專利名稱：采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器及測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種角速率傳感器，特別涉及一種采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，同時(shí)還涉及應(yīng)用該種振動(dòng)角速率傳感器的測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
振動(dòng)角速率傳感器是基于哥式振動(dòng)原理研制而成的一種測(cè)量角速率的慣性傳感器。近年來(lái)，隨著微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)械振動(dòng)角速率傳感器因其獨(dú)特的低功耗、小體積、低成本等特點(diǎn)，在國(guó)防和消費(fèi)電子領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。其廣泛的應(yīng)用于汽車電子(如防側(cè)滾系統(tǒng)，防滑控制和電子穩(wěn)定控制等)、消費(fèi)電子(如相機(jī)穩(wěn)定、平板電腦及虛擬控制等)、姿態(tài)控制(如機(jī)器人應(yīng)用和模型飛機(jī)應(yīng)用)等工業(yè)自動(dòng)化方面；另外在導(dǎo)航、航空航天等軍事領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的基于哥式振動(dòng)的角速率傳感器，其設(shè)計(jì)型式如音叉型、懸臂梁型、輪式型、梳齒型、懸臂梁末端質(zhì)量塊型、微固體型以及雙懸臂自由梁型等振動(dòng)型角速率傳感器，其中單振梁型振動(dòng)角速率傳感器應(yīng)用較多。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，振梁角速率傳感器包括音叉角速率傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，但是基于結(jié)構(gòu)上的弊端，仍存在難以克服的軸間耦合干擾，在對(duì)角速度測(cè)量上出現(xiàn)明顯的測(cè)量誤差；此外，當(dāng)基體存在明顯的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，其單振梁角速率傳感器將對(duì)外界加速度敏感，同樣產(chǎn)生角速度測(cè)量誤差，降低了測(cè)量精度，限制了此類角速率傳感器的應(yīng)用環(huán)境和領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的之一是提供一種采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其有效解決傳統(tǒng)的單振梁振動(dòng)型角速率傳感器軸間干擾和對(duì)基體運(yùn)動(dòng)敏感而造成的角速率測(cè)量誤差；提高和改善了振動(dòng)角速率傳感器的測(cè)量精度和靈敏度，拓展了振動(dòng)角速率傳感器的應(yīng)用環(huán)境和領(lǐng)域；本發(fā)明的目的之二是提供了一種測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明的目的之一是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，包括外部框架結(jié)構(gòu)、擺動(dòng)質(zhì)量塊、驅(qū)動(dòng)臂
I、驅(qū)動(dòng)臂II、敏感臂I和敏感臂II，所述驅(qū)動(dòng)臂I驅(qū)動(dòng)臂II的尺寸相同，敏感臂I和敏感臂II的尺寸相同，均采用薄型片狀結(jié)構(gòu)；
所述驅(qū)動(dòng)臂I、驅(qū)動(dòng)臂II、敏感臂I和敏感臂II的一端分別連接于擺動(dòng)質(zhì)量塊的四周，以擺動(dòng)質(zhì)量塊為中心組成十字架結(jié)構(gòu)，其中，驅(qū)動(dòng)臂I與驅(qū)動(dòng)臂II相對(duì)設(shè)置，敏感臂I與敏感臂II相對(duì)設(shè)置，共同構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)；
所述驅(qū)動(dòng)臂I、驅(qū)動(dòng)臂II、敏感臂I和敏感臂II的另一端分別連接于外部框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)框面，使整套振動(dòng)系統(tǒng)懸空設(shè)置于外部框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部；
在外界激勵(lì)作用下，驅(qū)動(dòng)臂I、II將產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)擺動(dòng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向發(fā)生擺動(dòng)，使敏感臂I、II產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；當(dāng)沿Z軸存在外界角速率輸入Ω時(shí)，在擺動(dòng)質(zhì)量塊敏感方向側(cè)面產(chǎn)生哥式力，擺動(dòng)質(zhì)量塊將產(chǎn)生在敏感方向上的擺動(dòng)，帶動(dòng)敏感臂I、II產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，并由外界檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)得到該彎曲振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。進(jìn)一步，所述外部框架結(jié)構(gòu)為方形框體，所述驅(qū)動(dòng)臂I、驅(qū)動(dòng)臂II、敏感臂I和敏感臂II連接于其分別對(duì)應(yīng)的外部框架結(jié)構(gòu)上各邊框體內(nèi)側(cè)面的中心位置；
