专利名称：微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及陀螺等效电路的参数测量方法及装置，特别是一种微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法及装置。
背景技术：
在研制、生产和应用压电器件时，有关的电参数的测量是极其重要的。因此，国内外对这些参数的测量方法的研究都非常重视。得到压电器件精确的等效电路是参数测量的 ■石出。等效电路指的是同一个电路的不同的表示方法。当电路中某一部分用其等效电路代替之后，未被代替的部分电压和电流均不发生变化，也就是说电压和电流不变的部分只是等效部分以外的电路，故称“对外等效”。元件的种类和位置都相同，但是在画电路时有不同的画线方法，就是等效电路。在许多情况下，人们常利用作用的效果相同，来认识和处理复杂的问题。现代电子技术中，在分析一些复杂电路时，人们常常只关注整个电路(或电路的某一部分)的输入、输出关系，即电流和电压的变化关系。这样就可以用一个简单的电路代替复杂电路，使问题得到简化。这个简单的电路就是复杂电路的等效电路。压电器件等效电路的参数测量方法有传输法、π网络零相位法(π网络法)、阻抗计法、导纳圆图法等。传输法是把压电元件插入一个传输线路中，测量整个网络的最大和最小传输频率，从而得到要测量的频率等参数。传输线路法具有测量方法简单、精确度比较高等优点，在压电材料和压电器件的研制和生产过程中，得到了非常广泛的应用。其传输的网络主要有η型网络和T型网络。π网络法是IEC (国际电工委员会)推荐的压电元件电参数测量方法，其频率的测量范围为广250ΜΗΖ，动态谐振频率的不确定度在士 Ippm以内，动态谐振电阻的测量不确定度为士 129Γ士5%。但其对仪器设备的要求比较高。阻抗计法是最方便的测量方法之一，当测量某一特定频率附近的石英晶体时了预先适当地调整振荡回路电子元件的参数就可以比较精确地测量石英晶体的谐振频率等参数，但测量的精度相对较低。导纳圆图法可以很精确地测量压电振子的动态谐振频率等参数，但需要比较复杂的设备，实现起来相对比较复杂。X^[email protected](nove 1 micro solid gyroscope, K. Maenaka, H. Kohara, etc, Istanbul, 19th IEEE International conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2006)，包括基体、驱动电极、参考电极和传感电极。基体采用微弹性固体材料，基体上下表面两侧分布有驱动电极、参考电极和传感电极，他们在基体上下两侧完全对称。基体上下表面均布置两个驱动电极、两个参考电极和四个传感电极，它们在基体的表面是左右对称的。驱动电极用于引导探测器开始振动，为陀螺等效电路的输入；参考电极主要用于获得陀螺的振动状态；传感电极用于获取陀螺输入角速度的检测信号。所述驱动电极、参考电极和传感电极均采用压电材料。目前，有关微固体模态陀螺在汽车、电子、生物、军事等各个领域中的应用越来越广泛，然而却没有等效电路的分析。对于微固体模态陀螺而言，它与一般的压电谐振器不同通常的压电谐振器的电极是全部覆盖谐振器的上下表面的，而微固体模态陀螺的多个驱动、传感和参考电极只是分布在陀螺上下表面的局部。 为了提高微固体模态陀螺在驱动或检测等电路中的可分析性，提出一种针对微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法和装置是非常有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法及装置，提高微固体模态陀螺在驱动或检测等电路中的可分析性。为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下
