴，以及垂直于x轴分别在柔性梁两个横向的y轴和z轴，而绕x轴旋转的角速度Ω为需要检测的角速度；沿着金属质量块y和z方向各有一电极板，z向电极板和基部间连接直流和交流电压为驱动方向，y向电极板和基部间连接有直流电压为敏感方向。
作为一种优选实施方式，所述振动微陀螺仪包括第一金属片、金属梁、第二金属片、第三金属片和金属质量块。所述第一金属片作为基部，所述金属梁作为柔性梁，所述第二金属片作为敏感方向电极板，第三金属片作为驱动方向电极板，所述金属质量块作为柔性梁末端质量块。所述柔性梁四周压电片不与柔性梁粘贴，有一定空隙，所述柔性梁四周压电片一侧与所述基部固持，而另一侧与所述金属质量块固持。
作为一种优选实施方式，所述金属梁和梁四周压电片一侧分别固持连接于所述第一金属片的第一表面。所述第二金属片和第三金属片分别与y轴和z轴垂直设置，且分别平行于所述金属质量块与y轴和z轴垂直的两侧表面，所述第二金属片和第三金属片距离所述两侧表面距离相等。所述压电片包括第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片，所述柔性梁四周压电片的另一侧均与金属质量块的第五表面固持。
作为一种优选实施方式，所述柔性梁四周压电片连接有交流电压，所取交流电压的频率为谐振频率的两倍，可以使得所述柔性梁受到一轴向力而产生参激共振现象；当所取频率接近谐振频率两倍时发生的共振响应称之为次谐波共振；由于柔性梁振动微陀螺仪利用两个横向(驱动和感应方向)振动以测得角速度，将激励加载到轴向利用参数激励产生共振能够提高两个横向的振动幅值，从而使得柔性梁振动微陀螺仪获得更高的信号品质，实现信号放大的目的。
本发明提供的振动微陀螺仪是在原有静电陀螺仪的基础上增加了参激振动，从而实现振动信号的放大。
附图说明
图1是本发明中振动微陀螺仪沿y和z前向立体结构示意图；
图2是本发明中振动微陀螺仪沿x和z后向立体结构示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，为本发明提供的振动微陀螺仪，其包括基部，从所述基部一侧外伸一柔性梁及柔性梁四周的压电片，与传统压电振动陀螺仪不同的是，本发明中柔性梁四周的压电片不与柔性梁粘贴，柔性梁四周的压电片与柔性梁之间有一定空隙，而柔性梁四周压电片的另一侧与柔性梁末端质量块固持；沿着柔性梁末端质量块y和z方向各有一电极板，z向电极板和基部间连接直流和交流电压为驱动方向，y向电极板和基部间连接有直流电压为检测方向。
所述振动微陀螺仪包括第一金属片1、金属梁2、第二金属片3、第三金属片4和金属质量块5；所述第一金属片1作为基部，所述金属梁2作为柔性梁，所述第二金属片3作为敏感方向电极板和第三金属片4作为驱动方向电极板；所述柔性梁一侧与所述基部固持，另一侧与柔性梁末端金属质量块5设有的第五表面51固持。
所述第一金属片1设有第一表面11和与所述第一表面相对设置的第二表面12，所述第二表面12用以与印制电路板固持连接，所述金属梁2的一端通过焊接方式固持连接于所述第一表面11，固持连接方式除了通过焊接以外还能够采取其他可行方式。所述金属质量块5设有第五表面51，所述金属梁2的另一端焊接连接所述第五表面51。所述金属质量块5的y和z方向间隔一定距离分别有第二金属片3和第三金属片4。所述第二金属片3设有第三表面31且与第一金属片1连接有直流偏置电压。所述第三金属片4设有第四表面41且与第一金属片1连接有直流偏置和交流电压。所述第三表面31相对设置的表面(未标出)和所述第四表面41相对设置的表面(未标出)分别用以与印制电路板固持连接。
所述压电片包括第一压电片21、第二压电片22、第三压电片23和第四压电片24。所述第一压电片21和第三压电片23位于所述金属梁2的y向两侧，但不贴附于所述金属梁2。所述第二压电片22和第四压电片24位于所述金属梁2的z向两侧，但不贴附于所述金属梁2。所述第一压电片21、第二压电片22、第三压电片23和第四压电片24的一侧通过焊接连接在所述第一表面11，另一侧通过焊接连接在所述金属质量块5设有的第五表面51。优选的，所述金属梁2的一端和所述第一压电片21、第二压电片22、第三压电片23和第四压电片24距离相等且两端固持于所述第一表面11和所述第五表面51。
本发明的振动微陀螺仪在工作时，所述第三金属片4受到交流电压而沿z轴方向发生振动，定义此为第一振动模态。将所述振动微陀螺仪置于旋转体上时，所述振动微陀螺仪受到绕x轴方向的旋转作用，此时所述金属质量块5将会产生沿y轴方向的科氏力，所述科氏力使得所述金属质量块5沿着y轴方向产生弯曲振动，定义此为第二振动模态。根据所述金属质量块产生的模态位移可以检测出旋转体的角速度。同时，给所述第一压电片21、第二压电片22、第三压电片23和第四压电片24相同的交流电压，频率设置为二倍于系统谐振频率。所述第一压电片21、第二压电片22、第三压电片23和第四压电片24将会对所述金属梁2产生轴向力，所述轴向力使得所述金属梁2产生参数激励作用，所述参数激励将使得所述金属梁2沿着y向和z向增大弯曲振动位移，故能放大所述振动微陀螺仪的信号。
