RU2426131C1 - Method and device to measure angular speed - Google Patents
Method and device to measure angular speed Download PDFInfo
- Publication number
- RU2426131C1 RU2426131C1 RU2010105353/28A RU2010105353A RU2426131C1 RU 2426131 C1 RU2426131 C1 RU 2426131C1 RU 2010105353/28 A RU2010105353/28 A RU 2010105353/28A RU 2010105353 A RU2010105353 A RU 2010105353A RU 2426131 C1 RU2426131 C1 RU 2426131C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- surface acoustic
- acoustic wave
- piezoelectric
- angular velocity
- wave
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ориентации, навигации и управления подвижными объектами и предназначено для измерения угловой скорости.The invention relates to the field of orientation, navigation and control of moving objects and is intended for measuring angular velocity.
Известно, что колебания частиц в акустических волнах сопровождаются инерциальными эффектами, что делает возможным использование этих волн в гироскопии в целях измерения скорости вращения.It is known that particle vibrations in acoustic waves are accompanied by inertial effects, which makes it possible to use these waves in gyroscopy in order to measure rotation speed.
Известен способ измерения угловой скорости, реализуемый в устройствах на поверхностных акустических волнах [S.W.Lee A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect, Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], где информативный сигнал формируется за счет изменения скорости распространения поверхностной акустической волны в зависимости от скорости вращения звукопровода. Достоинством такого способа является технологичность конструкции, недостатком - низкая скорость перестройки, связанная с наличием в цепи обратной связи высокодобротной линии задержки.A known method of measuring angular velocity, implemented in devices based on surface acoustic waves [S.W. Lee A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect, Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], where an informative signal is formed by changing the propagation velocity of a surface acoustic wave depending on the speed of rotation of the sound duct. The advantage of this method is the manufacturability of the design, the disadvantage is the low tuning rate associated with the presence of a high-quality delay line in the feedback circuit.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу измерения угловой скорости является способ [Патент РФ №2335739, МПК G01C 19/56, G01P 9/04], состоящий в том, что возбуждают в кристалле пьезодиэлектрика периодическим электрическим полем поверхностную акустическую волну и впоследствии ее регистрируют. После возбуждения первичной поверхностной акустической волны регистрируют вторичную поверхностную акустическую волну, возникающую при вращении, путем разделения колебаний за счет построения сложных поглощающих и отражающих структур. С помощью резонатора создают стоячие поверхностные акустические волны между электродными структурами драйвера, сформированного на одной из сторон пьезопластины. За пределами драйвера располагают отражающие структуры. Частицы в пучностях стоячей волны вибрируют в плоскости, ортогональной плоскости подложки, что является первичным перемещением. Под действием силы Кориолиса при вращении возникает вторичное перемещение, распространяющееся в плоскости, ортогональной плоскости первичного перемещения. Для увеличения амплитуды колебаний до пригодного к детектированию уровня на другой поверхности подложки формируют канавки, имеющие сквозные отверстия.The closest set of essential features to the proposed method for measuring the angular velocity is the method [RF Patent No. 2335739, IPC G01C 19/56, G01P 9/04], which consists in the fact that a surface acoustic wave is excited in a piezoelectric crystal by a periodic electric field and subsequently register. After excitation of the primary surface acoustic wave, a secondary surface acoustic wave arising during rotation is recorded by separation of vibrations due to the construction of complex absorbing and reflecting structures. Using the resonator, standing surface acoustic waves are created between the electrode structures of the driver formed on one of the sides of the piezoelectric plate. Outside the driver, reflective structures are located. Particles in antinodes of a standing wave vibrate in a plane orthogonal to the plane of the substrate, which is the primary displacement. Under the action of the Coriolis force during rotation, a secondary displacement occurs, propagating in a plane orthogonal to the plane of the primary displacement. To increase the oscillation amplitude to a level suitable for detection, grooves having through holes are formed on another surface of the substrate.
Достоинством способа является планарная конфигурация без колебательных элементов на торсионных подвесах. Основным недостатком является низкая эффективность способа за счет того, что информативный сигнал формируется вторичной волной, имеющей малую амплитуду, в то время как первичная волна является помехой, которую невозможно устранить техническими средствами, так как при этом происходит усиление не только полезного сигнала, но и акустической помехи, что приводит к ограничениям по выявлению информативного сигнала, нелинейности работы устройства и другим отрицательным эффектам, снижающим достоверность получаемой информации. Другим недостатком является технологическая сложность конструктивной реализации способа из-за наличия множества сложных отражающих и иных структур.The advantage of this method is the planar configuration without oscillatory elements on torsion suspensions. The main disadvantage is the low efficiency of the method due to the fact that the informative signal is generated by a secondary wave having a small amplitude, while the primary wave is an obstacle that cannot be eliminated by technical means, since this amplifies not only the useful signal, but also the acoustic interference, which leads to restrictions on the identification of an informative signal, non-linearity of the device and other negative effects that reduce the reliability of the information received. Another disadvantage is the technological complexity of the constructive implementation of the method due to the presence of many complex reflective and other structures.
