专利名称：一种自由梁振动角速率传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微小惯性测量装置领域，具体涉及一种振梁式振动角速率传感器。
背景技术：
近年来，随着社会的发展和进步，用于特殊环境下的微小体积振动陀螺得到广泛关注。例如，井下或者地面特殊环境下的姿态测量方面；近年随着矿产资源日益减少，对于矿产资源开发方面所面临的环境越来越恶劣，其开发难度也越来越大，这就要求用于矿产资源开发的惯性测量器件(陀螺和加速度计)灵敏度要好、抗冲击性及抗干扰性要高，又例 如，矿山或隧道领域中的定向钻孔等方面；应用于地面复杂环境下的实时方位对准的车载雷达，爆破或拆弹所用的机器人等方面；所述应用中能否准确的定位和适应复杂环境能力上对惯性测量器件都有较高的要求。对于定位精度方面光纤陀螺和磁通技术可以满足，但其在复杂环境中应用仍受到限制(抗冲击振动和微小体积要求等)。在理论上双悬臂振梁式振动陀螺因其结构简单，成本低，体积�。煽啃愿�、抗干扰性强等优势而凸显重要性。现有的自由梁振动角速率传感器是一种局部振动器件，其一传统支撑方式是采取双节点支撑结构设计，例如专利号201020161061. 3所公开的一种异步驱动压电振动角速率传感器中的结构，这样设计满足了振梁在基频振动下的瞬时线动量为零，在理想节点处支撑梁将振梁固定，由此达到了很好的力学隔离效果，有效减少了外界加速度和环境噪声对振梁振动造成的干扰影响，从而使其具有较好的抗干扰稳定性；双节点支撑的振动角速率传感器存在上述优点的同时也存在两个方面的不足1、在为保留节点支撑的优点，通常在节点处安装支撑梁的半径做的很小，这样就使得此结构陀螺的抗冲击性减弱。2、由于双支撑梁支撑在支撑结构上存在不对称性，安装支撑梁之后陀螺整体在驱动面和敏感面谐振时的频率间隔扩大，从而不能满足理论分析出的最佳间隔频率，对陀螺灵敏度、带宽、零位稳定性都会带来影响。另一种传统支撑方式为面支撑结构，例如专利申请号201010616509. O所公开的一种振梁式双悬臂面支撑结构的振动梁陀螺中采用的结构，其尽管可以很好地解决双节点支撑结构的抗冲击性低的缺陷，但同时也带来了很多的不足1、面支撑方式在安装处限制了振梁所有振动结点的自由度，由于振梁有厚度存在，则面支撑结构限制了安装处的最大转角，进而影响振梁振动振幅，由此降低了系统灵敏度。2、面支撑结构安装之后，整体陀螺驱动面和敏感面谐振频率相比自由振梁在两方向上谐振频率数值有很大的增加，这为寻找合适驱动频率带来了难度，同时系统整体固有频率的提高对此类陀螺的零位将造成不稳定。3、面支撑结构为非振梁理想节点处安装，由此系统必将通过支撑结构对基体加速度和外界干扰敏感，该敏感增加了检测误差降低了测量精度。4、面支撑结构在振梁工作中产生振动，而振梁敏感面和驱动面通过同一面(薄板)固定，由此必将造成更大的轴间机械耦合振动，在ANSYS软件仿真中也验证了上述。以上支撑方式的不足降低了自由梁振动角速率传感器的性能。另外，对于上述两种不同支撑方式下的传统自由梁振动角速率传感器，其压电片的结构设置均是通过粘贴胶直接粘贴在振梁的表面，由此受到粘贴误差的影响；同时随着温度的升高，其胶的粘贴系数降低，容易老化，则系统的可靠性和输出灵敏度均受到影响。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明解决的技术问题是如何提供一种可靠性和灵敏度更高，能够有效抑制零位漂移的自由梁振动角速率传感器，使其输出精度得到大大提闻。为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案。一种自由梁振动角速率传感器，包括矩形体的弹性合金材质的振梁，振梁长度方向的四个侧面的中间位置上设置有压电片，压电片包括两两相对设置的一对敏感压电片和一对驱动压电片，压电片表面设置有用于和外电路连接的接线柱，所述振梁长度方向的振动节点上还设置有用于将振梁支撑在振梁外部的支撑架上的支撑结构，其改进之处在于， 所述支撑结构包括在振梁振动节点处四个面的中间位置均垂直设置的杆状支撑梁，形成十字支撑结构；所述压电片设置位置的振梁上具有与压电片匹配的安装槽，所述压电片镶嵌固定到安装槽内，压电片外表面与振梁表面为同一平面。