一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，包括：非諧振部分等效電路和諧振部分等效電路，其中：所述諧振部分等效電路包括：n并聯(lián)諧振電路，n為大于等于1的正整數(shù)；每個(gè)并聯(lián)諧振電路均由動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻構(gòu)成；所述非諧振部分等效電路由靜態(tài)電容、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻構(gòu)成。當(dāng)壓電陀螺需要模擬n個(gè)諧振模態(tài)，只要加入n條并聯(lián)諧振電路。本發(fā)明所述等效電路能夠精確的描述壓電陀螺的多種諧振模態(tài)及能量損耗問題，能夠?yàn)閴弘娡勇莸姆抡嫣峁┚_的數(shù)值。
【專利說明】
一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電陀螺的等效電路，具體地，涉及一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀作為一種載體角速度敏感慣性傳感器，是慣性測量單元(MU)中的核心器件，在航空、航天、船舶等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等方面有著非常重要的作用。微陀螺具有尺寸質(zhì)量小、功耗低、成本低、環(huán)境適應(yīng)性好、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，使其不僅在航空、航天、船舶等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域部分替代了傳統(tǒng)陀螺儀，而且能夠在汽車工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化控制、消費(fèi)電子的姿態(tài)穩(wěn)定控制等市場領(lǐng)域以驚人的速度拓展。
[0003]等效電路指的是同一個(gè)電路的不同的表示方法。當(dāng)電路中某一部分用其等效電路代替之后，未被代替的部分電壓和電流均不發(fā)生變化，也就是說電壓和電流不變的部分只是等效部分以外的電路，故稱“對外等效”。元件的種類和位置都相同，但是在畫電路時(shí)有不同的畫線方法，就是等效電路。在許多情況下，人們常利用作用的效果相同，來認(rèn)識和處理復(fù)雜的問題?，F(xiàn)代電子技術(shù)中，在分析一些復(fù)雜電路時(shí)，人們常常只關(guān)注整個(gè)電路(或電路的某一部分)的輸入、輸出關(guān)系，即電流和電壓的變化關(guān)系。這樣就可以用一個(gè)簡單的電路代替復(fù)雜電路，使問題得到簡化。這個(gè)簡單的電路就是復(fù)雜電路的等效電路。
[0004]在對壓電陀螺利用以及分析時(shí)，通常是將壓電陀螺等效為電路模型，然后對等效電路進(jìn)行處理。等效電路中的電感L與陀螺的質(zhì)量有關(guān)，電容C與材料的彈性勁度張量有關(guān)，它是由壓電體的運(yùn)動(dòng)方程導(dǎo)出的，電阻R由陀螺的介質(zhì)損耗和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q決定。
[0005]壓電陀螺的等效電路的電參數(shù)對于壓電陀螺的生產(chǎn)，制造和研究具有重要的意義，所以提出一種可靠準(zhǔn)確的等效電路是非常重要的。一般的壓電陀螺的等效電路的不足之處在于只能簡單的產(chǎn)生一種諧振頻率來表示一種諧振模態(tài)，并且一般的壓電陀螺的等效電路并沒有考慮到壓電陀螺的能量損耗問題。
[0006]經(jīng)檢索，公開號為CN102508034A、申請?zhí)枮镃N201110327151.4中國專利，公開一種微固體模態(tài)陀螺等效電路的參數(shù)測量方法及裝置，其中:所述微固體模態(tài)陀螺等效電路包括一條由動(dòng)態(tài)電容，動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻串聯(lián)組成的支路和與這條支路并聯(lián)的靜態(tài)電容，等效電路中的靜態(tài)電容表示陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)下電極之間的雜散電容;等效電路中的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電感分別表示陀螺的機(jī)械阻抗、機(jī)械柔量和機(jī)械質(zhì)量。
[0007]上述專利沒有考慮到壓電陀螺的能量損耗，進(jìn)一步的，也只能簡單的產(chǎn)生一種諧振頻率來表示一種諧振模態(tài)，仍舊沒有解決上述的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷/之一，本發(fā)明的目的是提供一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，并進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)壓電陀螺多諧振模態(tài)的模擬，解決了上述的壓電陀螺等效電路的不足。
[0009]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0010]—種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，包括:非諧振部分等效電路和諧振部分等效電路，非諧振部分等效電路和諧振部分等效電路采用并聯(lián)方式連接，具有相同的輸入端和輸出端；
