CN201689108U - 一种异步驱动压电振动角速率传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种异步驱动压电振动角速率传感器，在金属外壳内设置有敏感器件支架，敏感器件为安装在基座(2)中的矩形振梁(1)及其控制电路，振梁(1)中部的四面和端部分别贴有压电换能器(4、5、6、7、8、9)，其中压电换能器(6)与读出解调电路(34、36、37)相连，压电换能器(7)与阻尼电路(35)相连，所述压电换能器(8、9)与驱动电路(32、33)相连构成异步驱动回路，所述压电换能器(4)与主驱动电路(31)相连、压电换能器(5)与反馈电路(30)相连构成主振荡回路。本实用新型在不同的时候和不同方向分别给予振梁施加不同的驱动力，以保持振梁振动的稳定和振动幅度不变，提高振动的稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种角速率传感器，特别是指一种测量载体在惯性空间运动角速率的异步驱动压电振动角速率传感器。
背景技术
国内外已对振动角速率传感器进行了广泛的开发研究，美日等西方发达国家开发了多种振动角速率传感器，有单、双音叉型、矩形断面或三角形断面等振梁型，这些传感器均采用压电换能器来完成传感功能，即传感器用于驱动振梁运动和读取运动信号的换能器都是采用压电陶瓷片。近年来振动角速率传感器获得了广泛的应用，其中振梁式振动角速率陀螺研究更为深入，已有系列产品应用于各种测量系统中，其典型的压电振动角速率传感器的结构如下：敏感器件为安装在基座中的矩形振梁及其控制电路。振梁的中央贴有四片压电换能器，并在其基频的波节点处用两根钢丝扣针支撑，然后通过钢丝将振梁悬空固定在基座上，通过导线将振梁上的压电换能器与控制电路相连。这类传感器使用压电陶瓷作为换能器来完成传感功能，即是说通过驱动换能器将电能转化为机械力，使振梁产生机械振动，然后通过读出换能器将传感器敏感的哥氏力转化为电信号，再通过读出电路将该信号解调放大，最后输出一个与输入角速率大小成正比的电信号，达到完成测量载体角速率的目的。虽然采用压电换能器结构简单、成本低，但由于压电换能器受温度影响，其参数变化大，这些参数的变化，一方面要影响传感器的输出变化，另一方面，这些参数的变化同样会改变驱动电路给予梁的驱动力，从而影响振梁振动，主要表现在振梁振幅大小的变化，以及振梁振动的稳定。由于制作工艺以及加工误差，造成了振梁质量的分布不均匀，当给振梁的驱动力发生变化后，振梁极容易产生影响传感器性能的附加振动。由于振梁的附加振动是无法采用电路的方法进行消除的，由此，使得传感器的一些关键技术指标，如比例系数和输出零位的稳定性差，典型的比例系数在全温度-50℃～+70℃的范围内变化达5％以上，输出零位漂移在0.2°/s/h以上，使传感器的应用范围受到较大限制。
众所周知，一个悬挂系统的自激振荡是一个不稳定的振动，同时压电换能器，一方面受温度的影响其性能参数变化较大，另一方面，压电换能器的振动模式相当复杂，即是说在外部条件影响下，极容易产生其有害的附加振动。此外，作为振动的振梁由于加工精度的差异及制作工艺的影响，使得振梁的质量分布不均。这就极容易造成振梁振动的不稳和产生次声振动。
实用新型内容
针对上述现有技术的不足之处，本实用新型提供一种通过异步驱动振梁振动，并辅以增大振梁的驱动力达到增大振动幅度和稳定振梁振动来提高传感器的分辨率、线性度和输出零位稳定性，可根据振梁振动的变化而改变振梁驱动力，达到稳定振梁的振动，提高振梁式角速率传感器的性能，扩大其应用范围，有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：公开一种异步驱动压电振动角速率传感器，在金属外壳内设置有敏感器件支架，敏感器件为安装在基座2中的矩形振梁1及其控制电路，振梁1中部的四面分别贴有压电换能器4、5、6、7，其中压电换能器6与读出解调电路34、36、37相连，读出解调电路34、36、37将压电换能器6敏感的角速率信号以模拟信号或数字信号输出，压电换能器7与阻尼电路35相连，还包括压电换能器8、9，所述压电换能器8、9与驱动电路32、33相连构成异步驱动回路，给振梁1施加驱动力，所述压电换能器4与主驱动电路31相连、压电换能器5与反馈电路30相连构成主振荡回路，使振梁1在其基频处产生振动。
作为优选，振梁1的振动变化引起读出解调电路34、36、37输出幅度和相位的变化，读出解调电路34、36、37将该变化量输入电路38，电路38将幅度和相位的变化量进行变频、移相、放大后分别输入驱动电路32、33，驱动电路32、33将幅度和相位的大小分别给予压电换能器8、9一个电压信号，通过压电换能器8、9的反压电效应，将该电压信号转换成机械力，改善振梁1的振动，达到稳定振梁振动。
