扩大金属谐振陀螺量程的压电电极设计结构的制作方法

本发明涉及谐振/固体波陀螺技术领域，尤其是一种扩大金属谐振陀螺量程的压电电极设计结构。

背景技术：

谐振/固体波陀螺是一类高精度、超高可靠性陀螺，近些年来发展迅猛，除了应用于宇航领域，在船用、陆用、弹用等领域亦逐步推广。其中，弹用谐振/固体波陀螺的核心敏感部件——谐振子一般是用金属材料制成，因此又称为金属谐振陀螺仪。

金属谐振陀螺仪的谐振子形状一般是筒形，在筒形底部贴有压电陶瓷电极，用于驱动谐振子振动，并敏感陀螺效应。筒形结构尺寸、金属材料物理特性以及压电陶瓷电极的尺寸和物理特性对陀螺仪的量程均有影响。对于弹用等陀螺，要求陀螺量程通常较大，要求数转每秒甚至数十转每秒的转速。为了提高弹用金属谐振陀螺的量程，尤其是闭环量程，通常用扩大压电陶瓷尺寸、提高供电电压等方式，但这些方式或者对陀螺仪的分辨率及精度，或者对电源设计等均带来较大的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种扩大金属谐振陀螺量程的压电电极设计结构。本发明的主要目的在于不改变谐振尺寸、供电参数等指标情况下，为谐振/固体波陀螺，尤其是弹用级谐振/固体波陀螺提供扩大量程的方法，并且可以证明该方法对分辨率、随机漂移等指标影响较小。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种扩大金属谐振陀螺量程的压电电极设计结构，在金属筒形谐振子上沿圆周方向均匀布置有八个压电陶瓷片，在相邻两个压电陶瓷片之间的金属筒形谐振子上制出圆孔，其特征在于：每对称设置的两个压电陶瓷片是一对一样的压电陶瓷片，该八个压电陶瓷片分为四对，其分别是驱动电极对、幅值检测电极对、力反馈施力电极对和节点检测电极对；驱动电极对和幅值检测电极对中的压电陶瓷片间隔90°设置，力反馈施力电极对和节点检测电极对中的压电陶瓷片间隔90°设置。

而且，所述的驱动电极对选用qm值较大、逆压电性能较弱的压电陶瓷片。

而且，所述的幅值检测电极对选用压电性能较强的压电陶瓷片。

而且，所述的力反馈施力电极选用压电逆压电性能强的压电陶瓷片。

而且，所述的节点检测电极对选用压电性能较强的压电陶瓷片。

本发明的优点和积极效果是：

1、通常，谐振/固体波陀螺对轴对称性要求特别严格，因此其上设置的8个压电陶瓷亦要求较强的一致性，包括尺寸一致、压电陶瓷物理性能一致。而本发明针对谐振/陀螺固体波的闭环量程对压电陶瓷进行非对称性设计，并且从原理上证明对对称性的影响可以从设计上降低影响。与其他提高陀螺闭环量程的方法相比，具备结构改变小，延续性强，对精度影响小的特点。

2、在本发明中，对于力反馈施力电极，选用驱动能力强(e31参数较大)的压电陶瓷类型，保证有效增大闭环力反馈量程；对于振幅及节点检测，选用检测能力强(g31参数大)的压电陶瓷类型，保证陀螺的灵敏度；对于振动激励施力电极，选用驱动能力较弱的(e31参数相对较小)、机械品质因数高(qm值较大)的压电陶瓷，保证为了提升量程二采用降低振幅的措施时，激励电压不至于过低，造成稳幅回路控制困难。

3、本发明为有效提高陀螺仪的闭环量程，并且尽量减小陀螺精度损失，提供了新的方案设计。本发明在不改陀螺结构、压电陶瓷尺寸及工装用具的情况下，可有效提升陀螺闭环量程。

附图说明

图1是传统金属谐振陀螺谐振子的结构示意图；

图2是传统金属谐振陀螺压电陶瓷设计示意图；

图3是本发明提出的压电陶瓷设计示意图；

图4是本发明提出的压电陶瓷阻尼轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

为了便于理解本发明，首先对传统金属谐振陀螺谐振子的结构进行介绍：

图1为传统谐振子结构及其压电布置示意图。金属筒形谐振子1，其上均匀布置有8个一样的压电陶瓷片3，通常为了隔离耦合影响在压电陶瓷片中间加工有8个一样的圆孔2。

本发明在不改变其他参数的前提下，提出了一种压电陶瓷非对称性设计方案，可以有效扩大金属谐振陀螺仪的闭环量程。如图3和图4所示：本发明是一种扩大金属谐振陀螺量程的压电电极设计结构，在金属筒形谐振子1上沿圆周方向均匀布置有八个压电陶瓷片，在相邻两个压电陶瓷片之间的金属筒形谐振子上制出圆孔2。

