模型设计的压电微型机械模态陀螺仪

文摘

本文报道一种小说的固态microgyroscope,叫做压电微型机械模态陀螺仪(PMMG)。PMMG具有很大的刚度和健壮的抗震动和罢工,因为没有明显质量弹簧组件的结构。这项工作集中在定量优化的陀螺仪,仍然是空白的陀螺仪。的模态分析有限元法(FEM)是首先进行。开发了一套定量指标来优化运行方式。通过有限元法,进行了谐波分析,找到有效的方法激励所需的运作模式。驱动电极的最佳配置。最后,科里奥利进行分析显示角速度之间的关系和微分输出电压下的科里奥利力的工作状态。本文获得的结果提供理论依据实现这本小说的陀螺仪。

1。介绍

不同于微型机械振动陀螺仪,暂停弹簧的结构和质量证明,某些固态陀螺仪没有部分作为一个整体移动。根据他们的工作原理,这些陀螺仪可以分为两类:一个没有振动单元如光学陀螺仪(1和原子陀螺仪2,3),另,只有等当地振动HRG(半球谐振陀螺)[4]和声表面波陀螺[5,6]。因为没有移动部分和悬浮结构的固态陀螺仪,它是稳固的,具有较高的耐冲击和动摇。随着MEMS技术的发展,MEMS microgyroscopes由于其独特的优势吸引了越来越多的关注(价格低廉,体积小,能耗低,又容易集成),它将越来越小型化固态陀螺仪的研究。固态microgyroscopes结合固态陀螺仪和micro-MEMS陀螺仪的优点。目前,有四个主要的固态microgyroscopes: micro-HRG半球谐振陀螺,光纤陀螺仪(7,8),microsurface声波陀螺仪(6,9],压电固体microgyroscopes研究。

压电陀螺仪利用两种振动模式的振动压电体材料粒子运动在两个垂直的方向,分别。当压电陀螺仪兴奋到振动的两种模式(主模式)的应用交流电压和附加到一个旋转的身体,科里奥利力会激发其他模式(二级模式),通过它可以检测到身体的旋转速度。这些压电陀螺仪包括两个垂直方向的弯曲振动梁和音叉(10- - - - - -13),thickness-shear两个垂直方向的振动板(14,15),径向和扭转振动圆柱壳16),和简并模式循环磁盘,贝壳,和戒指17- - - - - -19]。

2006年1月,日本研究人员Maenaka等人提出了一种新型压电固体microgyroscope [20.),命名为压电微型机械模态陀螺仪(PMMG)。发现,在高阶共振模式,质量元素的动作几乎是在一个方向和微分的棱镜,这模态振动可用于检测身体的旋转速度,下面将详细。这种新型陀螺仪吸引了很多注意力,和大量的理论和实验研究已经完成(21- - - - - -23]。然而,这些工作主要集中在定性研究,定量分析和优化的陀螺仪仍是空白。

本文介绍了量化指标来评估模式,从而确定最佳操作模式。除此之外,同样的指标是用来确定的尺寸和配置驱动电极的运作模式可以有效地驱动。最后,科里奥利进行分析显示角速度之间的关系和微分输出电压下的科里奥利力的工作状态。

2。工作原理

我们应用的设备的基本工作原理图所示1。首先,假定直角棱镜是由压电陶瓷(压电陶瓷PbO做的₂,PbZrO₃和PbTiO₃),两极分化设在。激发的压电陶瓷棱镜在前面提到的操作模式,微分振动设在(在我们的模拟中,我们使用设在)棱镜出现如图1 。当角速度我们使用设在(在我们的模拟设在),科里奥利力产生的运动质量元素,导致压应力和拉应力取决于位置。这些压力差异生成表面的压电电压设备如图1 。这个电压正比于应用角速率和输出信号的装置。

