一种剪切振动型压电振动陀螺仪的制作方法

1.本实用新型涉及一种陀螺仪，尤其是涉及一种剪切振动型压电振动陀螺仪。


背景技术：

2.陀螺仪是一类能够高精度检测角速度的器件，其在工业控制、导航、电子游戏操纵和军事等领域得到了广泛的应用。
3.传统的机械陀螺仪因其存在体积大、成本高，且不适合方便地转换成电信号等因素，因此应用领域受到了很大的限制。
4.近几十年来，压电振动陀螺仪因质量轻、体积小、成本低、功耗小等优点，而被广泛应用。目前，常用的一类压电振动陀螺仪为双谐振梁式压电陀螺仪，这种梁式压电陀螺仪的弹性梁的上下表面和左右表面各贴有一对压电片，一对压电片对弹性梁产生横向激励振动，由于弹性梁的轴向角速度和横向激励振动的共同作用产生科里奥利力，因此在弹性梁振动的垂直方向激发出另一横向振动，使得在另一对压电片上产生输出电信号。根据输出电信号的频率与弹性梁的轴向角速度的关系，以测定弹性梁的轴向角速度。这种梁式压电陀螺仪的不足之处有：1)压电片是利用粘合剂贴在弹性梁的表面上的，即压电片与弹性梁之间有一个物理界面，由于粘合剂可能在低温下开裂，在高温下蠕变，因此粘合剂影响了这种梁式压电陀螺仪的工作可靠性、工作稳定性和使用寿命；2)这种梁式压电陀螺仪在加工上存在工艺复杂性，影响了这种梁式压电陀螺仪的成本和性能上的一致性；3)这种梁式压电陀螺仪比较细长，在结构强度和可靠性方面存在一定缺陷。因此，有必要研究一种能够很好地解决上述梁式压电陀螺仪存在的技术问题的新型的压电振动陀螺仪。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种剪切振动型压电振动陀螺仪，其结构简单、制造成本低、一致性好、性能可靠、稳定性好、使用寿命长、结构强度高。
6.本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种剪切振动型压电振动陀螺仪，其特征在于：包括通过对呈矩形板结构且c轴倾斜的压电板进行热处理后形成的具有常规层和翻转层的复合压电板，所述的复合压电板的上部分为所述的常规层，所述的复合压电板的下部分为所述的翻转层，所述的翻转层的压电性质与所述的常规层的压电性质相反，在所述的复合压电板的中心点上，建立与所述的复合压电板的上下两表面垂直且向上的方向为z轴方向，建立与所述的复合压电板的上下两表面平行且向前的方向为x轴方向，建立与所述的复合压电板的上下两表面平行且向右的方向为y轴方向，所述的复合压电板的左右两侧面上设置有一对输出电极，所述的复合压电板的上下两表面上设置有一对输入电极，所述的输入电极上接入正弦交变电压，所述的复合压电板能在其前后方向即x轴方向上产生初级厚度剪切振动，所述的复合压电板能绕其上下方向即z轴方向转动，所述的复合压电板能在其左右方向即y轴方向上产生次级厚度剪切振动，所述的输出电极上产生输出电压。
7.所述的输入电极上接入正弦交变电压时，使所述的复合压电板中的质点在其前后方向即x轴方向上往复运动，即使得所述的复合压电板能在其前后方向即x轴方向上产生初级厚度剪切振动；所述的复合压电板绕其上下方向即z轴方向转动时，在初级厚度剪切振动和绕z轴方向转动共同作用下所述的复合压电板中的质点受到科里奥利力的作用，进而使所述的复合压电板中的质点在其左右方向即y轴方向上往复运动，即使得所述的复合压电板能在其左右方向即y轴方向上产生次级厚度剪切振动，在所述的复合压电板的压电材料的力电耦合效应下使次级厚度剪切振动在所述的输出电极上产生输出电压，通过测定输出电压的幅值就可以确定复合压电板的转动速度。
8.所述的输入电极为在所述的复合压电板的上下两表面上涂覆导电材料经固化后形成，所述的输出电极为在所述的复合压电板的左右两侧面上涂覆导电材料经固化后形成。
9.所述的常规层和所述的翻转层各自的厚度均为所述的复合压电板的厚度的。在实际设计时将常规层的厚度和翻转层的厚度设计为复合压电板的厚度的一半左右均可。
10.所述的压电板为铌酸锂压电板或钽酸锂压电板。在实际实施时除给出的两种压电材料的压电板外，也可采用其它压电材料，但用铌酸锂或钽酸锂制作压电板的制作工艺更加简单。
