一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺制造技术

本发明专利技术涉及惯性测量器件，具体是一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺；本发明专利技术利用声表面波激发声子晶体中的回音廊模态，回音廊模态在角速度的作用下产生进动，进动会影响输出表面波的性质，通过检测输出弹性波的特征即可实现角速度的测量，解决了现有全固态表面波陀螺由于角速度直接调制表面波本身而导致的陀螺效应微弱问题。本发明专利技术基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，包括信号发生器、表面波激励传输模块、声子晶体敏感结构、表面波测振仪、数据采集与处理模块。本发明专利技术适用于角速度测量。本发明专利技术适用于角速度测量。本发明专利技术适用于角速度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺


[0001]本专利技术属于惯性测量
，具体涉及一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺。

技术介绍

[0002]全固态表面波陀螺是一种利用固态基底中的声表面波来实现角速度测量的陀螺，其制作工艺与CMOS工艺兼容，能够工作在20000g以上的冲击环境下，具有极大的研究价值与应用前景。但由于现有全固态表面波陀螺的机理都依赖于角速度对表面波的直接调制，陀螺效应微弱，难以实际应用，因此亟需新的机理与方案。
[0003]声子晶体作为周期性人工声学材料，可以用于操控弹性波与声波；与此同时，空心柱声子晶体中所具有的回音廊模态与半球谐振陀螺的工作模态具有相似的振型与相同的本质。半球谐振陀螺是目前综合性能最好的科里奥振动陀螺，因此具有回音廊模态的声子晶体可以为全固态表面波陀螺提供新思路。
[0004]基于此，需要研发一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，以解决现有全固态表面波陀螺检测灵敏度难以提升、陀螺效应微弱的问题。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，结构合理、设计巧妙，有效解决了现有全固态表面波陀螺检测灵敏度难以提升、陀螺效应微弱的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，包括信号发生器、表面波激励传输模块、声子晶体敏感结构、表面波测振仪、数据采集与处理模块；信号发生器为大功率信号发生器，信号发生器与表面波激励传输模块连接；表面波激励传输模块固定在声子晶体敏感结构表面；声子晶体敏感结构与表面波测振仪连接；表面波测振仪的输出端与数据采集与处理模块连接。
[0007]声子晶体敏感结构是通过在完整的声子晶体中引入具有回音廊模态的缺陷单元形成的。
[0008]优选的，声子晶体单元由基底板与实心柱体组成，声子晶体单元以a为晶格常数周期性排列成M*N的阵列，从而形成完整的声子晶体。
[0009]优选的，声子晶体缺陷单元由基底板与空心柱体组成，将完整声子晶体中心的一个单元替换为缺陷单元，从而形成具有点缺陷的声子晶体。以空心柱声子晶体单元的回音廊模态为缺陷模态，将回音廊模态设计在完整声子晶体的局域共振带隙中。
[0010]优选的，声子晶体敏感角速度的机理如下：声子晶体的回音廊模态在无角速度下会以二波腹振型稳定地往复振动。当有角速度时，回音廊模态在科里奥力的作用下发生进动，进动角度与角速度在时间上的积分成正比。回音廊模态的进动会进一步影响输出表面
波的频率、振幅以及相位等特性，通过检测输出表面波性质的变化实现角速度的表征。
[0011]优选的，基于声子晶体的全固态声表面波陀螺具体工作过程如下：信号发生器产生大功率信号，施加到表面波激励传输模块的输入端，并经表面波激励传输模块，利用逆压电效应，在声子晶体结构基板的信号接收端激发相应弹性形变，将信号发生器产生的电信号转换为声表面波信号。本专利技术中表面波激励传输模块经针对性设计，保证其所产生的表面波中心频率与空心柱声子晶体的回音廊模式一致，并具有窄线宽、低衰减等特征。声表面波信号在声子晶体结构基板中从近激励段传输至远激励段，经过声子晶体敏感结构时激发回音廊缺陷模态的持续振动。表面波测振仪测量光聚焦于声子晶体结构基板表面，声子晶体结构基板振动时导致表面波测振仪测量光产生多普勒频移，并将其反射回表面波测振系统中，与参考光进行干涉，得到声子晶体结构基板的表面振动信息，并将其频率信号转换为声子晶体结构的振动信号，将表面波测振仪采集的声子晶体结构的振动信号输入数据采集与处理模块中进行高频振动与高速旋转时的模态采集与分析解算，最后将分析解算的结果进行储存。