的细节结构压电固体microgyroscope介绍如图2首次提出的选择Maenaka et al .压电陶瓷片的压电陶瓷材料的基质块。在顶部和底部表面的压电陶瓷块,很多驱动电极和感应电极分布。如图,D +和D−驱动电极,和令人兴奋的电压应用于D +和D−电极。R1和R2的参考电极,它可用于搜索和跟踪工作共振模式。S1、S2、S3和S4是传感电极。当没有角输入,两个相邻电极的电压,如S1和S2、S3和S4,都是一样的,因为对称结构的压电块。如果在任何方向垂直于旋转模态振动输入,传感电极的电压改变由于科里奥利效应的耦合,然后两个相邻电极的电压是不一样的。通过检测两个相邻传感电极的电压差,旋转输入可以量化。在底部表面,传感和驱动电极分布在相应的职位是顶部表面。

3所示。设计和仿真

3.1。材料选择

压电材料是常用的机电换能器,压电陶瓷的性能的要求不同,不同地区的应用程序。至于我们使用的固态microgyroscope,压电材料作为激励源,同时传感元件,所以压电材料应该有更大的压电常数和机电耦合常数和。基于这些条件,我们选择PZT-5在模拟。PZT-5材料常数用于本文列出如下:介电常数:,、材料质量密度:7500公斤/米³压电常数:C / m²,C / m²,C / m²,弹性常数矩阵:N / m²,N / m²,N / m²,N / m²,N / m²,N / m²。

3.2。模态分析

在本节中,压电体的有限元分析PMMG首次进行查找操作模式,然后介绍了量化指标来评估这些模式最后最好的操作模式和相应的核装置的大小。

从PMMG的工作原理,可以得出结论:工作共振模式应该有以下特点。分压电块的运动应该是几乎在一个方向上,设在。点的移动方向应垂直于极化方向的压电块。在一个边缘点的移动方向是一样的,对角线上的相应的点优势,相反,对应点的相邻边。移动边缘应在紧张或压缩。这个特殊的模态形状,我们使用ANSYS进行模态分析和列表对应的频率下的模态形状符合这些特点。相应的结果列在表中1。

从表可以看出1,9个结果,它提出了一个问题,哪一个是最好的。对于理想的共振模式下工作,点只在振动设在方向,没有在其他两个正交的方向振动。实际上,这是不可能的,我们希望振荡幅度要大得多设在方向比设在和设在方向。出于这个原因,我们建立了一套定量指标来评估各种模式,从而确定最佳运行方式。

之前我们介绍这些量化指标,有必要澄清设备之前网状仿真进行;因此,它是合理的,认为该设备是由许多小单元和节点。

量化指标如下所示: 在哪里,,元素的动能在,,方向,分别和是我们的量化指标和它们的比例来和,分别。时的值和变大,这意味着质量元素的运动更明显方向比和方向,从而导致更高的灵敏度和更低的偏差。

计算和,我们需要得到的,,。我们开始计算位移的元素。位移的元素在方向所示(2):

通过推导,我们可以计算元素的速度在方向:

利用动能理论,我们得到了动能的元素在方向:

以同样的方式,我们有和:

使用(1)- (5),我们得到和如下所示:

,,可以从ANSYS,他们是相对价值因为模态分析不给我们绝对值。

表2显示计算结果的量化指标。

为了获得最佳性能,我们希望的价值和以及同时达到最大值,但在真实的应用程序中,这是不可能的,没有必要的。一个可行的方法是使整体比较这些指标表中列出的所有模式2并选择相对最大的一个。从表可以看出2,设备的大小的最大价值和,它的价值只小于设备的尺寸吗。此外,设备的大小也有较大的价值,,。考虑另一个因素是,由于对称性,设备的大小将有两个模式的形状在同一频率。因此,我们可以确定大小的设备有最好的操作模式。

