声表面波陀螺效应的数值分析与ANSYS有限元仿真研究

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当压电基体旋转时,产生的哥氏惯性力和离心惯性力会改变声表面波(SAW)的传播特性,这种效应即为声表面波的陀螺效应,声表面波陀螺主要是依据这一原理设计的。深入研究声表面波的陀螺效应,可以为研制声表面波陀螺提供理论指导。  首先,论文以求解包含哥氏力的波动方程为基础,通过MATLAB编程求解出YX-128°LiNbO3压电体分别绕x1、x2、x3轴旋转时的声表面波传播速率与旋转角速率的关系,由速度偏移率得到了频率的偏移率。绕x1轴旋转时,单位旋转角速率的频率偏移率为:△f/f0=0.309ppm/r/s,绕x2轴旋转时,单位旋转角速率的频率偏移率为:△f/f0=0.283ppm/r/s,绕x3轴旋转时,单位旋转角速率频率偏移率为:△f/f0=0.007ppm/r/s。  其次,建立以YX-128°LiNbO3压电材料作为基底的声表面波器件的ANSYS有限元分析简化模型。通过对其仿真研究,得到了声表面波的振荡模态、振荡频率及导纳与频率的关系;分别对模型的X(对应x1轴),Y(对应x2轴),Z(对应x3轴)轴加钱旋转角速率,激活陀螺效应,得到模型绕不同的旋转轴旋转时由于陀螺效应导致的声表面波的本征振荡频率与旋转角速率的变化关系。在中心振荡频率为20MHz时,采用有限元分析方法,绕X轴旋转,得到单位旋转角速率频率偏移率为△f/f0=0.134。ppm/r/s,绕Y轴旋转时得到单位旋转角速率频率偏移率为△f/f0=0.123 ppm/r/s,绕z轴旋转单位旋转角速率频率偏移率为△f/f0=0.0022ppm/r/s,与数值仿真方法得出的结论具有相同的变化趋势。  这些研究结论为声表面波陀螺的研制设计提供了有益的指导作用。
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