CN113063408B - 一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，包括光电检测装置，光电检测装置垂直安装于磁场加转系统的安装孔中，光电检测装置轴心正对球型空心转子的球心，借助光电检测装置瞄视球型空心转子上的刻线而获得角度信号；磁场加转系统安装于圆筒定子的上面，球型空心转子浮于圆筒定子内部液体中，圆筒定子固定安装于声匹配层的上表面，声匹配层的下表面粘结有平面全息换能器，平面全息换能器的下表面安装有底座；采用平面全息换能器形成的涡旋声场，带动球型空心转子高速旋转实现陀螺效果，陀螺精度可以大幅提高，具有结构简单、稳定性高、易于集成、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声悬浮陀螺仪技术领域，具体涉及一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪。
背景技术
超声悬浮陀螺仪是将超声悬浮和驱动技术应用到惯性仪表领域而形成的机械转子式陀螺仪，其基本原理如下：利用超声悬浮支撑技术将球型转子悬浮起来，然后利用超声驱动技术将球形转子高速旋转产生陀螺效应，最后利用信号读取装置来进行角运动检测，实现导航定位功能；其中悬浮力来源于超声振动产生的声辐射压力，驱动力来源于声粘性力和声辐射压力在转动方向的分量。
目前，大多数超声陀螺仪利用近声场悬浮技术，依赖压电陶瓷阵列产生特定振动模态的行波来实现球型转子的悬浮和旋转，如碗式定子超声悬浮陀螺和轴/径向耦合式超声悬浮陀螺。其中，近场超声悬浮利用声辐射源与被悬浮物体间隙内形成的高声强效应，实现对被悬浮物的稳定悬浮、非接触传输和高速驱动；压电功能结构的振动在定、转子间隙内的流体介质中形成高强度声场，可对转子实现微小间隙的悬浮和驱动，这种独特的物理作用机制具有无摩擦损耗、寿命长、易获得高转速的特点。但是目前存在的超声陀螺仪依赖于众多压电陶瓷阵列，存在结构复杂、可靠性差、不易小型化的弊端，难以取得广泛应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，具有结构简单、稳定性高、易于集成、成本低的优点。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，包括光电检测装置1，光电检测装置1垂直安装于磁场加转系统2的安装孔中，光电检测装置1轴心正对球型空心转子3的球心，借助光电检测装置1瞄视球型空心转子3上的刻线而获得角度信号；磁场加转系统2安装于圆筒定子4的上面，球型空心转子3浮于圆筒定子4内部液体中，圆筒定子4固定安装于声匹配层5的上表面，声匹配层5的下表面粘结有平面全息换能器6，平面全息换能器6的下表面安装有底座7。
在平面全息换能器6和底座7之间留有空气间隙，采用空气背衬的方式使得声波在此全部反射。
所述的球型空心转子3为铝制材料，质量分布均匀，轴对称，质心与其外球面几何中心重合。
所述的球型空心转子3的体积在保证角度测量准确的前提下应该越小越好。
所述的圆筒定子4底面材质和厚度需要依据声阻抗匹配原理设计。
所述的圆筒定子4和声匹配层5应该满足声阻抗匹配原则，平面全息换能器6的压电基板选用PZT-5H，圆筒定子4选用有机玻璃材质，声匹配层5选用石英玻璃，声匹配层5厚度取声波在其材质内传播波长的四分之一，圆筒定子4、声匹配层5、平面全息换能器6之间用环氧树脂胶体进行粘结,以确保声透射率。
所述的平面全息换能器6是在压电基板6-1表面溅射两条金属螺旋电极6-2形成，具体方法为：先将压电基板6-1在厚度方向极化，之后在压电基板6-1下表面即正极溅射两条金属螺旋电极6-2，金属螺旋电极6-2镀层为50nm Cr+100nm Au，两条金属螺旋电极6-2的相位相差π，再在压电基板6-1上表面即负极镀整面电极且做翻边方便引线，负极镀层为100nm Al。
所述的金属螺旋电极6-2是利用菲涅尔透镜的原理，将聚焦声涡旋的Hankel声束的等相线折叠到压电基板6-1上形成螺旋电极轨迹。
所述的螺旋电极轨迹设计方法如下：
Hankel球型涡旋在复平面的表达式如下：
其中，(r,θ,φ)为球面坐标，A为波的幅值，k是波数，
为Legendra多项式，hl为第一类球型Hankel函数；
在远场，Hankel函数近似为：
其中，引入柱面坐标
和无量纲参数：
Ψ在平面上的等相值由下式给出：
化简得
其中
C1和C2都为常数；
考虑两条螺旋电极轨迹的相位差Δφ＝π，则螺旋电极轨迹的极坐标方程为：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用单一平面全息换能器6形成的涡旋声场，带动球型空心转子3高速旋转实现陀螺效果，采用非接触支承，不存在传统接触式陀螺产生的固体间的摩擦力，有效避免了干扰力矩，陀螺精度可以大幅提高。与现有技术相比，本发明无需借助众多换能器阵列去实现超声悬浮，结构简单、易于装配集成、稳定性更高、与一次性压电基片兼容，具有低成本、微型化、高精度的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明压电基板6-1上两条金属螺旋电极6-2平面图。
