壓電微固體模態(tài)陀螺參考振動(dòng)的優(yōu)化及振子支撐技術(shù)的研究.pdf

1、壓電微固體模態(tài)陀螺儀是一種新型全固態(tài)角速度傳感器，它利用壓電質(zhì)量塊的某高階共振模態(tài)作為參考振動(dòng)，以壓電材料的逆壓電效應(yīng)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)理，正壓電效應(yīng)和哥氏加速度效應(yīng)作為檢測(cè)機(jī)理。壓電微固體模態(tài)陀螺的振子為一方形固體，與傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)陀螺相比，該陀螺抗沖擊、抗震動(dòng)能力強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。該壓電微陀螺結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制比較新穎，性能受到很多因素的影響，對(duì)陀螺儀參考振動(dòng)模態(tài)的驗(yàn)證優(yōu)化以及支撐技術(shù)方面的研究不僅有利于性能的提升，還為后續(xù)結(jié)構(gòu)、封裝的優(yōu)化

2、提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　本文采用有限元分析、激光測(cè)振儀測(cè)試與阻抗分析儀測(cè)試相結(jié)合的方法從理論和實(shí)驗(yàn)上分析并驗(yàn)證了陀螺的參考振動(dòng)模態(tài)。通過(guò)模態(tài)分析、諧振分析得到參考模態(tài)的階數(shù)及振型特征，掃描激光測(cè)振儀不僅使振型可視化，同時(shí)，也測(cè)得了陀螺實(shí)際的參考振動(dòng)模態(tài)參數(shù)(諧振頻率、振動(dòng)速度)；阻抗分析儀通過(guò)對(duì)陀螺的導(dǎo)納圓和等效電路進(jìn)行分析得到相關(guān)的參數(shù)。3種方法得到的諧振頻率分別是343.500kHz、346.094kHz，347.316

3、kHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析的相對(duì)誤差僅為0.76％和1.11%，結(jié)果基本一致；仿真得到的模態(tài)振型與掃描測(cè)試觀察到的振型符合得很好，從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了理論仿真的正確性與可靠性。
　　本文采用有限元方法分析了壓電振子安裝時(shí)支撐方式、支撐點(diǎn)位置以及支撐點(diǎn)接觸面積對(duì)參考振動(dòng)的影響。分析結(jié)果表明，單點(diǎn)支撐下上下相鄰檢測(cè)電極輸出電壓幅值不對(duì)稱，兩點(diǎn)支撐可以很好的避免這個(gè)問(wèn)題。兩點(diǎn)支撐下，相對(duì)于接觸面積的變化，支撐點(diǎn)位置的變化對(duì)陀螺參考模態(tài)的影響

4、更大。隨著支撐點(diǎn)接觸面積的增大，參考電極、檢測(cè)電極上的輸出電壓略有減小，對(duì)應(yīng)的諧振頻率會(huì)增大；支撐點(diǎn)偏離面心，會(huì)使得電極輸出電壓及對(duì)應(yīng)的諧振頻率不對(duì)稱，而z向位移帶來(lái)的影響更顯著，不利于后續(xù)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)和哥氏力檢測(cè)。根據(jù)該研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了兩點(diǎn)支撐框架，將陀螺封裝在密閉的腔體內(nèi)，有效地提高了機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，保證陀螺長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。
　　最后對(duì)電路系統(tǒng)中的濾波電路和移相電路進(jìn)行了改進(jìn)，使得其能更好的跟蹤陀螺頻率，提供幅值穩(wěn)定的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)。