Известны устройства для измерения угловой скорости на поверхностных акустических волнах [S.W.Lee A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect, Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], где информативный сигнал формируется за счет изменения скорости распространения поверхностной акустической волны в зависимости от скорости вращения звукопровода. Достоинством такого устройства является технологичность конструкции, недостатком - низкая скорость перестройки, связанная с наличием в цепи обратной связи высокодобротной линии задержки.Known devices for measuring angular velocity on surface acoustic waves [S.W. Lee A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect, Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], where an informative signal is formed by changing the propagation velocity of a surface acoustic wave depending on the speed of rotation of the sound duct. The advantage of such a device is the manufacturability of the design, the disadvantage is the low tuning rate associated with the presence of a high-quality delay line in the feedback circuit.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является чувствительный элемент гироскопа, выполненный на поверхностных акустических волнах [Патент РФ №2335738, МПК G01C 19/56], содержащий пьезокристаллический звукопровод, материал которого обеспечивает распространение поверхностных акустических волн, излучающий и приемный встречно-штыревые преобразователи. Чувствительный элемент представляет собой подложку, на одной стороне которой расположены излучающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП) - драйвер и приемный ВШП, а также отражающие структуры - канавки, расположенные вне преобразователей. ВШП чувствительного элемента колебаний расположены в непосредственной близости от области, в которой поверхностные волны, образовавшиеся под действием силы Кориолиса, имеют наибольшую амплитуду. Резонатор на поверхностных акустических волнах создает стоячие волны между ВШП драйвера. Частицы в пучностях стоячей волны вибрируют в плоскости, ортогональной плоскости подложки, что является первичным вибрационным перемещением. Возникающие под действием угловой скорости и силы Кориолиса волны определяют вторичное вибрационное перемещение и распространяются в плоскости, ортогональной плоскости первичного вибрационного перемещения. При этом скорости материальных точек первичной и вторичной волн перпендикулярны. Увеличение амплитуды колебаний поверхностных волн достигается формированием канавок на поверхности одной из сторон подложки. При этом ВШП чувствительного элемента колебаний волны и канавки расположены на противоположных поверхностях подложки, что позволяет формировать топологию ВШП, наиболее чувствительную к наличию угловой скорости без геометрических ограничений. Наличие канавок позволяет уменьшить жесткость в направлении распространения вторичной волны.The closest set of essential features to the proposed device is a sensitive element of the gyroscope, performed on surface acoustic waves [RF Patent No. 23335738, IPC G01C 19/56], containing a piezocrystalline sound pipe, the material of which provides the propagation of surface acoustic waves emitting and receiving interdigital converters. The sensitive element is a substrate, on one side of which there is a radiating interdigital transducer (IDT) —the driver and receiving IDT, as well as reflective structures — grooves located outside the converters. The IDT of the sensing vibration element is located in the immediate vicinity of the region in which surface waves generated by the Coriolis force have the largest amplitude. A resonator on surface acoustic waves creates standing waves between the IDT driver. Particles in antinodes of a standing wave vibrate in a plane orthogonal to the plane of the substrate, which is the primary vibrational displacement. The waves arising under the influence of angular velocity and Coriolis force determine the secondary vibrational displacement and propagate in a plane orthogonal to the plane of the primary vibrational displacement. In this case, the velocities of the material points of the primary and secondary waves are perpendicular. An increase in the amplitude of oscillations of surface waves is achieved by the formation of grooves on the surface of one of the sides of the substrate. In this case, the IDT of the sensitive element of the oscillations of the wave and the grooves are located on opposite surfaces of the substrate, which allows the formation of the IDT topology that is most sensitive to the presence of angular velocity without geometric restrictions. The presence of grooves reduces stiffness in the direction of propagation of the secondary wave.