更进一步地，传感器敏感的角速率信号经过读出电路34进行交流放大，再经过读出解调电路36将信号解调，变成直流信号，后经过电路37进行直流放大，输出一个与输入角速率成正比的直流电压Vout。
作为优选，在振梁1基频的波节点处由钢丝扣针3支撑，且振梁1悬空固定在基座2上。
作为优选，所述压电换能器8、9贴于与振梁1支撑扣针3平行的两端表面上。
与现有技术相比，该实用新型带来的有益效果为：该实用新型在原主驱动回路的情况下增加两个驱动回路，并在不同的时候和不同方向分别给予振梁施加不同的驱动力，以保持振梁振动的稳定和振动幅度不变，在不同的条件下给梁施加不同的驱动力，提高振动的稳定。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为图1的剖面示意图；
图3为本实用新型的控制原理框图；
图4为本实用新型的电路原理框图；
图5为本实用新型图4的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1-3所示，作为本实用新型的一种实施例，该异步驱动压电振动角速率传感器，在金属外壳内设置有敏感器件支架，敏感器件为安装在基座2中的矩形振梁1及其控制电路，在振梁1基频的波节点处由钢丝扣针3支撑，且振梁1悬空固定在基座2上。振梁1中部的四面分别贴有压电换能器4、5、6、7，其中压电换能器6与读出解调电路34、36、37相连，读出解调电路34、36、37将压电换能器6敏感的角速率信号以模拟信号或数字信号输出，压电换能器7与阻尼电路35相连，还包括压电换能器8、9，所述压电换能器8、9贴于与振梁1支撑扣针3平行的两端表面上。压电换能器8、9与驱动电路32、33相连构成异步驱动回路，给振梁1施加驱动力，所述压电换能器4与主驱动电路31相连、压电换能器5与反馈电路30相连构成主振荡回路，使振梁1在其基频处产生振动。振梁1的振动变化引起读出解调电路34、36、37输出的变化，读出解调电路34、36、37将该变化量输入电路38，电路38将变化量进行变频、移相、放大后分别输入驱动电路32、33，驱动电路32、33将变化量放大后分别给予压电换能器8、9一个电压信号，通过压电换能器8、9的反压电效应，将该电压信号转换成机械力，改善振梁的振动，提高振梁振动的稳定。
该异步压电振动角速率传感器的具体工作原理为，在一个闭环振荡系统中，通过给振动元件施加一个外力，通过外力的作用来改善振动元件的振动状态。如图3所示，压电换能器4、5、6、7、8、9粘贴在矩形振梁1表面，主驱动电路31给压电换能器4一个驱动电压，由于压电材料的反压电效应，压电换能器4将产生一个机械应变力施加在振梁1上，从而使振梁1产生振动，当振动频率与振梁1的基频一致时，振梁1即产生谐振，振幅达到最大值。此时贴在振梁1反馈面的压电换能器5将受到一个机械应变力的作用，由于压电效应，压电换能器5将输出一个电压给反馈电路30。这样驱动电路31、反馈电路30与驱动换能器4、反馈换能器5共同构成一个闭环振荡系统，维持振梁1的振动。当传感器的载体产生旋转，给传感器输入一个角速率时，将有一个哥氏力作用在压电换能器6上，由于压电效应，压电换能器6将输出一个与角速率成正比的电压信号，该信号输给读出电路34进行交流放大，再经过读出解调电路36将信号解调变成直流信号，再经过电路37进行直流放大，最后输出一个与输入角速率成正比的直流电压Vout，从而达到测量角速率的目的。阻尼电路35与压电换能器7共同构成阻尼系统，以改善传感器的适应能力。压电换能器8、9分别与电路32、33及电路38共同构成异步驱动系统。电源电路29分别给各个电路系统提供所需的电压。其中，振梁1振动的变化将引起读出解调电路34、36、37输出的变化，读出解调电路34、36、37将这个变化的信号输给电路38，通过电路38将该信号的变化量进行变频、移相、放大后分别输出给驱动电路32、33，然后驱动电路32、33根据幅度、相位变化的大小分别给予压电换能器8、9一个电压信号，通过压电换能器8、9的反压电效应将这个电压信号转换成一个机械形变外力，从而达到施加振梁1一个外力的目的，起到稳定振梁1振动的作用。
从压电振动角速率传感器的工作原理可知，传感器输出的灵敏度和零位稳定性与振梁振动幅度、频率、振梁振动的平衡稳定密切相关。因此，通过不同时间和不同位置给予梁施加不同的驱动力，一方面可以通过不同的驱动力消除振梁因质量分布不均匀而造成振动不稳的影响，另一方面不同的驱动力也可抵消温度、外部振动冲击等因环境变化而使压电换能器性能变化引起振动不稳的影响。从而保持振梁振动稳定不变，提高传感器的性能指标。
