專利名稱：一種基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種陀螺，尤其涉及一種基于無(wú)閥壓電泵的陀螺。
背景技術(shù)：
陀螺的原意為高速旋轉(zhuǎn)的剛體，而現(xiàn)在一般將能夠測(cè)量相對(duì)慣性空間的角速度和角位移的裝置稱為陀螺。由于陀螺具有自主導(dǎo)航能力的特性，所以自問(wèn)世以來(lái)，就引起人們極大關(guān)注，一直是各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀能提供準(zhǔn)確的方位、水平等信號(hào)，以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的導(dǎo)航中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)試儀器，陀螺儀能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，陀螺技術(shù)的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。雖然陀螺的誕生至今已有100多年的歷史，但目前由于受到成本、技術(shù)等因素的限制，陀螺儀大多應(yīng)用于艦艇、導(dǎo)彈、飛機(jī)等大型高性能的導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)，用在民用運(yùn)載工具方面的應(yīng)用卻很少，因此，發(fā)明制作一種技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低廉、可以大量應(yīng)用在民用運(yùn)載工具上的陀螺儀是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種加工制作簡(jiǎn)單，成本低廉，并具有較好精度的一種基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺?？朔爽F(xiàn)有的陀螺技術(shù)復(fù)雜、成本高、不能大量應(yīng)用在民用運(yùn)載工具上的缺點(diǎn)。技術(shù)方案為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺包括由上蓋和下蓋密封組成的泵體，泵體內(nèi)設(shè)有容納有壓電振子的泵腔，上蓋上固定設(shè)置有錐形臺(tái)，錐形臺(tái)底端固設(shè)在上蓋上；所述的錐形臺(tái)的側(cè)面設(shè)有圍繞在其軸線的錐形螺旋流管槽，錐形臺(tái)外套設(shè)一錐形罩，錐形罩頂端開(kāi)口并與錐形臺(tái)之間有一間隙，錐形臺(tái)中設(shè)有連通所述間隙和上蓋上通孔的第一直流管，所述的通孔與泵腔連通；所述的錐形罩與錐形臺(tái)之間為過(guò)盈配合，錐形罩將錐形螺旋流管槽的開(kāi)口密封形成錐形螺旋流管；錐形臺(tái)還設(shè)有與第一直流管連通的第二直流管；錐形螺旋流管槽一端與間隙連通，另一端通過(guò)上蓋上的連通孔與泵腔連通；錐形臺(tái)頂端固定有一壓電薄膜傳感器，所述的壓電薄膜傳感器固定安裝在間隙和第一直流管之間，將第一直流管與間隙隔開(kāi)而不連通，從而形成壓電泵的兩個(gè)流道，并且向錐形罩外引出導(dǎo)線；錐形罩頂端開(kāi)口處固定有與間隙連通的第一導(dǎo)管，第二直流管與第二導(dǎo)管相連通，第一導(dǎo)管和第二導(dǎo)管為本發(fā)明的陀螺的兩個(gè)流體進(jìn)出口，第一導(dǎo)管與第二導(dǎo)管相互平行設(shè)置，并且可根據(jù)需要進(jìn)行彎折，使其開(kāi)口端與錐形臺(tái)的軸線相平行或者相垂直。本發(fā)明中，上蓋、下蓋、泵腔、壓電振子、刻有錐形流槽的錐形臺(tái)、錐形罩以及壓電薄膜傳感器構(gòu)成一個(gè)具有測(cè)量壓差功能的錐形流管無(wú)閥壓電泵，即陀螺。