3.3。谐波分析

在真实的应用程序中,我们需要应用一个驱动电压开动设备。以确保我们激活的模式形状是一样的我们得到在模态分析中,我们使用ANSYS进行谐波分析。驱动电极的配置如图3。驱动电压的振幅是10 V,电压的相位差在D +和D−180°。介绍了压电材料的阻尼常数的值0.02。驱动电压的频率扫描从300千赫到500千赫。图4给PMMG的谐波分析结果。在图4(一),协调是指驱动电压和频率协调是指压电电压振幅参比电极,R1和R2。从图中,我们可以看到,有两个峰值电压的参比电极。相对应的峰值工作共振模式的位置大约325千赫。工作的频率共振模式是326550赫兹。图4 (b)显示了模式形状的令人兴奋的频率共振模式工作。得出的令人兴奋的振动压电块一样的振动形状工作共振模式。也就是说,通过施加驱动电压的频率共振模式驱动电极,工作工作的振动共振模式可以开动。

然后,我们需要优化的驱动电极的大小和配置更高效地开动设备。类似于模态分析中,我们使用和作为评价指标。当和变得更大,这意味着质量元素的运动更明显方向比和方向,我们可以说设备驱动更有效率。原来的驱动电极的配置如图5。优化驱动电极的大小,我们介绍了三个变量,可以改变:驱动电极的长度和宽度,两个相邻电极之间的距离,示意图见图5。

我们改变了一个变量,珍珠鸡其他两个变量不变;表3显示计算结果的量化指标。

从表3我们可以看到的最大价值大约是0.68,这就意味着质量元素的运动更明显方向比方向和可能影响设备的性能。所以我们需要增加的价值以及。要做到这一点,我们应该找到一个方法来减少质量的运动元素方向。一个简单的解决方案是添加两个额外的驱动电极(D3、D4)分布式垂直于前电极(D1和D2)如图6。电极上的电压D3的阶段是一样的D1, D4和电压的相位是相同的D2。进一步优化额外的驱动电极的大小,可以改变我们介绍了三个变量:驱动电极的长度,驱动电极上的电压,两个相邻电极之间的距离。

我们改变了一个变量,保持其他两个变量不变;表4显示计算结果的量化指标。

从表可以得出结论4的值和增加到0.73和0.62,分别,因为这两个额外的驱动电极的应用。

3.4。科氏力分析

如前所述,当角速度设在,根据产生的科里奥利力是运动的元素,导致压应力和拉应力取决于位置。这些压力差异生成表面的压电电压设备如图1 。这个电压正比于应用角速率和输出信号的装置。

与励磁运行方式,我们改变了角速度应用于设备,检测和表面电位电极由ANSYS计算考虑科里奥利力。因为原始的结果应用角速度输出电压是微分与尊重势的,我们应用减法对称点,也就是说,和。图7显示驱动电极的配置,和数字8(一个)和8 (b)显示之间的关系sub1,分别sub2和角速度用于设备。

从图我们可以看出8,sub1和sub2班轮与角速度的关系,同意PMMG的工作原理,证明了旋转输入可以通过检测量化两个相邻传感电极的电压差。

4所示。结论

PMMG的结构具有较大的刚度,所以抗震动和罢工。本文首先进行模态分析确定PMMG最好的操作方式,我们发展出了一套定量指标来评估各种操作模式。它可以得出从设备的大小有最好的操作模式。然后进行了谐波分析,以验证工作的振动共振模式可以通过施加驱动电压的频率共振模式下工作的驱动电极。我们也使用这些定量指标中引入模态分析来优化驱动电极的大小和配置更高效地开动设备。定量指标的计算结果表明,原始配置驱动电极的可怜的价值和和的值和的应用将大大增加,因为两个额外的驱动电极分布垂直于原始驱动电极。最后,科氏力进行了分析,表明两个相邻传感电极的电压差由科里奥利效应引起的衬管与角速度的关系,同意PMMG的工作原理。

本文的工作提供了一种理论依据意识到这部小说的陀螺仪。

5。前景

本文的主要目的是提供一种方法来优化设备的大小以及有效激励的方法所需的操作模式。目前,对我们来说几乎是不可能的模拟设备与任何大小,因为它太耗时。我们的后续研究将进一步提高优化结果和把更多的注意力放在优化的理论推导过程。

确认

金融支持中国的国家自然科学基金(50805096 / E051202)和国防重点实验室基础(2009 - 2011)是感激地承认。

引用

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