专利名称：一种基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种陀螺，尤其涉及一种基于无阀压电泵的陀螺。
背景技术：
陀螺的原意为高速旋转的刚体，而现在一般将能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。由于陀螺具有自主导航能力的特性，所以自问世以来，就引起人们极大关注，一直是各国重点发展的技术之一。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。根据需要，陀螺仪能提供准确的方位、水平等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的导航中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制。作为稳定器，陀螺仪器能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射等提供准确的方位基准。由此可见，陀螺技术的应用范围是相当广泛的，它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。虽然陀螺的诞生至今已有100多年的历史，但目前由于受到成本、技术等因素的限制，陀螺仪大多应用于舰艇、导弹、飞机等大型高性能的导航与制导系统，用在民用运载工具方面的应用却很少，因此，发明制作一种技术简单、成本低廉、可以大量应用在民用运载工具上的陀螺仪是十分必要的。
发明内容
技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种加工制作简单，成本低廉，并具有较好精度的一种基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺。克服了现有的陀螺技术复杂、成本高、不能大量应用在民用运载工具上的缺点。技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺包括由上盖和下盖密封组成的泵体，泵体内设有容纳有压电振子的泵腔，上盖上固定设置有锥形台，锥形台底端固设在上盖上；所述的锥形台的侧面设有围绕在其轴线的锥形螺旋流管槽， 锥形台外套设一锥形罩，锥形罩顶端开口并与锥形台之间有一间隙，锥形台中设有连通所述间隙和上盖上通孔的第一直流管，所述的通孔与泵腔连通；所述的锥形罩与锥形台之间为过盈配合，锥形罩将锥形螺旋流管槽的开口密封形成锥形螺旋流管；锥形台还设有与第一直流管连通的第二直流管；锥形螺旋流管槽一端与间隙连通，另一端通过上盖上的连通孔与泵腔连通；锥形台顶端固定有一压电薄膜传感器，所述的压电薄膜传感器固定安装在间隙和第一直流管之间，将第一直流管与间隙隔开而不连通，从而形成压电泵的两个流道， 并且向锥形罩外引出导线；锥形罩顶端开口处固定有与间隙连通的第一导管，第二直流管与第二导管相连通，第一导管和第二导管为本发明的陀螺的两个流体进出口，第一导管与第二导管相互平行设置，并且可根据需要进行弯折，使其开口端与锥形台的轴线相平行或者相垂直。本发明中，上盖、下盖、泵腔、压电振子、刻有锥形流槽的锥形台、锥形罩以及压电薄膜传感器构成一个具有测量压差功能的锥形流管无阀压电泵，即陀螺。其中，泵的工作原理是把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子施加交流电压，压电振子在逆压电效应下产生轴向振动，引起泵腔容积变化，驱动流体在沿锥形螺旋管道、直流管往返流动；流体在沿锥形螺旋管道往返流动的时候，由于受到地球自转、泵体受扰动而产生角速度的影响以及流体自身沿锥形螺旋流管运动时，都会产生科氏力，对沿逆时针和顺时针方向旋转的流体产生不同作用，从而使流体在通过螺旋流槽的往返方向上流动受到的阻力不同，使得整个周期内会有净流量从泵腔流入和流出，当压电振子连续振动时，流体在宏观上就会表现为单向流动，实现泵的功能。