[0012]本专利技术的有益效果为：本专利技术结构合理、设计巧妙，利用声表面波激发声子晶体中的回音廊模态，回音廊模态在角速度的作用下产生进动，进动会影响输出表面波的性质，通过检测输出弹性波的特征即可实现角速度的测量，有效解决了现有全固态表面波陀螺检测灵敏度难以提升、陀螺效应微弱的问题，适用于惯性导航系统。
附图说明
[0013]图1为本专利技术中基于声子晶体的全固态声表面波陀螺示意图；图2为本专利技术中声子晶体空心柱单元在科里奥力作用下的进动原理示意图；图3为本专利技术中声子晶体空心柱单元在科里奥力作用下的进动模式示意图。
实施方式
[0014]下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。
[0015]如图所示，本专利技术所述的一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，包括信号发生器1、表面波激励传输模块2、声子晶体结构3、表面波测振仪4、数据采集与处理模块5。
[0016]信号发生器1为大功率信号发生器，信号发生器与表面波激励传输模块2连接；表面波激励传输模块2固定在声子晶体敏感结构3表面；声子晶体结构3与表面波测振仪4连接；表面波测振仪4的输出端与数据采集与处理模块5连接。
[0017]上述的基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，其中声子晶体敏感结构是通过在完整的声子晶体中引入具有回音廊模态的缺陷单元形成的。声子晶体单元由基底板与实心柱体组成，声子晶体单元以a为晶格常数周期性排列成9*5的阵列，从而形成完整的声子晶体。
[0018]声子晶体缺陷单元由基底板与空心柱体组成，将完整声子晶体中心的一个单元替换为缺陷单元，从而形成具有点缺陷的声子晶体。以空心柱声子晶体单元的回音廊模态为缺陷模态，取晶格单元底板厚度为0.2a，取实心圆柱体半径为基板结构为0.46a、高度为0.6a，取空心柱结构内高0.4a、外高0.65a，空心柱结构内径为0.25a、外径为0.3a，从而将回
音廊模态设计在完整声子晶体的局域共振带隙中。
[0019]基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，其具体工作过程是采用如下步骤实现的：信号发生器产生大功率信号，施加到表面波激励传输模块的输入端，并经表面波激励传输模块，利用逆压电效应，在声子晶体结构基板的信号接收端激发相应弹性形变，将信号发生器产生的电信号转换为声表面波信号。本专利技术中表面波激励传输模块经针对性设计，保证其所产生的表面波中心频率与空心柱声子晶体的回音廊模式一致，并具有窄线宽、低衰减等特征。声表面波信号在声子晶体结构基板中从近激励段传输至远激励段，经过声子晶体敏感结构时激发回音廊缺陷模态的持续振动。表面波测振仪测量光聚焦于声子晶体结构基板表面，声子晶体结构基板振动时导致表面波测振仪测量光产生多普勒频移，并将其反射回表面波测振系统中，与参考光进行干涉，得到声子晶体结构基板的表面振动信息，并将其频率信号转换为声子晶体结构的振动信号，将表面波测振仪采集的声子晶体结构的振动信号输入数据采集与处理模块中进行高频振动与高速旋转时的模态采集与分析解算，最后将分析解算的结果进行储存。
[0020]需要说明的是，以上内容仅仅说明了本专利技术的技术思想，不能以此限定本专利技术的保护范围，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，其特征在于：包括信号发生器（1）、表面波激励传输模块（2）、声子晶体敏感结构（3）、表面波测振仪（4）、数据采集与处理模块（5）；信号发生器（1）为大功率信号发生器，信号发生器与表面波激励传输模块（2）连接；表面波激励传输模块（2）固定在声子晶体敏感结构（3）表面；声子晶体敏感结构（3）与表面波测振仪（4）连接；表面波测振仪（4）的输出端与数据采集与处理模块（5）连接。2.根据权利要求1所述的基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，其特征在于：在完整的声子晶体中引入具有回音廊模态的缺陷单元，构成能够敏感角速度的声子晶体敏感结构。3.根据权利要求2所述的一种基于声子晶体的全固态声表面波陀螺，其特征在于：声子晶体缺陷单元由基底板与空心柱体组成，将完整声子晶体中心的一个单元替换为缺陷单元，从而形成具有点缺陷的声子晶体；以空心柱声子晶体单元的回音廊模态为缺陷模态，将回音廊模态设计在完整声子晶体的局域共振带隙中。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛飞，赵立业，李云昊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：