CN112629514A - 一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子 - Google Patents

一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子 Download PDF

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Abstract

本发明涉及壳体振动陀螺，具体是一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子。本发明解决了现有壳体振动陀螺抗冲击能力差、品质因数低、加工工艺复杂、控制成本高的问题。一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，包括谐振质量、支撑座、四个驱动电极、四个驱动模态反馈电极、四个检测电极、四个检测模态补偿电极；其中，谐振质量为开口向上的圆杯状结构；谐振质量的底壁中央开设有上下贯通的中心圆孔；谐振质量的底壁边缘开设有八个上下贯通的隔离圆孔，且八个隔离圆孔围绕谐振质量的中心线对称分布。本发明适用于航空、航天、航海、工业、农业、交通等领域。

Description

一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子
技术领域
本发明涉及壳体振动陀螺，具体是一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子。
背景技术
壳体振动陀螺因具有精度高、功耗低的优点，而被广泛应用于航空、航天、航海、工业、农业、交通等领域。壳体振动陀螺的具体工作原理如下：当没有角速度输入时，壳体振动陀螺的谐振子在驱动模态下工作，壳体振动陀螺的输出为零。当有角速度输入时，壳体振动陀螺的谐振子在检测模态下工作，壳体振动陀螺实时测出输入角速度。然而实践表明，现有壳体振动陀螺由于其谐振子的几何结构所限，普遍存在抗冲击能力差、品质因数低、加工工艺复杂、控制成本高的问题。基于此，有必要发明一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，以解决现有壳体振动陀螺抗冲击能力差、品质因数低、加工工艺复杂、控制成本高的问题。
发明内容
本发明为了解决现有壳体振动陀螺抗冲击能力差、品质因数低、加工工艺复杂、控制成本高的问题，提供了一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，包括谐振质量、支撑座、四个驱动电极、四个驱动模态反馈电极、四个检测电极、四个检测模态补偿电极；
其中，谐振质量为开口向上的圆杯状结构；谐振质量的底壁中央开设有上下贯通的中心圆孔；谐振质量的底壁边缘开设有八个上下贯通的隔离圆孔，且八个隔离圆孔围绕谐振质量的中心线对称分布；
谐振质量的侧壁包括下段侧壁和上段侧壁；下段侧壁为锥筒状结构，且下段侧壁的直径自下而上逐渐增大；下段侧壁开设有八个内外贯通且沿母线方向设置的隔离条孔，且八个隔离条孔围绕谐振质量的中心线对称分布；八个隔离条孔的中心线与八个隔离圆孔的中心线一一对应地相交；上段侧壁为球带状结构，且上段侧壁的直径自下而上逐渐增大；
支撑座为开口向下的圆杯状结构，且支撑座同轴固定于中心圆孔的上端孔口边缘；支撑座的顶壁中央开设有上下贯通的安装螺孔；
四个驱动电极、四个驱动模态反馈电极、四个检测电极、四个检测模态补偿电极均为长条片状结构，且四个驱动电极、四个驱动模态反馈电极、四个检测电极、四个检测模态补偿电极均为沿厚度方向极化的压电陶瓷电极；
四个驱动电极的负电极面和四个检测模态补偿电极的负电极面均与谐振质量的外底壁固定，且四个驱动电极和四个检测模态补偿电极均沿径向设置；四个驱动电极和四个检测模态补偿电极围绕谐振质量的中心线对称分布；四个驱动电极一一对应地位于第一个隔离圆孔与第二个隔离圆孔之间、第三个隔离圆孔与第四个隔离圆孔之间、第五个隔离圆孔与第六个隔离圆孔之间、第七个隔离圆孔与第八个隔离圆孔之间；四个检测模态补偿电极一一对应地位于第二个隔离圆孔与第三个隔离圆孔之间、第四个隔离圆孔与第五个隔离圆孔之间、第六个隔离圆孔与第七个隔离圆孔之间、第八个隔离圆孔与第一个隔离圆孔之间；