所述的螺旋流管槽通过一过渡槽与上盖上的连通孔相连通，使该螺旋流管槽与泵腔之间平滑连通。一般地，第一直流管与泵体上盖相垂直，第二直流管又与第一直流管相互垂直；第二直流管的轴线应当位于锥形螺旋流管槽相邻的两段流槽之间，而从锥形台内部延伸至外部。上盖上设有定位螺孔和圆形凹坑，锥形台的底面上设有与所述的定位螺孔位置相对应的螺纹孔，定位螺孔与螺纹孔相配合将圆固定在圆形凹坑内。锥形罩上与第二直流管开口相对应的位置有一圆形开孔，该圆形开孔使得第二直流管从锥形台内部延伸至外部。第一导管通过锥形罩上的圆形通孔与间隙连通，锥形罩上设有一微孔，压电薄膜传感器延伸出的导线从该微孔中穿出。为降低加工难度，所述的锥形螺旋流管槽截面呈矩形。所述的压电薄膜力传感器是由具有正压电效应的压电材料制成的，其原理是利用正压电效应来实现力电转化，即当压电材料受到机械应力时，就会产生电极化，从而产生电荷，所产生的电荷多少与机械应力成正比。利用信号分析装置对所产生的电信号进行测量分析，就可以得到力的大小。以下结合附图对本发明的工作原理进行描述将本发明的陀螺装置固定在某一平台上，建立如图10(a)所示的空间直角坐标系自西向东方向为X轴，自南向北方向为Y轴， 垂直地表向上方向为Z轴。设地球自转的角速度在Z轴的分量为<，流体沿锥形螺旋流管流动时的角速度为ω2，平台受到外界扰动时，产生的角速度在Z轴的分量为ωζ;泵的输出压力P是由 ,ζ、 CO2、COz 决定的，因此可表示成户(<，《2, ,)。向压电振子施加交流电压，泵开始工作。如图10(b)所示，当平台相对地球表面静止(不受到外界干扰)，即ω =0时，由于<、 是定值，所以此时为一恒定值，设此定值为Ptl ；此时，第一导管内的液面到压电薄膜的高度在Z轴上的分量为h1;第二导管内的液面到压电薄膜的高度在Z轴上的分量为Ii2，则Ptl= Ql2-Ill) · Pg，其中P为流体密度，g为重力加速度。当平台因受到外界干扰而产生角速度时，即ω z乒0，\^ρ(ω;,ω2,ωζ)=ρ，此时，第一导管内的液面到压电薄膜的高度在Z轴上的分量由Ill变为<，第二导管内的液面到压电薄膜的高度在Z轴上的分量由Il2变为h;，则P = (h;-h) · pg。设ΔΡ = P-PQ，ΔΡ可以是正值，也可以是负值和零。ΔΡ(或P)与ω之间存在着对应关系，即对于每一个ΔΡ(或P)值，都有一个ω相对应，也就是说通过压电薄膜传感器测量锥形螺旋流管无阀压电泵的输出压力P，就可以得到平台受到扰动时产生的角度在 Z轴上分量ωζ。将该装置的两个导管各弯折90°，固定在平台上，利用以上所述的测量压差的原理，就可以得到平台受到扰动时产生的角度在Y轴上分量ω 0测量平台受到扰动时产生的角度在X轴上分量ωχ的原理与以上相同。综上所述，本装置对外界扰动产生的角速度有感知作用，并能通过测量输出压力 ΔΡ(或P)，就可以得到这个角速度的具体数值，即实现了陀螺的功能。3.有益效果本发明的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺具有结构简单、制作材料来源广泛、成本低廉、易于实现、耗能低、无电磁干扰、灵敏度较高等优点，可以大量应用于民用运载工具的姿态控制上。
图1基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺整体结构俯视图；图2基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺整体结构A-A剖视图；图3上盖B-B剖视图；图4上盖主视图；图5 (a)下盖主视图(b)下盖C-C剖视图；图6(a)刻有螺旋流管槽的锥形台主视图(b)D-D剖视图(C)E向视图；图7(a)锥形罩主视图(b)F-F剖视图；图8压电薄膜传感器的结构示意图；图9(a)组合式锥形螺旋流管主视图(b)G-G剖视图；图10陀螺测量角速度ωζ(泵压差)原理示意图。
