專利名稱：一種自由梁振動角速率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小慣性測量裝置領(lǐng)域，具體涉及一種振梁式振動角速率傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，用于特殊環(huán)境下的微小體積振動陀螺得到廣泛關(guān)注。例如，井下或者地面特殊環(huán)境下的姿態(tài)測量方面；近年隨著礦產(chǎn)資源日益減少，對于礦產(chǎn)資源開發(fā)方面所面臨的環(huán)境越來越惡劣，其開發(fā)難度也越來越大，這就要求用于礦產(chǎn)資源開發(fā)的慣性測量器件(陀螺和加速度計)靈敏度要好、抗沖擊性及抗干擾性要高，又例 如，礦山或隧道領(lǐng)域中的定向鉆孔等方面；應(yīng)用于地面復(fù)雜環(huán)境下的實時方位對準(zhǔn)的車載雷達(dá)，爆破或拆彈所用的機(jī)器人等方面；所述應(yīng)用中能否準(zhǔn)確的定位和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力上對慣性測量器件都有較高的要求。對于定位精度方面光纖陀螺和磁通技術(shù)可以滿足，但其在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用仍受到限制(抗沖擊振動和微小體積要求等)。在理論上雙懸臂振梁式振動陀螺因其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小，可靠性高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢而凸顯重要性。現(xiàn)有的自由梁振動角速率傳感器是一種局部振動器件，其一傳統(tǒng)支撐方式是采取雙節(jié)點支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如專利號201020161061. 3所公開的一種異步驅(qū)動壓電振動角速率傳感器中的結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計滿足了振梁在基頻振動下的瞬時線動量為零，在理想節(jié)點處支撐梁將振梁固定，由此達(dá)到了很好的力學(xué)隔離效果，有效減少了外界加速度和環(huán)境噪聲對振梁振動造成的干擾影響，從而使其具有較好的抗干擾穩(wěn)定性；雙節(jié)點支撐的振動角速率傳感器存在上述優(yōu)點的同時也存在兩個方面的不足1、在為保留節(jié)點支撐的優(yōu)點，通常在節(jié)點處安裝支撐梁的半徑做的很小，這樣就使得此結(jié)構(gòu)陀螺的抗沖擊性減弱。2、由于雙支撐梁支撐在支撐結(jié)構(gòu)上存在不對稱性，安裝支撐梁之后陀螺整體在驅(qū)動面和敏感面諧振時的頻率間隔擴(kuò)大，從而不能滿足理論分析出的最佳間隔頻率，對陀螺靈敏度、帶寬、零位穩(wěn)定性都會帶來影響。另一種傳統(tǒng)支撐方式為面支撐結(jié)構(gòu)，例如專利申請?zhí)?01010616509. O所公開的一種振梁式雙懸臂面支撐結(jié)構(gòu)的振動梁陀螺中采用的結(jié)構(gòu)，其盡管可以很好地解決雙節(jié)點支撐結(jié)構(gòu)的抗沖擊性低的缺陷，但同時也帶來了很多的不足1、面支撐方式在安裝處限制了振梁所有振動結(jié)點的自由度，由于振梁有厚度存在，則面支撐結(jié)構(gòu)限制了安裝處的最大轉(zhuǎn)角，進(jìn)而影響振梁振動振幅，由此降低了系統(tǒng)靈敏度。2、面支撐結(jié)構(gòu)安裝之后，整體陀螺驅(qū)動面和敏感面諧振頻率相比自由振梁在兩方向上諧振頻率數(shù)值有很大的增加，這為尋找合適驅(qū)動頻率帶來了難度，同時系統(tǒng)整體固有頻率的提高對此類陀螺的零位將造成不穩(wěn)定。3、面支撐結(jié)構(gòu)為非振梁理想節(jié)點處安裝，由此系統(tǒng)必將通過支撐結(jié)構(gòu)對基體加速度和外界干擾敏感，該敏感增加了檢測誤差降低了測量精度。4、面支撐結(jié)構(gòu)在振梁工作中產(chǎn)生振動，而振梁敏感面和驅(qū)動面通過同一面(薄板)固定，由此必將造成更大的軸間機(jī)械耦合振動，在ANSYS軟件仿真中也驗證了上述。