[发明专利]基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及振动陀螺领域，尤其涉及一种基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜驱动检测的振动陀螺。

背景技术

陀螺是一种检测惯性空间中物体角运动的传感器，是惯性导航、制导与姿态控制的关键器件。圆柱壳体振动陀螺基于哥氏原理敏感角速度，是一种有别于传统的机械转子陀螺的无转子陀螺，通过利用谐振子振动时产生的驻波进动代替了转子的高速转动，从而避免了机械摩擦，从根本上减小了漂移误差。圆柱壳体振动陀螺具有精度高、寿命长、可靠性好、体积小、重量轻、功耗低等优点，在惯性技术领域尤其是空间导航领域受到高度重视，具有广泛的应用前景。

圆柱壳体振动陀螺的谐振子敏感角速度的原理为：以一定方式驱动圆柱壳体振动于n＝2本征模态(n表示振动模态的环向阶数)，模态驻波振型如图1所示。其中11为圆柱壳体初始未变形状态，驻波12为振动主模态，其在圆周分布有四个波腹与四个波节，波腹连线方向为振动主轴方向。绕圆柱壳体轴向的角速度将使圆柱壳体受到哥氏力的作用，使驻波位置相对壳体移动；如果角速度Ω由图1所示方向为顺时针，则由角速度引起的哥氏力将激发出由图1中模态13所示45°方向的n＝2正交模态，其振动幅度可反映角速度。

圆柱壳体振动陀螺的工作方式一般为：在圆柱壳体谐振子底面或侧面粘贴压电电极，在谐振子底面或侧面相对的压电驱动电极施加交流电压，压电驱动电极在逆压电效应作用下振动并激发谐振子振动于图1所示的模态12。轴向角速度输入使谐振子产生模态13，其振动通过与驱动电极夹角45°的压电检测电极检测，压电检测电极由于压电效应产生的敏感信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。

圆柱壳体谐振子的品质因数是指谐振子储存的总能量与谐振子振动一个周期耗散的能量之比。圆柱壳体谐振子的品质因数越高，相应的振动陀螺的角速度检测灵敏度越好。另外，圆柱壳体谐振子的品质因数越高，维持谐振子振动所需的能量越小，系统功耗越小。实际中，由于加工工艺问题，圆柱壳体谐振陀螺一般采用压电材料或合金材料制作，材料内部损耗较大，因此品质因数普遍较低。采用压电陶瓷制作的圆柱壳体谐振子品质因数一般不超过10³，例如美国Watson公司的压电陶瓷圆柱陀螺[参考文献1：Watson W S,Henke T J.Coriolis gyro configuration effects on noise and drift performance[C]//SYMPOSIUM GYRO TECHNOLOGY.2002:1.1-1.1.]。而采用合金材料制作的圆柱壳体谐振子品质因数也被限制在10⁴量级，例如英国GEC-Marconi公司的START圆柱陀螺[GB 2061502]美国Innalab公司的合金材料圆柱壳体陀螺[专利US 7281425B2]。另外，圆柱壳体振动陀螺一般采用压电陶瓷片驱动和检测，压电陶瓷片较厚，其机械品质因数很低(一般小于10³)，将导致谐振子整体的品质因数降低；而且压电陶瓷片采用环氧胶粘或其他某种方式粘贴于谐振环或底盘上[参考文献2：Anders J T.START vibrating gyroscope[C]//Measurement Using Resonant Sensing,IEE Colloquium on.IET,1993:4/1-4/8.][参考文献3：Chikovani V V,Yatsenko Y A,Barabashov A S,et al.Improved accuracy metallic resonator CVG[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine,IEEE,2009,24(5):40-43.]，粘胶材料将导致谐振子品质因数进一步降低，而且胶层也会对陀螺激励和检测带来不利影响。