進(jìn)一步，所述擺動(dòng)質(zhì)量塊為正方體或長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)；
進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)臂I、驅(qū)動(dòng)臂II、敏感臂I和敏感臂II為薄片矩形截面梁結(jié)構(gòu)或圓柱形梁結(jié)構(gòu)；
進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)臂I、驅(qū)動(dòng)臂II、敏感臂I和敏感臂II與擺動(dòng)質(zhì)量塊的固定位置位于其四周側(cè)面的橫向?qū)ΨQ軸上；
進(jìn)一步，當(dāng)擺動(dòng)質(zhì)量塊平行于驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的截面為正方形時(shí)，驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的長(zhǎng)度根據(jù)系統(tǒng)的諧振頻率間隔或工作帶寬而定；當(dāng)擺動(dòng)質(zhì)量塊平行于驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的截面為矩形截面時(shí)，驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂采取相同尺寸設(shè)計(jì)；
進(jìn)一步，所述擺動(dòng)質(zhì)量塊、外部框架結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)臂I、驅(qū)動(dòng)臂II、敏感臂I、敏感臂II采用微加工技術(shù)和同種材料制作；
進(jìn)一步，所用材料包括合金、石英、多晶硅和二氧化硅。本發(fā)明的目的之二是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
采用如上所述框架式振動(dòng)角速率傳感器的測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明采用驅(qū)動(dòng)臂組和敏感臂組夾角90度的十字交叉方式且通過(guò)振動(dòng)質(zhì)量塊連接；四懸臂梁的采用將擺動(dòng)質(zhì)量塊的擺動(dòng)轉(zhuǎn)化為懸臂梁的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，正交連接方式有效降低了傳統(tǒng)單振梁振動(dòng)面之間的軸間干擾，提高了測(cè)量角速度精度；
2.本發(fā)明驅(qū)動(dòng)臂組和敏感臂組和外框架固連且外框架俯視為矩形體，此外框架固定了驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的正交性，有效的限制了驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂之間的振動(dòng)耦合干擾；
3.本發(fā)明采用矩形截面的長(zhǎng)方體薄片驅(qū)動(dòng)臂梁和敏感臂梁，有效的限制了擺動(dòng)質(zhì)量的擺動(dòng)方向，使得質(zhì)量塊僅在兩正交方向的擺動(dòng)顯著，消除了質(zhì)量塊在兩正交方向上的耦合振動(dòng)；
4.本發(fā)明驅(qū)動(dòng)臂組、敏感臂組、質(zhì)量塊和外框架組成關(guān)于質(zhì)量塊俯視中心呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)臂組和敏感臂組一端與外框架固定，另一端與質(zhì)量塊固連，其對(duì)稱性結(jié)構(gòu)有效的消除了對(duì)基體加速度的敏感度，提高了角速度測(cè)量精度；
5.本發(fā)明采用驅(qū)動(dòng)臂組和敏感臂組通過(guò)振動(dòng)質(zhì)量塊連接，有效提高了懸臂梁的振動(dòng)穩(wěn)定性，使振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)方式更穩(wěn)定；
