專利名稱：一種自由梁振動角速率傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及微小慣性測量裝置領域，具體涉及一種振梁式振動角速率傳感器。
背景技術：
近年來，隨著社會的發展和進步，用于特殊環境下的微小體積振動陀螺得到廣泛關注。例如，井下或者地面特殊環境下的姿態測量方面；近年隨著礦產資源日益減少，對于礦產資源開發方面所面臨的環境越來越惡劣，其開發難度也越來越大，這就要求用于礦產資源開發的慣性測量器件(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，礦山或隧道領域中的定向鉆孔等方面；應用于地面復雜環境下的實時方位對準的車載雷達，爆破或拆彈所用的機器人等方面；所述應用中能否準確的定位和適應復雜環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可以滿足，但其在復雜環境中應用仍受到限制(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構簡單，成本低，體積小，可靠性高、抗干擾性強等優勢而凸顯重要性。現有的自由梁振動角速率傳感器是一種局部振動器件，其一傳統支撐方式是采取雙節點支撐結構設計，例如專利號201020161061. 3所公開的一種異步驅動壓電振動角速率傳感器中的結構，這樣設計滿足了振梁在基頻振動下的瞬時線動量為零，在理想節點處支撐梁將振梁固定，由此達到了很好的力學隔離效果，有效減少了外界加速度和環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定性；雙節點支撐的振動角速率傳感器存在上述優點的同時也存在兩個方面的不足1、在為保留節點支撐的優點，通常在節點處安裝支撐梁的半徑做的很小，這樣就使得此結構陀螺的抗沖擊性減弱。2、由于雙支撐梁支撐在支撐結構上存在不對稱性，安裝支撐梁之后陀螺整體在驅動面和敏感面諧振時的頻率間隔擴大，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、零位穩定性都會帶來影響。另一種傳統支撐方式為面支撐結構，例如專利申請號201010616509. O所公開的一種振梁式雙懸臂面支撐結構的振動梁陀螺中采用的結構，其盡管可以很好地解決雙節點支撐結構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點的自由度，由于振梁有厚度存在，則面支撐結構限制了安裝處的最大轉角，進而影響振梁振動振幅，由此降低了系統靈敏度。2、面支撐結構安裝之后，整體陀螺驅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值有很大的增加，這為尋找合適驅動頻率帶來了難度，同時系統整體固有頻率的提高對此類陀螺的零位將造成不穩定。3、面支撐結構為非振梁理想節點處安裝，由此系統必將通過支撐結構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、面支撐結構在振梁工作中產生振動，而振梁敏感面和驅動面通過同一面(薄板)固定，由此必將造成更大的軸間機械耦合振動，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自由梁振動角速率傳感器，其壓電片的結構設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，其膠的粘貼系數降低，容易老化，則系統的可靠性和輸出靈敏度均受到影響。
發明內容
針對現有技術存在的上述問題，本發明解決的技術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。為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案。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的振梁，振梁長度方向的四個側面的中間位置上設置有壓電片，壓電片包括兩兩相對設置的一對敏感壓電片和一對驅動壓電片，壓電片表面設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點上還設置有用于將振梁支撐在振梁外部的支撐架上的支撐結構，其改進之處在于， 所述支撐結構包括在振梁振動節點處四個面的中間位置均垂直設置的桿狀支撐梁，形成十字支撐結構；所述壓電片設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，壓電片外表面與振梁表面為同一平面。本傳感器使用時，驅動電路通過驅動壓電片上的接線柱與驅動壓電片連接，提供驅動激勵形成驅動回路；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角速度。本方案中，桿狀支撐梁優選采用圓柱體或長方體的細桿，可以便于制作和提高支撐效果。支撐梁優選采用與振梁相同的材料，可以降低安裝熱應力，提高支撐穩定性。支撐梁的具體尺寸的選擇根據系統抗沖擊性、驅動頻率和敏感頻率的要求而定。采用的壓電片優選采用密度參數和泊松比參數與振梁合金材質的這兩種參數基本相同的材料得到(所述基本相同指參數相同或最接近的材料)；這樣可以進一步使得振梁上由于增加壓電片帶來的影響降到最低，進而提高整個傳感器靈敏度。本發明改進后帶來的特點如下。本發明中壓電片通過振梁表面的鑲嵌槽與振梁粘貼耦合安裝，由此防止了傳統的粘貼誤差以及膠體受溫度影響，系統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。本發明中采用的壓電片其密度、泊松比等參數和振梁合金的參數相近，采用壓電片鑲嵌式耦合結構安裝可以抵消振梁開槽減小的質量，相對傳統粘貼方式，該特征使振梁的振動節點更加靠近理論節點，從而提升了合金梁振動時的能量轉換效率，提高了整個角速率傳感器的靈敏度。同時，本發明采用壓電片鑲嵌式耦合結構安裝，改善了因傳統壓電片粘貼耦合出現不確定因素引起的正負壓電垂直度偏移量誤差，該結構提高正負壓電片的垂直度，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。本發明采用十字支撐結構，其安裝在振梁理想振動節點處，該結構理論上保證了振梁對外界加速度及振動干擾不敏感，具有較好的力學隔離效果，保證系統靈敏度的同時提高了系統抗沖擊性和抗外界干擾能力。