本实用新型实施例达到的性能指标如附表一所示。
如图4-5所示，读出零位电压11输出信号的变化量给误差放大电路38，经分相电路121及整流电路122后再与一个基准电压进行比较，得出一个误差信号，然后经误差放大电路123进行误差放大，再经双T滤波124后输送给驱动电路13，经驱动电路13中的隔离级131、滤波132及增益控制133电路后输出134，其原理为，增益控制133根据误差电压的大小控制其放大倍数决定驱动压电换能器的电压大小，从而通过压电换能器的反压电效应，给振梁1施加一个与驱动电压成比例的机械应变力，达到改善振梁的振动状态，从而使输出零位电压稳定，反复重复上述过程。故通过异步驱动即可消除压电换能参数变化及外部环境如温度、振动等的变化的影响，达到稳定振梁的振动，提高压电振动角速率传感器的性能和稳定性。
以上对本实用新型所提供的一种异步驱动压电振动角速率传感器进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。对本实用新型的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求可规定的构思和范围。
附表一：
本实用新型产品的测试数据
| 性能指标名称 | CXAG-7A | CXAG-7C |
| 工作电压(v) | ±15±0.1 | ±15±0.1 |
| 工作电流(mA) | ≤60 | ≤60 |
| 输出电压范围(V) | 0～±10 | 0～±10 |
| 测量范围(°/s) | ≥|±100| | ≥|±150| |
| 零位电压漂移(mv/h) | ≤|±2| | ≤0.05°/s/h |
| 分辨率(°/s) | 0.002 | 0.002 |
| 线性度(％)1σ | ≤0.01 | ≤0.02 |
| 标度因数稳定性(％) | ≤0.5 | ≤0.5 |
| 零位电压范围(mv) | ±3 | ±5 |
| 工作寿命(h) | ＞3×105 | ＞3×105 |
| 外形尺寸(mm) | 30×38×70 | 30×38×70 |
Claims (5)
1.一种异步驱动压电振动角速率传感器，在金属外壳内设置有敏感器件支架，敏感器件为安装在基座(2)中的矩形振梁(1)及其控制电路，振梁(1)中部的四面分别贴有压电换能器(4、5、6、7)，其中压电换能器(6)与读出解调电路(34、36、37)相连，读出解调电路(34、36、37)将压电换能器(6)敏感的角速率信号以模拟信号或数字信号输出，压电换能器(7)与阻尼电路(35)相连，其特征在于：还包括压电换能器(8、9)，所述压电换能器(8、9)与驱动电路(32、33)相连构成异步驱动回路，给振梁(1)施加驱动力，所述压电换能器(4)与主驱动电路(31)相连、压电换能器(5)与反馈电路(30)相连构成主振荡回路，使振梁(1)在其基频处产生振动。
2.根据权利要求1所述的一种异步驱动压电振动角速率传感器，其特征在于：振梁(1)的振动变化引起读出解调电路(34、36、37)输出幅度和相位的变化，读出解调电路(34、36、37)将该变化量输入放大电路(38)，放大电路(38)将幅度和相位的变化量进行变频、移相、放大后分别输入驱动电路(32、33)，驱动电路(32、33)将幅度和相位的大小分别给予压电换能器(8、9)一个电压信号，通过压电换能器(8、9)的反压电效应，将该电压信号转换成机械力，改善振梁(1)的振动。
3.根据权利要求2所述的一种异步驱动压电振动角速率传感器，其特征在于：传感器敏感的角速率信号经过读出电路(34)进行交流放大，经过解调电路(36)将信号进行解调变成直流信号，经过读出电路(37)进行直流放大，最后输出一个与输入角速率成正比的直流电压Vout。
4.根据权利要求1所述的一种异步驱动压电振动角速率传感器，其特征在于：在振梁(1)基频的波节点处由钢丝扣针(3)支撑，且振梁(1)悬空固定在基座(2)上。
5.根据权利要求1所述的一种异步驱动压电振动角速率传感器，其特征在于：所述压电换能器(8、9)贴于与振梁(1)支撑扣针(3)平行的两端表面上。
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| CN109510507A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-03-22 | 南京工程学院 | 并联无轴承双旋式驻波型直线超声波电机 |
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