6.本發(fā)明驅(qū)動(dòng)臂組和敏感臂組連接處采用的擺動(dòng)質(zhì)量塊為長(zhǎng)方體或正方體，使其在外界輸入角速度時(shí)兩側(cè)面上產(chǎn)生對(duì)稱的哥式力，為敏感臂的彎曲提供理想的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)力；同時(shí)有效限制驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂振動(dòng)形式為彎曲振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，且其敏感臂振動(dòng)幅度和扭轉(zhuǎn)幅度與外界輸入角速率有關(guān)。本發(fā)明系統(tǒng)整體通過(guò)外框架與外界封裝體固定，有效的降低了外界封裝對(duì)驅(qū)動(dòng)臂、敏感臂及質(zhì)量塊所組成的振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)性能產(chǎn)生的影響。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書(shū)中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書(shū)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖I采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器側(cè)俯視結(jié)構(gòu) 圖2采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器驅(qū)動(dòng)臂工作狀態(tài)圖；、
圖3采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器外界輸入角速度 圖4采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器敏感臂工作狀態(tài) 圖5采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器工作狀態(tài) 圖6采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器裝配圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說(shuō)明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖I所示，本發(fā)明采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器包括外部框架結(jié)構(gòu)101、擺動(dòng)質(zhì)量塊401、驅(qū)動(dòng)臂I 201、驅(qū)動(dòng)臂II 202，敏感臂I 301和敏感臂II 302，驅(qū)動(dòng)臂I 201驅(qū)動(dòng)臂II 202的尺寸相同，敏感臂I 301和敏感臂II 302的尺寸相同，均采用薄型片狀結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)臂I 201、驅(qū)動(dòng)臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302的一端分別連接于擺動(dòng)質(zhì)量塊401的四周，以擺動(dòng)質(zhì)量塊為中心組成十字架結(jié)構(gòu)，其中，驅(qū)動(dòng)臂I 201與驅(qū)動(dòng)臂II 202相對(duì)設(shè)置，敏感臂I 301與敏感臂II 302相對(duì)設(shè)置，共同構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)臂I 201、驅(qū)動(dòng)臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302的另一端分別連接于外部框架結(jié)構(gòu)101的內(nèi)框面，使整套振動(dòng)系統(tǒng)懸空設(shè)置于外部框架結(jié)構(gòu)101的內(nèi)部；
本實(shí)施例中，外部框架結(jié)構(gòu)101為方形框體，驅(qū)動(dòng)臂1201、驅(qū)動(dòng)臂11202、敏感臂1301和敏感臂II302連接于其分別對(duì)應(yīng)的外部框架結(jié)構(gòu)101上各邊框體內(nèi)側(cè)面的中心位置，擺動(dòng)質(zhì)量塊401為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)臂I 201、驅(qū)動(dòng)臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302為方形薄片結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)臂I 201、驅(qū)動(dòng)臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302與擺動(dòng)質(zhì)量塊的固定位置位于其四周側(cè)面的橫向?qū)ΨQ軸上。本實(shí)施例中，本發(fā)明的兩驅(qū)動(dòng)臂設(shè)置為尺寸相同、矩形截面的薄片振梁，此有利于在合適的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)下，驅(qū)動(dòng)臂梁產(chǎn)生所需的振動(dòng)形式；兩敏感臂均為尺寸相同、矩形截面的薄片振梁，此有利于敏感薄臂梁在哥式力的作用下產(chǎn)生適合的彎曲振形，此彎曲振形被外部檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)；驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂薄片厚度相同，且和質(zhì)量塊的固定中心位于質(zhì)量塊的同一截面上，此有利于降低驅(qū)動(dòng)臂組和敏感臂組對(duì)質(zhì)量塊擺動(dòng)性能的影響；本發(fā)明驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂薄片厚度相同，且一端固定于外框架內(nèi)側(cè)面的中心，此對(duì)稱結(jié)構(gòu)更利于驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂產(chǎn)生所需的振形，且也為質(zhì)量塊提供了振動(dòng)空間。