其中，泵的工作原理是把壓電陶瓷片和金屬片作為兩極，向壓電振子施加交流電壓，壓電振子在逆壓電效應(yīng)下產(chǎn)生軸向振動(dòng)，引起泵腔容 積變化，驅(qū)動(dòng)流體在沿錐形螺旋管道、直流管往返流動(dòng)； 流體在沿錐形螺旋管道往返流動(dòng)的時(shí)候，由于受到地球自轉(zhuǎn)、泵體受擾動(dòng)而產(chǎn)生角速度的影響以及流體自身沿錐形螺旋流管運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生科氏力，對(duì)沿逆時(shí)針和順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的流體產(chǎn)生不同作用，從而使流體在通過(guò)螺旋流槽的往返方向上流動(dòng)受到的阻力不同， 使得整個(gè)周期內(nèi)會(huì)有凈流量從泵腔流入和流出，當(dāng)壓電振子連續(xù)振動(dòng)時(shí)，流體在宏觀上就會(huì)表現(xiàn)為單向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)泵的功能。所述的螺旋流管槽通過(guò)一過(guò)渡槽與上蓋上的連通孔相連通，使該螺旋流管槽與泵腔之間平滑連通。一般地，第一直流管與泵體上蓋相垂直，第二直流管又與第一直流管相互垂直；第二直流管的軸線應(yīng)當(dāng)位于錐形螺旋流管槽相鄰的兩段流槽之間，而從錐形臺(tái)內(nèi)部延伸至外部。上蓋上設(shè)有定位螺孔和圓形凹坑，錐形臺(tái)的底面上設(shè)有與所述的定位螺孔位置相對(duì)應(yīng)的螺紋孔，定位螺孔與螺紋孔相配合將圓固定在圓形凹坑內(nèi)。錐形罩上與第二直流管開(kāi)口相對(duì)應(yīng)的位置有一圓形開(kāi)孔，該圓形開(kāi)孔使得第二直流管從錐形臺(tái)內(nèi)部延伸至外部。第一導(dǎo)管通過(guò)錐形罩上的圓形通孔與間隙連通，錐形罩上設(shè)有一微孔，壓電薄膜傳感器延伸出的導(dǎo)線從該微孔中穿出。為降低加工難度，所述的錐形螺旋流管槽截面呈矩形。所述的壓電薄膜力傳感器是由具有正壓電效應(yīng)的壓電材料制成的，其原理是利用正壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)化，即當(dāng)壓電材料受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電極化，從而產(chǎn)生電荷，所產(chǎn)生的電荷多少與機(jī)械應(yīng)力成正比。利用信號(hào)分析裝置對(duì)所產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析，就可以得到力的大小。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的工作原理進(jìn)行描述將本實(shí)用新型的陀螺裝置固定在某一平臺(tái)上，建立如圖10(a)所示的空間直角坐標(biāo)系自西向東方向?yàn)閄軸，自南向北方向?yàn)閅軸，垂直地表向上方向?yàn)閆軸。設(shè)地球自轉(zhuǎn)的角速度在Z軸的分量為<，流體沿錐形螺旋流管流動(dòng)時(shí)的角速度為ω2，平臺(tái)受到外界擾動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的角速度在Z軸的分量為ωζ; 泵的輸出壓力P是由<、ω2、ωζ決定的，因此可表示成尸(<，％， )。向壓電振子施加交流電壓，泵開(kāi)始工作。如圖10(b)所示，當(dāng)平臺(tái)相對(duì)地球表面靜止(不受到外界干擾)，即ω =0時(shí)，由于<、ω2是定值，所以此時(shí)戶(<，02， )為一恒定值，設(shè)此定值為Pci ；此時(shí)，第一導(dǎo)管內(nèi)的液面到壓電薄膜的高度在Z軸上的分量為h1;第二導(dǎo)管內(nèi)的液面到壓電薄膜的高度在Z軸上的分量為h2，則Ptl= Ql2-Ill) · pg，其中ρ為流體密度，g為重力加速度。當(dāng)平臺(tái)因受到外界干擾而產(chǎn)生角速度時(shí)，艮口 0，設(shè)尸(<， 2, Ζ)=尸，此時(shí)，第一導(dǎo)管內(nèi)的液面到壓電薄膜的高度在Z軸上的分量由Ill變?yōu)?lt;，第二導(dǎo)管內(nèi)的液面到壓電薄膜的高度在Z軸上的分量由h2變?yōu)?，則P = (hl-h；) · Pg。設(shè)ΔΡ = P-Ptl, ΔΡ可以是正值，也可以是負(fù)值和零。