Достоинством изобретения является планарная конфигурация без колебательных элементов на торсионных подвесах. Основным недостатком является низкая эффективность способа за счет того, что информативный сигнал формируется вторичной волной, имеющей малую амплитуду. Другим недостатком является технологическая сложность конструктивной реализации способа из-за наличия множества сложных отражающих и иных структур.An advantage of the invention is a planar configuration without oscillatory elements on torsion suspensions. The main disadvantage is the low efficiency of the method due to the fact that the informative signal is generated by a secondary wave having a small amplitude. Another disadvantage is the technological complexity of the constructive implementation of the method due to the presence of many complex reflective and other structures.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа для измерения угловой скорости, обеспечивающего высокую чувствительность, а также не требующего сложной технологической реализации.The objective of the present invention is to develop a method for measuring angular velocity, which provides high sensitivity, and also does not require complex technological implementation.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, также как в известном, возбуждают в кристалле пьезодиэлектрика периодическим электрическим полем поверхностную акустическую волну и впоследствии ее регистрируют. Но, в отличие от известного, в предлагаемом способе выбирают такой кристалл пьезодиэлектрика, в котором существует непьезоэлектрическое направление (кристаллографическое направление, где распространение поверхностной акустической волны не связано с электрическим полем), возбужденную поверхностную акустическую волну переотражают в это направление и регистрируют амплитуду выходного сигнала, по величине которой судят об угловой скорости.The problem is solved due to the fact that in the proposed method, as well as in the known method, a surface acoustic wave is excited in a piezoelectric crystal by a periodic electric field and subsequently recorded. But, unlike the known method, a piezoelectric dielectric crystal is selected in the proposed method in which there is a non-piezoelectric direction (crystallographic direction, where the propagation of a surface acoustic wave is not related to an electric field), an excited surface acoustic wave is reflected in this direction and the output signal amplitude is recorded, the value of which is judged on the angular velocity.
Техническим результатом является повышение чувствительности способа измерения угловой скорости за счет снижения уровня акустических помех.The technical result is to increase the sensitivity of the method of measuring angular velocity by reducing the level of acoustic noise.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для измерения скорости вращения с упрощенной конструктивной реализацией, снижающей влияние технологических погрешностей изготовления на стабильность устройства, а также повышение его чувствительности.The objective of the present invention is to develop a device for measuring the speed of rotation with a simplified design implementation, reducing the influence of technological manufacturing errors on the stability of the device, as well as increasing its sensitivity.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый чувствительный элемент гироскопа, также как и известное устройство, содержит пьезокристаллический звукопровод, материал которого обеспечивает распространение поверхностных акустических волн, излучающие и приемный встречно-штыревые преобразователи. Но, в отличие от известного устройства, звукопровод выполнен из материала, обеспечивающего анизотропию свойств поверхностной акустической волны и ее связи с электрическим полем, а излучающий преобразователь расположен таким образом, что излученная поверхностная акустическая волна отражается от боковой грани звукопровода в непьезоэлектрическое направление, образуя стоячую волну с волной, отраженной от противоположной боковой грани, а приемный преобразователь расположен вдоль оси, совпадающей с этим направлением.The problem is solved due to the fact that the proposed sensitive element of the gyroscope, as well as the known device, contains a piezocrystalline sound pipe, the material of which ensures the propagation of surface acoustic waves, emitting and receiving interdigital transducers. But, unlike the known device, the sound duct is made of a material that provides anisotropy of the properties of the surface acoustic wave and its connection with the electric field, and the emitting transducer is located in such a way that the emitted surface acoustic wave is reflected from the lateral face of the sound duct in the non-piezoelectric direction, forming a standing wave with a wave reflected from the opposite side face, and the receiving transducer is located along the axis coinciding with this direction.
Техническим результатом является повышение чувствительности устройства для измерения угловой скорости, а также упрощение его конструктивной реализации, что снижает влияние технологических погрешностей изготовления на стабильность работы устройства.The technical result is to increase the sensitivity of the device for measuring angular velocity, as well as simplifying its structural implementation, which reduces the influence of technological manufacturing errors on the stability of the device.
Технический результат достигается за счет того, что при наличии вращения на приемном встречно-штыревом преобразователе отсутствуют какие-либо сигналы, кроме сигнала, вырабатываемого излучающим встречно-штыревым преобразователем. Так, если звукопровод находится в состоянии покоя, то на приемном преобразователе существует только шумовой и другие фоновые случайные сигналы, имеющие сверхмалые амплитуды. Внешние электронные цепи при этом могут быть введены в режим высокой чувствительности. При появлении вращения звукопровода вырабатывается малый электрический сигнал, однако за счет высокой чувствительности внешних электрических цепей этот сигнал может быть усилен до необходимого для регистрации уровня, и даже незначительное изменение скорости вращения может быть выявлено приемным преобразователем. Увеличение скорости вращения приводит к увеличению уровня выходного сигнала, при этом устройство не выходит из линейного режима работы ввиду широкого динамического диапазона внешних электронных цепей порядка 60-80 дБ, таким образом, угловая скорость может меняться до 104. Это позволяет существенно снизить уровень акустических помех и увеличить чувствительность предлагаемого способа.The technical result is achieved due to the fact that in the presence of rotation on the receiving interdigital transducer there are no signals other than the signal generated by the radiating interdigital transducer. So, if the sound duct is at rest, then at the receiving transducer there is only noise and other background random signals having ultra-small amplitudes. External electronic circuits can be entered into high sensitivity mode. When a sound duct rotates, a small electrical signal is generated, however, due to the high sensitivity of the external electrical circuits, this signal can be amplified to the level necessary for recording, and even a slight change in the rotation speed can be detected by the receiving transducer. An increase in the rotation speed leads to an increase in the level of the output signal, while the device does not exit the linear mode of operation due to the wide dynamic range of external electronic circuits of the order of 60-80 dB, so the angular velocity can vary up to 10 4 . This can significantly reduce the level of acoustic noise and increase the sensitivity of the proposed method.