11.所述的压电板的压电系数为e
24
或e
35
，不为零。
12.所述的压电板的上下两表面的长度与宽度的比例为1:1。理论上长度与宽度也可设计成其他比例。
13.所述的复合压电板的上下方向即z轴方向所在轴与c轴之间存在角度，即倾斜角。根据压电板的材料参数来选取倾斜角。
14.所述的压电板为铌酸锂压电板时，所述的复合压电板的上下方向即z轴方向所在轴与c轴之间的最佳倾斜角为59.43度。在这个角度下前后方向的初级厚度剪切振动和左右方向的次级厚度剪切振动具有相同的共振频率，从而使得该剪切振动型压电振动陀螺仪具有较高的检测精度。
15.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
16.1)该剪切振动型压电振动陀螺仪为一块复合压电板，该复合压电板呈矩形板结构，相较于梁式压电陀螺仪，其体积更小，结构强度更好，且可靠性更好，也更加适合与微电路进行集成。
17.2)该剪切振动型压电振动陀螺仪的复合压电板为c轴倾斜的铌酸锂或钽酸锂常规压电板进行热处理后形成，使原有压电板分为上部分的常规层和下部分的翻转层，翻转层的压电性质与常规层的压电性质相反，在复合压电板的左右两侧面上设置一对输出电极，在复合压电板的上下两表面上设置一对输入电极，这种设计结构简单，在制作工艺上更加简化，降低了制造成本，并提高了产品的一致性。
18.3)该剪切振动型压电振动陀螺仪的翻转层为通过对常规压电板进行热处理形成，形成的复合压电板的常规层与翻转层之间没有实际的界面，避免了复合压电板的内部界面造成的可靠性、稳定性和使用寿命等方面的降低。
19.4)由于复合压电板在x轴方向和y轴方向上产生的厚度剪切振动能对z轴方向反对
称剪切振动，复合压电板的整体质心保持不变，因此该剪切振动型压电振动陀螺仪不会向外界输出动能，从而减小了该剪切振动型压电振动陀螺仪的能量损失，且保证了结构的稳定。
附图说明
20.图1为本实用新型的剪切振动型压电振动陀螺仪的结构示意图；
21.图2为复合压电板转动的角速度为ω＝0.03ω0时输出电极产生的输出电压与输入电极上接入的正弦交变电压的输入频率的关系；
22.图3为输出电极产生的输出电压与角速度的关系；
23.图4为不同角速度情况下输出电极产生的输出电压与阻抗的关系。
具体实施方式
24.以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
25.本实用新型提出的一种剪切振动型压电振动陀螺仪，如图1所示，其包括通过对呈矩形板结构且c轴(极化方向)倾斜的压电板进行热处理后形成的具有常规层11和翻转层12的复合压电板1，复合压电板1的上部分为常规层11，复合压电板1的下部分为翻转层12，翻转层12的压电性质与常规层11的压电性质相反，在复合压电板1的中心点上，建立与复合压电板1的上下两表面垂直且向上的方向为z轴方向，建立与复合压电板1的上下两表面平行且向前的方向为x轴方向，建立与复合压电板1的上下两表面平行且向右的方向为y轴方向，复合压电板1的左右两侧面上设置有一对输出电极2，复合压电板1的上下两表面上设置有一对输入电极3，输入电极3上接入正弦交变电压，复合压电板1能在其前后方向即x轴方向上产生初级厚度剪切振动，复合压电板1能绕其上下方向即z轴方向转动，复合压电板1能在其左右方向即y轴方向上产生次级厚度剪切振动，输出电极2上产生输出电压。
26.在本实施例中，输入电极3上接入正弦交变电压时，使复合压电板1中的质点在其前后方向即x轴方向上往复运动，即使得复合压电板1能在其前后方向即x轴方向上产生初级厚度剪切振动；复合压电板1绕其上下方向即z轴方向转动时，在初级厚度剪切振动和绕z轴方向转动共同作用下复合压电板1中的质点受到科里奥利力的作用，进而使复合压电板1中的质点在其左右方向即y轴方向上往复运动，即使得复合压电板1能在其左右方向即y轴方向上产生次级厚度剪切振动，在复合压电板1的压电材料的力电耦合效应下使次级厚度剪切振动在输出电极2上产生输出电压，通过测定输出电压的幅值就可以确定复合压电板1的转动速度。