ΔΡ(或P)與ω之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，即對(duì)于每一個(gè)ΔΡ(或P)值，都有一個(gè)ω相對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)通過(guò)壓電薄膜傳感器測(cè)量錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的輸出壓力P，就可以得到平臺(tái)受到擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的角度在 Z軸上分量ωζ。將該裝置 的兩個(gè)導(dǎo)管各彎折90°，固定在平臺(tái)上，利用以上所述的測(cè)量壓差的原理，就可以得到平臺(tái)受到擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的角度在Y軸上分量ω 0測(cè)量平臺(tái)受到擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的角度在X軸上分量ωχ的原理與以上相同。綜上所述，本裝置對(duì)外界擾動(dòng)產(chǎn)生的角速度有感知作用，并能通過(guò)測(cè)量輸出壓力 ΔΡ(或P)，就可以得到這個(gè)角速度的具體數(shù)值，即實(shí)現(xiàn)了陀螺的功能。3.有益效果本實(shí)用新型的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 制作材料來(lái)源廣泛、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)、耗能低、無(wú)電磁干擾、靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn)，可以大量應(yīng)用于民用運(yùn)載工具的姿態(tài)控制上。

圖1基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺整體結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺整體結(jié)構(gòu)A-A剖視圖；圖3上蓋B-B剖視圖；圖4上蓋主視圖；圖5 (a)下蓋主視圖(b)下蓋C-C剖視圖；圖6(a)刻有螺旋流管槽的錐形臺(tái)主視圖(b)D-D剖視圖(C)E向視圖；圖7(a)錐形罩主視圖(b)F-F剖視圖；圖8壓電薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9 (a)組合式錐形螺旋流管主視圖(b) G-G剖視圖；圖10陀螺測(cè)量角速度ωζ(泵壓差)原理示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖6所示，本實(shí)施例的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，包括由上蓋13和下蓋14密封組成的泵體，泵體內(nèi)設(shè)有容納有壓電振子2的泵腔12，上蓋13上固定設(shè)置有錐形臺(tái)7，錐形臺(tái)7底端固設(shè)在上蓋13上，上蓋13和下蓋14通過(guò)螺栓 11連接在一起；所述的錐形臺(tái)7外表面設(shè)有圍繞在其表面的錐形螺旋流管槽8，錐形臺(tái)7外套設(shè)一錐形罩6，從而使錐形罩6覆蓋在錐形螺旋流管槽8的開(kāi)口上形成錐形螺旋流管；錐形罩6頂端開(kāi)口并與錐形臺(tái)7之間有一間隙，錐形臺(tái)7中設(shè)有連通所述間隙和上蓋13上通孔15的第一直流管16，所述的通孔15與泵腔12連通；錐形臺(tái)7還設(shè)有與第一直流管16連通的第二直流管26，用于固定安裝第二導(dǎo)管20，該導(dǎo)管作為泵的一個(gè)出入口 ；錐形螺旋流管槽8 一端與間隙連通，另一端通過(guò)上蓋5上的連通孔3與泵腔12連通；錐形臺(tái)7頂端固定有一壓電薄膜傳感器17，所述的壓電薄膜傳感器17固定安裝在間隙和第一直流管16之間，將第一直流管16與間隙隔開(kāi)而不連通，從而形成壓電泵的兩個(gè)流道，而且通過(guò)錐形罩6 上的小通孔18向外引出導(dǎo)線30 ；錐形罩6頂端開(kāi)口處固定有與間隙連通的第一導(dǎo)管19，作為泵的另一個(gè)出入口。如圖 6(c)所示，壓電薄膜傳感器17固定在第一直流管16頂端的階梯狀通孔27 內(nèi)；第二直流管26與第一直流管16相互垂直并連通，而且第二直流管26位于錐形螺旋流管槽8相鄰的兩段流槽之間。