分布金属栅阵的声表面波角速率传感器的响应机理与性能优化研究

Traveling wave mode surface acoustic wave angular rate sensor (SAWARS) is developed based on the SAW gyroscopic effect. It has far-reaching application potential in the civilian fields and even in military fields because of its attractive features: easy to be fabricated, small size, low cost, long service life, excellent inherent shock robustness and temperature compensation easy to be implemented. This project focuses on the detection sensitivity and response speed of SAWARS and proposes a new SAWARS structure distributed metal strips and based on phase discrimination, then put forward a scheme to optimize the performance of the sensor from two aspects: the functional structure of the sensor and the detection mode of sensing signals through researching its response mechanism and performance optimization methods. The main contents of the project include: establishing a response mechanism model for the SAWARS; designing its functional structure and optimizing its performance; developing a prototype of the SAW sensor system and evaluating its performance by experiments. The ultimate purpose of this project is to improve the sensitivity and response speed of the SAWARS and promote its application process by proposing a new sensor structure and researching its response mechanism.

行波模式声表面波(SAW)角速率传感器是基于压电介质中的SAW陀螺效应而研制的，因其具有制作简单、体积小、成本低、使用寿命长、抗振能力强并可以有效实现温度补偿等特点而在运动控制、电子产品等民用领域以及精确制导等军用领域具有广阔的应用前景和重大的学术价值。本项目围绕SAW角速率传感器的检测灵敏度和响应速度展开研究，提出一种鉴相式分布金属栅阵的SAW角速率传感器结构，通过研究其响应机理及性能优化方法，从传感器功能结构的设计和传感信号的检测方式两方面提出优化传感器整体性能的方案。主要研究内容包括：分布金属栅阵的SAW角速率传感器的响应机理模型构建与求解；传感器功能结构设计及性能优化；传感器样机研制及其性能评价。本项目旨在通过提出一种新型传感器结构并研究其响应机理，大幅改善SAW角速率传感器的检测灵敏度和响应速度，推动其实用化进程。

SAW角速率传感器因具有优良的抗振能力、良好的可靠性和稳定性而在运动控制、电子产品等民用领域以及精确制导等军用领域具有广阔的应用前景。然而，微弱的哥氏力导致的检测灵敏度低及响应速度慢等问题严重制约着SAW角速率检测技术的发展。本项目针对这一问题开展了SAW角速率传感器的研究。首先，提出了一种分布金属栅阵的SAW角速率传感器敏感结构，利用分布在输入、输出换能器间声传播路径上的金属栅条阵列有效提高哥氏力的作用效果。然后，修改了COM模型并结合有限元法建立了一套完整的SAW角速率传感器敏感机理分析模型。该模型可以分析各种压电材料中的SAW陀螺效应、各种常用SAW换能器中的SAW陀螺效应、以及金属栅条阵列中的SAW陀螺效应，并结合传感器的结构特点，提出了“差分SAW陀螺效应”的概念，用以分析SAW差分角速率传感器的响应特性。在传感信号检测方法上，对原有的振荡器频率检测电路进行改进升级，缩短传感器的响应时间。项目研究得到以下结论：1）与弛豫铁电单晶材料相比，传统压电材料如128°YX-LiNbO3、STX-石英具有更强的SAW陀螺效应，适用于SAW角速率传感器的研制；2）叉指换能器中的SAW陀螺效应强度与叉指电极的反射系数呈反比；3）在压电基片上布置宽度为半波长的金属栅条有助有获得更高的SAW陀螺效应强度。基于以上研究成果，项目实验研制了分布金属栅阵的SAW角速率传感器样机，并对其性能进行了实验评价。实验结果显示，所研制的传感器在灵敏度性能上提升了30%，响应时间缩短了一半以上。项目的研究成果为SAW角速率传感技术的发展及SAW角速率传感器的实际应用奠定了基础。