一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法
2023-12-03 02:02:06 1
專利名稱：一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法
技術領域：
本發明屬於壓電振動陀螺技術領域，具體涉及一種壓電振動陀螺激勵電極的設計方法。
背景技術：
壓電振動陀螺利用激勵電極在軸對稱諧振殼體中激發產生的縱向駐波在基體繞中心軸旋轉時產生的哥氏效應而使振型相對殼體進動，來敏感角運動的測量。與其他類型的陀螺相比，這種陀螺具有體積小、精度高、能耗小、壽命長、機械部件結構簡單、斷電時穩定性好、工作溫度範圍大、性能穩定、耐惡劣環境、成本低等突出 優點，是一種具有廣闊應用前景的哥氏振動陀螺。激勵電極通常由PZT壓電陶瓷材料製成，可以作為壓電振動陀螺的驅動與檢測換能器，其材料屬性、結構尺寸、被覆位置等因素都會影響諧振子的振動特性，以及陀螺的最終性能，因而需要對其進行合理設計。目前，壓電振動陀螺激勵電極的設計主要依賴經驗試湊法，即通過實際的物理操作對多種材料、結構不同的PZT進行電極試驗，這種方法必然延長了研發周期、增加了開發成本，同時造成了不必要的浪費。
發明內容
本發明的目的是為了克服經驗試湊法設計壓電振動陀螺激勵電極的研發成本高、開發周期長等缺點，提出了一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法。該方法主要通過有限元仿真的方法進行電極設計，避免了實際工程設計時的多種複雜過程，因而具有操作靈活簡便，參數分析全面，結果準確可靠等優點，縮短了激勵電極設計周期，降低了研發成本，同時有效增大了諧振子的振幅，提高了陀螺的靈敏度。為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是
一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法，包括以下步驟
步驟1，建立壓電振動陀螺的有限元模型，並根據實際情況配置諧振子、粘結膠、壓電激勵電極各部分的材料屬性、結構尺寸等參數；
步驟2，應用有限元模態分析方法計算出諧振子的固有頻率和相關振型，並在此基礎上通過向壓電電極施加特定頻率的正弦激勵電壓進行諧響應分析，求解諧振子的穩態響應；步驟3，按照步驟2的分析方法，通過修改激勵電極的多種不同參數得出多組結果，分析並總結出激勵電極各個參數對諧振子振動特性的影響規律。重點分析不同結構尺寸的壓電電極對諧振子諧振頻率、頻率裂解、輸出增益及等效應力的影響；
步驟4，根據上述分析得出的激勵電極各參數對諧振子振動特性的影響規律，同時綜合考慮一些其它方面的因素，以使諧振子產生最大振幅為主要目的(此時激勵電極的輸出增益最大，最終研製的陀螺靈敏度也最好)，選取激勵電極最優設計參數。與現有技術相比，本發明的有益效果是
(O本發明提供的一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法採用CAE (ComputerAided Engineering,計算機輔助工程)結構分析，以及結構一電場稱合分析，取代了傳統的經驗試湊法，提高了驗證分析的能力和準確性，為壓電振動陀螺激勵電極的合理設計提供了科學依據；
(2)本發明提供的一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法利用有限元模態分析以及諧響應分析方法，計算出了不同參數的激勵電極對諧振子諧振頻率、頻率裂解、輸出增益、等效應力等方面的影響，得出有效分析數據，對激勵電極設計進行定量分析，確保最終優化結果準確可靠；
(3)本發明提供的一種壓電振動陀螺激勵 電極的優化設計方法通過CAE結構分析、結構一電場耦合分析，得到了指導激勵電極設計的有效分析數據，從而方便設計人員總結設計規律，豐富實踐經驗，並歸納形成設計的規範和標準；
(4)本發明提供的一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法通過有限元方法得到了激勵電極不同參數的影響特性，從而簡化了其設計方案，提高了電極製作的成功率，節約了產品材料，縮短了設計周期。
