CN111442771A - 平板谐振陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种平板谐振陀螺，包括谐振子、激励部件、检测部件以及安装外壳；所述安装外壳上设置有容纳空间；所述激励部件、谐振子、检测部件设置在容纳空间中；所述谐振子通过支撑部件安装在激励部件上或安装在安装外壳上，谐振子采用平板结构，激励部件激励谐振子振动，检测部件敏感谐振子的振动输出电信号，谐振子受到激励部件的激励力产生振动并工作于特定的振动模态振型，当谐振陀螺受到旋转角速度作用时，由于科里奥利力的作用谐振子的振动状态发生变化，检测部件敏感谐振子振动状态的变化从而产生与被测角速度相关的电信号实现角速度的检测。本发明中谐振子相较于现有技术加工难度低且结构灵活，测量精度高，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及检测传感器技术领域，具体地，涉及一种平板谐振陀螺。
背景技术
固体谐振陀螺一类高精度、超高可靠性陀螺，近些年来发展迅猛，在航空航天、消费电子等诸多领域均有广泛的应用。固体谐振陀螺主要的工作原理是通过外激励使得谐振子3产生振动波，由于科里奥利力的作用，谐振子3振动波会发生偏转等变化，通过相应的检测手段检测这一变化即可测得旋转角速度。现有的专利，例如公开号为CN109238308A，公开日为2019年1月18日，发明名称为《一种金属筒形谐振陀螺的高精度模态测试***及测试方法》的中国专利，提供了一种金属筒形谐振陀螺，包括电控转台、谐振子3支座、激励单元、电容头、微分头以及支承板，其中，谐振子3为筒形。授权号为CN105371832B，发明名称为《一种圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法》的中国专利，提供了一种圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺，其中结构为微型圆环式的谐振陀螺。
但现有技术中设计的谐振子3为半球形、圆筒形或者微机械圆环形，对于加工精度要求很高，难以保证结构的对称性，为克服现有技术的缺陷，本发明创新的将谐振子3结构简化为平板结构，降低加工难度，实现一种平板谐振陀螺。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种平板谐振陀螺。
根据本发明提供的一种平板谐振陀螺，包括谐振子3、激励部件1、检测部件以及安装外壳8；
所述安装外壳8上设置有容纳空间；
所述激励部件1设置在容纳空间的一侧，所述检测部件设置在容纳空间的另一侧，所述谐振子3设置在激励部件1和检测部件之间；
所述谐振子3通过支撑部件2安装在激励部件1上或安装在安装外壳8上。
优选地，所述谐振子3采用平板结构。
优选地，所述谐振子3采用电工纯铁、坡莫合金、非晶合金、铜、银中的任一种材料制成。
优选地，所述激励部件1采用电磁线圈或静电极板。
优选地，所述激励部件1对谐振子3施力的方式采取电磁激励或静电激励。
优选地，所述检测部件采用铁磁检测结构敏感谐振子3振动引起的磁路气隙变化。
优选地，所述检测部件采用如下任一种形式：
-霍尔传感器；
-磁阻传感器：采用巨磁阻传感器或隧道磁阻传感器；
-磁电传感器。
优选地，所述检测部件采用静电检测结构敏感谐振子3振动引起的电容极板间隙变化。
优选地，当所述平板谐振陀螺的数量为多个时能够实现呈阵列结构布置的多维传感装置，从而实现安装外壳8在绕不同旋转轴旋转时实现旋转角速度的测量。
优选地，所述检测部件的结构包括如下任一种形式：
-检测部件包括感应板4、检测部件磁轭5、磁致伸缩部件部件6以及压电部件7；
-检测部件包括感应板4。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的谐振子为平板结构，相较于现有的半球或者圆柱壳体谐振子，加工难度低，精度更容易保证。
2、本发明中的驱动与传感方式能够根据实际的应用场景选选择静电或磁场方式实现，结构灵活，实用性强。
3、本发明提出的基于磁电效应的磁场检测方式，安装和使用方便，精度高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1结构及工作原理示意图；