本传感器使用时，驱动电路通过驱动压电片上的接线柱与驱动压电片连接，提供驱动激励形成驱动回路；检测电路通过敏感压电片上的接线柱与敏感压电片连接，检测敏感压电片上哥氏力作用下的电荷量，通过对电信号的处理得出外界输入旋转角速度。本方案中，杆状支撑梁优选采用圆柱体或长方体的细杆，可以便于制作和提高支撑效果。支撑梁优选采用与振梁相同的材料，可以降低安装热应力，提高支撑稳定性。支撑梁的具体尺寸的选择根据系统抗冲击性、驱动频率和敏感频率的要求而定。采用的压电片优选采用密度参数和泊松比参数与振梁合金材质的这两种参数基本相同的材料得到(所述基本相同指参数相同或最接近的材料)；这样可以进一步使得振梁上由于增加压电片带来的影响降到最低，进而提高整个传感器灵敏度。本发明改进后带来的特点如下。本发明中压电片通过振梁表面的镶嵌槽与振梁粘贴耦合安装，由此防止了传统的粘贴误差以及胶体受温度影响，系统可靠性及灵敏度得到了提高、正交误差和胶体受温度影响造成的零位漂移得到抑制，输出精度得到大大的提高。本发明中采用的压电片其密度、泊松比等参数和振梁合金的参数相近，采用压电片镶嵌式耦合结构安装可以抵消振梁开槽减小的质量，相对传统粘贴方式，该特征使振梁的振动节点更加靠近理论节点，从而提升了合金梁振动时的能量转换效率，提高了整个角速率传感器的灵敏度。同时，本发明采用压电片镶嵌式耦合结构安装，改善了因传统压电片粘贴耦合出现不确定因素引起的正负压电垂直度偏移量误差，该结构提高正负压电片的垂直度，从而很好的抑制垂直度偏移量引起的角速率检测中的正交误差。本发明采用十字支撑结构，其安装在振梁理想振动节点处，该结构理论上保证了振梁对外界加速度及振动干扰不敏感，具有较好的力学隔离效果，保证系统灵敏度的同时提高了系统抗冲击性和抗外界干扰能力。
本发明采用十字支撑结构，其采用圆柱体或长方体的细杆状的梁型结构，该结构受限于振梁表面理想振动节点的形状，采用此结构安装理论上保证了最优化结构设计，由此对振梁转角限制较小，即对振梁振动幅值影响更�。低臣觳饬槊舳雀�。本发明采用十字支撑结构，其采用8根振梁节点处安装的支撑梁结构，呈对称分布且长度、半径及材料参数保持一致，由此对自由梁振动角速率频率匹配设计时仅需合理的振梁截面尺寸即可，避免传统支撑结构下的复杂设计与加工，由此降低了因加工复杂和误差引起的质心偏移及正交误差。本发明采用十字支撑结构，其安装结构呈对称分布，由此系统频率间隔更为稳定，即系统工作带宽得到了保证，同时该支撑结构下的系统轴间机械耦合振动干扰误差更�。觳饩雀�。综上所述，相比于现有技术，本发明改进了压电片的安装方式，同时改进了振梁支 撑结构形式，能够有效抑制零位漂移现象，能够有效提高传感器的可靠性和灵敏度，使其不受温度影响，输出精度得到大大提高。同时，本发明还具备结构简单，实施方便的优点。
图I为本发明的自由梁振动角速率传感器的结构示意图，图中压电片为未安装状态。图2为图I中压电片安装好后从位于压电片位置横向剖开后的剖视图，图中增加了位于振梁外部的支撑架的结构示意。图3为本发明的自由梁振动角速率传感器未安装压电片时从压电片的安装槽位置剖开后的剖面图。图4为本发明的自由梁振动角速率传感器使用时连接外电路后的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。具体实施时，如图I-图4所示，一种自由梁振动角速率传感器，包括矩形体的弹性合金材质的振梁1，振梁I长度方向的四个侧面的中间位置上设置有压电片2，压电片2包括两两相对设置的一对敏感压电片和一对驱动压电片，压电片表面设置有用于和外电路连接的接线柱4，所述振梁长度方向的振动节点上还设置有用于将振梁支撑在振梁外部的支撑架上的支撑结构，其中，所述支撑结构包括在振梁振动节点处四个面的中间位置均垂直设置的杆状支撑梁3，形成十字支撑结构；所述压电片设置位置的振梁上具有与压电片匹配的安装槽6，所述压电片镶嵌固定到安装槽内，压电片外表面与振梁表面为同一平面。更加具体地说，本发明实施时主要包括弹性合金材质的振梁1，四个压电片2，八个杆状支撑梁3形成两个十字支撑结构，四个接线柱4，用于安装压电片的四个安装槽6 ;其具体连接方式为，振梁I的表面开安装槽6，压电片通过安装槽6镶嵌固定在振梁I上，压电片2的表面焊接有接线柱4与外电路链接，十字支撑结构通过在振梁I的节点处安装，整体结构通过十字支撑结构与外界基体固定。