圖I為一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法流程 圖2為實施例中一種圓杯形壓電振動陀螺諧振子的結構示意 圖3為實施例中一種圓杯形壓電振動陀螺諧振子的有限元模型；
圖4為實施例中一種圓杯形壓電振動陀螺諧振子四波腹振型 圖5為向激勵電極施加電壓激勵諧振子振動的仿真示意 圖6為PZT長度對諧振子振幅和等效應力的影響；
圖7為PZT寬度對諧振子振幅和等效應力的影響；
圖8為PZT厚度對諧振子振幅和等效應力的影響；
其中，I、安裝孔，2、壓電電極，3、導振體，4、諧振環。
具體實施例方式下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。壓電振動陀螺的工作原理是利用處於諧振狀態下的軸對稱諧振殼體中受激勵產生的縱向駐波在基體繞中心軸旋轉時產生的哥氏效應而使振型相對殼體進動，來敏感角運動的測量。由此可見壓電振動陀螺的工作前提是使諧振子起振，並穩定於環向波數n=2的理想振型。為此我們必須準確控制激勵電極上所施加的正弦電壓的激振頻率，而這一頻率正是該振型下的振子固有頻率。另外，在分析激勵電極的材料屬性、結構尺寸、被覆位置等因素對諧振子振動特性及陀螺最終性能的影響時，主要考慮在該頻率正弦電壓的激勵下不同參數的激勵電極導致振子振幅、等效應力等方面的變化。因此，我們主要通過有限元方法中的模態分析和諧響應分析對激勵電極進行優化設計。本發明提供的一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法的流程圖如圖I所示，包括以下步驟
步驟1，建立壓電振動陀螺諧振子的有限元模型；
本實施例選取圓杯形壓電振動陀螺，其諧振子具有軸對稱變厚度的結構特點，因其外形類似圓杯而得名。諧振子的結構示意圖如圖2所示，主要由諧振環4、導振體3、壓電電極2、安裝孔I組成。其中，諧振環4指圓杯杯口處圓柱殼體較厚部分，主要用於產生陀螺效應；導振體3包括杯體較薄部分和杯底圓形薄板，用於支撐諧振環4，以及傳遞壓電電極2與諧振環4之間的振動駐波；八片壓電電極2依次均勻環列於杯底圓面內，按功能可分為激勵電極和檢測電極兩類，分別用於激勵和檢測諧振子的振動；整個結構通過底部安裝孔I固定在基座上。根據實際情況分別配置諧振子和粘結膠的密度、彈性模量、泊松比等材料參數。壓電激勵電極選用薄長條形PZT-5A壓電陶瓷材料，分別配置其密度、剛度矩陣[C]、應力矩陣[W、相對介電常數矩陣等材料屬性，以及長、寬、高等結構尺寸。參數設置完成後建立諧振子結構模型並劃分網格，得到的有限元模型如圖3所示；
步驟2，計算機輔助工程設計及有限元分析過程；
首先，對諧振子整體進行振動特性分析，應用有限元結構分析方法對諧振子進行模態 分析，計算出它的固有頻率和相關振型，並提取環向波數為2的模態，模態振型圖如圖4所示；然後選取該四波腹振型對應的固有頻率作為激勵電極上施加的正弦激勵電壓頻率，在兩片相對位置粘貼的壓電片上施加5v的正弦電壓載荷，通過諧響應分析方法中的完全法求解激勵電極在此頻率範圍附近對振子產生的振幅和應力情況，示意圖如圖5所示。通過上述分析可以得到同一參數下諧振子振幅和應力隨頻率的響應變化曲線。從這些曲線上可以得到「峰值」響應。步驟3，總結激勵電極各個參數對諧振子振動特性的影響規律；
重複步驟(2)的分析過程，通過修改激勵電極的不同材料屬性、結構參數或被覆位置可以得出多組計算結果。對比不同參數時的峰值響應(即諧振頻率處響應)，分析並總結出激勵電極各個參數對諧振子振動特性的影響規律，為下一步電極參數優選提供可靠依據。本實施例重點分析不同結構尺寸的激勵電極對諧振子諧振頻率、頻率裂解、輸出增益及等效應力的影響。由於激勵電極需粘貼於諧振子底部，故其尺寸大小受諧振子底部可容納的有效範圍所約束(8. 2X2. 2_以內)，在該約束條件下進行上述分析過程，可得出不同結構參數的壓電激勵電極對諧振子振動特性的影響規律為
(1)壓電激勵電極尺寸的變化幅度相對於圓杯形振子的整體尺寸很小，因此對諧振子諧振頻率、頻率裂解的影響很小；
(2)壓電片長度對其產生伸縮力的影響不是單一的，在寬度、厚度、材料等因素一定的條件下，其長度與諧振頻率、縱波波數等因素共同構成影響因子，而長度的變化又會引起諧振頻率與縱波波數的變化，因而，PZT長度對諧振子振動特性的影響比較複雜，不同條件下的結論會存在差異；