图2为本发明实施例2结构及工作原理示意图；
图3为本发明实施例3结构及工作原理示意图；
图4为本发明实施例4结构及工作原理示意图。
图中示出：
1-激励部件 2-支撑部件
3-谐振子 4-感应板
5-检测部件磁轭 6-磁致伸缩材料检测部件
7-压电材料检测部件 8-安装外壳
9-环氧树脂板 ω-待检测旋转角速度
d-谐振子与检测部件平板间隙 Fe-电磁线圈提供的激励力
Fc-谐振子受所科里奥利力 Be-电磁线圈提供的激励磁场
Bm-作用于复合磁电材料的磁场 V-输出的检测电信号
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种平板谐振陀螺，如图1、图2所示，包括谐振子3、激励部件1、检测部件以及安装外壳8；所述安装外壳8上设置有容纳空间；所述激励部件1设置在容纳空间的一侧，所述检测部件设置在容纳空间的另一侧，所述谐振子3设置在激励部件1和检测部件之间；所述谐振子3通过支撑部件2安装在激励部件1上或安装在安装外壳8上。
进一步地，如图1、图2所示，本发明中谐振子3采用平板结构，例如，所述谐振子3采用圆柱体、棱柱体或长方体的平板结构，激励部件1激励谐振子3振动，检测部件敏感谐振子3的振动输出电信号，谐振子3受到激励部件1的激励力产生振动，并工作于特定的振动模态振型，当谐振陀螺受到旋转角速度作用时，由于科里奥利力的作用，谐振子3的振动状态发生变化，检测部件1可敏感谐振子3振动状态的变化，从而产生与被测角速度相关的电信号。本发明创新性的将平板作为固体谐振陀螺的谐振子3，通过检测平板结构的谐振子3在科里奥利力作用下的振动状态变化进行角速度检测。
具体地，所述谐振子3采用电工纯铁、坡莫合金、非晶合金、铜、银中的任一种材料制成；所述激励部件1采用电磁线圈或静电极板，通过所述激励部件1对谐振子3施力的方式采取电磁激励或静电激励，其中，所述谐振子3在激励部件1的激励下可工作于任一阶振动模态振型。平板谐振子3在外部激励作用下，可产生不同阶次的振动模态振型，谐振子3的模态振型表示其初始振动状态，当安装外壳8绕某一方向的旋转轴带动谐振子3、激励部件1、检测部件转动时，在待检测角速度引起的科里奥利力作用下，谐振子3的振动状态发生改变，由于不同的模态振型在科里奥利力作用下的振动状态改变程度不同，在实际的应用中，可以根据平板谐振陀螺的结构形式，优选振动状态改变最明显的谐振子3振动的模态振型，从而实现最优的陀螺性能，提高检测的灵敏度和准确度。
具体地，所述检测部件既可以采用铁磁检测结构敏感谐振子3振动引起的磁路气隙变化，所述检测部件又可以采用静电检测结构敏感谐振子3振动引起的电容极板间隙变化。
进一步地，所述检测部件为铁磁检测采用铁磁平板敏感谐振子3振动引起的磁路气隙变化，磁场检测部件能够采用多种形式，例如，霍尔传感器；再例如，磁阻传感器，所述磁阻传感器包括巨磁阻传感器或隧道磁阻传感器；又例如，磁电传感器。
具体地，多个平板谐振陀螺可以呈阵列结构组合连接构成多维传感装置。当所述平板谐振陀螺的数量为多个时能够实现呈阵列结构布置的多维传感装置，从而实现安装外壳8在绕不同旋转轴旋转时实现安装外壳8旋转角速度的测量。平板谐振陀螺为单方向角速度检测器件，通过正交布置，如图1、图2所示，分别为x轴、y轴、z轴三个方向布置，例如当谐振陀螺的数量为3个时，三个平板谐振陀螺，可实现x,y,z三方向的角速度的检测。
实施例1
如图1所示，所述激励部件1采用电磁线圈；所述谐振子3采用电工纯铁、坡莫合金或非晶合金纸质的薄板，其中，检测部件包括感应板4、检测部件磁轭5以及复合磁电材料组件，谐振子3与感应板4之间的距离为d,电磁线圈对谐振子3产生激励力Fe，谐振子3产生振动；当安装外壳8带动激励部件1、检测部件、谐振子3绕图1中的y轴方向以角速度ω转动时，待检测角速度ω不为零时，谐振子3受到科里奥利力Fc的作用，从而改变振动状态；由于谐振子3与检测部件间隙d发生变化，从而作用于复合磁电材料的磁场Bm发生变化，并通过复合磁电效应产生检测电信号，从而实现角速度ω的检测。其中，复合磁电材料组件包括磁致伸缩部件部件6以及压电部件7，磁致伸缩部件部件6采用磁致伸缩材料，压电部件7采用压电材料。
实施例2