图3是本发明基于角谱法的Focus声场仿真图。
图4是本发明压电基板应力变形仿真图。
图5是本发明基于COMSOL的声-压电耦合频域仿真图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，包括光电检测装置1，光电检测装置1垂直安装于磁场加转系统2的安装孔中，光电检测装置1轴心正对球型空心转子3的球心，借助光电检测装置1瞄视球型空心转子3上的刻线而获得角度信号，光电式传感技术用于检测非电量，具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等特点，可以满足超声陀螺仪角度测量系统的技术要求；磁场加转系统2安装于圆筒定子4的上面，球型空心转子3浮于圆筒定子4内部液体中，磁场加转系统2一方面起到封闭圆筒定子4内部液体的作用，另一方面，球型空心转子3起转和阻尼定中需要磁场加转系统2辅助完成，光电检测转置1和磁场加转系统2作为陀螺仪的辅助部件；圆筒定子4固定安装于声匹配层5的上表面，声匹配层5的下表面粘结有平面全息换能器6，平面全息换能器6的下表面安装有底座7，起支撑作用。
为了提高平面全息换能器6的效率，避免能量消耗在换能器后端口，需要故意造成后端口阻抗的严重失配，所以在平面全息换能器6和底座7之间留有空气间隙，采用空气背衬的方式使得声波在此全部反射。
所述的球型空心转子3为铝制材料，质量分布均匀，轴对称，质心与其外球面几何中心重合。
所述的球型空心转子3的体积在保证角度测量准确的前提下应该越小越好，根据斯托克定律，在液体中做旋转运动的球型空心转子3受到的粘滞阻力与其半径和运动速度成正比，高速旋转的转子质量和体积应该尽可能小。
所述的圆筒定子4底面材质和厚度需要依据声阻抗匹配原理设计。
所述的圆筒定子4和声匹配层5应该满足声阻抗匹配原则，平面全息换能器6的压电基板选用PZT-5H，圆筒定子4选用有机玻璃材质，声匹配层5选用石英玻璃，声匹配层5厚度取声波在其材质内传播波长的四分之一，圆筒定子4、声匹配层5、平面全息换能器6之间用环氧树脂胶体进行粘结,以确保理想的声透射率。
所述的平面全息换能器6是在压电基板6-1表面溅射两条金属螺旋电极6-2形成，如图2所示；具体方法为：现将压电基板6-1在厚度方向极化，之后在压电基板6-1下表面即正极溅射两条金属螺旋电极6-2，金属螺旋电极6-2镀层为50nm Cr+100nm Au，两条金属螺旋电极6-2的相位相差π，再在压电基板6-1上表面即负极镀整面电极且做翻边方便引线，负极镀层为100nm Ag，由此形成平面全息换能器6。
所述的金属螺旋电极6-2是利用菲涅尔透镜的原理，将聚焦声涡旋的Hankel声束的等相线折叠到压电基板6-1上形成螺旋电极轨迹。
所述的螺旋电极轨迹设计方法如下：
Hankel球型涡旋在复平面的表达式如下：
其中，(r,θ,φ)为球面坐标，A为波的幅值，k是波数，
为Legendra多项式，hl为第一类球型Hankel函数；
在远场，Hankel函数近似为：
其中，引入柱面坐标
和无量纲参数：
Ψ在平面上的等相值由下式给出：
化简得
其中
C1和C2都为常数；
考虑两条螺旋电极轨迹的相位差Δφ＝π，则螺旋电极轨迹的极坐标方程为：
以上是两条螺旋电极轨迹的极坐标方程理论推导,设计的两条金属螺旋电极6-2如图2所示。
本发明的工作原理为：
本发明是基于压电陶瓷的逆压电效应，在检查光电检测转置1和磁场加转系统2正常工作的情况下，在平面全息换能器6的两条金属螺旋电极6-2上分别通高频交流电信号，两者相位相差π，压电基板6-1高频振动产生平面波，平面波经由声匹配层5传递到圆筒定子4内部液体中形成球型声涡旋，在磁场加转系统2的辅助下，球型空心转子3起转并随声涡旋高速转动，采用声涡旋的方式支承陀螺转子高速旋转，不存在传统接触式轴承产生的固体间的摩擦力，有效避免了干扰力矩，陀螺精度可以大幅提高。
在球型空心转子3启动后，磁场加转系统2应该保证无剩磁且无外部磁场进入转子，确保无磁场干扰力发生。在理想条件下，球型空心转子3在不受任何外力矩作用，完全工作在自由状态，其动量矩主轴将保持在惯性空间永远不动，这可以作为精密导航和定位的参照。当整个外部结构偏转一个角度时，光电检测转置1借助光电传感器瞄视球型空心转子3上的刻线而获得角度信号，便可以测量出球型空心转子3相对于仪表壳体的转角。
对本发明一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪进行仿真，其仿真结果如下：
设计螺旋电极轨迹，具体取m＝1；