本发明所述微固体模态陀螺的等效电路包括一条由动态电容，动态电感和动态电阻串联组成的支路和与这条支路并联的静态电容。等效电路中静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容；等效电路中的动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量。本发明为了测量以上所述微固体模态陀螺的等效电路的这些参数，采用了以下的测量装置一个恒流变频振荡器，两个终端网络和一个检测器。恒流变频振荡器加在陀螺两驱动端，并在陀螺谐振频率附近对其进行扫频，由于陀螺所涉及谐振模态一般独立于其它谐振模态，所以在恒流变频振荡器对陀螺进行扫频时，陀螺等效电路的参数是恒定不变的。 终端网络为电阻和电容的并联，它在等效电路输入端和输出端是对称的。其中并联电容为杂散电容，它影响着等效参数的测量精度。检测器为电压表，与终端网络并联。当恒流变频振荡器输入频率变化时，检测器测量的是终端网络中并联电阻两端的电压。本发明利用以上所述的测量装置，采用以下方法分别对微固体模态陀螺等效电路的四个参数进行测量
第一，静态电容用两频率下电容桥所测得的两静态电容的平均值代替表示，这两个频率在陀螺谐振频率上下等距分布；
第二，动态电阻的测量通过特定电阻的替代测量电路中的陀螺部分，获取与陀螺相同的最大输出电压，则陀螺的动态电阻可以通过动态电阻与替代电阻之间的关系式求得；
第三，在两不同负载电容情况下，通过测量等效电路的最大输出频率，可根据频率与动态电容之间的关系式求得动态电容的值；
第四，随之，动态电感的值在动态电容和动态谐振频率已知时可求得。本发明微固体模态陀螺等效电路的测量方法使陀螺在各种电路分析中可以等效为一个由基本元件电阻、电容和电感组成的具体电路，这样不仅使得陀螺所在电路将更加直观易懂，也大大提高了陀螺所在电路的可分析性。微固体模态陀螺等效电路的测量装置为测量参数方法提供硬件支持。
图1为本发明一实施例微固体模态陀螺结构示意图2为本发明一实施例微固体模态陀螺等效电路的参数测量装置原理图； 图3为本发明一实施例微固体模态陀螺等效电路的参数测量原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例所涉及的微固体模态结构很简单，基体5的材料是硅，也可选择高品质的玻璃或者金属，其形状为长方体，可选用4mmX5mmX3mm规格。表面两侧的电极材料为PZT压电陶瓷，在陀螺振动过程中利用了这种材料的压电效应。表面两侧的电极一共有16个，包括驱动电极，参考电极和传感电极，其中1、9、10、17是驱动电极，4、7、11、15 均为参考电极，2、3、6、8、12、13、14、16是传感电极。上下表面的驱动、参考和传感电极都是完全对称的。驱动电极用来引导陀螺开始振动，当基体5两侧的驱动电极1、9与10、17之间同时加上频率和幅值相等、相位相差180°的两路正弦电压时，将在参考电极上产生相应的电压，当在陀螺上输入角速度时，可以在传感电极上获取角速度的信息。如图2所示，本实施例中，微固体模态陀螺等效电路的参数测量装置包括一个恒流变频振荡器，两个终端网络，和一个检测器。恒流变频振荡器为测试电路提供恒定电流； 两终端网络为电阻RT，RT的寄生电容CT (如图3中)在高频时是不可忽略的，它影响着等效参数的测量精度。图中检测器为电压表，与终端网络并联。当恒流变频振荡器输入频率变化时，检测器测量的是终端网络中并联电阻RT两端的电压。微固体模态陀螺的驱动电极 Pl至P2之间的部分可以等效为一个由电阻、电容和电感组成的简单电路，如图3中的虚线框所示。这里的Pl可以是图1中的驱动电极1或9，P2可以是驱动电极10或17。如图3所示，本实施例中微固体模态陀螺用其等效电路代替，如图中虚线框所示， 该等效电路由两条支路并联，一条为一电容C0，另一条为电阻R1、电容Cl和电感Ll的串联支路。其中，CO表示陀螺驱动端的静态电容，表示陀螺在静止状态下电极之间的电容；动态电阻R1、动态电容Cl和动态电感Ll分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量。测量这4个参数的方法如下静态电容CO可通过电容桥的方法进行测量，由于微固体模态陀螺的高电容率特性，测量时的频率选择不为共振频率点即可。一般在共振频率点上下选择与共振频率等距的两频率进行静态电容CO测量，然后取其平均值就可作为静态电容CO的值；
动态电阻Rl测量通过特定电阻RST的替代测量电路中的陀螺部分，通过调节电阻RST 的值可获取与陀螺相同的最大输出电压，则陀螺的动态电阻Rl可用电阻RST替代。当开关 SWl闭合时，通过选择合适的Ltl值，使环路Ltl RlCl Ll处于谐振状态，这个时候测量获得RST 与Rl相等，可减少测量误差。分别在两不同负载电容CLl和CL2和将开关SW2闭合不串CL的三种情况下，测量陀螺的最大输出频率，即频率变化时电压表上输出电压最大的频率点。然后根据动态谐振频率和动态电容之间的关系式(1)可求得动态电容Cl的值