具体实施例方式如图1、图2、图3、图4、图6所示，本实施例的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，包括由上盖13和下盖14密封组成的泵体，泵体内设有容纳有压电振子2的泵腔12，上盖13上固定设置有锥形台7，锥形台7底端固设在上盖13上，上盖13和下盖14通过螺栓 11连接在一起；所述的锥形台7外表面设有围绕在其表面的锥形螺旋流管槽8，锥形台7外套设一锥形罩6，从而使锥形罩6覆盖在锥形螺旋流管槽8的开口上形成锥形螺旋流管；锥形罩6顶端开口并与锥形台7之间有一间隙，锥形台7中设有连通所述间隙和上盖13上通孔15的第一直流管16，所述的通孔15与泵腔12连通；锥形台7还设有与第一直流管16连通的第二直流管26，用于固定安装第二导管20，该导管作为泵的一个出入口 ；锥形螺旋流管槽8 一端与间隙连通，另一端通过上盖5上的连通孔3与泵腔12连通；锥形台7顶端固定有一压电薄膜传感器17，所述的压电薄膜传感器17固定安装在间隙和第一直流管16之间，将第一直流管16与间隙隔开而不连通，从而形成压电泵的两个流道，而且通过锥形罩6上的小通孔18向外引出导线30;锥形罩6顶端开口处固定有与间隙连通的第一导管19，作为泵的另一个出入口。如图6(c)所示，压电薄膜传感器17固定在第一直流管16顶端的阶梯状通孔27 内；第二直流管26与第一直流管16相互垂直并连通，而且第二直流管沈位于锥形螺旋流管槽8相邻的两段流槽之间。如图7所示，相应地，锥形罩6上与第二直流管沈开口相对应的位置有一圆形开孔观，该圆形开孔观使得第二直流管26从锥形台7内部延伸至外部。第一导管19与第二导管20开口端相互平行设置，且要根据需要进行弯折，开口端设置成与锥形台7的轴线平行或垂直。如图3、图4、图6(a)所示，上盖13上设有定位螺孔22和圆形凹坑12，锥形台7的底面上设有与所述的定位螺孔22位置相对应的螺纹孔25，定位螺孔22与螺纹孔25相配合将锥形台7固定在圆形凹坑12内。如图5所示，压电振子2粘结固定于下盖14上的阶梯状通孔M的阶梯处。如图6所示，所述的锥形螺旋流管槽8下端通过过渡槽10与连通孔3平缓连通。如图7、图9所示，第一导管19通过锥形罩6上的圆形通孔9与间隙连通，锥形罩 6上设有一微孔18，压电薄膜传感器21延伸出的导线30从该微孔18中穿出。如图8所示，压电薄膜力传感器是由压电薄膜31、双芯电缆30、小薄铜片33、导电胶34、绝缘和防湿薄膜四等构成的，压电薄膜31的两面各镀着一层导电膜，小薄铜片33粘贴在压电薄膜的表面，小薄铜片33的焊点32上焊了一种很细的弹性很好的双芯电缆30，在压电薄膜31、双芯电缆30、小薄铜片33、导电胶34涂有绝缘和防湿材料。当压电薄膜传感器两面的压力不同时，就会使压电薄膜31的两侧产生电荷，电荷信号经电荷放大器放大转成电信号后，经模数转换器到计算机接受分析、计算、并给出测试结果。在本发明中，使用压电薄膜力传感器，测量泵的输出压力。为了便于加工，锥形螺旋流管槽8的截面呈矩形。为了防止使用过程中，陀螺各连接处产生流体渗漏，可以在各部件的连接处均勻涂硅胶密封。本实施例中，上盖13、下盖14、锥形罩6均采用有机玻璃加工制造；刻有螺旋流管槽8的锥形台7可以采用铝加工制造，也可以采用有机玻璃加工制造；第一导管19、第二导管20采用市售件，可根据需求进行截取弯折；压电振子2采用市售件，直径为50mm，压电陶瓷片和金属片厚均为0. 1mm，金属片的材料为黄铜；压电薄膜传感器17采用市售件，直径为 10mm，厚度不超过0. Imm ；螺栓(螺母)11、螺钉4为市售标准件，螺钉的规格为M2 X 5，螺栓的规格为M3X 16，与螺栓配合的是规格为M3的六角螺母。
权利要求
