[发明专利]一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪

权利要求书

1.一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)，其特征在于：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)。

2.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：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 Ag。

7.根据权利要求6所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于：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。

8.根据权利要求7所述的一种基于平面全息换能器的超声悬浮陀螺仪，其特征在于，螺旋电极轨迹设计方法如下：

Hankel球型涡旋在复平面的表达式如下：

其中，为球面坐标，A为波的幅值，k是波数，为Legendra多项式，h_l为第一类球型Hankel函数；

在远场，Hankel函数近似为：

其中，引入柱面坐标和无量纲参数：

Ψ在平面上的等相值由下式给出：

化简得其中C1和C2都为常数；

考虑两条螺旋电极轨迹的相位差Δφ＝π，则螺旋电极轨迹的极坐标方程为：