當(dāng)然，驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂還可以采用圓柱形梁結(jié)構(gòu)，或其他能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)目的的梁結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，由于擺動(dòng)質(zhì)量塊401平行于驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的截面為正方形，驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的長(zhǎng)度根據(jù)系統(tǒng)的諧振頻率間隔而定。作為進(jìn)一步的改進(jìn)，所述擺動(dòng)質(zhì)量塊401、外部框架結(jié)構(gòu)101、驅(qū)動(dòng)臂1201、驅(qū)動(dòng)臂11202、敏感臂1301、敏感臂II302采用微加工技術(shù)和同種材料制作，所用材料包括合金、石英、多晶硅和二氧化硅等。本發(fā)明的工作原理如下
結(jié)合附圖2，結(jié)合相應(yīng)的四個(gè)坐標(biāo)系，在外界激勵(lì)下，驅(qū)動(dòng)臂處于基模諧振工作狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)臂I 201繞yl軸在xl軸向上，以角速度Ω I在彎曲振動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)臂II 202繞y3在x3軸向上以Ω 3=Ω I的振動(dòng)頻率彎曲，而驅(qū)動(dòng)臂的彎曲振動(dòng)將帶動(dòng)擺動(dòng)質(zhì)量塊401在xl和χ3軸向上做周期擺動(dòng)；由于敏感臂和擺動(dòng)質(zhì)量塊401連接，在擺動(dòng)的質(zhì)量塊帶動(dòng)下，敏感臂I 301將繞χ2軸以頻率為Ω 2產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，同時(shí)敏感臂II 302繞χ4軸以頻率Ω 4產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。結(jié)合附圖3，擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器100-5繞ζ方向存在外界輸入旋轉(zhuǎn)角速度Ω時(shí)，由于擺動(dòng)質(zhì)量塊401在驅(qū)動(dòng)臂彎曲振動(dòng)下產(chǎn)生的擺動(dòng)，此時(shí)將在質(zhì)量塊 的χ2和χ4方向上產(chǎn)生哥式力，從而引起擺動(dòng)質(zhì)量塊401在χ2和χ4方向上的擺動(dòng)。結(jié)合附圖4，僅考慮哥式力作用下，敏感臂組的基模達(dá)到諧振。敏感臂I 301繞y2在x2軸向產(chǎn)生以頻率為《 2的彎曲振動(dòng)，同時(shí)敏感臂II 302繞y4在χ4軸向產(chǎn)生以頻率為《4的彎曲振動(dòng)；此外,通過(guò)質(zhì)量塊連接的驅(qū)動(dòng)臂I 201繞xl產(chǎn)生以頻率為ω I扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)臂II 202繞xl產(chǎn)生以頻率為《3扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在哥式力作用下敏感臂1、11發(fā)生諧振彎曲振動(dòng)，同樣一起驅(qū)動(dòng)臂I、II產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而此彎曲的幅度及扭轉(zhuǎn)幅度均與外界輸入旋轉(zhuǎn)角速度Ω有關(guān)，通過(guò)外界對(duì)彎曲幅度和扭轉(zhuǎn)幅度的檢測(cè)，從而達(dá)到對(duì)外界輸入角速度Ω的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了角速率傳感器對(duì)角速率的測(cè)量功能。附圖5給出了擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器100-7的綜合工作狀態(tài)圖，即在外界輸入角速度為Ω時(shí)候，擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器100-4、100-6的合成振動(dòng)圖。本發(fā)明的裝配過(guò)程如下