本發明采用十字支撐結構，其采用圓柱體或長方體的細桿狀的梁型結構，該結構受限于振梁表面理想振動節點的形狀，采用此結構安裝理論上保證了最優化結構設計，由此對振梁轉角限制較小，即對振梁振動幅值影響更小，系統檢測靈敏度更高。本發明采用十字支撐結構，其采用8根振梁節點處安裝的支撐梁結構，呈對稱分布且長度、半徑及材料參數保持一致，由此對自由梁振動角速率頻率匹配設計時僅需合理的振梁截面尺寸即可，避免傳統支撐結構下的復雜設計與加工，由此降低了因加工復雜和誤差引起的質心偏移及正交誤差。本發明采用十字支撐結構，其安裝結構呈對稱分布，由此系統頻率間隔更為穩定，即系統工作帶寬得到了保證，同時該支撐結構下的系統軸間機械耦合振動干擾誤差更小，檢測精度更高。綜上所述，相比于現有技術，本發明改進了壓電片的安裝方式，同時改進了振梁支 撐結構形式，能夠有效抑制零位漂移現象，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，本發明還具備結構簡單，實施方便的優點。
圖I為本發明的自由梁振動角速率傳感器的結構示意圖，圖中壓電片為未安裝狀態。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構示意。圖3為本發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為本發明的自由梁振動角速率傳感器使用時連接外電路后的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。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的振梁1，振梁I長度方向的四個側面的中間位置上設置有壓電片2，壓電片2包括兩兩相對設置的一對敏感壓電片和一對驅動壓電片，壓電片表面設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點上還設置有用于將振梁支撐在振梁外部的支撐架上的支撐結構，其中，所述支撐結構包括在振梁振動節點處四個面的中間位置均垂直設置的桿狀支撐梁3，形成十字支撐結構；所述壓電片設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，壓電片外表面與振梁表面為同一平面。更加具體地說，本發明實施時主要包括彈性合金材質的振梁1，四個壓電片2，八個桿狀支撐梁3形成兩個十字支撐結構，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，十字支撐結構通過在振梁I的節點處安裝，整體結構通過十字支撐結構與外界基體固定。
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。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根據系統抗沖擊性的大小及系統諧振頻率來定，其加工的材料和振梁材料一致，避免安裝熱應力。如圖4所述，本發明具體安裝和工作原理為，外界驅動電路10通過接線柱41、44分別與驅動壓電片21、24相連接，提供外界驅動激勵源；在逆壓電效應下，驅動壓電片21、24產生形變，帶動振梁I在驅動軸向即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面上產生哥氏力，哥氏力作用下振梁I敏感面產生振動，則帶動敏感壓電片22、23振動，正壓電效應下敏感壓電片22、23上產生電荷，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 ,閉環反饋控制電路12，通過反饋信號調制驅動電路信號實現系統自動控制，穩定輸出。
下面通過理論推導對本發明兩處改進的效果進一步說明。—、壓電片鑲嵌f禹合方式 振梁結構
振梁自由振動時，其振動就是一個標準的彈性曲線。消除旋轉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，確定節點的位置。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
則節點位置是sin-_備=0，即一皿1 PO皿。壓電片鑲嵌的振梁結構
采用壓電片鑲嵌耦合形式安裝的振梁結構，確定梁的節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量，K為壓電片的質量，
解方程求的
權利要求
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的振梁，振梁長度方向的四個側面的中間位置上設置有壓電片，壓電片包括兩兩相對設置的一對敏感壓電片和一對驅動壓電片，壓電片表面設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點上還設置有用于將振梁支撐在振梁外部的支撐架上的支撐結構，其特征在于，所述支撐結構包括在振梁振動節點處四個面的中間位置均垂直設置的桿狀支撐梁，四個支撐梁形成十字支撐結構；所述壓電片設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，壓電片外表面與振梁表面為同一平面。
全文摘要
本發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的振梁，振梁上設置有壓電片，壓電片表面設置有接線柱，所述振梁的振動節點上還設置有支撐結構，其特點在于，所述支撐結構包括在振梁振動節點處四個面的中間位置均垂直設置的桿狀支撐梁，四個支撐梁形成十字支撐結構；所述壓電片設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，壓電片外表面與振梁表面為同一平面。本發明自由梁振動角速率具有小體積，低成本，可靠性高等優點，且系統抗沖擊性及抗干擾性提強，且系統靈敏度提高及零位穩定性好。
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 優先權日2012年8月20日
發明者劉嘉敏, 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