27.在本实施例中，输入电极3为在复合压电板1的上下两表面上涂覆导电材料经固化后形成，输出电极2为在复合压电板1的左右两侧面上涂覆导电材料经固化后形成。
28.在本实施例中，常规层11和翻转层12各自的厚度均为复合压电板1的厚度的，即厚度均为h。在实际设计时将常规层11的厚度和翻转层12的厚度设计为复合压电板1的厚度的一半左右均可；压电板的上下两表面的长度a与宽度b的比例为1:1，即呈正方形，理论上长度与宽度也可设计成其他比例。
29.在本实施例中，压电板为铌酸锂压电板或钽酸锂压电板，在实际实施时除给出的
两种压电材料的压电板外，也可采用其它压电材料，但用铌酸锂或钽酸锂制作压电板的制作工艺更加简单；c轴倾斜的压电板的压电系数为e
24
或e
35
，不为零。
30.在本实施例中，复合压电板1的上下方向即z轴方向所在轴与c轴之间存在角度，即倾斜角，根据压电板的材料参数来选取倾斜角；压电板为铌酸锂压电板时，复合压电板1的上下方向即z轴方向所在轴与c轴之间的最佳倾斜角为59.43度，在这个角度下前后方向的初级厚度剪切振动和左右方向的次级厚度剪切振动具有相同的共振频率，从而使得该剪切振动型压电振动陀螺仪具有较高的检测精度。
31.该剪切振动型压电振动陀螺仪的输入电极3上接入的正弦交变电压要求输入频率在2倍共振频率附近，工作时复合压电板1能在其前后方向即x轴方向上产生初级厚度剪切振动，使得复合压电板1中的质点做前后往复运动，为第一运动状态(初级振动)；将复合压电板1放置于一个旋转体上，复合压电板1绕其上下方向即z轴方向以固定的角速度转动，此时复合压电板1中的质点受到科里奥利力的作用，使得复合压电板1中的质点做左右往复运动，为第二运动状态(次级振动)，在复合压电板1的压电材料的力电耦合效应下输出电极2上产生输出电压。经过理论分析证明，复合压电板1转动的角速度与输出电压在一定范围内呈线性关系，因此可以通过测定输出电压的大小来测定复合压电板1转动的角速度。
32.图2给出了复合压电板转动的角速度为ω＝0.03ω0时输出电极上产生的输出电压与输入电极上接入的正弦交变电压的比值与输入电极上接入的正弦交变电压的圆频率与厚度剪切的共振频率的比值的关系。在图2中，v2为输出电极上产生的输出电压，v3为输入电极上接入的的正弦交变电压，ω为输入电极上接入的正弦交变电压的圆频率，ω0为该剪切振动型压电振动陀螺仪的一阶厚度剪切共振频率，常规层和翻转层的厚度都为h，ρ为压电板材料的密度，c
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为压电板材料的弹性常数。ω表示复合压电板转动的角速度。从图2中可以看出，输出电压与正弦交变电压的比值在2ω0附近有两个峰值，表明在这个频率附近，复合压电板处于共振状态。
33.图3给出了输出电极上产生的输出电压与输入电极上接入的正弦交变电压的比值与复合压电板转动的角速度与一阶厚度剪切共振频率的比值的关系。在图3中，v2为输出电极上产生的输出电压，v3为输入电极上接入的的正弦交变电压，ω为复合压电板转动的角速度，ω0为该剪切振动型压电振动陀螺仪的厚度剪切的共振频率。从图3中可以看出，当复合压电板绕z轴转动的角速度ω在0～0.015ω0范围内时，v2与ω呈线性关系，利用这种关系就可以通过测定输出电压来确定复合压电板转动的角速度。
34.图4给出了不同角速度情况下输出电极上产生的输出电压与输入电极上接入的正弦交变电压的比值与外阻抗与z0的比值的关系。在图4中，v2为输出电极上产生的输出电压，v3为输入电极上接入的的正弦交变电压，z为电路的外阻抗，z＝z0，，ε
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为介电常数，a为压电板长度，b为压电板宽度，i表示虚数。从图4中可以看出，随着外阻抗z从0增加，输出电压v2也相应增加，当外阻抗z一定值时，输出电压v2趋于一稳定值，采用适当的阻抗值可以获得较高的测量精度。