本发明提供的振动微陀螺仪是在原有静电陀螺仪的基础上增加了参数激励，使得系统发生参激共振，增大了柔性梁的振动位移，从而实现振动信号的放大。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但可认为在这里揭示原理的各种方式仍在权利要求的范围内。

Claims (6)

1.参激放大柔性结构振动微陀螺仪，其特征在于：包括基部，从所述基部一侧外伸一柔性梁及柔性梁四周的压电片，柔性梁四周的压电片不与柔性梁粘贴，柔性梁四周的压电片与柔性梁之间有一定空隙，而柔性梁四周压电片的另一侧与柔性梁末端质量块固持；该振动微陀螺仪将采用基部质心为坐标原点，以原点为中心，沿着柔性梁长度方向为x轴，定义垂直于x轴在柔性梁的两个横向方向上分别为y轴和z轴，对应的方向即为y方向和z方向；沿着柔性梁末端质量块y和z方向各有一电极板，z向电极板和基部间连接直流和交流电压为驱动方向，y向电极板和基部间连接有直流电压为检测方向。
2.根据权利要求1所述的参激放大柔性结构振动微陀螺仪，其特征在于：所述振动微陀螺仪包括第一金属片（1）、金属梁（2）、第二金属片（3）、第三金属片（4）和金属质量块（5）；所述第一金属片（1）作为基部，所述金属梁（2）作为振动微陀螺仪阵子，所述第二金属片（3）作为敏感方向电极板和第三金属片（4）作为驱动方向电极板，所述金属质量块（5）作为驱动和检测元件；所述柔性梁一侧与所述基部固持，另一侧与柔性梁末端所述金属质量块（5）设有的第五表面（51）固持；所述金属梁（2）等距的四周分别分布第一压电片（21）、第二压电片（22）、第三压电片（23）和第四压电片（24）。
3.根据权利要求2所述的参激放大柔性结构振动微陀螺仪，其特征在于：所述第一金属片（1）设有第一表面（11）和与所述第一表面相对设置的第二表面（12），所述第二表面（12）用以与印制电路板固持连接，所述金属梁（2）的一端通过焊接方式固持连接于所述第一表面（11）；所述金属质量块（5）设有第五表面（51），所述金属梁（2）的另一端焊接连接第五表面（51）；所述金属质量块（5）的y和z方向间隔一定距离分别有第二金属片（3）和第三金属片（4）；所述第二金属片（3）设有第三表面（31）且与第一金属片（1）连接有直流偏置电压；所述第三金属片（4）设有第四表面（41）且与第一金属片（1）连接有直流偏置和交流电压；所述第三表面（31）相对设置的表面和所述第四表面（41）相对设置的表面分别用以与印制电路板固持连接。
4.根据权利要求3所述的参激放大柔性结构振动微陀螺仪，其特征在于：所述金属梁（2）的一端和所述第一压电片（21）、第二压电片（22）、第三压电片（23）和第四压电片（24）距离相等且两端固持于所述第一表面（11）和所述第五表面（51）。
5.根据权利要求2所述的参激放大柔性结构振动微陀螺仪，其特征在于：工作时，所述第三金属片（4）受到交流电压而沿z轴方向发生振动，定义此为第一振动模态；将所述振动微陀螺仪置于旋转体上时，所述振动微陀螺仪受到绕x轴方向的旋转作用，此时所述金属质量块（5）将会产生沿y轴方向的科氏力，所述科氏力使得所述金属质量块（5）沿着y轴方向产生弯曲振动，定义此为第二振动模态；根据所述金属质量块产生的模态位移检测出旋转体的角速度；同时，给所述第一压电片（21）、第二压电片（22）、第三压电片（23）和第四压电片（24）相同的交流电压，频率设置为二倍于系统谐振频率；所述第一压电片（21）、第二压电片（22）、第三压电片（23）和第四压电片（24）将会对所述金属梁（2）产生轴向力，所述轴向力使得所述金属梁（2）产生参数激励作用，所述参数激励将使得所述金属梁（2）沿着y向和z向增大弯曲振动位移，故能放大振动微陀螺仪的信号。
6.根据权利要求3所述的参激放大柔性结构振动微陀螺仪，其特征在于：所述压电片包括第一压电片（21）、第二压电片（22）、第三压电片（23）和第四压电片（24）；所述第一压电片（21）和第三压电片（23）位于所述金属梁（2）的y向两侧，但不贴附于所述金属梁（2）；所述第二压电片（22）和第四压电片（24）位于所述金属梁（2）的z向两侧，但不贴附于所述金属梁（2）；所述第一压电片（21）、第二压电片（22）、第三压电片（23）和第四压电片（24）的一侧通过焊接连接在所述第一表面（11），另一侧通过焊接连接在所述金属质量块（5）设有的第五表面（51）。
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