專利名稱：一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種角速率傳感器，特別是指一種測(cè)量載體在慣性空間運(yùn)動(dòng)角速 率的異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)外已對(duì)振動(dòng)角速率傳感器進(jìn)行了廣泛的開發(fā)研究，美日等西方發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā) 了多種振動(dòng)角速率傳感器，有單、雙音叉型、矩形斷面或三角形斷面等振梁型，這些傳感器 均采用壓電換能器來完成傳感功能，即傳感器用于驅(qū)動(dòng)振梁運(yùn)動(dòng)和讀取運(yùn)動(dòng)信號(hào)的換能器 都是采用壓電陶瓷片。近年來振動(dòng)角速率傳感器獲得了廣泛的應(yīng)用，其中振梁式振動(dòng)角速 率陀螺研究更為深入，已有系列產(chǎn)品應(yīng)用于各種測(cè)量系統(tǒng)中，其典型的壓電振動(dòng)角速率傳 感器的結(jié)構(gòu)如下敏感器件為安裝在基座中的矩形振梁及其控制電路。振梁的中央貼有四 片壓電換能器，并在其基頻的波節(jié)點(diǎn)處用兩根鋼絲扣針支撐，然后通過鋼絲將振梁懸空固 定在基座上，通過導(dǎo)線將振梁上的壓電換能器與控制電路相連。這類傳感器使用壓電陶瓷 作為換能器來完成傳感功能，即是說通過驅(qū)動(dòng)換能器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械力，使振梁產(chǎn)生機(jī) 械振動(dòng)，然后通過讀出換能器將傳感器敏感的哥氏力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過讀出電路將該 信號(hào)解調(diào)放大，最后輸出一個(gè)與輸入角速率大小成正比的電信號(hào)，達(dá)到完成測(cè)量載體角速 率的目的。雖然采用壓電換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但由于壓電換能器受溫度影響，其參數(shù) 變化大，這些參數(shù)的變化，一方面要影響傳感器的輸出變化，另一方面，這些參數(shù)的變化同 樣會(huì)改變驅(qū)動(dòng)電路給予梁的驅(qū)動(dòng)力，從而影響振梁振動(dòng)，主要表現(xiàn)在振梁振幅大小的變化， 以及振梁振動(dòng)的穩(wěn)定。由于制作工藝以及加工誤差，造成了振梁質(zhì)量的分布不均勻，當(dāng)給 振梁的驅(qū)動(dòng)力發(fā)生變化后，振梁極容易產(chǎn)生影響傳感器性能的附加振動(dòng)。由于振梁的附加 振動(dòng)是無(wú)法采用電路的方法進(jìn)行消除的，由此，使得傳感器的一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如比例系 數(shù)和輸出零位的穩(wěn)定性差，典型的比例系數(shù)在全溫度-50°C +70°C的范圍內(nèi)變化達(dá)5%以 上，輸出零位漂移在0.2° /s/h以上，使傳感器的應(yīng)用范圍受到較大限制。眾所周知，一個(gè)懸掛系統(tǒng)的自激振蕩是一個(gè)不穩(wěn)定的振動(dòng)，同時(shí)壓電換能器，一方 面受溫度的影響其性能參數(shù)變化較大，另一方面，壓電換能器的振動(dòng)模式相當(dāng)復(fù)雜，即是說 在外部條件影響下，極容易產(chǎn)生其有害的附加振動(dòng)。此外，作為振動(dòng)的振梁由于加工精度的 差異及制作工藝的影響，使得振梁的質(zhì)量分布不均。這就極容易造成振梁振動(dòng)的不穩(wěn)和產(chǎn) 生次聲振動(dòng)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型提供一種通過異步驅(qū)動(dòng)振梁振動(dòng)，并 輔以增大振梁的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到增大振動(dòng)幅度和穩(wěn)定振梁振動(dòng)來提高傳感器的分辨率、線性度 和輸出零位穩(wěn)定性，可根據(jù)振梁振動(dòng)的變化而改變振梁驅(qū)動(dòng)力，達(dá)到穩(wěn)定振梁的振動(dòng)，提高 振梁式角速率傳感器的性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，有效的解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是公開一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器，在金屬外殼內(nèi)設(shè)置有敏感器件支架，敏感器件為安裝在基座2中的矩形振 梁1及其控制電路，振梁1中部的四面分別貼有壓電換能器4、5、6、7，其中壓電換能器6與 讀出解調(diào)電路34、36、37相連，讀出解調(diào)電路34、36、37將壓電換能器6敏感的角速率信號(hào) 以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)輸出，壓電換能器7與阻尼電路35相連，還包括壓電換能器8、9，所 述壓電換能器8、9與驅(qū)動(dòng)電路32、33相連構(gòu)成異步驅(qū)動(dòng)回路，給振梁1施加驅(qū)動(dòng)力，所述壓 電換能器4與主驅(qū)動(dòng)電路31相連、壓電換能器5與反饋電路30相連構(gòu)成主振蕩回路，使振 梁1在其基頻處產(chǎn)生振動(dòng)。