压电半球谐振陀螺的数字检测方法

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1、压电半球谐振陀螺的数字检测方法　　摘要：提出了一种压电半球谐振陀螺的数字检测方法。该检测方法基于CycloneIVFPGA开发板，结合AD9226的A/D采样功能和Matlab的数字信号处理能力，实现了对采用压电效应、柯氏效应的压电半球谐振陀螺的输出信号进行采集及检测。介绍了该陀螺的结构和工作原理，并以其工作在89.4kHz的体声波二波腹模态下的仿真结果为基础设计了数字检测方法。　　关键词：压电；半球陀螺；FPGA；数字检测　　中图分类号：TN911.72?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（20

2、16）09?0145?04　　Abstract：Adigitaldetectionmethodforthepiezoelectrichemisphericalresonatorgyroispresented.ThisdetectionmethodisbasedonCycloneIVFPGAdevelopmentboard，andcombinestheA/DsamplingfunctionofAD9226withdigitalsignalprocessingabilityofMatlabtoacquireand

3、detecttheoutputsignalofthepiezoelectrichemisphericalresonatorgyrowithpiezoelectriceffectandCorioliseffect.Thestructureandworkingprincipleofthegyroareintroduced.Thedigitaldetectionmethodwasdesignedbasedonthesimulationresultthatthegyroworksatbulkacousticwave2

4、antinodemodalof89.4kHz.7　　Keywords：piezoelectricity；hemisphericalgyro；FPGA；digitaldetection　　0引言　　半球谐振陀螺仪[1]是一种集高检测精度、高可靠性及稳定性、良好的抗冲击性能和长使用寿命等多种优势于一体的哥式振动陀螺仪[2]。其随机漂移为10-4（°）/hr量级，使用寿命能达到15年[3]。在航空航天领域有着特殊的优势和使用前景。其工作原理为采用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应，结合柯氏效应检测输入角速度[1]。　

5、　FPGA作为与DSP齐名的嵌入式开发处理器，是在可编程器件的基础上发展而来的产物。其最具代表性的两大特色是开发的灵活性和并行的程序处理能力。由于它具有上述两大优势，非常适合需要多样算法和进行并行计算的数字处理任务。　　本文针对压电半球谐振陀螺仪，介绍了陀螺的结构和工作原理，并选择了其在89.4kHz下的二波腹模态作为工作模态进行仿真，最后基于CycloneIVFPGA开发板、AD9226芯片和Matlab程序，设计出了陀螺的数字检测方法。　　1陀螺基本结构　　压电半球谐振陀螺分为压电半球体，支柱，表面电极，

6、如图1所示。7　　出于原理及设计上考虑，半球壳的材料为PZT压电材料，支柱为金属材料，电极为金属镍。支柱接合在半球壳中心，半球壳内表面覆盖了一层地电极，半球壳外表面均匀分布了4组8个外电极，依次为驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极。8个电极对向成组为同名电极，同时相邻电极分布上互差45°，其间相隔5°，如此分布可令陀螺获得对称的工作模态，有利于驱动及检测。　　2陀螺工作原理　　通过模态仿真分析，压电半球谐振陀螺主要工作在如图2所示的体声波简并模态下。　　同时使用频谱分析仪测量陀螺的频响曲线，结合仿真结果推

7、定陀螺的工作频率，即谐振频率为89.4kHz。　　通过在图1所示的陀螺的一对驱动电极上施加该频率的正弦信号，由压电材料半球壳的逆压电效应可以将陀螺激振到如图2（a）所示的驱动模态下。由于电信号呈正弦变化，在半球壳上将有两个频率相同的波朝相反的方向行进因此产生干涉效应，形成体声波驻波。上述振动形式是压电半球谐振陀螺的参考振动。此时若有沿半球壳轴向（z轴方向）的角速度输入，如图3所示，则由柯氏力效应及其公式：F=2m?VXΩ可知，参考振动下的波腹点A，B的振动速度V和所受的柯氏力F状况如图3所示，并且C点即参考振

8、动的波节点，由于柯氏力合成力F′的作用将被激振起如图2（b）所示的检测模态下的振动。检测模态的振动幅度与柯氏力的大小成正比，因此也和输入的角速度成正比。　　这种被激振起的检测模态振动和驱动模态下的振动模式相似，而驱动模态和检测模态驻波的波腹和波节点互相相反，故驱动模态与检测模态的振动几乎不互相干扰[4]。7　　至此，压电半球壳上的检测电极处由于压电效应将输出一正弦的电信号，此电信号的大小与输入角速度