[发明专利]一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于压电振动陀螺技术领域，具体涉及一种压电振动陀螺激励电极的设计方法。

背景技术

压电振动陀螺利用激励电极在轴对称谐振壳体中激发产生的纵向驻波在基体绕中心轴旋转时产生的哥氏效应而使振型相对壳体进动，来敏感角运动的测量。与其他类型的陀螺相比，这种陀螺具有体积小、精度高、能耗小、寿命长、机械部件结构简单、断电时稳定性好、工作温度范围大、性能稳定、耐恶劣环境、成本低等突出优点，是一种具有广阔应用前景的哥氏振动陀螺。

激励电极通常由PZT压电陶瓷材料制成，可以作为压电振动陀螺的驱动与检测换能器，其材料属性、结构尺寸、被覆位置等因素都会影响谐振子的振动特性，以及陀螺的最终性能，因而需要对其进行合理设计。目前，压电振动陀螺激励电极的设计主要依赖经验试凑法，即通过实际的物理操作对多种材料、结构不同的PZT进行电极试验，这种方法必然延长了研发周期、增加了开发成本，同时造成了不必要的浪费。

发明内容

本发明的目的是为了克服经验试凑法设计压电振动陀螺激励电极的研发成本高、开发周期长等缺点，提出了一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法。该方法主要通过有限元仿真的方法进行电极设计，避免了实际工程设计时的多种复杂过程，因而具有操作灵活简便，参数分析全面，结果准确可靠等优点，缩短了激励电极设计周期，降低了研发成本，同时有效增大了谐振子的振幅，提高了陀螺的灵敏度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1，建立压电振动陀螺的有限元模型，并根据实际情况配置谐振子、粘结胶、压电激励电极各部分的材料属性、结构尺寸等参数；

步骤2，应用有限元模态分析方法计算出谐振子的固有频率和相关振型，并在此基础上通过向压电电极施加特定频率的正弦激励电压进行谐响应分析，求解谐振子的稳态响应；

步骤3，按照步骤2的分析方法，通过修改激励电极的多种不同参数得出多组结果，分析并总结出激励电极各个参数对谐振子振动特性的影响规律。重点分析不同结构尺寸的压电电极对谐振子谐振频率、频率裂解、输出增益及等效应力的影响；

步骤4，根据上述分析得出的激励电极各参数对谐振子振动特性的影响规律，同时综合考虑一些其它方面的因素，以使谐振子产生最大振幅为主要目的（此时激励电极的输出增益最大，最终研制的陀螺灵敏度也最好），选取激励电极最优设计参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法采用CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）结构分析，以及结构—电场耦合分析，取代了传统的经验试凑法，提高了验证分析的能力和准确性，为压电振动陀螺激励电极的合理设计提供了科学依据；

（2）本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法利用有限元模态分析以及谐响应分析方法，计算出了不同参数的激励电极对谐振子谐振频率、频率裂解、输出增益、等效应力等方面的影响，得出有效分析数据，对激励电极设计进行定量分析，确保最终优化结果准确可靠；

（3）本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法通过CAE结构分析、结构—电场耦合分析，得到了指导激励电极设计的有效分析数据，从而方便设计人员总结设计规律，丰富实践经验，并归纳形成设计的规范和标准；

（4）本发明提供的一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法通过有限元方法得到了激励电极不同参数的影响特性，从而简化了其设计方案，提高了电极制作的成功率，节约了产品材料，缩短了设计周期。

附图说明

图1为一种压电振动陀螺激励电极的优化设计方法流程图；

图2为实施例中一种圆杯形压电振动陀螺谐振子的结构示意图；

图3为实施例中一种圆杯形压电振动陀螺谐振子的有限元模型；

图4为实施例中一种圆杯形压电振动陀螺谐振子四波腹振型图；

图5为向激励电极施加电压激励谐振子振动的仿真示意图；

图6为PZT长度对谐振子振幅和等效应力的影响；

图7为PZT宽度对谐振子振幅和等效应力的影响；

图8为PZT厚度对谐振子振幅和等效应力的影响；

其中，1、安装孔，2、压电电极，3、导振体，4、谐振环。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。