作為優(yōu)選，振梁1的振動(dòng)變化引起讀出解調(diào)電路34、36、37輸出幅度和相位的變 化，讀出解調(diào)電路34、36、37將該變化量輸入電路38，電路38將幅度和相位的變化量進(jìn)行變 頻、移相、放大后分別輸入驅(qū)動(dòng)電路32、33，驅(qū)動(dòng)電路32、33將幅度和相位的大小分別給予 壓電換能器8、9 一個(gè)電壓信號(hào)，通過壓電換能器8、9的反壓電效應(yīng)，將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī) 械力，改善振梁1的振動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定振梁振動(dòng)。更進(jìn)一步地，傳感器敏感的角速率信號(hào)經(jīng)過讀出電路34進(jìn)行交流放大，再經(jīng)過讀 出解調(diào)電路36將信號(hào)解調(diào)，變成直流信號(hào)，后經(jīng)過電路37進(jìn)行直流放大，輸出一個(gè)與輸入 角速率成正比的直流電壓Vout。作為優(yōu)選，在振梁1基頻的波節(jié)點(diǎn)處由鋼絲扣針3支撐，且振梁1懸空固定在基座 2上。作為優(yōu)選，所述壓電換能器8、9貼于與振梁1支撐扣針3平行的兩端表面上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該實(shí)用新型帶來的有益效果為該實(shí)用新型在原主驅(qū)動(dòng)回路的 情況下增加兩個(gè)驅(qū)動(dòng)回路，并在不同的時(shí)候和不同方向分別給予振梁施加不同的驅(qū)動(dòng)力， 以保持振梁振動(dòng)的穩(wěn)定和振動(dòng)幅度不變，在不同的條件下給梁施加不同的驅(qū)動(dòng)力，提高振 動(dòng)的穩(wěn)定。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的剖面示意圖；圖3為本實(shí)用新型的控制原理框圖；圖4為本實(shí)用新型的電路原理框圖；圖5為本實(shí)用新型圖4的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1-3所示，作為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例，該異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感 器，在金屬外殼內(nèi)設(shè)置有敏感器件支架，敏感器件為安裝在基座2中的矩形振梁1及其控制 電路，在振梁1基頻的波節(jié)點(diǎn)處由鋼絲扣針3支撐，且振梁1懸空固定在基座2上。振梁1 中部的四面分別貼有壓電換能器4、5、6、7，其中壓電換能器6與讀出解調(diào)電路34、36、37相 連，讀出解調(diào)電路34、36、37將壓電換能器6敏感的角速率信號(hào)以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)輸 出，壓電換能器7與阻尼電路35相連，還包括壓電換能器8、9，所述壓電換能器8、9貼于與 振梁1支撐扣針3平行的兩端表面上。壓電換能器8、9與驅(qū)動(dòng)電路32、33相連構(gòu)成異步驅(qū)動(dòng)回路，給振梁1施加驅(qū)動(dòng)力，所述壓電換能器4與主驅(qū)動(dòng)電路31相連、壓電換能器5與反 饋電路30相連構(gòu)成主振蕩回路，使振梁1在其基頻處產(chǎn)生振動(dòng)。振梁1的振動(dòng)變化引起讀 出解調(diào)電路34、36、37輸出的變化，讀出解調(diào)電路34、36、37將該變化量輸入電路38，電路 38將變化量進(jìn)行變頻、移相、放大后分別輸入驅(qū)動(dòng)電路32、33，驅(qū)動(dòng)電路32、33將變化量放 大后分別給予壓電換能器8、9 一個(gè)電壓信號(hào)，通過壓電換能器8、9的反壓電效應(yīng)，將該電壓 信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械力，改善振梁的振動(dòng)，提高振梁振動(dòng)的穩(wěn)定。該異步壓電振動(dòng)角速率傳感器的具體工作原理為，在一個(gè)閉環(huán)振蕩系統(tǒng)中，通過 給振動(dòng)元件施加一個(gè)外力，通過外力的作用來改善振動(dòng)元件的振動(dòng)狀態(tài)。