[0011]所述非諧振部分等效電路包括靜態(tài)電容、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，其中:串聯(lián)電阻和靜態(tài)電容串聯(lián)得到的支路與并聯(lián)電阻單獨(dú)構(gòu)成的支路進(jìn)行并聯(lián)，靜態(tài)電容表示陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)下電極之間的雜散電容，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻表示陀螺的能量損耗；
[0012]所述諧振部分等效電路包括η條并聯(lián)諧振電路，η為大于等于I的正整數(shù)，其中:n條并聯(lián)諧振電路互相并聯(lián)，具有相同的輸入端和輸出端;每個(gè)并聯(lián)諧振電路均由動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻串聯(lián)構(gòu)成，動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電感分別表示陀螺的機(jī)械阻抗、機(jī)械柔量和機(jī)械質(zhì)量。
[0013]優(yōu)選地，所述壓電陀螺等效電路能夠精確表征陀螺的能量損耗問題，并且能夠產(chǎn)生η種諧振頻率進(jìn)而表示η種諧振模態(tài)。當(dāng)η等于I時(shí)，本發(fā)明等效電路能夠是一種考慮能量損耗的、模擬一種諧振模態(tài)的等效電路；當(dāng)η大于I時(shí)，本發(fā)明等效電路能夠是一種考慮能量損耗的、模擬多種諧振模態(tài)的等效電路。
[0014]優(yōu)選地，所述壓電陀螺等效電路的電導(dǎo)的電學(xué)模型為:
[0015]G=l/RP+l/(2*RS+i*(-l/(23if*C0/2)))+l/(2*Rl+i*(23if*2*Ll-l/(23if*Cl/2)))+l/(2*R2+i*(23if*2*L2-l/(23if*C2/2)))+---+l/(2*Rn+i*(23Tf*2*Ln-l/(23Tf*Cn/2)))；
[0016]其中:RP為并聯(lián)電阻;RS為串聯(lián)電阻;CO為靜態(tài)電容;R1、L1、C1分別為第一并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容;R2、L2、C2分別為第二并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容;Rn、Ln、Cn分別為第η并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容。G為該等效電路的電導(dǎo)，f為外部激勵(lì)信號的頻率，i為虛數(shù)符號。
[0017]優(yōu)選地，所述諧振部分等效電路中的并聯(lián)諧振電路支路數(shù)量根據(jù)壓電陀螺所需模擬的模態(tài)數(shù)量決定，即:并聯(lián)諧振電路支路數(shù)量等于壓電陀螺所需模擬的模態(tài)數(shù)量。
[0018]優(yōu)選地，每個(gè)所述并聯(lián)諧振電路中的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容由調(diào)整阻抗分析儀測量的頻率范圍來確定各自的電阻值、電感值、電容值。
[0019]優(yōu)選地，所述非諧振部分等效電路中的并聯(lián)電阻、串聯(lián)電阻、靜態(tài)電容通過掃頻測量和仿真來確定各自的電阻值、電容值。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0021]本發(fā)明所述的壓電陀螺等效電路考慮了能量損耗，能夠精確的描述壓電陀螺的能量損耗問題；
[0022]進(jìn)一步的，本發(fā)明所述的壓電陀螺等效電路解決了只能簡單的產(chǎn)生一種諧振頻率來表示一種諧振模態(tài)的問題，通過調(diào)整并聯(lián)諧振電路支路數(shù)量，將其與所需模擬的壓電陀螺所需模擬的模態(tài)數(shù)量相同，從而能夠精確的描述壓電陀螺的多種諧振模態(tài)以及能量損耗問題。
[0023]本發(fā)明能夠?yàn)閴弘娡勇莸姆抡嫣峁┚_的數(shù)值，對于壓電陀螺的生產(chǎn)、制造和研究具有重要的意義。
【附圖說明】
[0024]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0025]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例壓電圓盤微陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2a、圖2b為本發(fā)明一實(shí)施例壓電圓盤微陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測模態(tài)的ANSYS仿真不意圖；
[0027]圖3為不考慮能量損耗的壓電陀螺單諧振等效電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的考慮能量損耗的單一諧振頻率的壓電陀螺等效電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的考慮能量損耗的多諧振頻率的壓電陀螺等效電路結(jié)構(gòu)示意圖，