如圖7所示，相應(yīng)地，錐形罩6上與第二直流管26開(kāi)口相對(duì)應(yīng)的位置有一圓形開(kāi)孔28，該圓形開(kāi)孔28使得第二直流管26從錐形臺(tái)7內(nèi)部延伸至外部。第一導(dǎo)管19與第二導(dǎo)管20開(kāi)口端相互平行設(shè)置，且要根據(jù)需要進(jìn)行彎折，開(kāi)口端設(shè)置成與錐形臺(tái)7的軸線平行或垂直。如圖3、圖4、圖6(a)所示，上蓋13上設(shè)有定位螺孔22和圓形凹坑12，錐形臺(tái)7的底面上設(shè)有與所述的定位螺孔22位置相對(duì)應(yīng)的螺紋孔25，定位螺孔22與螺紋孔25相配合將錐形臺(tái)7固定在圓形凹坑12內(nèi)。如圖5所示，壓電振子2粘結(jié)固定于下蓋14上的階梯狀通孔24的階梯處。如圖6所示，所述的錐形螺旋流管槽8下端通過(guò)過(guò)渡槽10與連通孔3平緩連通。如圖7、圖9所示，第一導(dǎo)管19通過(guò)錐形罩6上的圓形通孔9與間隙連通，錐形罩 6上設(shè)有一微孔18，壓電薄膜傳感器21延伸出的導(dǎo)線30從該微孔18中穿出。如圖8所示，壓電薄膜力傳感器是由壓電薄膜31、雙芯電纜30、小薄銅片33、導(dǎo)電膠34、絕緣和防濕薄膜29等構(gòu)成的，壓電薄膜31的兩面各鍍著一層導(dǎo)電膜，小薄銅片33粘貼在壓電薄膜的表面，小薄銅片33的焊點(diǎn)32上焊了一種很細(xì)的彈性很好的雙芯電纜30，在壓電薄膜31、雙芯電纜30、小薄銅片33、導(dǎo)電膠34涂有絕緣和防濕材料。當(dāng)壓電薄膜傳感器兩面的壓力不同時(shí)，就會(huì)使壓電薄膜31的兩側(cè)產(chǎn)生電荷，電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大轉(zhuǎn)成電信號(hào)后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器到計(jì)算機(jī)接受分析、計(jì)算、并給出測(cè)試結(jié)果。在本實(shí)用新型中，使用壓電薄膜力傳感器，測(cè)量泵的輸出壓力。為了便于加工，錐形螺旋流管槽8的截面呈矩形。為了防止使用過(guò)程中，陀螺各連接處產(chǎn)生流體滲漏，可以在各部件的連接處均勻涂硅膠密封。本實(shí)施例中，上蓋13、下蓋14、錐形罩6均采用有機(jī)玻璃加工制造；刻有螺旋流管槽8的錐形臺(tái)7可以采用鋁加工制造，也可以采用有機(jī)玻璃加工制造；第一導(dǎo)管19、第二導(dǎo)管20采用市售件，可根據(jù)需求進(jìn)行截取彎折；壓電振子2采用市售件，直徑為50mm，壓電陶瓷片和金屬片厚均為0. 1mm，金屬片的材料為黃銅；壓電薄膜傳感器17采用市售件，直徑為 10mm，厚度不超過(guò)0. Imm ；螺栓(螺母)11、螺釘4為市售標(biāo)準(zhǔn)件，螺釘?shù)囊?guī)格為M2 X 5，螺栓的規(guī)格為M3X 16，與螺栓配合的是規(guī)格為M3的六角螺母。
權(quán)利要求1.一種基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，包括由上蓋(13)和下蓋(14)密封組成的泵體，泵體內(nèi)設(shè)有容納有壓電振子(2)的泵腔(12)，其特征在于，上蓋(13)上固定設(shè)置有錐形臺(tái)(7)，錐形臺(tái)(7)底端固設(shè)在上蓋(13)上；所述錐形臺(tái)(7)側(cè)面設(shè)有圍繞在其中心軸的錐形螺旋流管槽(8)，錐形臺(tái)(7)外套設(shè)一錐形罩(6)，錐形罩(6)頂端開(kāi)口并與錐形臺(tái) (7)之間有一間隙，錐形臺(tái)(7)中設(shè)有連通所述間隙和上蓋(13)上通孔(15)的第一直流管 (16)，所述通孔(15)與泵腔(12)連通；錐形臺(tái)(7)還設(shè)有與第一直流管(16)連通的第二直流管(26);錐形螺旋流管槽(8)—端與間隙連通，另一端通過(guò)上蓋(5)上的連通孔(3)與泵腔(12)連通；錐形臺(tái)(7)頂端固定有一壓電薄膜傳感器(17)，所述壓電薄膜傳感器(17)固定安裝在間隙和第一直流管(16)之間，將第一直流管(16)和間隙隔開(kāi)而不連通，并且向錐形罩(6)外引出導(dǎo)線(30);錐形罩(6)頂端開(kāi)口處固定有與間隙連通的第一導(dǎo)管(19)，第二直流管(26)與第二導(dǎo)管(20)相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，其特征在于，所述的螺旋流管槽(8)通過(guò)一過(guò)渡槽(10)與上蓋(13)上的連通孔(3)相連通。