如圖3所示，壓電 換能器4、5、6、7、8、9粘貼在矩形振梁1表面，主驅(qū)動(dòng)電路31給壓電換能器4 一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓， 由于壓電材料的反壓電效應(yīng)，壓電換能器4將產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械應(yīng)變力施加在振梁1上，從而使 振梁1產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率與振梁1的基頻一致時(shí)，振梁1即產(chǎn)生諧振，振幅達(dá)到最大值。 此時(shí)貼在振梁1反饋面的壓電換能器5將受到一個(gè)機(jī)械應(yīng)變力的作用，由于壓電效應(yīng)，壓電 換能器5將輸出一個(gè)電壓給反饋電路30。這樣驅(qū)動(dòng)電路31、反饋電路30與驅(qū)動(dòng)換能器4、 反饋換能器5共同構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)振蕩系統(tǒng)，維持振梁1的振動(dòng)。當(dāng)傳感器的載體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)， 給傳感器輸入一個(gè)角速率時(shí)，將有一個(gè)哥氏力作用在壓電換能器6上，由于壓電效應(yīng)，壓電 換能器6將輸出一個(gè)與角速率成正比的電壓信號(hào)，該信號(hào)輸給讀出電路34進(jìn)行交流放大， 再經(jīng)過讀出解調(diào)電路36將信號(hào)解調(diào)變成直流信號(hào)，再經(jīng)過電路37進(jìn)行直流放大，最后輸出 一個(gè)與輸入角速率成正比的直流電壓Vout，從而達(dá)到測(cè)量角速率的目的。阻尼電路35與壓 電換能器7共同構(gòu)成阻尼系統(tǒng)，以改善傳感器的適應(yīng)能力。壓電換能器8、9分別與電路32、 33及電路38共同構(gòu)成異步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電源電路29分別給各個(gè)電路系統(tǒng)提供所需的電壓。 其中，振梁1振動(dòng)的變化將引起讀出解調(diào)電路34、36、37輸出的變化，讀出解調(diào)電路34、36、 37將這個(gè)變化的信號(hào)輸給電路38，通過電路38將該信號(hào)的變化量進(jìn)行變頻、移相、放大后 分別輸出給驅(qū)動(dòng)電路32、33，然后驅(qū)動(dòng)電路32、33根據(jù)幅度、相位變化的大小分別給予壓電 換能器8、9 一個(gè)電壓信號(hào)，通過壓電換能器8、9的反壓電效應(yīng)將這個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè) 機(jī)械形變外力，從而達(dá)到施加振梁1 一個(gè)外力的目的，起到穩(wěn)定振梁1振動(dòng)的作用。從壓電振動(dòng)角速率傳感器的工作原理可知，傳感器輸出的靈敏度和零位穩(wěn)定性與 振梁振動(dòng)幅度、頻率、振梁振動(dòng)的平衡穩(wěn)定密切相關(guān)。因此，通過不同時(shí)間和不同位置給予 梁施加不同的驅(qū)動(dòng)力，一方面可以通過不同的驅(qū)動(dòng)力消除振梁因質(zhì)量分布不均勻而造成振 動(dòng)不穩(wěn)的影響，另一方面不同的驅(qū)動(dòng)力也可抵消溫度、外部振動(dòng)沖擊等因環(huán)境變化而使壓 電換能器性能變化引起振動(dòng)不穩(wěn)的影響。從而保持振梁振動(dòng)穩(wěn)定不變，提高傳感器的性能 指標(biāo)。本實(shí)用新型實(shí)施例達(dá)到的性能指標(biāo)如附表一所示。如圖4-5所示，讀出零位電壓11輸出信號(hào)的變化量給誤差放大電路38，經(jīng)分相電 路121及整流電路122后再與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得出一個(gè)誤差信號(hào)，然后經(jīng)誤差放大 電路123進(jìn)行誤差放大，再經(jīng)雙T濾波124后輸送給驅(qū)動(dòng)電路13，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路13中的隔離 級(jí)131、濾波132及增益控制133電路后輸出134，其原理為，增益控制133根據(jù)誤差電壓 的大小控制其放大倍數(shù)決定驅(qū)動(dòng)壓電換能器的電壓大小，從而通過壓電換能器的反壓電效 應(yīng)，給振梁1施加一個(gè)與驅(qū)動(dòng)電壓成比例的機(jī)械應(yīng)變力，達(dá)到改善振梁的振動(dòng)狀態(tài)，從而使 輸出零位電壓穩(wěn)定，反復(fù)重復(fù)上述過程。故通過異步驅(qū)動(dòng)即可消除壓電換能參數(shù)變化及外部環(huán)境如溫度、振動(dòng)等的變化的影響，達(dá)到穩(wěn)定振梁的振動(dòng)，提高壓電振動(dòng)角速率傳感器的 性能和穩(wěn)定性。