四个驱动模态反馈电极的负电极面和四个检测电极的负电极面均与谐振质量的下段外侧壁固定，且四个驱动模态反馈电极和四个检测电极均沿母线方向设置；四个驱动模态反馈电极和四个检测电极围绕谐振质量的中心线对称分布；四个驱动模态反馈电极一一对应地位于第一个隔离条孔与第二个隔离条孔之间、第三个隔离条孔与第四个隔离条孔之间、第五个隔离条孔与第六个隔离条孔之间、第七个隔离条孔与第八个隔离条孔之间；四个检测电极一一对应地位于第二个隔离条孔与第三个隔离条孔之间、第四个隔离条孔与第五个隔离条孔之间、第六个隔离条孔与第七个隔离条孔之间、第八个隔离条孔与第一个隔离条孔之间。
工作时，安装螺孔内穿设有安装螺杆，安装螺杆的下端穿过中心圆孔与壳体振动陀螺的基底固定。四个驱动电极的正电极面、四个驱动模态反馈电极的正电极面、四个检测电极的正电极面、四个检测模态补偿电极的正电极面、谐振质量的外壁均通过金属导线与壳体振动陀螺的控制系统连接。
具体工作过程如下：首先，壳体振动陀螺的控制系统产生两路同幅、同频、反相的驱动电压信号，并将第一路驱动电压信号加载至第一个驱动电极和第三个驱动电极，同时将第二路驱动电压信号加载至第二个驱动电极和第四个驱动电极。在逆压电效应作用下，第一个驱动电极和第三个驱动电极进行同幅、同频、同相振动，第二个驱动电极和第四个驱动电极进行同幅、同频、同相振动，第一个驱动电极和第二个驱动电极进行同幅、同频、反相振动，第三个驱动电极和第四个驱动电极进行同幅、同频、反相振动。当没有角速度输入时，本发明在四个驱动电极的驱动下，以驱动模态作四波腹振动（如图3所示），由此在环向上产生驻波。此时，四个检测电极位于四波腹振动的波节处（四个驱动模态反馈电极位于四波腹振动的波腹处），由此使得壳体振动陀螺的输出为零。在正压电效应作用下，四个驱动模态反馈电极实时产生四路反馈电压信号，壳体振动陀螺的控制系统根据四路反馈电压信号实时解算出本发明的振动频率和振动幅值，并根据解算结果实时调节两路驱动电压信号，由此使得本发明的振动频率和振动幅值保持稳定，从而使得本发明的振型保持稳定。当有角速度输入时，驻波在哥氏力作用下发生进动（进动方向与角速度方向有关），由此使得本发明的振型发生偏转，从而使得本发明以检测模态作四波腹振动。此时，四个检测电极不再位于四波腹振动的波节处（四个驱动模态反馈电极不再位于四波腹振动的波腹处）。在正压电效应作用下，四个检测电极实时产生四路检测电压信号，壳体振动陀螺的控制系统根据四路检测电压信号实时解算出本发明的振型偏转角度，并根据解算结果实时产生四路补偿电压信号，然后将四路补偿电压信号实时加载至四个检测模态补偿电极。在逆压电效应作用下，四个检测模态补偿电极进行振动，由此使得本发明的振型偏转角度保持稳定。然后，壳体振动陀螺的控制系统根据本发明的振型偏转角度实时解算出输入角速度，由此使得壳体振动陀螺实时测出输入角速度。在上述过程中，隔离圆孔和隔离条孔的作用是消除电极之间的扰动。
基于上述过程，本发明所述的一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子通过采用多曲面融合回转体结构（该结构融合了圆形底壁、锥筒状下段侧壁、球带状上段侧壁），具备了如下优点：其一，本发明所采用的多曲面融合回转体结构具有易于振动且振动稳定的特点，由此有效增强了壳体振动陀螺的抗冲击能力、有效提高了壳体振动陀螺的品质因数。其二，本发明所采用的多曲面融合回转体结构易于实现模块化加工，由此有效简化了壳体振动陀螺的加工工艺。其三，本发明不再基于传统的静电控制方式进行工作，而是基于全新的压电控制方式进行工作，由此有效降低了壳体振动陀螺的控制成本。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有壳体振动陀螺抗冲击能力差、品质因数低、加工工艺复杂、控制成本高的问题，适用于航空、航天、航海、工业、农业、交通等领域。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图一。
图2是本发明的立体结构示意图二。
图3是本发明在驱动模态下的振型示意图。
图4是本发明在检测模态下的振型示意图。
图中：1-谐振质量，2-支撑座，3-驱动电极，4-驱动模态反馈电极，5-检测电极，6-检测模态补偿电极，7-中心圆孔，8-隔离圆孔，9-隔离条孔，10-安装螺孔。
具体实施方式
一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，包括谐振质量1、支撑座2、四个驱动电极3、四个驱动模态反馈电极4、四个检测电极5、四个检测模态补偿电极6；
其中，谐振质量1为开口向上的圆杯状结构；谐振质量1的底壁中央开设有上下贯通的中心圆孔7；谐振质量1的底壁边缘开设有八个上下贯通的隔离圆孔8，且八个隔离圆孔8围绕谐振质量1的中心线对称分布；