在本發明所述實施例條件下，PZT在3mnT8mm範圍內時,長度越長產生的作用力越大，振子的振幅也越大，從而陀螺靈敏度越高；
(3)壓電片寬度與其產生的作用力成正比；
在本發明所述實施例條件下，PZT寬度在O. 5mnT2mm範圍內時，寬度越大，其產生的作用力也越大。(4) PZT厚度存在一最佳值(約為基體厚度的1/2)，使其產生的有效彎矩最大，從而使諧振子振幅最大。太薄的壓電電極產生的能量很小，太厚的壓電電極會限制複合結構的彎曲從而使有效彎矩降低。在本發明所述實施例條件下，PZT厚度在O. ImnTO. 5mm範圍內時，厚度為O. 3mm的PZT產生的作用力最大(基體即圓杯形諧振子底部厚度為O. 7mm)o圖6 圖8分別為激勵電極不同長、寬、厚參數下的數據分析處理曲線圖，形象的反映了上述影響規律。步驟4，選取激勵電極最優設計參數；
根據步驟3得到的激勵電極各參數對諧振子振動特性的影響規律，為保證諧振子獲得高品質的振動特性，並在工作模態下振幅最大，同時綜合考慮其他一些其它方面因素，可選取優化結構參數為8X2X0. 3mm的PZT作為激勵電極。綜上所述，本發明提供的優化方法降低了設計成本，節約了產品材料，縮短了設計 周期，提高了產品研製的成功率，得到了優化設計的有效分析數據。最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法，其特徵在於包括以下步驟， 步驟1，建立壓電振動陀螺的有限元模型，並根據實際情況配置諧振子、粘結膠、壓電激勵電極各部分的材料屬性、結構尺寸等參數； 步驟2，應用有限元模態分析方法計算出諧振子的固有頻率和相關振型，通過向壓電電極施加特定頻率的正弦激勵電壓進行諧響應分析，求解諧振子穩態響應； 步驟3，應用步驟2的分析方法，修改激勵電極的不同參數得出多組結果，獲得激勵電極各參數對諧振子振動特性的影響規律，分析不同結構尺寸的壓電電極對諧振子諧振頻率、頻率裂解、輸出增益及等效應力的影響； 步驟4，根據激勵電極各參數對諧振子振動特性的影響規律，選取最優設計參數。
2.根據權利要求I所述的一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法，其特徵在於 所述方法適用於壓電振動陀螺，其驅動電極與檢測電極都由壓電材料製作而成。
3.根據權利要求2所述的一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法，其特徵在於所述壓電材料採用薄長條形PZT壓電陶瓷製成。
4.根據權利要求I所述的一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法，其特徵在於所述步驟2中的諧響應分析為結構一電耦合分析，通過向壓電電極施加電壓求解諧振子的輸出增益及應力。
5.根據權利要求I所述的一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法，其特徵在於不同結構參數的壓電激勵電極對諧振子振動特性的影響規律為 (1)壓電激勵電極尺寸的變化相對於圓杯形振子的整體尺寸較小時，對諧振子諧振頻率的影響很小； (2)壓電材料採用薄長條形PZT壓電陶瓷製成，PZT越長產生的作用力越大，振子的振幅也越大，陀螺靈敏度越高； (3)PZT寬度與其產生的作用力大小成正比； (4)PZT的最佳厚度優選基體厚度的1/2，此時產生的有效彎矩最大，振子振幅最大。
全文摘要
一種壓電振動陀螺激勵電極的優化設計方法，該方法包括(1)建立壓電振動陀螺的有限元模型，並根據實際情況配置各部分材料、結構等參數；(2)應用模態分析得出諧振子的固有頻率和相關振型，並在此基礎上向壓電電極施加正弦激勵電壓進行諧響應分析；(3)通過步驟(2)的分析結果推導出激勵電極各參數對諧振子的影響規律；(4)綜合多方面考慮，選取最優設計參數。本發明採用有限元仿真分析方法，克服了經驗試湊法的缺點，提高了激勵電極設計效率及準確性，降低了研發成本，加快了研發進度，同時為壓電振動陀螺激勵電極的合理設計提供了依據。
文檔編號G06F17/50GK102968540SQ201210509740
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者馬曉飛, 蘇中, 李擎, 付夢印, 鄧志紅, 劉洪 , 劉寧 申請人:北京信息科技大學, 北京理工大學