В результате проведенных теоретических и расчетных исследований авторами были найдены такие пьезоэлектрики, в которых существует непьезоэлектрическое направление. Для этого авторами был проведен численный анализ влияния пьезоэффекта на поверхностную акустическую волну. Критерием отсутствия этого влияния используют равенство нулю разности скоростей поверхностной акустической волны, рассчитанных с учетом и без учета пьезоэффекта, а также равенство нулю электрического потенциала, сопровождающего волну.As a result of theoretical and computational studies, the authors found such piezoelectrics in which there is a non-piezoelectric direction. For this, the authors carried out a numerical analysis of the effect of the piezoelectric effect on a surface acoustic wave. The criterion for the absence of this effect is the fact that the velocity difference of the surface acoustic wave, calculated with and without the piezoelectric effect, is equal to zero, and the electric potential accompanying the wave is equal to zero.
Как известно, в основу теории распространения поверхностных акустических волн в пьезоэлектрических кристаллах положены два фундаментальных закона механики сплошных сред: уравнение движенияAs is known, the theory of propagation of surface acoustic waves in piezoelectric crystals is based on two fundamental laws of continuum mechanics: the equation of motion
и уравнение состояния (уравнение пьезоэффекта)and equation of state (piezoelectric effect equation)
Здесь xi и t - пространственные и временная координаты; ρ - плотность среды, ξi - смещение элемента среды от положения равновесия; Fi - сила, действующая на элемент среды, механическое напряжение σik определяется из закона Гука - σik=Ciklmulm; ulm - деформации, определяемые как 
С учетом вращения Ωi получаем, при этом учитывается еще одна составляющая волны - электрический потенциал φ:Taking into account the rotation Ω i, we obtain, while taking into account one more component of the wave - the electric potential φ:
Решение уравнений (3) ищется в виде линейной комбинации плоских гармонических волн, описываемых выражениями вида ξi=ξi0·cos(ωt-kmxm), где ξi0 - амплитуда волны, km=k·lm - компоненты волнового вектора k, величина которого равна ω/V с направляющими косинусами lm; V - фазовая скорость волны.The solution of equations (3) is sought in the form of a linear combination of plane harmonic waves described by expressions of the form ξ i = ξ i0 · cos (ωt-k m x m ), where ξ i0 is the wave amplitude, k m = k · l m are the components of the wave a vector k whose value is equal to ω / V with direction cosines l m ; V is the phase velocity of the wave.
Для учета вращения вводим параметр Wi=Ωi/ω - относительная частота вращения, получим:To account for the rotation, we introduce the parameter W i = Ω i / ω is the relative speed of rotation, we obtain:
ρ·V2(ξ0i+2j(∈inkWn)ξ0k+(WiWkξ0k-WkWkξ0i))=Ciklmlkllξ0m+ejikljlkφρV 2 (ξ 0i + 2j (∈ ink W n ) ξ 0k + (W i W k ξ 0k -W k W k ξ 0i )) = C iklm l k l l ξ 0m + e jik l j l k φ
eprslpkrξ0s-εpqlplqφ0=0e prs l p k r ξ 0s -ε pq l p l q φ 0 = 0
Так как для гироскопов на основе акустических волн величина Wi<<1, то величина (WiWkξ0k-WkWkξ0i) пренебрежимо мала. В результате получаем систему уравнений:Since the value of W i << 1 for gyroscopes based on acoustic waves, the value (W i W k ξ 0k -W k W k ξ 0i ) is negligible. As a result, we obtain the system of equations:
ρ·V2(ξ0i+2j(∈inkWn)ξ0k)= Ciklmlkllξ0m+ejikljlkφ0 ρV 2 (ξ 0i + 2j (∈ ink W n ) ξ 0k ) = C iklm l k l l ξ 0m + e jik l j l k φ 0
eprslpkrξ0s-εpqlplqφ0=0e prs l p k r ξ 0s -ε pq l p l q φ 0 = 0
Используя формулуUsing the formula
и симметрию тензоров Ciklm, ejik, можно записать полученные выражения в следующем виде:and the symmetry of the tensors C iklm , e jik , we can write the resulting expressions in the following form:
где Гim=Ciklmlkll, γi=ejikljlk, γ4=-εpqlplq (i, m=1, 2, 3). Это система уравнений типа Грина-Кристоффеля для вращающихся сред.where Г im = C iklm l k l l , γ i = e jik l j l k , γ 4 = -ε pq l p l q (i, m = 1, 2, 3). This is a system of equations of the Green-Christoffel type for rotating media.