如图2所示，检测部件包括感应板4，所述激励部件1采用静电极板，所述谐振子3采用导电金属薄板，激励方式为静电激励，感应板4采用电容极板，传感方式为检测由d引起的谐振子3与电容极板间的电容变化量，最终实现角速度传感，从而实现角速度ω的检测。
实施例3
如图3所示，检测部件包括感应板4，激励部件1采用电磁线圈，所述谐振子3与感应板4安装在一起形成组合件，所述谐振子3为磁致伸缩材料板，感应板4为压电材料板，谐振子3和感应板4通过环氧树脂板9粘接形成复合材料板。
进一步地，磁致伸缩材料板在电磁线圈磁场的作用下振动，通过环氧树脂板9的变形传递，压电材料板同样产生振动，因此压电材料板产生电信号，当存在待检测角速度ω时，谐振子3的振动状态发生变化，因此压电材料板产生的电信号发生变化，最终实现角速度传感，从而实现角速度ω的检测。
实施例4
如图4所示，本实施例为实施例3的变化例，谐振子3通过支撑部件2安装在安装外壳8上，即实现对谐振子3沿周向方向固定，谐振子3为磁致伸缩材料板，检测部件包括感应板4，激励部件1采用电磁线圈，所述谐振子3与感应板4安装在一起形成组合件，感应板4为压电材料板，谐振子3和感应板4通过环氧树脂板9粘接形成复合材料板。
进一步地，磁致伸缩材料板在电磁线圈磁场的作用下振动，通过环氧树脂板9的变形传递，压电材料板同样产生振动，因此压电材料板产生电信号，当存在待检测角速度ω时，谐振子3的振动状态发生变化，因此压电材料板产生的电信号发生变化，最终实现角速度传感，从而实现角速度ω的检测。
需要说明的是，实施例4中的支撑方式同样适用于实施例1与实施例2的谐振子3。
本发明的工作原理为：
谐振子3受到激励部件的作用力会产生振动响应，根据激励的频率不同，谐振子3可工作于不同的模态振型。由于科里奥利力Fc的作用，当谐振子3以旋转角速度ω转动时，谐振子3的振动状态会产生改变。由于谐振子3与检测部件的敏感平板之间的平均间隙取决于谐振子3的振动状态，因此通过该间隙可检测旋转角速度ω。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种平板谐振陀螺，其特征在于，包括谐振子(3)、激励部件(1)、检测部件以及安装外壳(8)；
所述安装外壳(8)上设置有容纳空间；
所述激励部件(1)设置在容纳空间的一侧，所述检测部件设置在容纳空间的另一侧，所述谐振子(3)设置在激励部件(1)和检测部件之间；
所述谐振子(3)通过支撑部件(2)安装在激励部件(1)上或安装在安装外壳(8)上。
2.根据权利要求1所述的平板谐振陀螺，其特征在于，所述谐振子(3)采用平板结构。
3.根据权利要求1所述的平板谐振陀螺，其特征在于，所述谐振子(3)采用电工纯铁、坡莫合金、非晶合金、铜、银中的任一种材料制成。
4.根据权利要求1所述的平板谐振陀螺，其特征在于，所述激励部件(1)采用电磁线圈或静电极板。
5.根据权利要求1所述的平板谐振陀螺，其特征在于，所述激励部件(1)对谐振子(3)施力的方式采取电磁激励或静电激励。
6.根据权利要求1所述的平板谐振陀螺，其特征在于，所述检测部件采用铁磁检测结构敏感谐振子(3)振动引起的磁路气隙变化。
7.根据权利要求6所述的平板谐振陀螺，其特征在于，所述检测部件采用如下任一种形式：
-霍尔传感器；
-磁阻传感器：采用巨磁阻传感器或隧道磁阻传感器；
-磁电传感器。
8.根据权利要求1所述的平板谐振陀螺，其特征在于，所述检测部件采用静电检测结构敏感谐振子(3)振动引起的电容极板间隙变化。
9.根据权利要求1所述的平板谐振陀螺，其特征在于，当所述平板谐振陀螺的数量为多个时能够实现呈阵列结构布置的多维传感装置，从而实现安装外壳(8)在绕不同旋转轴旋转时实现旋转角速度的测量。
10.根据权利要求1所述的平板谐振陀螺，其特征在于，所述检测部件的结构包括如下任一种形式：
-检测部件包括感应板(4)、检测部件磁轭(5)、磁致伸缩部件部件(6)以及压电部件(7)；
-检测部件包括感应板(4)。
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| GR01 | Patent grant | ||
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