如圖6所示，采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器裝配結(jié)構(gòu)(100-8)，其中擺動(dòng)質(zhì)量塊401設(shè)計(jì)成矩形截面或正方形截面的長(zhǎng)方體或正方體，根據(jù)具體的系統(tǒng)要求的頻率和頻率間隔而定；擺動(dòng)質(zhì)量塊401有利于懸臂梁(201、202、301、302)振動(dòng)形態(tài)的穩(wěn)定，且擺動(dòng)質(zhì)量塊長(zhǎng)度L401方向上處于自由狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)臂I、II和敏感臂I、II和擺動(dòng)質(zhì)量塊401相互固連；驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度L201/L202，寬度W201/W202和厚度Η201/Η202尺寸分別相同，且厚度Η201/Η202尺寸遠(yuǎn)小于寬度W201/W202和長(zhǎng)度L201/L202尺寸；其驅(qū)動(dòng)臂I 201、驅(qū)動(dòng)臂II 202的一端厚度O. 5ΧΗ201和寬度O. 5XW301的中心和質(zhì)量塊401長(zhǎng)度方向上的中心O. 5XL401相互固定連接；另一端厚度O. 5ΧΗ201的中心和外部框架結(jié)構(gòu)邊框101-1的內(nèi)側(cè)中心位置O. 5ΧΗ101-1/0. 5XL101-1連接固定；其驅(qū)動(dòng)臂II 202采取和驅(qū)動(dòng)臂I 201 —樣的對(duì)稱方式和擺動(dòng)質(zhì)量塊401及外框架邊101-3連接固定。敏感臂I、II的長(zhǎng)度L301/L302，寬度W301/W302和厚度Η301/Η302尺寸分別相同，厚度Η301/Η302的尺寸遠(yuǎn)小于寬度W301/W302和長(zhǎng)度L301/L302的尺寸；其敏感臂II的一端和厚度O. 5ΧΗ302和寬度O. 5XW302]的中心和擺動(dòng)質(zhì)量塊401長(zhǎng)度方向上的中心O. 5XL401相互固定連接；另一端厚度O. 5ΧΗ302的中心和外框架邊框101-2的內(nèi)側(cè)中心位置O. 5ΧΗ101-2/0. 5XL101-2連接固定;其敏感臂I 301采取和敏感臂II 302 —樣的對(duì)稱方式和擺動(dòng)質(zhì)量塊401及外框架101-3連接固定。在加工中驅(qū)動(dòng)臂I、π的厚度Η201/Η202和敏感臂的厚度Η301/Η302尺寸可采取相同，對(duì)稱加工；驅(qū)動(dòng)臂的寬W201/W202和敏感臂的寬度W301/W302，根據(jù)擺動(dòng)質(zhì)量塊401的寬度W401和厚度Η401的尺寸而定。驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的厚度中心處于O. 5XL401的平面上，且其兩臂組的夾角成90度，即垂直正交化安裝。外邊框101-1、101-2、101-3、101-4，其寬度[W101-U W101-2、W101-3、W101-4均相同，采用對(duì)稱的結(jié)構(gòu)；其厚度Η101-1、Η101-2、Η101-3、Η101-4均可采取相同的尺寸加工。外框架101-1、101-2、101-3、101-4外側(cè)與外部封裝體固定且外框架101采用矩形體結(jié)構(gòu)。此外，封裝體在擺動(dòng)質(zhì)量塊的長(zhǎng)度L401的方向上，要提供擺動(dòng)質(zhì)量塊所需求的擺動(dòng)空間。另外，該振動(dòng)角速率傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，采用本發(fā)明所述的框架式振動(dòng)角速率傳感器的測(cè)量系統(tǒng)也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于所述振動(dòng)角速率傳感器 包括外部框架結(jié)構(gòu)(101)、擺動(dòng)質(zhì)量塊(401)、驅(qū)動(dòng)臂I (201)、驅(qū)動(dòng)臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)，所述驅(qū)動(dòng)臂I (201)驅(qū)動(dòng)臂II (202)的尺寸相同，敏感臂I (301) 和敏感臂II (302)的尺寸相同，均采用薄型片狀結(jié)構(gòu)；所述驅(qū)動(dòng)臂I (201)、驅(qū)動(dòng)臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)的一端分 別連接于擺動(dòng)質(zhì)量塊(401)的四周，以擺動(dòng)質(zhì)量塊為中心組成十字架結(jié)構(gòu)，其中，驅(qū)動(dòng)臂I (201)與驅(qū)動(dòng)臂II (202)相對(duì)設(shè)置，敏感臂I (301)與敏感臂II (302)相對(duì)設(shè)置，共同構(gòu) 成振動(dòng)系統(tǒng)；所述驅(qū)動(dòng)臂I (201)、驅(qū)動(dòng)臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)的另一端分 別連接于外部框架結(jié)構(gòu)(101)的內(nèi)框面，使整套振動(dòng)系統(tǒng)懸空設(shè)置于外部框架結(jié)構(gòu)(101) 的內(nèi)部；在外界激勵(lì)作用下，驅(qū)動(dòng)臂I、II將產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)擺動(dòng)質(zhì)量塊(401)在驅(qū)動(dòng)方向 發(fā)生擺動(dòng)，使敏感臂1、11產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；當(dāng)沿Z軸存在外界角速率輸入Q時(shí)，在擺動(dòng)質(zhì)量 塊(401)敏感方向側(cè)面產(chǎn)生哥式力，擺動(dòng)質(zhì)量塊(401)將產(chǎn)生在敏感方向上的擺動(dòng)，帶動(dòng)敏 