При этом решение системы уравнений (4) нетривиально, если:Moreover, the solution of system of equations (4) is nontrivial if:
Относительные величины смещений и электрического потенциала находятся из уравнения (4).The relative values of the displacements and electric potential are found from equation (4).
Уравнение (4) определяет связь направления распространения поверхностной акустической волны и ее скорости.Equation (4) determines the relationship between the direction of propagation of a surface acoustic wave and its speed.
В результате проведенного авторами расчета и анализа квазистатического электрического поля, сопровождающего поверхностную волну, и условий изменения этого поля путем сравнения скорости волны, полученной в расчетах с учетом пьезоэлектрических свойств и без него, а также путем оценки их разности, в пьезокварце были найдены срезы и направления распространения волны, при которых поле с электрической волной отсутствует (непьезоэлектрические направления).As a result of the calculation and analysis of the quasistatic electric field accompanying the surface wave and the conditions for changing this field by comparing the speed of the wave obtained in the calculations with and without piezoelectric properties, as well as by estimating their difference, sections and directions were found in the piezoelectric quartz wave propagation, in which there is no field with an electric wave (non-piezoelectric directions).
Если звукопровод, в котором распространяется поверхностная волна, не создающая электрического поля, подвергнуть вращению, то возникают дополнительные колебания, обязанные силам Кориолиса, которые создают отличные от первоначальных деформации, в результате чего возникает электрический потенциал, пропорциональный скорости вращения.If the sound duct, in which a surface wave propagating that does not create an electric field propagates, is subjected to rotation, then additional vibrations occur due to Coriolis forces, which create different from the initial deformations, resulting in an electric potential proportional to the speed of rotation.
Предложенный способ реализуется следующим образом: в качестве материала звукопровода выбирают материал, обеспечивающий анизотропию свойств поверхностной волны, а также ее связи с электрическим полем. Далее выбирают такие кристаллографический срез и направление, где распространение поверхностной акустической волны не связано с электрическим полем (непьезоэлектрическое направление). Затем на выбранную подложку наносят излучающий и приемный встречно-штыревые преобразователи, располагая излучающий преобразователь вдоль бокового торца подложки, а приемный - вдоль непьезоэлектрического направления. Шаг между электродами выбирают равным половине длины поверхностной волны. Далее к излучающему преобразователю прикладывают переменное напряжение высокой частоты, в результате чего в некотором произвольном направлении возбуждается поверхностная акустическая волна. Затем возбужденная волна переотражается в непьезоэлектрическое направление за счет отражения от боковой грани подложки, угол скоса которой при изготовлении звукопровода выбирается таким образом, чтобы обеспечить отражение в заданном направлении, и образует стоячую поверхностную волну с поверхностной волной, отраженной от противоположной боковой грани звукопровода. При отсутствии вращения возникающие за счет распространения в непьезоэлектрическом направлении волны колебания не связаны с электрическим полем, поэтому сигнал на приемном преобразователе отсутствует. Однако при появлении вращения возникает связь механических колебаний, создаваемых поверхностной волной, и электрического поля, которое и принимается приемным встречно-штыревым преобразователем за счет обратного пьезоэффекта, таким образом, формируется информативный выходной сигнал. При этом степень возникающего взаимодействия линейно зависит от величины вращения, то есть уровень принимаемого сигнала пропорционален угловой скорости.The proposed method is implemented as follows: as the material of the sound duct, a material is selected that provides anisotropy of the properties of the surface wave, as well as its connection with the electric field. Then, a crystallographic section and a direction are chosen where the propagation of the surface acoustic wave is not related to the electric field (non-piezoelectric direction). Then, a radiating and receiving interdigital transducers are applied to the selected substrate, placing the radiating transducer along the lateral end face of the substrate, and the receiving transducer along the non-piezoelectric direction. The step between the electrodes is chosen equal to half the surface wavelength. Next, an alternating voltage of high frequency is applied to the radiating transducer, as a result of which a surface acoustic wave is excited in a certain arbitrary direction. Then, the excited wave is re-reflected in the non-piezoelectric direction due to reflection from the side face of the substrate, the bevel angle of which is selected in the manufacture of the sound duct in such a way as to provide reflection in a given direction, and forms a standing surface wave with a surface wave reflected from the opposite side face of the sound duct. In the absence of rotation, the oscillations arising due to the propagation in the non-piezoelectric direction of the wave are not related to the electric field, therefore, there is no signal at the receiving transducer. However, when rotation occurs, a connection arises between the mechanical vibrations created by the surface wave and the electric field, which is received by the receiving interdigital transducer due to the inverse piezoelectric effect, thus forming an informative output signal. In this case, the degree of interaction arising linearly depends on the magnitude of the rotation, that is, the level of the received signal is proportional to the angular velocity.