以上支撐方式的不足降低了自由梁振動角速率傳感器的性能。另外，對于上述兩種不同支撐方式下的傳統(tǒng)自由梁振動角速率傳感器，其壓電片的結(jié)構(gòu)設(shè)置均是通過粘貼膠直接粘貼在振梁的表面，由此受到粘貼誤差的影響；同時隨著溫度的升高，其膠的粘貼系數(shù)降低，容易老化，則系統(tǒng)的可靠性和輸出靈敏度均受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是如何提供一種可靠性和靈敏度更高，能夠有效抑制零位漂移的自由梁振動角速率傳感器，使其輸出精度得到大大提聞。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案。一種自由梁振動角速率傳感器，包括矩形體的彈性合金材質(zhì)的振梁，振梁長度方向的四個側(cè)面的中間位置上設(shè)置有壓電片，壓電片包括兩兩相對設(shè)置的一對敏感壓電片和一對驅(qū)動壓電片，壓電片表面設(shè)置有用于和外電路連接的接線柱，所述振梁長度方向的振動節(jié)點上還設(shè)置有用于將振梁支撐在振梁外部的支撐架上的支撐結(jié)構(gòu)，其改進(jìn)之處在于， 所述支撐結(jié)構(gòu)包括在振梁振動節(jié)點處四個面的中間位置均垂直設(shè)置的桿狀支撐梁，形成十字支撐結(jié)構(gòu)；所述壓電片設(shè)置位置的振梁上具有與壓電片匹配的安裝槽，所述壓電片鑲嵌固定到安裝槽內(nèi)，壓電片外表面與振梁表面為同一平面。本傳感器使用時，驅(qū)動電路通過驅(qū)動壓電片上的接線柱與驅(qū)動壓電片連接，提供驅(qū)動激勵形成驅(qū)動回路；檢測電路通過敏感壓電片上的接線柱與敏感壓電片連接，檢測敏感壓電片上哥氏力作用下的電荷量，通過對電信號的處理得出外界輸入旋轉(zhuǎn)角速度。本方案中，桿狀支撐梁優(yōu)選采用圓柱體或長方體的細(xì)桿，可以便于制作和提高支撐效果。支撐梁優(yōu)選采用與振梁相同的材料，可以降低安裝熱應(yīng)力，提高支撐穩(wěn)定性。支撐梁的具體尺寸的選擇根據(jù)系統(tǒng)抗沖擊性、驅(qū)動頻率和敏感頻率的要求而定。采用的壓電片優(yōu)選采用密度參數(shù)和泊松比參數(shù)與振梁合金材質(zhì)的這兩種參數(shù)基本相同的材料得到(所述基本相同指參數(shù)相同或最接近的材料)；這樣可以進(jìn)一步使得振梁上由于增加壓電片帶來的影響降到最低，進(jìn)而提高整個傳感器靈敏度。本發(fā)明改進(jìn)后帶來的特點如下。本發(fā)明中壓電片通過振梁表面的鑲嵌槽與振梁粘貼耦合安裝，由此防止了傳統(tǒng)的粘貼誤差以及膠體受溫度影響，系統(tǒng)可靠性及靈敏度得到了提高、正交誤差和膠體受溫度影響造成的零位漂移得到抑制，輸出精度得到大大的提高。本發(fā)明中采用的壓電片其密度、泊松比等參數(shù)和振梁合金的參數(shù)相近，采用壓電片鑲嵌式耦合結(jié)構(gòu)安裝可以抵消振梁開槽減小的質(zhì)量，相對傳統(tǒng)粘貼方式，該特征使振梁的振動節(jié)點更加靠近理論節(jié)點，從而提升了合金梁振動時的能量轉(zhuǎn)換效率，提高了整個角速率傳感器的靈敏度。同時，本發(fā)明采用壓電片鑲嵌式耦合結(jié)構(gòu)安裝，改善了因傳統(tǒng)壓電片粘貼耦合出現(xiàn)不確定因素引起的正負(fù)壓電垂直度偏移量誤差，該結(jié)構(gòu)提高正負(fù)壓電片的垂直度，從而很好的抑制垂直度偏移量引起的角速率檢測中的正交誤差。本發(fā)明采用十字支撐結(jié)構(gòu)，其安裝在振梁理想振動節(jié)點處，該結(jié)構(gòu)理論上保證了振梁對外界加速度及振動干擾不敏感，具有較好的力學(xué)隔離效果，保證系統(tǒng)靈敏度的同時提高了系統(tǒng)抗沖擊性和抗外界干擾能力。