[0030]圖中:I為非諧振部分等效電路，2為諧振部分等效電路。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]如圖1所示，壓電微陀螺是一種基于科氏加速度效應(yīng)的微機(jī)械振動(dòng)陀螺，該陀螺采用圓盤狀的諧振結(jié)構(gòu)，利用壓電方式驅(qū)動(dòng)和檢測，工作在模態(tài)匹配的狀態(tài)下。所述陀螺的特別之處在于該陀螺的工作模態(tài)是厚度剪切方向上的振動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測模態(tài)為振型一樣、相位正交的駐波振動(dòng)。在圓盤表面有多個(gè)電極，其中:M1、M2、M3為監(jiān)測電極，Drl、Dr2、Dr3為驅(qū)動(dòng)電極，S1、S2、S3為檢測電極，B1、B2、B3為平衡電極。
[0033]如圖2所示，為壓電圓盤微陀螺的ANSYS仿真示意圖，通過有限元分析的方法得到圓盤微陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測模態(tài)。圓盤微陀螺具有很多種模態(tài)，本實(shí)施例涉及的等效電路可以仿真多種模態(tài)。
[0034]如圖3所示，為不考慮能量損耗的壓電陀螺單諧振等效電路的結(jié)構(gòu)示意圖，該等效電路不需要考慮能量損耗以及只需要仿真一個(gè)模態(tài)，該電路包括一個(gè)靜態(tài)電容CO以及動(dòng)態(tài)電阻Rl、動(dòng)態(tài)電感LI和動(dòng)態(tài)電容Cl。
[0035]如圖4-5所示，一種考慮能量損耗的多諧振壓電陀螺等效電路，所述等效電路包括:非諧振部分等效電路I和諧振部分等效電路2，其中:
[0036]所述諧振部分等效電路2，包括η并聯(lián)諧振電路(η為大于等于I的正整數(shù))；每個(gè)并聯(lián)諧振電路均由動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻構(gòu)成，動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電感分別表示陀螺的機(jī)械阻抗、機(jī)械柔量和機(jī)械質(zhì)量；
[0037]所述非諧振部分等效電路I由靜態(tài)電容、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻構(gòu)成，靜態(tài)電容表示陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)下電極之間的雜散電容，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻表示陀螺的能量損耗；
[0038]所述等效電路能夠精確的描述壓電陀螺的多種諧振模態(tài)及能量損耗問題，為壓電陀螺的仿真提供精確的數(shù)值。
[0039]在部分實(shí)施例中，所述壓電陀螺采用的是壓電材料。壓電材料在外部力的作用下會(huì)產(chǎn)生電場，相反，當(dāng)壓電陀螺在外加電壓作用下會(huì)伸展或收縮，這種特性被稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是由于某些材料晶體原始單元中的電荷不對稱性，從而導(dǎo)致形成電偶極子，在整個(gè)晶體內(nèi)，這些偶極子效應(yīng)的疊加產(chǎn)生整個(gè)晶體的極化，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生電場。只有缺少對稱中心的晶體才顯現(xiàn)出壓電特性。
[0040]常用的壓電材料:石英、壓電陶瓷(如LiNb03、BaTi03)、PZTGf^iJ^ft)、Zn0、PVDF(聚偏氟乙稀)等。為了陀螺的力學(xué)性能指標(biāo)和敏感度，要求壓電材料有高的壓電常數(shù)及高的機(jī)電耦合系數(shù);為了防止壓電材料的破碎，要求壓電材料具有高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度；為了保證振子溫度升高情況下的效率，要求壓電材料具有低的介質(zhì)損耗因子和高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)以上分析，優(yōu)選采用高激勵(lì)特性良好、耦合系數(shù)高的壓電陶瓷PZT作為振動(dòng)體。
[0041]具體的，如圖4所示，在需要考慮能量損耗以及只需要仿真一個(gè)模態(tài)的情況下，得到一種考慮能量損耗的單一諧振頻率的壓電陀螺等效電路，該電路包括一個(gè)靜態(tài)電容CO、串聯(lián)電阻RS和并聯(lián)電阻RP，以及動(dòng)態(tài)電阻R1、動(dòng)態(tài)電感LI和動(dòng)態(tài)電容Cl;其中:靜態(tài)電容CO、串聯(lián)電阻RS和并聯(lián)電阻RP構(gòu)成非諧振部分等效電路，動(dòng)態(tài)電阻R1、動(dòng)態(tài)電感LI和動(dòng)態(tài)電容Cl構(gòu)成諧振部分等效電路。
[0042]如圖5所示，在需要考慮能量損耗以及需要仿真多個(gè)模態(tài)的情況下，得到一種考慮能量損耗的多諧振頻率的壓電陀螺等效電路，包括非諧振部分等效電路I和諧振部分等效電路2，具體的:
[0043]RP、RS、C0分別為非諧振部分等效電路I的并聯(lián)電阻、串聯(lián)電阻、靜態(tài)電容；
[0044]諧振部分等效電路2包括第一并聯(lián)諧振電路、第二并聯(lián)諧振電路、第三并聯(lián)諧振電路……、第η并聯(lián)諧振電路，其中:R1、L1、C1分別為第一并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容;R2、L2、C2分別為第二并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容;Rn、Ln、Cn分別為第η并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容。