Совокупность признаков, сформулированная в п.3 формулы изобретения, характеризует устройство для измерения угловой скорости, в котором длина геометрического пути поверхностной акустической волны в звукопроводе между боковыми гранями кратна половине длины волны, возбуждаемой излучающим преобразователем. Это позволяет создать условия для формирования в непьезоэлектрическом направлении стоячей волны и увеличить чувствительность предложенного чувствительного элемента гироскопа.The set of features formulated in claim 3 of the claims characterizes a device for measuring angular velocity, in which the geometric path length of the surface acoustic wave in the sound duct between the side faces is a multiple of half the wavelength excited by the radiating transducer. This allows you to create conditions for the formation of a standing wave in the non-piezoelectric direction and increase the sensitivity of the proposed sensitive element of the gyroscope.
Совокупность признаков, сформулированная в п.4 формулы изобретения, характеризует устройство для измерения угловой скорости, в котором звукопровод выполнен из пьезоэлектрического кварца Y-среза, имеющего непьезоэлектрическое направление, описывающееся углами Эйлера λ=0°, µ=90°, θ=90°. Это позволяет обеспечить воспроизводимость характеристик чувствительного элемента гироскопа за счет стабильности характеристик материала, а также высокую стабильность по отношению к внешним воздействиям за счет высокой механической прочности.The set of features formulated in paragraph 4 of the claims characterizes a device for measuring angular velocity, in which the sound duct is made of piezoelectric quartz Y-section, having a non-piezoelectric direction, described by Euler angles λ = 0 °, μ = 90 °, θ = 90 ° . This allows you to ensure reproducibility of the characteristics of the sensitive element of the gyroscope due to the stability of the characteristics of the material, as well as high stability with respect to external influences due to high mechanical strength.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 показан пример реализации предлагаемого способа в виде конструкции устройства для измерения угловой скорости, на фиг.2 - схема изменения эллипса смещения частиц в поверхностной акустической волне, распространяющейся поперек Y-среза пьезокварца при появлении вращения, на фиг.3 - график зависимости разности скоростей поверхностной акустической волны с учетом и без учета пьезоэффекта от направления распространения для Y-среза пьезокварца, на фиг.4 - график зависимости электрического потенциала от направления распространения поверхностной акустической волны для Y-среза пьезокварца, на фиг.5 - зависимость величины электрического потенциала φ от относительной скорости вращения пьезоматериала вокруг направления распространения для Y-среза пьезокварца в найденном непьезоэлектрическом направлении.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows an example implementation of the proposed method in the form of a device for measuring angular velocity, Fig. 2 is a diagram of a change in the ellipse of particle displacement in a surface acoustic wave propagating across the Y-section of a piezoelectric quartz when rotation appears, on figure 3 is a graph of the dependence of the velocity difference of the surface acoustic wave with and without piezoelectric effect from the direction of propagation for the Y-section of the piezoelectric quartz, figure 4 is a graph of the electric entsiala the direction of propagation of surface acoustic waves for Y-cut piezoelectric quartz, 5 - the dependence of the electric potential φ on the relative velocity of rotation around the piezo propagation direction for Y-cut piezoelectric quartz results in nonpiezoelectric direction.
