[发明专利]一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪

说明书

一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，包括光电检测装置，光电检测装置垂直安装于磁场加转系统的安装孔中，光电检测装置轴心正对球型空心转子的球心，借助光电检测装置瞄视球型空心转子上的刻线而获得角度信号；磁场加转系统安装于圆筒定子的上面，球型空心转子浮于圆筒定子内部液体中，圆筒定子固定安装于声匹配层的上表面，声匹配层的下表面粘结有平面全息换能器，平面全息换能器的下表面安装有底座；采用平面全息换能器形成的涡旋声场，带动球型空心转子高速旋转实现陀螺效果，陀螺精度可以大幅提高，具有结构简单、稳定性高、易于集成、成本低的优点。

技术领域

本发明涉及超声悬浮陀螺仪技术领域，具体涉及一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪。

背景技术

超声悬浮陀螺仪是将超声悬浮和驱动技术应用到惯性仪表领域而形成的机械转子式陀螺仪，其基本原理如下：利用超声悬浮支撑技术将球型转子悬浮起来，然后利用超声驱动技术将球形转子高速旋转产生陀螺效应，最后利用信号读取装置来进行角运动检测，实现导航定位功能；其中悬浮力来源于超声振动产生的声辐射压力，驱动力来源于声粘性力和声辐射压力在转动方向的分量。

目前，大多数超声陀螺仪利用近声场悬浮技术，依赖压电陶瓷阵列产生特定振动模态的行波来实现球型转子的悬浮和旋转，如碗式定子超声悬浮陀螺和轴/径向耦合式超声悬浮陀螺。其中，近场超声悬浮利用声辐射源与被悬浮物体间隙内形成的高声强效应，实现对被悬浮物的稳定悬浮、非接触传输和高速驱动；压电功能结构的振动在定、转子间隙内的流体介质中形成高强度声场，可对转子实现微小间隙的悬浮和驱动，这种独特的物理作用机制具有无摩擦损耗、寿命长、易获得高转速的特点。但是目前存在的超声陀螺仪依赖于众多压电陶瓷阵列，存在结构复杂、可靠性差、不易小型化的弊端，难以取得广泛应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，具有结构简单、稳定性高、易于集成、成本低的优点。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，包括光电检测装置1，光电检测装置1垂直安装于磁场加转系统2的安装孔中，光电检测装置1轴心正对球型空心转子3的球心，借助光电检测装置1瞄视球型空心转子3上的刻线而获得角度信号；磁场加转系统2安装于圆筒定子4的上面，球型空心转子3浮于圆筒定子4内部液体中，圆筒定子4固定安装于声匹配层5的上表面，声匹配层5的下表面粘结有平面全息换能器6，平面全息换能器6的下表面安装有底座7。

在平面全息换能器6和底座7之间留有空气间隙，采用空气背衬的方式使得声波在此全部反射。

所述的球型空心转子3为铝制材料，质量分布均匀，轴对称，质心与其外球面几何中心重合。

所述的球型空心转子3的体积在保证角度测量准确的前提下应该越小越好。

所述的圆筒定子4底面材质和厚度需要依据声阻抗匹配原理设计。

所述的圆筒定子4和声匹配层5应该满足声阻抗匹配原则，平面全息换能器6的压电基板选用PZT-5H，圆筒定子4选用有机玻璃材质，声匹配层5选用石英玻璃，声匹配层5厚度取声波在其材质内传播波长的四分之一，圆筒定子4、声匹配层5、平面全息换能器6之间用环氧树脂胶体进行粘结,以确保声透射率。

所述的平面全息换能器6是在压电基板6-1表面溅射两条金属螺旋电极6-2形成，具体方法为：先将压电基板6-1在厚度方向极化，之后在压电基板6-1下表面即正极溅射两条金属螺旋电极6-2，金属螺旋电极6-2镀层为50nm Cr+100nm Au，两条金属螺旋电极6-2的相位相差π，再在压电基板6-1上表面即负极镀整面电极且做翻边方便引线，负极镀层为100nm Al。

所述的金属螺旋电极6-2是利用菲涅尔透镜的原理，将聚焦声涡旋的Hankel声束的等相线折叠到压电基板6-1上形成螺旋电极轨迹。