基于角谱法，在MATLAB中利用Focus工具包进行声场仿真。通过在压电基板6-1、金属螺旋电极6-2表面设定源压力分布，根据角谱法便可以求解出声场其他位置的声压分布。激励频率f0＝2e6Hz，源压力P0分布如下：内电极为1Pa，外电极为-1Pa，仿真结果如图3所示，图3为xz平面的声压分布图，横坐标是z轴，纵坐标是x轴，单位为mm,声场在z＝8mm附近区域形成聚焦，并且声压明显得到增强，最大值超过14Pa；在x＝0的中心区域，声压几乎为0，周围声压很强，形成了声涡旋，可以悬浮球型空心转子3并驱动其转动。
借助COMSOL多物理场仿真软件进行压力声学频域研究，涉及固体力学、压力声学和静电场的耦合，在压电基板6-1表面设计两条金属螺旋电极6-2，用频率f0＝1e6Hz交流电信号激励，压电基板6-1应力变形图如图4所示，压电基板6-1在两条金属螺旋电极6-2区域高频振动，变形明显，其余区域无明显形变；用频率f0＝5e5Hz交流电信号激励，声场在压电基板6-1上面水域中形成聚焦声涡旋，仿真结果如图5所示，图5为yz平面的声场分布图，底面正方形的薄板是压电基板6-1，上表面设置有设计好的两条金属螺旋电极6-2，声场在压电基板6-1上方水域得到了聚焦，形成了声涡旋，其结果和基于角谱法得到的仿真结果基本一致，对于球型空心转子3陀螺效应的形成是有利的。
借助COMSOL多物理场仿真软件进行压力声学瞬态研究，考虑液体的粘滞阻力，声涡旋的高转速对于球型空心转子的陀螺效应是非常有利的。
Claims (8)
1.一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，包括光电检测装置(1)，其特征在于：光电检测装置(1)垂直安装于磁场加转系统(2)的安装孔中，光电检测装置(1)轴心正对球型空心转子(3)的球心，借助光电检测装置(1)瞄视球型空心转子(3)上的刻线而获得角度信号；磁场加转系统(2)安装于圆筒定子(4)的上面，球型空心转子(3)浮于圆筒定子(4)内部液体中，圆筒定子(4)固定安装于声匹配层(5)的上表面，声匹配层(5)的下表面粘结有平面全息换能器(6)，平面全息换能器(6)的下表面安装有底座(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：在平面全息换能器(6)和底座(7)之间留有空气间隙，采用空气背衬的方式使得声波在此全部反射。
3.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的球型空心转子(3)为铝制材料，质量分布均匀，轴对称，质心与其外球面几何中心重合。
4.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的圆筒定子(4)底面材质和厚度需要依据声阻抗匹配原理设计。
5.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的圆筒定子(4)和声匹配层(5)应该满足声阻抗匹配原则，平面全息换能器(6)的压电基板选用PZT-5H，圆筒定子(4)选用有机玻璃材质，声匹配层(5)选用石英玻璃，声匹配层(5)厚度取声波在其材质内传播波长的四分之一，圆筒定子(4)、声匹配层(5)、平面全息换能器(6)之间用环氧树脂胶体进行粘结,以确保声透射率。
6.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的平面全息换能器(6)是在压电基板(6-1)表面溅射两条金属螺旋电极(6-2)形成，具体方法为：先将压电基板(6-1)在厚度方向极化，之后在压电基板(6-1)下表面即正极溅射两条金属螺旋电极(6-2)，金属螺旋电极(6-2)镀层为50nm Cr+100nm Au，两条金属螺旋电极(6-2)的相位相差π，再在压电基板(6-1)上表面即负极镀整面电极且做翻边方便引线，负极镀层为100nm Ag。
7.根据权利要求6所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：所述的金属螺旋电极(6-2)是利用菲涅尔透镜的原理，将聚焦声涡旋的Hankel声束的等相线折叠到压电基板(6-1)上形成螺旋电极轨迹。
8.根据权利要求7所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于，螺旋电极轨迹设计方法如下：
Hankel球型涡旋在复平面的表达式如下：
其中，
为球面坐标，A为波的幅值，k是波数，
为Legendra多项式，hl为第一类球型Hankel函数；
在远场，Hankel函数近似为：
其中，引入柱面坐标
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Ψ在平面上的等相值由下式给出：
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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