本發(fā)明采用十字支撐結(jié)構(gòu)，其采用圓柱體或長方體的細(xì)桿狀的梁型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)受限于振梁表面理想振動節(jié)點的形狀，采用此結(jié)構(gòu)安裝理論上保證了最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由此對振梁轉(zhuǎn)角限制較小，即對振梁振動幅值影響更小，系統(tǒng)檢測靈敏度更高。本發(fā)明采用十字支撐結(jié)構(gòu)，其采用8根振梁節(jié)點處安裝的支撐梁結(jié)構(gòu)，呈對稱分布且長度、半徑及材料參數(shù)保持一致，由此對自由梁振動角速率頻率匹配設(shè)計時僅需合理的振梁截面尺寸即可，避免傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)下的復(fù)雜設(shè)計與加工，由此降低了因加工復(fù)雜和誤差引起的質(zhì)心偏移及正交誤差。本發(fā)明采用十字支撐結(jié)構(gòu)，其安裝結(jié)構(gòu)呈對稱分布，由此系統(tǒng)頻率間隔更為穩(wěn)定，即系統(tǒng)工作帶寬得到了保證，同時該支撐結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)軸間機(jī)械耦合振動干擾誤差更小，檢測精度更高。綜上所述，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明改進(jìn)了壓電片的安裝方式，同時改進(jìn)了振梁支 撐結(jié)構(gòu)形式，能夠有效抑制零位漂移現(xiàn)象，能夠有效提高傳感器的可靠性和靈敏度，使其不受溫度影響，輸出精度得到大大提高。同時，本發(fā)明還具備結(jié)構(gòu)簡單，實施方便的優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明的自由梁振動角速率傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中壓電片為未安裝狀態(tài)。圖2為圖I中壓電片安裝好后從位于壓電片位置橫向剖開后的剖視圖，圖中增加了位于振梁外部的支撐架的結(jié)構(gòu)示意。圖3為本發(fā)明的自由梁振動角速率傳感器未安裝壓電片時從壓電片的安裝槽位置剖開后的剖面圖。圖4為本發(fā)明的自由梁振動角速率傳感器使用時連接外電路后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。具體實施時，如圖I-圖4所示，一種自由梁振動角速率傳感器，包括矩形體的彈性合金材質(zhì)的振梁1，振梁I長度方向的四個側(cè)面的中間位置上設(shè)置有壓電片2，壓電片2包括兩兩相對設(shè)置的一對敏感壓電片和一對驅(qū)動壓電片，壓電片表面設(shè)置有用于和外電路連接的接線柱4，所述振梁長度方向的振動節(jié)點上還設(shè)置有用于將振梁支撐在振梁外部的支撐架上的支撐結(jié)構(gòu)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)包括在振梁振動節(jié)點處四個面的中間位置均垂直設(shè)置的桿狀支撐梁3，形成十字支撐結(jié)構(gòu)；所述壓電片設(shè)置位置的振梁上具有與壓電片匹配的安裝槽6，所述壓電片鑲嵌固定到安裝槽內(nèi)，壓電片外表面與振梁表面為同一平面。更加具體地說，本發(fā)明實施時主要包括彈性合金材質(zhì)的振梁1，四個壓電片2，八個桿狀支撐梁3形成兩個十字支撐結(jié)構(gòu)，四個接線柱4，用于安裝壓電片的四個安裝槽6 ;其具體連接方式為，振梁I的表面開安裝槽6，壓電片通過安裝槽6鑲嵌固定在振梁I上，壓電片2的表面焊接有接線柱4與外電路鏈接，十字支撐結(jié)構(gòu)通過在振梁I的節(jié)點處安裝，整體結(jié)構(gòu)通過十字支撐結(jié)構(gòu)與外界基體固定。
其中，安裝槽6在振梁I的表面加工，其在振梁I中部位置呈對稱分布，其安裝槽6的尺寸分別記為長度Lc，深度Dc，寬度為Wc ;該尺寸與壓電片2的尺寸相當(dāng)。其中，振梁I的支撐梁3呈對稱分布安裝在振梁I的對稱面，其尺寸的選擇支撐梁的截面半徑r長度L根據(jù)系統(tǒng)抗沖擊性的大小及系統(tǒng)諧振頻率來定，其加工的材料和振梁材料一致，避免安裝熱應(yīng)力。如圖4所述，本發(fā)明具體安裝和工作原理為，外界驅(qū)動電路10通過接線柱41、44分別與驅(qū)動壓電片21、24相連接，提供外界驅(qū)動激勵源；在逆壓電效應(yīng)下，驅(qū)動壓電片21、24產(chǎn)生形變，帶動振梁I在驅(qū)動軸向即X軸向上的諧振振動；在沿z軸向有外界輸入角速率Ω，則在振梁7面上產(chǎn)生哥氏力，哥氏力作用下振梁I敏感面產(chǎn)生振動，則帶動敏感壓電片22、23振動，正壓電效應(yīng)下敏感壓電片22、23上產(chǎn)生電荷，通過接線柱42、43連接到檢測電路11，在檢測電路11檢測中即可測量出外界輸入角速率Ω ,閉環(huán)反饋控制電路12，通過反饋信號調(diào)制驅(qū)動電路信號實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制，穩(wěn)定輸出。