谐振质量1的侧壁包括下段侧壁和上段侧壁；下段侧壁为锥筒状结构，且下段侧壁的直径自下而上逐渐增大；下段侧壁开设有八个内外贯通且沿母线方向设置的隔离条孔9，且八个隔离条孔9围绕谐振质量1的中心线对称分布；八个隔离条孔9的中心线与八个隔离圆孔8的中心线一一对应地相交；上段侧壁为球带状结构，且上段侧壁的直径自下而上逐渐增大；
支撑座2为开口向下的圆杯状结构，且支撑座2同轴固定于中心圆孔7的上端孔口边缘；支撑座2的顶壁中央开设有上下贯通的安装螺孔10；
四个驱动电极3、四个驱动模态反馈电极4、四个检测电极5、四个检测模态补偿电极6均为长条片状结构，且四个驱动电极3、四个驱动模态反馈电极4、四个检测电极5、四个检测模态补偿电极6均为沿厚度方向极化的压电陶瓷电极；
四个驱动电极3的负电极面和四个检测模态补偿电极6的负电极面均与谐振质量1的外底壁固定，且四个驱动电极3和四个检测模态补偿电极6均沿径向设置；四个驱动电极3和四个检测模态补偿电极6围绕谐振质量1的中心线对称分布；四个驱动电极3一一对应地位于第一个隔离圆孔8与第二个隔离圆孔8之间、第三个隔离圆孔8与第四个隔离圆孔8之间、第五个隔离圆孔8与第六个隔离圆孔8之间、第七个隔离圆孔8与第八个隔离圆孔8之间；四个检测模态补偿电极6一一对应地位于第二个隔离圆孔8与第三个隔离圆孔8之间、第四个隔离圆孔8与第五个隔离圆孔8之间、第六个隔离圆孔8与第七个隔离圆孔8之间、第八个隔离圆孔8与第一个隔离圆孔8之间；
四个驱动模态反馈电极4的负电极面和四个检测电极5的负电极面均与谐振质量1的下段外侧壁固定，且四个驱动模态反馈电极4和四个检测电极5均沿母线方向设置；四个驱动模态反馈电极4和四个检测电极5围绕谐振质量1的中心线对称分布；四个驱动模态反馈电极4一一对应地位于第一个隔离条孔9与第二个隔离条孔9之间、第三个隔离条孔9与第四个隔离条孔9之间、第五个隔离条孔9与第六个隔离条孔9之间、第七个隔离条孔9与第八个隔离条孔9之间；四个检测电极5一一对应地位于第二个隔离条孔9与第三个隔离条孔9之间、第四个隔离条孔9与第五个隔离条孔9之间、第六个隔离条孔9与第七个隔离条孔9之间、第八个隔离条孔9与第一个隔离条孔9之间。
所述谐振质量1、支撑座2均采用Ni-Span-C Alloy 902恒弹性合金制成。
所述压电陶瓷为PZT-5H压电陶瓷。
四个驱动电极3的负电极面和四个检测模态补偿电极6的负电极面均通过导电胶与谐振质量1的外底壁固定；四个驱动模态反馈电极4的负电极面和四个检测电极5的负电极面均通过导电胶与谐振质量1的下段外侧壁固定。
谐振质量1的底壁的厚度为0.8mm；谐振质量1的下段侧壁的厚度为1mm、母线长度为10mm；谐振质量1的上段侧壁的厚度为1.2mm、高度为7.5mm、外径为30mm；支撑座2的厚度为0.5mm、高度为4.2mm；四个驱动电极3和四个检测模态补偿电极6的长度均为5.6mm、宽度均为1.6mm、厚度均为0.2mm；四个驱动模态反馈电极4和四个检测电极5的长度均为9mm、宽度均为1.6mm、厚度均为0.2mm；中心圆孔7的直径为4mm；八个隔离圆孔8的直径均为2mm；八个隔离圆孔8与中心圆孔7之间的孔距均为5mm；八个隔离条孔9的长度均为9mm、宽度均为2mm；安装螺孔10的直径为2mm。
谐振质量1的第一阶固有频率为1516.7Hz、第二阶固有频率为1531.6Hz、第三阶固有频率为4385.2Hz、第四阶固有频率为4385.4Hz、第五阶固有频率为5305.2Hz、第六阶固有频率为5425Hz、第七阶固有频率为11813Hz、第八阶固有频率为11814Hz、驱动模态频率为4385.4Hz、检测模态频率为4385.2Hz。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：包括谐振质量（1）、支撑座（2）、四个驱动电极（3）、四个驱动模态反馈电极（4）、四个检测电极（5）、四个检测模态补偿电极（6）；
其中，谐振质量（1）为开口向上的圆杯状结构；谐振质量（1）的底壁中央开设有上下贯通的中心圆孔（7）；谐振质量（1）的底壁边缘开设有八个上下贯通的隔离圆孔（8），且八个隔离圆孔（8）围绕谐振质量（1）的中心线对称分布；
谐振质量（1）的侧壁包括下段侧壁和上段侧壁；下段侧壁为锥筒状结构，且下段侧壁的直径自下而上逐渐增大；下段侧壁开设有八个内外贯通且沿母线方向设置的隔离条孔（9），且八个隔离条孔（9）围绕谐振质量（1）的中心线对称分布；八个隔离条孔（9）的中心线与八个隔离圆孔（8）的中心线一一对应地相交；上段侧壁为球带状结构，且上段侧壁的直径自下而上逐渐增大；