其中，安装槽6在振梁I的表面加工，其在振梁I中部位置呈对称分布，其安装槽6的尺寸分别记为长度Lc，深度Dc，宽度为Wc ;该尺寸与压电片2的尺寸相当。其中，振梁I的支撑梁3呈对称分布安装在振梁I的对称面，其尺寸的选择支撑梁的截面半径r长度L根据系统抗冲击性的大小及系统谐振频率来定，其加工的材料和振梁材料一致，避免安装热应力。如图4所述，本发明具体安装和工作原理为，外界驱动电路10通过接线柱41、44分别与驱动压电片21、24相连接，提供外界驱动激励源；在逆压电效应下，驱动压电片21、24产生形变，带动振梁I在驱动轴向即X轴向上的谐振振动；在沿z轴向有外界输入角速率Ω，则在振梁7面上产生哥氏力，哥氏力作用下振梁I敏感面产生振动，则带动敏感压电片22、23振动，正压电效应下敏感压电片22、23上产生电荷，通过接线柱42、43连接到检测电路11，在检测电路11检测中即可测量出外界输入角速率Ω ,闭环反馈控制电路12，通过反馈信号调制驱动电路信号实现系统自动控制，稳定输出。
下面通过理论推导对本发明两处改进的效果进一步说明。—、压电片镶嵌f禹合方式 振梁结构
振梁自由振动时，其振动就是一个标准的弹性曲线。消除旋转项的弹性曲线近似公式
为
H (Z) = χ0 $ιη(πζ f L)-a(I)
是一个常数，确定节点的位置。因此一次模的近似解为 x(zj) = (Xq sm(frz/ L) —a) sm α (2)
因为没有外部交变力作用于梁上，梁的总垂直动量必然为零。即在-轴上面和下面的面积相等时，总动量为零。所以《的实际值可由下式求出
■■■ L= Jt0 J sm(7rz/ L)dz — ￡ adz, a = 2 / π
0 2 ⑶
... x(zj) = X0 (sirUnz / ￡)-—) βιπφ￡
'■ ^ π
则节点位置是sin-_备=0，即一皿1 PO皿。压电片镶嵌的振梁结构
采用压电片镶嵌耦合形式安装的振梁结构，确定梁的节点仍然为固定安装点，在安装点需要净动量为零，所以梁动量加压电片的动量应为零，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/为梁上挖去部分的质量，K为压电片的质量，
解方程求的
权利要求
1.一种自由梁振动角速率传感器，包括矩形体的弹性合金材质的振梁，振梁长度方向的四个侧面的中间位置上设置有压电片，压电片包括两两相对设置的一对敏感压电片和一对驱动压电片，压电片表面设置有用于和外电路连接的接线柱，所述振梁长度方向的振动节点上还设置有用于将振梁支撑在振梁外部的支撑架上的支撑结构，其特征在于，所述支撑结构包括在振梁振动节点处四个面的中间位置均垂直设置的杆状支撑梁，四个支撑梁形成十字支撑结构；所述压电片设置位置的振梁上具有与压电片匹配的安装槽，所述压电片镶嵌固定到安装槽内，压电片外表面与振梁表面为同一平面。
全文摘要
本发明公开了一种自由梁振动角速率传感器，包括矩形体的弹性合金材质的振梁，振梁上设置有压电片，压电片表面设置有接线柱，所述振梁的振动节点上还设置有支撑结构，其特点在于，所述支撑结构包括在振梁振动节点处四个面的中间位置均垂直设置的杆状支撑梁，四个支撑梁形成十字支撑结构；所述压电片设置位置的振梁上具有与压电片匹配的安装槽，所述压电片镶嵌固定到安装槽内，压电片外表面与振梁表面为同一平面。本发明自由梁振动角速率具有小体积，低成本，可靠性高等优点，且系统抗冲击性及抗干扰性提强，且系统灵敏度提高及零位稳定性好。
文档编号G01C19/5642GK102778228SQ20121029619
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者刘嘉敏, 刘宇, 刘申, 吴英, 喻凌青, 曾红明, 欧毅, 段耀宇, 路永乐 申请人:重庆邮电大学
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