下面通過理論推導(dǎo)對本發(fā)明兩處改進(jìn)的效果進(jìn)一步說明?！?、壓電片鑲嵌f禹合方式 振梁結(jié)構(gòu)
振梁自由振動時，其振動就是一個標(biāo)準(zhǔn)的彈性曲線。消除旋轉(zhuǎn)項的彈性曲線近似公式
為
H (Z) = χ0 $ιη(πζ f L)-a(I)
是一個常數(shù)，確定節(jié)點的位置。因此一次模的近似解為 x(zj) = (Xq sm(frz/ L) —a) sm α (2)
因為沒有外部交變力作用于梁上，梁的總垂直動量必然為零。即在-軸上面和下面的面積相等時，總動量為零。所以《的實際值可由下式求出
■■■ L= Jt0 J sm(7rz/ L)dz — ￡ adz, a = 2 / π
0 2 ⑶
... x(zj) = X0 (sirUnz / ￡)-—) βιπφ￡
'■ ^ π
則節(jié)點位置是sin-_備=0，即一皿1 PO皿。壓電片鑲嵌的振梁結(jié)構(gòu)
采用壓電片鑲嵌耦合形式安裝的振梁結(jié)構(gòu)，確定梁的節(jié)點仍然為固定安裝點，在安裝點需要凈動量為零，所以梁動量加壓電片的動量應(yīng)為零，由以下方程近似表示
jr IIr-I /-TTy 、}/\
JLjt ￡> % I Λ I· df % JLfI J y \ f111·H jLt\ I
-^AfjJ0— - a yz + -(M s - 4ΔΜ) | xnsm — -aVk
"2(4)
L-I ti f . πζ \τψ . πζ )
+X0 sin—-ajh +AMr^ sm —-a^iz = 0
其中M/為梁上挖去部分的質(zhì)量，K為壓電片的質(zhì)量，
解方程求的
權(quán)利要求
1.一種自由梁振動角速率傳感器，包括矩形體的彈性合金材質(zhì)的振梁，振梁長度方向的四個側(cè)面的中間位置上設(shè)置有壓電片，壓電片包括兩兩相對設(shè)置的一對敏感壓電片和一對驅(qū)動壓電片，壓電片表面設(shè)置有用于和外電路連接的接線柱，所述振梁長度方向的振動節(jié)點上還設(shè)置有用于將振梁支撐在振梁外部的支撐架上的支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括在振梁振動節(jié)點處四個面的中間位置均垂直設(shè)置的桿狀支撐梁，四個支撐梁形成十字支撐結(jié)構(gòu)；所述壓電片設(shè)置位置的振梁上具有與壓電片匹配的安裝槽，所述壓電片鑲嵌固定到安裝槽內(nèi)，壓電片外表面與振梁表面為同一平面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自由梁振動角速率傳感器，包括矩形體的彈性合金材質(zhì)的振梁，振梁上設(shè)置有壓電片，壓電片表面設(shè)置有接線柱，所述振梁的振動節(jié)點上還設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)，其特點在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括在振梁振動節(jié)點處四個面的中間位置均垂直設(shè)置的桿狀支撐梁，四個支撐梁形成十字支撐結(jié)構(gòu)；所述壓電片設(shè)置位置的振梁上具有與壓電片匹配的安裝槽，所述壓電片鑲嵌固定到安裝槽內(nèi)，壓電片外表面與振梁表面為同一平面。本發(fā)明自由梁振動角速率具有小體積，低成本，可靠性高等優(yōu)點，且系統(tǒng)抗沖擊性及抗干擾性提強(qiáng)，且系統(tǒng)靈敏度提高及零位穩(wěn)定性好。
文檔編號G01C19/5642GK102778228SQ20121029619
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月20日
發(fā)明者劉嘉敏, 劉宇, 劉申, 吳英, 喻凌青, 曾紅明, 歐毅, 段耀宇, 路永樂 申請人:重慶郵電大學(xué)