微型石英音叉陀螺模态特性的有限元分析

　　1　引　言

　　石英晶体是一种用途非常广泛的压电材料,这里介绍的微石英音叉陀螺是石英晶体在MEMS领域中的一种新的应用,它具有体积小、成本低、可靠性高等优点,具有广阔的应用前景[1]。在激励信号作用下产生参考振动,当沿敏感轴输入角速度时,在垂直于参考振动的方向上便会出现哥氏惯性力,从以知道角速度的大小,但检测信号通常十分微弱由此可见微石英音叉陀螺中存在两种振动,即敏感振动和参考振动,而两种振动的谐振频率间隔是影响性能(如灵敏度、带宽)的主要因素,两者相差越小陀螺的灵敏度越大,但也不能过于靠近,否则会减小工作带宽,并引起很大的零漂[2]。所以对微石英音叉陀螺进行模态分析,根据音叉尺寸对谐振频率的影响,选取适当的谐振频率,是设计阶段的一项重要工作。利用有限元仿真软件ANSYS对微型石英音叉陀螺的模态特性进行分析计算,并分析了音叉尺寸对谐振频率的影响,为音叉几何尺寸的确定提供重要的参考指标。

　　2　微型石英音叉陀螺工作原理

　　微型石英音叉陀螺的基本工作原理是利用压电现象,即压电效应产生的直线振动,用直线振动质量的线动量代替传统机械转子陀螺的振动装置。因此,微石英音叉陀螺属于振动陀螺。

　　如图1所示,微型石英音叉陀螺的基本元件是一个石英音叉,音叉叉指上的质点在外加交变电场的作用下,由于逆压电效应而受到压电力的作用,以x方向的弯曲振动模式振动———参考振动,这种振动是被迫的,质点只能在一个平面内运动,因其振幅很小,以致质点的运动近似线性,并且随时间作正弦变化,参考振动方向为参考轴。当沿垂直于参考振动的方向输入角速度,即音叉绕其对称轴y轴旋转时,音叉质点将受到正弦交变的哥氏惯性力的作用,从而使质点产生垂直于角速度输入方向和参考振动方向———z方向的敏感振动,通过压电效应使检测电极上出现与它成比例的电荷,经过放大并解调该信号便得到一个正比于输入角速度的直流输出[3]。角速度的输入方向为输入轴,敏感振动方向为输出轴。参考轴、输入轴、输出轴、是相互正交的.

　　3　微型石英音叉模态特性的有限元分析

　　3.1　微型石英音叉陀螺的有限元建模[4]

　　图2是石英音叉陀螺的有限元分析模型,单元类型为三维耦合场单元solid5,这种单元的每个节点具有6个自由度,包括3个方向的位移、温度、电压和磁场强度。对于压电分析,可去掉温度和磁场强度两自由度,这样每个节点只有4个自由度。采用实体建模的方法,输入模型的结构参数直接生成实体模型。音叉的几何尺寸:长度L为12·00mm,宽度W为2·10mm,厚度T为0·925mm,其中叉指长度La为7·00mm,叉指宽度Fw为0·90mm。