以上對(duì)本實(shí)用新型所提供的一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器進(jìn)行了詳盡介 紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本實(shí)用新型的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說 明只是用于幫助理解本實(shí)用新型的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員， 依據(jù)本實(shí)用新型的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明 書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。對(duì)本實(shí)用新型的變更和改進(jìn)將是可能的，而不會(huì) 超出附加權(quán)利要求可規(guī)定的構(gòu)思和范圍。附表一本實(shí)用新型產(chǎn)品的測(cè)試數(shù)據(jù)
權(quán)利要求一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器，在金屬外殼內(nèi)設(shè)置有敏感器件支架，敏感器件為安裝在基座(2)中的矩形振梁(1)及其控制電路，振梁(1)中部的四面分別貼有壓電換能器(4、5、6、7)，其中壓電換能器(6)與讀出解調(diào)電路(34、36、37)相連，讀出解調(diào)電路(34、36、37)將壓電換能器(6)敏感的角速率信號(hào)以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)輸出，壓電換能器(7)與阻尼電路(35)相連，其特征在于還包括壓電換能器(8、9)，所述壓電換能器(8、9)與驅(qū)動(dòng)電路(32、33)相連構(gòu)成異步驅(qū)動(dòng)回路，給振梁(1)施加驅(qū)動(dòng)力，所述壓電換能器(4)與主驅(qū)動(dòng)電路(31)相連、壓電換能器(5)與反饋電路(30)相連構(gòu)成主振蕩回路，使振梁(1)在其基頻處產(chǎn)生振動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于振梁(1) 的振動(dòng)變化引起讀出解調(diào)電路(34、36、37)輸出幅度和相位的變化，讀出解調(diào)電路(34、36、 37)將該變化量輸入放大電路(38)，放大電路(38)將幅度和相位的變化量進(jìn)行變頻、移相、 放大后分別輸入驅(qū)動(dòng)電路(32、33)，驅(qū)動(dòng)電路(32、33)將幅度和相位的大小分別給予壓電 換能器(8、9) 一個(gè)電壓信號(hào)，通過壓電換能器(8、9)的反壓電效應(yīng)，將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī) 械力，改善振梁(1)的振動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于傳感器 敏感的角速率信號(hào)經(jīng)過讀出電路(34)進(jìn)行交流放大，經(jīng)過解調(diào)電路(36)將信號(hào)進(jìn)行解調(diào) 變成直流信號(hào)，經(jīng)過讀出電路(37)進(jìn)行直流放大，最后輸出一個(gè)與輸入角速率成正比的直 流電壓Vout0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于在振梁 ⑴基頻的波節(jié)點(diǎn)處由鋼絲扣針⑶支撐，且振梁⑴懸空固定在基座⑵上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于所述壓 電換能器(8、9)貼于與振梁(1)支撐扣針(3)平行的兩端表面上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種異步驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)角速率傳感器，在金屬外殼內(nèi)設(shè)置有敏感器件支架，敏感器件為安裝在基座(2)中的矩形振梁(1)及其控制電路，振梁(1)中部的四面和端部分別貼有壓電換能器(4、5、6、7、8、9)，其中壓電換能器(6)與讀出解調(diào)電路(34、36、37)相連，壓電換能器(7)與阻尼電路(35)相連，所述壓電換能器(8、9)與驅(qū)動(dòng)電路(32、33)相連構(gòu)成異步驅(qū)動(dòng)回路，所述壓電換能器(4)與主驅(qū)動(dòng)電路(31)相連、壓電換能器(5)與反饋電路(30)相連構(gòu)成主振蕩回路。本實(shí)用新型在不同的時(shí)候和不同方向分別給予振梁施加不同的驅(qū)動(dòng)力，以保持振梁振動(dòng)的穩(wěn)定和振動(dòng)幅度不變，提高振動(dòng)的穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H02N2/00GK201689108SQ20102016106
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
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