1.一种基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，包括由上盖(13)和下盖(14)密封组成的泵体，泵体内设有容纳有压电振子(2)的泵腔(12)，其特征在于，上盖(13)上固定设置有锥形台(7)，锥形台(7)底端固设在上盖(13)上；所述锥形台(7)侧面设有围绕在其中心轴的锥形螺旋流管槽(8)，锥形台(7)外套设一锥形罩(6)，锥形罩(6)顶端开口并与锥形台 (7)之间有一间隙，锥形台(7)中设有连通所述间隙和上盖(13)上通孔(15)的第一直流管 (16)，所述通孔(15)与泵腔(12)连通；锥形台(7)还设有与第一直流管(16)连通的第二直流管(26);锥形螺旋流管槽(8)—端与间隙连通，另一端通过上盖(5)上的连通孔(3)与泵腔(12)连通；锥形台(7)顶端固定有一压电薄膜传感器(17)，所述压电薄膜传感器(17)固定安装在间隙和第一直流管(16)之间，将第一直流管(16)和间隙隔开而不连通，并且向锥形罩(6)外引出导线(30);锥形罩(6)顶端开口处固定有与间隙连通的第一导管(19)，第二直流管(26)与第二导管(20)相连通。
2.如权利要求1所述的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的螺旋流管槽(8)通过一过渡槽(10)与上盖(13)上的连通孔(3)相连通。
3.如权利要求1所述的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，第一直流管(16)与第二直流管(26)相互垂直。
4.如权利要求1所述的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，第二直流管(26)位于锥形螺旋流管槽(8)相邻的两段流槽之间。
5.如权利要求1所述的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，第一导管 (19)与第二导管(20)相互平行设置，且开口端均与锥形台(7)的轴线相平行。
6.如权利要求1所述的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，上盖(13) 上设有定位螺孔(22)和圆形凹坑(12)，锥形台(7)的底面上设有与所述的定位螺孔(22)位置相对应的螺纹孔(25)，定位螺孔(22)与螺纹孔(25)相配合将锥形台(7)固定在圆形凹坑 (12)内。
7.如权利要求1所述的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，锥形罩(6) 上与第二直流管(26)开口相对应的位置有一圆形开孔(28)，该圆形开孔(28)使得第二直流管(26)从锥形台(7)内部延伸至外部。
8.如权利要求1所述的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，第一导管 (19)通过锥形罩(6)上的圆形通孔(9)与间隙连通，锥形罩(6)上设有一微孔(18)，压电薄膜传感器(21)延伸出的导线(30 )从该微孔(18 )中穿出。
9.如权利要求1所述的基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的锥形螺旋流管槽(8)截面呈矩形。
全文摘要
本发明涉及一种基于锥形螺旋流管无阀压电泵的陀螺，包括由上盖和下盖密封组成的泵体，泵体内设有容纳有压电振子的泵腔，上盖上固定设置有锥形台，其底端固设在上盖上；所述锥形台侧面设有锥形螺旋流管槽，锥形台外套设一锥形罩，锥形罩顶端开口并与锥形台之间有一间隙，锥形台中设有第一、第二直流管；锥形螺旋流管槽一端与间隙连通，另一端与泵腔连通，顶端固定有一压电薄膜传感器并向锥形罩外引出导线；锥形罩顶端开口处固定有与间隙连通的第一导管。本发明的陀螺，是利用压电薄膜传感器测量泵的输出压力来感知外界扰动的角速度，从而使锥形螺旋流管无阀压电泵具有了陀螺性质。本发明的陀螺具有结构简单、制作材料来源广泛、成本低廉、易于实现、耗能低、无电磁干扰、灵敏度较高等优点，可以大量应用于民用运载工具的姿态控制上。
文档编号G01C19/56GK102252666SQ20111016755
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者张建辉, 王景山 申请人:南京航空航天大学
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