На фиг.1 показана конструкция устройства для измерения угловой скорости, состоящая из пьезокристаллического звукопровода 1, излучающего 2 и приемного 3 встречно-штыревых преобразователей поверхностной акустической волны. Излучающий преобразователь, расположенный на одной из сторон звукопровода, генерирует в звукопроводе поверхностную акустическую волну в некотором направлении. Далее волна с помощью изменения геометрии звукопровода переотражается на его торцах в непьезоэлектрическое направление АВ. При отсутствии вращения сигнал электрического напряжения на приемном преобразователе, расположенный вдоль непьезоэлектрического направления, равен нулю. При наличии вращения звукопровода, в результате действия силы Кориолиса, в распространяющейся волне возникают иные смещения, вызывающие изменение поляризации волны, в результате чего приемным преобразователем детектируется электрическое поле.Figure 1 shows the design of a device for measuring angular velocity, consisting of a piezocrystalline sound duct 1, emitting 2 and receiving 3 interdigital transducers of a surface acoustic wave. A radiating transducer located on one side of the sound duct generates a surface acoustic wave in some direction in the sound duct. Further, the wave, by changing the geometry of the sound pipe, is reflected at its ends to the non-piezoelectric direction AB. In the absence of rotation, the voltage signal at the receiving transducer located along the non-piezoelectric direction is zero. In the presence of rotation of the sound duct, as a result of the action of the Coriolis force, other displacements arise in the propagating wave, causing a change in the polarization of the wave, as a result of which the electric field is detected by the receiving transducer.
На фиг.2 показаны результаты графического моделирования колебания частицы с учетом и без учета вращения пьезоматериала в виде изменения эллипса смещения частиц в поверхностной акустической волне, распространяющейся поперек Y-среза пьезокварца при появлении вращения.Figure 2 shows the results of a graphical simulation of particle oscillations with and without taking into account the rotation of the piezomaterial in the form of a change in the ellipse of particle displacement in a surface acoustic wave propagating across the Y-section of the piezoelectric quartz when rotation occurs.
Как показано на фиг.3, в кристалле пьезокварца существует направление, в котором разность скоростей с учетом и без учета пьезоэффекта Δν равна нулю, что говорит о наличии в пьезокварце непьезоэлектрического направления, где распространение поверхностной акустической волны не сопровождается электрическим полем.As shown in Fig. 3, there is a direction in the piezoelectric crystal in which the velocity difference with and without the piezoelectric effect Δν is equal to zero, which indicates the presence of a non-piezoelectric direction in the piezoelectric crystal, where the propagation of the surface acoustic wave is not accompanied by an electric field.
Фиг.4 подтверждает результаты расчета, показанные на фиг.3. Значение электрического потенциала φ равно нулю для направления, найденного на фиг.3, что подтверждает наличие в пьезокварце непьезоэлектрического направления и делает возможным реализацию предложенного способа.Figure 4 confirms the calculation results shown in figure 3. The value of the electric potential φ is equal to zero for the direction found in figure 3, which confirms the presence in the piezoelectric quartz non-piezoelectric direction and makes it possible to implement the proposed method.
На фиг.5 показан результат численного расчета возникающего электрического потенциала φ в зависимости от относительной угловой скорости вращения W. Из рисунка видно, что при увеличении относительной угловой скорости вращения W степень влияния силы Кориолиса на распространяющуюся поверхностную акустическую волну возрастает, что приводит к увеличению электрического потенциала φ. Причем увеличение φ является линейным при любых экспериментально реализуемых угловых скоростях вращения.Figure 5 shows the result of a numerical calculation of the emerging electric potential φ depending on the relative angular velocity of rotation W. From the figure it is seen that with an increase in the relative angular velocity of rotation W, the degree of influence of the Coriolis force on the propagating surface acoustic wave increases, which leads to an increase in the electric potential φ. Moreover, the increase in φ is linear at any experimentally realized angular rotational speeds.
