发明内容

本发明为了解决现有壳体振动陀螺抗冲击能力差、品质因数低、加工工艺复杂、控制成本高的问题，提供了一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子，包括谐振质量、支撑座、四个驱动电极、四个驱动模态反馈电极、四个检测电极、四个检测模态补偿电极；

其中，谐振质量为开口向上的圆杯状结构；谐振质量的底壁中央开设有上下贯通的中心圆孔；谐振质量的底壁边缘开设有八个上下贯通的隔离圆孔，且八个隔离圆孔围绕谐振质量的中心线对称分布；

谐振质量的侧壁包括下段侧壁和上段侧壁；下段侧壁为锥筒状结构，且下段侧壁的直径自下而上逐渐增大；下段侧壁开设有八个内外贯通且沿母线方向设置的隔离条孔，且八个隔离条孔围绕谐振质量的中心线对称分布；八个隔离条孔的中心线与八个隔离圆孔的中心线一一对应地相交；上段侧壁为球带状结构，且上段侧壁的直径自下而上逐渐增大；

支撑座为开口向下的圆杯状结构，且支撑座同轴固定于中心圆孔的上端孔口边缘；支撑座的顶壁中央开设有上下贯通的安装螺孔；

四个驱动电极、四个驱动模态反馈电极、四个检测电极、四个检测模态补偿电极均为长条片状结构，且四个驱动电极、四个驱动模态反馈电极、四个检测电极、四个检测模态补偿电极均为沿厚度方向极化的压电陶瓷电极；

四个驱动电极的负电极面和四个检测模态补偿电极的负电极面均与谐振质量的外底壁固定，且四个驱动电极和四个检测模态补偿电极均沿径向设置；四个驱动电极和四个检测模态补偿电极围绕谐振质量的中心线对称分布；四个驱动电极一一对应地位于第一个隔离圆孔与第二个隔离圆孔之间、第三个隔离圆孔与第四个隔离圆孔之间、第五个隔离圆孔与第六个隔离圆孔之间、第七个隔离圆孔与第八个隔离圆孔之间；四个检测模态补偿电极一一对应地位于第二个隔离圆孔与第三个隔离圆孔之间、第四个隔离圆孔与第五个隔离圆孔之间、第六个隔离圆孔与第七个隔离圆孔之间、第八个隔离圆孔与第一个隔离圆孔之间；

四个驱动模态反馈电极的负电极面和四个检测电极的负电极面均与谐振质量的下段外侧壁固定，且四个驱动模态反馈电极和四个检测电极均沿母线方向设置；四个驱动模态反馈电极和四个检测电极围绕谐振质量的中心线对称分布；四个驱动模态反馈电极一一对应地位于第一个隔离条孔与第二个隔离条孔之间、第三个隔离条孔与第四个隔离条孔之间、第五个隔离条孔与第六个隔离条孔之间、第七个隔离条孔与第八个隔离条孔之间；四个检测电极一一对应地位于第二个隔离条孔与第三个隔离条孔之间、第四个隔离条孔与第五个隔离条孔之间、第六个隔离条孔与第七个隔离条孔之间、第八个隔离条孔与第一个隔离条孔之间。

工作时，安装螺孔内穿设有安装螺杆，安装螺杆的下端穿过中心圆孔与壳体振动陀螺的基底固定。四个驱动电极的正电极面、四个驱动模态反馈电极的正电极面、四个检测电极的正电极面、四个检测模态补偿电极的正电极面、谐振质量的外壁均通过金属导线与壳体振动陀螺的控制系统连接。

具体工作过程如下：首先，壳体振动陀螺的控制系统产生两路同幅、同频、反相的驱动电压信号，并将第一路驱动电压信号加载至第一个驱动电极和第三个驱动电极，同时将第二路驱动电压信号加载至第二个驱动电极和第四个驱动电极。在逆压电效应作用下，第一个驱动电极和第三个驱动电极进行同幅、同频、同相振动，第二个驱动电极和第四个驱动电极进行同幅、同频、同相振动，第一个驱动电极和第二个驱动电极进行同幅、同频、反相振动，第三个驱动电极和第四个驱动电极进行同幅、同频、反相振动。当没有角速度输入时，本发明在四个驱动电极的驱动下，以驱动模态作四波腹振动（如图3所示），由此在环向上产生驻波。此时，四个检测电极位于四波腹振动的波节处（四个驱动模态反馈电极位于四波腹振动的波腹处），由此使得壳体振动陀螺的输出为零。在正压电效应作用下，四个驱动模态反馈电极实时产生四路反馈电压信号，壳体振动陀螺的控制系统根据四路反馈电压信号实时解算出本发明的振动频率和振动幅值，并根据解算结果实时调节两路驱动电压信号，由此使得本发明的振动频率和振动幅值保持稳定，从而使得本发明的振型保持稳定。当有角速度输入时，驻波在哥氏力作用下发生进动（进动方向与角速度方向有关），由此使得本发明的振型发生偏转，从而使得本发明以检测模态作四波腹振动。此时，四个检测电极不再位于四波腹振动的波节处（四个驱动模态反馈电极不再位于四波腹振动的波腹处）。在正压电效应作用下，四个检测电极实时产生四路检测电压信号，壳体振动陀螺的控制系统根据四路检测电压信号实时解算出本发明的振型偏转角度，并根据解算结果实时产生四路补偿电压信号，然后将四路补偿电压信号实时加载至四个检测模态补偿电极。在逆压电效应作用下，四个检测模态补偿电极进行振动，由此使得本发明的振型偏转角度保持稳定。然后，壳体振动陀螺的控制系统根据本发明的振型偏转角度实时解算出输入角速度，由此使得壳体振动陀螺实时测出输入角速度。在上述过程中，隔离圆孔和隔离条孔的作用是消除电极之间的扰动。

基于上述过程，本发明所述的一种具有多曲面融合回转体结构的壳体振动陀螺谐振子通过采用多曲面融合回转体结构（该结构融合了圆形底壁、锥筒状下段侧壁、球带状上段侧壁），具备了如下优点：其一，本发明所采用的多曲面融合回转体结构具有易于振动且振动稳定的特点，由此有效增强了壳体振动陀螺的抗冲击能力、有效提高了壳体振动陀螺的品质因数。其二，本发明所采用的多曲面融合回转体结构易于实现模块化加工，由此有效简化了壳体振动陀螺的加工工艺。其三，本发明不再基于传统的静电控制方式进行工作，而是基于全新的压电控制方式进行工作，由此有效降低了壳体振动陀螺的控制成本。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有壳体振动陀螺抗冲击能力差、品质因数低、加工工艺复杂、控制成本高的问题，适用于航空、航天、航海、工业、农业、交通等领域。