支撑座（2）为开口向下的圆杯状结构，且支撑座（2）同轴固定于中心圆孔（7）的上端孔口边缘；支撑座（2）的顶壁中央开设有上下贯通的安装螺孔（10）；
四个驱动电极（3）、四个驱动模态反馈电极（4）、四个检测电极（5）、四个检测模态补偿电极（6）均为长条片状结构，且四个驱动电极（3）、四个驱动模态反馈电极（4）、四个检测电极（5）、四个检测模态补偿电极（6）均为沿厚度方向极化的压电陶瓷电极；
四个驱动电极（3）的负电极面和四个检测模态补偿电极（6）的负电极面均与谐振质量（1）的外底壁固定，且四个驱动电极（3）和四个检测模态补偿电极（6）均沿径向设置；四个驱动电极（3）和四个检测模态补偿电极（6）围绕谐振质量（1）的中心线对称分布；四个驱动电极（3）一一对应地位于第一个隔离圆孔（8）与第二个隔离圆孔（8）之间、第三个隔离圆孔（8）与第四个隔离圆孔（8）之间、第五个隔离圆孔（8）与第六个隔离圆孔（8）之间、第七个隔离圆孔（8）与第八个隔离圆孔（8）之间；四个检测模态补偿电极（6）一一对应地位于第二个隔离圆孔（8）与第三个隔离圆孔（8）之间、第四个隔离圆孔（8）与第五个隔离圆孔（8）之间、第六个隔离圆孔（8）与第七个隔离圆孔（8）之间、第八个隔离圆孔（8）与第一个隔离圆孔（8）之间；
四个驱动模态反馈电极（4）的负电极面和四个检测电极（5）的负电极面均与谐振质量（1）的下段外侧壁固定，且四个驱动模态反馈电极（4）和四个检测电极（5）均沿母线方向设置；四个驱动模态反馈电极（4）和四个检测电极（5）围绕谐振质量（1）的中心线对称分布；四个驱动模态反馈电极（4）一一对应地位于第一个隔离条孔（9）与第二个隔离条孔（9）之间、第三个隔离条孔（9）与第四个隔离条孔（9）之间、第五个隔离条孔（9）与第六个隔离条孔（9）之间、第七个隔离条孔（9）与第八个隔离条孔（9）之间；四个检测电极（5）一一对应地位于第二个隔离条孔（9）与第三个隔离条孔（9）之间、第四个隔离条孔（9）与第五个隔离条孔（9）之间、第六个隔离条孔（9）与第七个隔离条孔（9）之间、第八个隔离条孔（9）与第一个隔离条孔（9）之间。
2.根据权利要求1所述的一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：所述谐振质量（1）、支撑座（2）均采用Ni-Span-C Alloy 902恒弹性合金制成。
3.根据权利要求1所述的一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：所述压电陶瓷为PZT-5H压电陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：四个驱动电极（3）的负电极面和四个检测模态补偿电极（6）的负电极面均通过导电胶与谐振质量（1）的外底壁固定；四个驱动模态反馈电极（4）的负电极面和四个检测电极（5）的负电极面均通过导电胶与谐振质量（1）的下段外侧壁固定。
5.根据权利要求1所述的一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：谐振质量（1）的底壁的厚度为0.8mm；谐振质量（1）的下段侧壁的厚度为1mm、母线长度为10mm；谐振质量（1）的上段侧壁的厚度为1.2mm、高度为7.5mm、外径为30mm；支撑座（2）的厚度为0.5mm、高度为4.2mm；四个驱动电极（3）和四个检测模态补偿电极（6）的长度均为5.6mm、宽度均为1.6mm、厚度均为0.2mm；四个驱动模态反馈电极（4）和四个检测电极（5）的长度均为9mm、宽度均为1.6mm、厚度均为0.2mm；中心圆孔（7）的直径为4mm；八个隔离圆孔（8）的直径均为2mm；八个隔离圆孔（8）与中心圆孔（7）之间的孔距均为5mm；八个隔离条孔（9）的长度均为9mm、宽度均为2mm；安装螺孔（10）的直径为2mm。
6.根据权利要求5所述的一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：谐振质量（1）的第一阶固有频率为1516.7Hz、第二阶固有频率为1531.6Hz、第三阶固有频率为4385.2Hz、第四阶固有频率为4385.4Hz、第五阶固有频率为5305.2Hz、第六阶固有频率为5425Hz、第七阶固有频率为11813Hz、第八阶固有频率为11814Hz、驱动模态频率为4385.4Hz、检测模态频率为4385.2Hz。
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