本发明的创新点在于：每对称设置的两个压电陶瓷片是一对一样的压电陶瓷片，该八个压电陶瓷片分为四对，其分别是驱动电极对、幅值检测电极对、力反馈施力电极对和节点检测电极对；驱动电极对和幅值检测电极对中的压电陶瓷片间隔90°设置，力反馈施力电极对和节点检测电极对中的压电陶瓷片间隔90°设置。

所述的驱动电极对选用qm值较大(机械品质因数高)、逆压电性能较弱(e31参数相对较小)的压电陶瓷片，可选用压电陶瓷的类型如pzt-4或pzt-8。

所述的幅值检测电极对选用压电性能较强(g31参数大)的压电陶瓷片，可选用的压电陶瓷类型如pzt-5a或pzt-5h。

所述的力反馈施力电极选用压电逆压电性能强(e31参数较大)的压电陶瓷片，可选用的压电陶瓷有pzt-5h或pzt-5a。

所述的节点检测电极对选用压电性能较强(g31参数大)的压电陶瓷片，可选用的压电陶瓷类型如pzt-5a或pzt-5h。

以下对本发明设计的可行性进行验证：

图3为本发明提出的压电陶瓷布置设计。基于对称性，本设计假设用于振动激励电极的一对压电陶瓷片为4，要求压电陶瓷4的qm值较大、逆压电性能较弱的压电陶瓷，可选用压电陶瓷的类型如pzt-4或pzt-8；那么与激励间隔90°角的一对压电陶瓷为5，该对压电陶瓷电极用于振幅检测，要求该对压电陶瓷的压电性能较强，可选用的压电陶瓷类型如pzt-5a或pzt-5h；用于力反馈控制的一对压电陶瓷是6或7，本研究假设是6，该对压电陶瓷要求压电逆压电性能要强，以提供足够高的驱动能力扩展陀螺仪的闭环量程，可以选用的压电陶瓷有pzt-5h或pzt-5a；在确定力反馈电极为6的情况下，则7为节点测量电极，对该对电极的要求与振幅检测电极要求一样，选用的压电陶瓷类型如pzt-5a或pzt-5h。因此，可以确定压电陶瓷类型的设计方案之一为：

驱动电极对4，选用压电陶瓷类型为pzt-4；

幅值检测电极对5，选用压电陶瓷类型为pzt-5a；

力反馈施力电极对6，选用压电陶瓷类型为pzt-5h；

节点检测电极对7，选用压电陶瓷类型为pzt-5a。

下面说明该设计方案对陀螺仪性能的影响：

基于固体波陀螺原理，谐振子的4波腹振型符合公式

容易看出，谐振子振型满足45°正交关系。所以电极对4与电极对5所在轴是等效的，同理，电极对6与电极对7所在轴也是等效的。因此，当假设裸谐振子的阻尼是绝对均匀时，当布置上压电陶瓷后，带压电陶瓷的谐振子阻尼不再是均匀的，可以分析其阻尼轴如下；

τ45＝δτ4+δτ5

τ67＝δτ6+δτ7

式中：τ45为因电极对4与电极对5的压电陶瓷的附加阻尼形成的阻尼；

τ67为因电极对6与电极对7的压电陶瓷的附加阻尼形成的阻尼；

δτ4、δτ5、δτ6、δτ7分别为对应电机对4、5、6、7形成的附加阻尼；

把压电陶瓷的属性带入公式得：

τ45＝qm*-4+1/qm*-5a

τ67＝qm*-5h+1/qm*-5a

式中：qm*-4为pzt-4压电陶瓷对应的阻尼；

qm*-5a为pzt-5a压电陶瓷对应的阻尼；

qm*-5h为pzt-5h压电陶瓷对应的阻尼；

查询材料手册的qm值可知，qm*-4＜qm*-5a＜qm*-5h，因此易知τ45＜τ67。

当谐振子处于闭环工作状态时，驱动轴(电极对4所在轴)及检测轴(电极对5所在轴)处于波腹位置，振幅最大，而力反馈轴(电极对6所在轴)及节点轴(电极对7所在轴)因力反馈作用，无论是否有外界角速度输入，振幅近似于0。通过相关文献及实际试验可以证明，振幅越大，q值越小，因此对于假定完美的裸振子，当处于工作状态时有：τ’45＞τ’67。

综合可以使得τ45+τ’45≈τ67+τ’67使得带压电陶瓷的谐振子趋近均匀化。因此可以认为压电陶瓷的不对称设计，可以从设计上降低不对称带来的影响。

综上所示，谐振/固体波陀螺的量程由谐振结构及压电陶瓷参数决定，对于弹用等低精度金属陀螺，可以对压电陶瓷进行非对称设计，在不改变分辨率等指标的情况下，可以提高金属谐振陀螺仪的闭环量程，同时精度损失较小。本设计突破了固有设计思维限制，对提高弹用陀螺量程有较大效果。