Описание изобретения свидетельствует о том, что предложены новый способ и устройство для измерения угловой скорости, в основе которых лежит иной принцип измерения угловой скорости путем регистрации поверхностной акустической волны, возбуждаемой в кристалле пьезодиэлектрика периодическим электрическим полем, отличающийся тем, что выбирают такой кристалл пьезодиэлектрика, в котором существует непьезоэлектрическое направление, возбужденную поверхностную акустическую волну переотражают в это направление и регистрируют амплитуду выходного сигнала, по величине которой судят об угловой скорости. Это доказывает, что достигнут технический результат - повышение чувствительности способа, а также упрощение его конструктивной реализации. При этом высокая чувствительность достигается за счет того, что в предлагаемом способе измерения угловой скорости для увеличения чувствительности используют распространение поверхностной волны в непьезоэлектрическом направлении, поэтому в отсутствии вращения электрическое напряжение, связанное с ее распространением, отсутствует. Однако при наличии вращения его влияние приводит к появлению электрического поля, связанного с распространяющейся волной. По величине этого сигнала можно судить о скорости вращения. Кроме того, предложенная реализация способа существенно упрощает конструкцию чувствительного элемента, так как в ней отсутствуют сложные многослойные отражательные структуры, а также распределенные массы, что снижает влияние технологических погрешностей на точность измерения угловой скорости и увеличивает чувствительность способа.The description of the invention indicates that a new method and apparatus for measuring angular velocity is proposed, which is based on a different principle of measuring angular velocity by recording a surface acoustic wave excited in a piezoelectric dielectric by a periodic electric field, characterized in that such a piezoelectric dielectric is selected, in where there is a non-piezoelectric direction, the excited surface acoustic wave is reflected in this direction and the output amplitude is recorded one signal, the magnitude of which is judged on the angular velocity. This proves that the technical result is achieved - increasing the sensitivity of the method, as well as simplifying its constructive implementation. At the same time, high sensitivity is achieved due to the fact that in the proposed method for measuring angular velocity, the surface wave propagation in the non-piezoelectric direction is used to increase the sensitivity, therefore, in the absence of rotation, the electric voltage associated with its propagation is absent. However, in the presence of rotation, its influence leads to the appearance of an electric field associated with the propagating wave. The magnitude of this signal can be judged on the speed of rotation. In addition, the proposed implementation of the method significantly simplifies the design of the sensitive element, since it lacks complex multilayer reflective structures, as well as distributed masses, which reduces the influence of technological errors on the accuracy of measuring angular velocity and increases the sensitivity of the method.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010105353/28A RU2426131C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | Method and device to measure angular speed |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010105353/28A RU2426131C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | Method and device to measure angular speed |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2426131C1 true RU2426131C1 (en) | 2011-08-10 |
Family
ID=44754716
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010105353/28A RU2426131C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | Method and device to measure angular speed |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2426131C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516207C2 (en) * | 2011-12-26 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Рубин" | Method to measure parameters of angular motion of objects |
| RU2714530C1 (en) * | 2019-04-15 | 2020-02-18 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | Ultrasonic method of measuring angular velocity |
| CN114563589A (en) * | 2022-03-04 | 2022-05-31 | 北京女娲补天科技信息技术有限公司 | Method and device for measuring object rotation angular velocity based on sound directivity |
-
2010
- 2010-02-15 RU RU2010105353/28A patent/RU2426131C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516207C2 (en) * | 2011-12-26 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Рубин" | Method to measure parameters of angular motion of objects |
| RU2714530C1 (en) * | 2019-04-15 | 2020-02-18 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | Ultrasonic method of measuring angular velocity |
| CN114563589A (en) * | 2022-03-04 | 2022-05-31 | 北京女娲补天科技信息技术有限公司 | Method and device for measuring object rotation angular velocity based on sound directivity |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2426131C1 (en) | Method and device to measure angular speed | |
| Oh et al. | Gyroscopes based on surface acoustic waves | |
| RU2392625C1 (en) | Angular velocity measurement method | |
| Lukyanov et al. | Micro rate gyroscopes based on surface acoustic waves | |
| RU2426132C1 (en) | Method and device to measure angular speed | |
| RU2389000C1 (en) | Micro-acoustic-electromechanical gyroscope and operation method thereof | |
| Durukan et al. | The characteristics of acoustic wave propagation in rotating solid-state media | |
| RU2397445C1 (en) | Hydroscope sensing element | |
| JPH04500273A (en) | Angular velocity detection sensor | |
| RU2387951C1 (en) | Twist gyroscope | |
| RU2714530C1 (en) | Ultrasonic method of measuring angular velocity | |
| RU2335739C1 (en) | Sensitive element of gyroscope on surface acoustic waves | |
| RU2392626C1 (en) | Angular velocity measurement method | |
| RU2460078C1 (en) | Method of measuring angular velocity | |
| Pinrod et al. | Coexisting surface and bulk gyroscopic effects | |
| Pinrod et al. | High-overtone bulk diffraction wave gyroscope | |
| KR101017822B1 (en) | Gyroscope with surface acoustic wave and angular velocity measuring method | |
| RU2520949C1 (en) | Method of measurement of angular rate and sensitive element of gyroscope based on it | |
| RU2390729C2 (en) | Piezoelectric gyroscope | |
| RU2390727C1 (en) | Gyroscope operating on acoustic surface waves | |
| RU2582483C1 (en) | Modified microacousto-mechanical gyroscope | |
| JP2014192692A (en) | Surface acoustic wave device and physical quantity detector using the same | |
| RU2381510C1 (en) | Gyroscope accelerometre | |
| RU2335738C1 (en) | Sensitive element of resonant gyroscope on surface acoustic waves | |
| KR101083952B1 (en) | SAWsurface acoustic wave Gyroscope using progressive wave and angular velocity measuring method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180216 |