[0045]本實(shí)施例中，多個(gè)所述并聯(lián)諧振電路用于等效產(chǎn)生壓電陀螺的多個(gè)諧振頻率來模擬多個(gè)諧振模態(tài)。
[0046]本實(shí)施例中，每個(gè)所述并聯(lián)諧振電路中的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容由調(diào)整阻抗分析儀測量的頻率范圍來確定各自的電阻值、電感值、電容值。
[0047]本實(shí)施例中，所述非諧振部分等效電路中的并聯(lián)電阻、串聯(lián)電阻、靜態(tài)電容通過掃頻測量和仿真來確定各自的電阻值、電容值。
[0048]所述諧振部分等效電路2中的并聯(lián)諧振電路的支路數(shù)量等于壓電陀螺所需要模擬的模態(tài)數(shù)量，因此可以很方便模擬多種諧振模態(tài)的壓電陀螺，且整個(gè)電路的適應(yīng)性非常強(qiáng)。
[0049]上述各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。
[0050]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，其特征在于，包括:非諧振部分等效電路和諧振部分等效電路，非諧振部分等效電路和諧振部分等效電路采用并聯(lián)方式連接，具有相同的輸入端和輸出端； 所述非諧振部分等效電路包括靜態(tài)電容、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，其中:串聯(lián)電阻和靜態(tài)電容串聯(lián)得到的支路與并聯(lián)電阻單獨(dú)構(gòu)成的支路進(jìn)行并聯(lián)，靜態(tài)電容表示陀螺在靜止?fàn)顟B(tài)下電極之間的雜散電容，串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻表示陀螺的能量損耗； 所述諧振部分等效電路包括η條并聯(lián)諧振電路，η為大于等于I的正整數(shù)，其中:n條并聯(lián)諧振電路互相并聯(lián)，具有相同的輸入端和輸出端;每個(gè)并聯(lián)諧振電路均由動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電阻串聯(lián)構(gòu)成，動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電感分別表示陀螺的機(jī)械阻抗、機(jī)械柔量和機(jī)械質(zhì)量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，其特征在于，所述壓電陀螺等效電路能夠精確表征陀螺的能量損耗問題，并且能夠產(chǎn)生η種諧振頻率進(jìn)而表示η種諧振模態(tài)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，其特征在于，所述壓電陀螺等效電路的電導(dǎo)的電學(xué)模型為:G= l/RP+l/(2*RS+i*(-l/(23if*C0/2))) + l/(2*Rl+i*(23if*2*Ll-l/(23if*Cl/2) )) + 1/(2*R2+i*(23if*2*L2-l/(23if*C2/2)))+---+l/(2*Rn+i*(23Tf*2*Ln-l/(23Tf*Cn/2)))； 其中:RP為并聯(lián)電阻;RS為串聯(lián)電阻；CO為靜態(tài)電容;Rl、L1、Cl分別為第一并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容;R2、L2、C2分別為第二并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容;Rn、Ln、Cn分別為第η并聯(lián)諧振電路的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容;G為該等效電路的電導(dǎo)，f為外部激勵(lì)信號的頻率，i為虛數(shù)符號。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，其特征在于，所述諧振部分等效電路中的并聯(lián)諧振電路支路數(shù)量根據(jù)壓電陀螺所需模擬的模態(tài)數(shù)量決定，即:并聯(lián)諧振電路支路數(shù)量等于壓電陀螺所需模擬的模態(tài)數(shù)量。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，其特征在于，每個(gè)所述并聯(lián)諧振電路中的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容由調(diào)整阻抗分析儀測量的頻率范圍來確定各自的電阻值、電感值、電容值。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種考慮能量損耗的壓電陀螺等效電路，其特征在于，所述非諧振部分等效電路中的并聯(lián)電阻、串聯(lián)電阻、靜態(tài)電容通過掃頻測量和仿真來確定各自的電阻值、電容值。
【文檔編號】G01C19/5684GK105841683SQ201610339358
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】張衛(wèi)平, 歐彬, 唐健, 孫殿竣, 邢亞亮, 樊冬, 劉朝陽, 朱甲強(qiáng)
【申請人】上海交通大學(xué)