3.如權(quán)利要求1所述的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，其特征在于，第一直流管(16)與第二直流管(26)相互垂直。
4.如權(quán)利要求1所述的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，其特征在于，第二直流管(26)位于錐形螺旋流管槽(8)相鄰的兩段流槽之間。
5.如權(quán)利要求1所述的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，其特征在于，第一導(dǎo)管 (19)與第二導(dǎo)管(20)相互平行設(shè)置，且開(kāi)口端均與錐形臺(tái)(7)的軸線相平行。
6.如權(quán)利要求1所述的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，其特征在于，上蓋(13) 上設(shè)有定位螺孔(22)和圓形凹坑(12)，錐形臺(tái)(7)的底面上設(shè)有與所述的定位螺孔(22)位置相對(duì)應(yīng)的螺紋孔(25)，定位螺孔(22)與螺紋孔(25)相配合將錐形臺(tái)(7)固定在圓形凹坑 (12)內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，其特征在于，錐形罩(6) 上與第二直流管(26)開(kāi)口相對(duì)應(yīng)的位置有一圓形開(kāi)孔(28)，該圓形開(kāi)孔(28)使得第二直流管(26)從錐形臺(tái)(7)內(nèi)部延伸至外部。
8.如權(quán)利要求1所述的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，其特征在于，第一導(dǎo)管 (19)通過(guò)錐形罩(6)上的圓形通孔(9)與間隙連通，錐形罩(6)上設(shè)有一微孔(18)，壓電薄膜傳感器(21)延伸出的導(dǎo)線(30 )從該微孔(18 )中穿出。
9.如權(quán)利要求1所述的基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，其特征在于，所述的錐形螺旋流管槽(8)截面呈矩形。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵的陀螺，包括由上蓋和下蓋密封組成的泵體，泵體內(nèi)設(shè)有容納有壓電振子的泵腔，上蓋上固定設(shè)置有錐形臺(tái)，其底端固設(shè)在上蓋上；所述錐形臺(tái)側(cè)面設(shè)有錐形螺旋流管槽，錐形臺(tái)外套設(shè)一錐形罩，錐形罩頂端開(kāi)口并與錐形臺(tái)之間有一間隙，錐形臺(tái)中設(shè)有第一、第二直流管；錐形螺旋流管槽一端與間隙連通，另一端與泵腔連通，頂端固定有一壓電薄膜傳感器并向錐形罩外引出導(dǎo)線；錐形罩頂端開(kāi)口處固定有與間隙連通的第一導(dǎo)管。本實(shí)用新型的陀螺，是利用壓電薄膜傳感器測(cè)量泵的輸出壓力來(lái)感知外界擾動(dòng)的角速度，從而使錐形螺旋流管無(wú)閥壓電泵具有了陀螺性質(zhì)。本實(shí)用新型的陀螺具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作材料來(lái)源廣泛、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)、耗能低、無(wú)電磁干擾、靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn)，可以大量應(yīng)用于民用運(yùn)載工具的姿態(tài)控制上。
文檔編號(hào)G01C19/04GK202119438SQ201120210638
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者張建輝, 王景山 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)