感臂I、II產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，并由外界檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)得到該彎曲振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于 所述外部框架結(jié)構(gòu)(101)為方形框體，所述驅(qū)動(dòng)臂1(201)、驅(qū)動(dòng)臂11(202)、敏感臂1(301) 和敏感臂II (302)連接于其分別對(duì)應(yīng)的外部框架結(jié)構(gòu)(101)上各邊框體內(nèi)側(cè)面的中心位 置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于 所述擺動(dòng)質(zhì)量塊(401)為正方體或長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其特 征在于所述驅(qū)動(dòng)臂I (201)、驅(qū)動(dòng)臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)為薄片 矩形截面梁結(jié)構(gòu)或圓柱形梁結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于 所述驅(qū)動(dòng)臂I (201)、驅(qū)動(dòng)臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)與擺動(dòng)質(zhì)量塊 的固定位置位于其四周側(cè)面的橫向?qū)ΨQ軸上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于 當(dāng)擺動(dòng)質(zhì)量塊(401)平行于驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的截面為正方形時(shí)，驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的長(zhǎng)度根 據(jù)系統(tǒng)的諧振頻率間隔或工作帶寬而定；當(dāng)擺動(dòng)質(zhì)量塊(401)平行于驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂的截 面為矩形截面時(shí)，驅(qū)動(dòng)臂和敏感臂采取相同尺寸設(shè)計(jì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于 所述擺動(dòng)質(zhì)量塊(401)、外部框架結(jié)構(gòu)(101)、驅(qū)動(dòng)臂I (201)、驅(qū)動(dòng)臂II (202)、敏感臂I (301)、敏感臂II (302)采用微加工技術(shù)和同種材料制作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，其特征在于 所用材料包括合金、石英、多晶硅和二氧化硅。
9.采用如權(quán)利要求1至7任一所述的框架式振動(dòng)角速率傳感器的測(cè)量系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種采用擺動(dòng)質(zhì)量塊的框架式振動(dòng)角速率傳感器，包括四個(gè)通過(guò)擺動(dòng)質(zhì)量塊相互連接的懸臂薄片振梁，四個(gè)懸臂梁分為正交的兩對(duì)，分別為振動(dòng)角速率傳感器的驅(qū)動(dòng)臂組和敏感臂組；整體振動(dòng)系統(tǒng)與外框架固連且通過(guò)外框架與封裝殼相固定，驅(qū)動(dòng)臂在外界激勵(lì)的作用下產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，引起質(zhì)量塊的擺動(dòng)，通過(guò)質(zhì)量塊的擺動(dòng)帶動(dòng)敏感臂的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；繞Z軸存在外界輸入旋轉(zhuǎn)角速度Ω時(shí)，在擺動(dòng)質(zhì)量塊側(cè)面產(chǎn)生哥式力，使敏感臂產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，同時(shí)通過(guò)質(zhì)量塊帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；檢測(cè)敏感臂的彎曲振動(dòng)和驅(qū)動(dòng)臂的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)即達(dá)到對(duì)外界輸入旋轉(zhuǎn)角速度Ω的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了角速率傳感器的功能，有效解決傳統(tǒng)的單振梁振動(dòng)型角速率傳感器軸間干擾和對(duì)基體運(yùn)動(dòng)敏感而造成的角速率測(cè)量誤差。
文檔編號(hào)G01P3/02GK102662074SQ20121018425
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者劉利, 劉宇, 劉申, 劉聰, 吳英, 歐毅, 熊文激 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)