其中负载电容CLl和CL2分别用电容桥的方法进行测量；在两不同负载电容CLl和CL2 和将开关SW2闭合不串CL的三种情况下的动态谐振频率fslii、fsi2*fs分别用这三种情况下的最大输出频率替代，因为在精确度要求为1%的要求下，动态谐振频率与最大输出频率之间的差别可以忽略。图中与陀螺等效电路的并联线圈LO主要是用于激发起振，使陀螺的谐振频率为f,;。 随之，动态电感Ll的值可根据以下关系式(2)求得
权利要求
1.一种微固体模态陀螺等效电路的参数测量装置，其特征在于所述参数测量装置包括一个恒流变频振荡器，两个终端网络和一个检测器，其中恒流变频振荡器加在陀螺两驱动端，并在陀螺谐振频率附近对其进行扫频；终端网络为电阻和电容的并联，它在微固体模态陀螺等效电路输入端和输出端是对称的；检测器为电压表，与终端网络并联，当恒流变频振荡器输入频率变化时，检测器测量的是终端网络中并联电阻两端的电压。
2.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺等效电路的参数测量装置，其特征在于，所述微固体模态陀螺等效电路包括一条由动态电容，动态电感和动态电阻串联组成的支路和与这条支路并联的静态电容，等效电路中的静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容；等效电路中的动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量。
3.根据权利要求1或2所述的微固体模态陀螺等效电路的参数测量装置，其特征在于， 所述恒流变频振荡器对陀螺进行扫频时，微固体模态陀螺等效电路的参数是恒定不变的。
4.根据权利要求1或3所述的微固体模态陀螺等效电路的参数测量装置，其特征在于， 所述恒流变频振荡器为测量电路提供恒定电流。
5.根据权利要求1所述的微固体模态陀螺等效电路的参数测量装置，其特征在于，所述终端网络中并联电容为杂散电容。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述装置进行的微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法，其特征在于，采用以下方法分别对微固体模态陀螺等效电路的四个参数进行测量第一，静态电容用两频率下电容桥所测得的两静态电容的平均值代替表示，这两个频率在陀螺谐振频率上下等距分布；第二，动态电阻的测量通过特定电阻的替代测量电路中的陀螺部分，获取与陀螺相同的最大输出电压，则陀螺的动态电阻通过动态电阻与替代电阻之间的关系式求得；第三，在两不同负载电容情况下，通过测量等效电路的最大输出频率，可根据频率与动态电容之间的关系式求得动态电容的值；第四，随之，动态电感的值在动态电容和动态谐振频率已知时可求得。
7.根据权利要求6所述的微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法，其特征在于，所述静态电容通过电容桥的方法进行测量，测量时的频率选择不为共振频率点，在共振频率点上下选择与共振频率等距的两频率进行静态电容测量，然后取其平均值作为静态电容的值。
全文摘要
本发明公开一种微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法及装置，微固体模态陀螺等效电路为两条并联支路，一条为静态电容，另一条为动态电阻、动态电容和动态电感的串联。测量装置包括一个变频振荡器，两个终端网络，和一个检测器。变频振荡器为测量电路提供恒定电流，检测器为电压表，当频率变化时检测终端网络两端的电压。利用以上所述的测量装置基于最大输出频率和电容桥的测量方法可求得等效电路的各个参数。本发明为了提高了微固体模态陀螺在驱动或检测等电路中的可分析性，提出一种针对微固体模态陀螺等效电路的参数测量方法和装置是非常有必要。
文档编号G01R27/02GK102508034SQ20111032715
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者刘武, 吴校生, 崔峰, 张卫平, 郑福, 陈文元 申请人:上海交通大学
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