壓電振動陀螺

根據壓電材料的壓電效應，利用壓電薄片作為換能器，可以激勵振動元件振動並檢測哥氏力振動。基於這一特徵構成的振動陀螺儀被稱為壓電振動陀螺。

基本介紹

• 中文名：壓電振動陀螺
• 類型：一種振動陀螺
• 特點：無轉動部分、功耗低且抗核輻射

簡要概述

壓電振動陀螺使用的換能器材料主要有PZT陶瓷和壓電石英晶體，也可以選擇鈮酸鋰、鉭酸鋰等壓電材料。壓電陶瓷最大的優點是電容率高、機電耦合係數大、加工容易、價格便宜，是振動陀螺力—電轉換的首選材料。壓電石英晶體頻率溫度係數小，也常用作壓電振動陀螺的換能器材料。

壓電振動陀螺振子結構形式較多，其中矩形振梁和正三角形振梁最常使用。梁振一般為複合結構，即在金屬振梁的每個側面貼上壓電換能器。單一壓電材料也可以構成陀螺振子，比如陶瓷圓片，陶瓷圓棒等。

美國通用電氣公司最早研製矩形振梁式壓電振動陀螺，先後在美國海軍F-4J飛機以及波音飛機上進行了試驗，並裝備在空軍A-10飛機增穩系統中，同時投入批量生產。日本主要研究正三角形振梁式壓電振動陀螺，具有靈敏度較高的特點。

我國壓電振動陀螺的研究始於1970年，是專為飛彈小型化任務而研製的，是一種振梁式固態速率感測器。

目前我國壓電振動陀螺產品已系列化小批量生產，同時開發了二次儀表和組合產品，其套用涉及多種武器系統。事實上，我國壓電振動陀螺的性能和套用均達到和超過了國際先進水平。

工作原理

振梁式壓電振動陀螺的振動元件是一根矩形恆彈性合金梁，在其四個側面貼上壓電換能器，換能器的電極和相應的外圍電路相連線，如圖1-1所示。當驅動換能器加上電信號時，由於反壓電效應，使振梁質點在X方向產生正弦基頻彎曲振動，其振動頻率在4.0kHz至20.0kHz之間，頻率的高低主要取決於振梁的尺寸。當沿梁的縱軸Z軸輸入一個角速度Ω時，梁的質點便受到哥氏力的作用，該力引起質點在讀出平面內運動，從而使梁在正交的Y方向產生另一個受迫振動。振梁質點在Y方向的位移和驅動平面的振幅成正比，也和輸入角速度的大小成正比，而其相位與輸入角速率方向相對應。如圖1-1左下部分所示，此時質點沿一橢圓軌道運動，橢圓的長軸代表驅動振幅的大小，短軸代表角速度的大小。

圖1-1 振梁式壓電振動陀螺工作原理示意圖

電路結構

振梁式壓電振動陀螺的電路框圖如圖1-2所示。振梁、反饋換能器、移相器、增益調節器、驅動放大器、驅動換能器形成閉環，構成一個自激振盪器。在穩態時，閉環相位保持360°，閉環增益為1。通電時的任意擾動在正反饋的循環作用下，使振梁產生正弦諧振動。

圖1-2 振梁式壓電振動陀螺電路框圖

振梁經讀出換能器的輸出信號通過放大器放大，相敏解調器解調，得到與角速率相關的直流輸出。同時，輸出信號調製到驅動振動信號上，然後送至阻尼換能器，以此來改善陀螺的動態特性。

用一根振梁構成單軸壓電振動陀螺，用兩根振梁或三根振梁正交安裝便可以方便地構成雙軸或三軸壓電振動陀螺。

對壓電振動陀螺輸出信號進行微分或積分運算，可構成相應的壓電角加速度陀螺和壓電角位移陀螺。如果把它們組合在一起可構成壓電姿態儀，輸出三個方向的角加速度、角速度和角位移信號。

壓電振動陀螺和線加速度計組合在一起構成壓電慣性組合，提供三個方向的角速度和線加速度信號。若將磁方位感測器的信號一起送入計算機解算，還可以同時得到方位角和姿態角信息。

正三角形振梁壓電振動陀螺

與上述壓電振動陀螺類似，日本村田製作所發明了正三角形振梁壓電振動陀螺。它的工作原理與上述壓電振動陀螺並無不同，並且振動元件仍是一根振梁，但其橫截面由正方形改成了正三角形，壓電換能器由四片改成了三片。該結構的主要特點是：振動元件採用了正三角形振梁；左右兩側的壓電換能器為激勵和檢測共用。正三角形振梁壓電振動陀螺的振動元件如圖1-3所示。

圖1-3 正三角形振梁壓電振動陀螺的振動元件

圖1-4是正三角形振梁壓電振動陀螺外圍電路的框圖。激振電路、相移電路、激勵檢測共用換能器、反饋換能器構成自激振盪迴路，使正三角形振梁在激勵方向產生頻率為8kHz的正弦振動。

圖1-4 正三角形振梁壓電振動陀螺電路圖

左右兩側的壓電換能器兼作角速率檢測用，其輸出接入差動放大器。通過差動放大器，激勵信號分量相抵消為零，角速率信號加倍。經放大、相敏解調、濾波後，得到表征輸入角速率的直流電壓信號。

該正三角形振梁壓電振動陀螺的設計目標是：提高角速率測量的靈敏度和信噪比，實現壓電振動陀螺的低成本和可生產性。

性能特點

壓電振動陀螺的典型性能列於表1-5中。

表1-5 壓電振動陀螺的典型性能

型號	CS43A-21(三軸)	CS63A-23(三軸)	CS41B-65(單軸)
測量範圍/[(°)/s]	1500	60	360
閾值/[(°)/s]	0.1	0.02	0.05
解析度/[(°)/s]	0.1	0.02	0.05
標度因數/{mV·[(°)/s]}	1.650.05	603	201
線性度/(%)	0.5	1	0.5
交叉耦合/(%)	0.5	0.5	0.5
準備時間/min	5	3	10
固有頻率/Hz	120	60	80
零位電壓/mV	250012.5	010	010
工作電壓/V(DC)	15	18	15
工作溫度/℃	-30~60	-30~60	-30~50
尺寸/mm*mm*mm	66*66*74	120*140*135	450*15*15

壓電振動陀螺由於沒有轉動部分，是傳統陀螺的一大變革，因而具有壽命長，可靠性高的突出特點，其MTBF可高達十幾萬小時；體積小、重量輕、最小單軸陀螺尺寸僅為45mm*15mm*15mm；採用直流供電，供電電源可單可雙，功耗低，最小功耗僅20mW;耐衝擊、耐振動、最高可承受100000m/s以上的高衝擊；動態回響好，無滯後，頻響可達到50Hz以上；抗核輻射，經受了動態核爆試驗而無損壞；使用方便，直流供電，直流輸出，無須任何轉換環節。