專利名稱：一種小型氣流式陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用氣流射流測量運動體角速度的裝置，尤其是一種小型氣流式陀螺。
背景技術(shù)：
氣流式射流陀螺器件是一種具有陀螺功能而沒有傳統(tǒng)陀螺的轉(zhuǎn)動部分，也沒有壓電陀螺懸掛部件的固態(tài)慣性器件。氣流式角速度傳感器以氣體作為敏感質(zhì)量，其質(zhì)量極小，并以其具有成本低、響應時間短、抗沖擊能力強等優(yōu)點被廣泛應用在角速度的測量領(lǐng)域內(nèi)?，F(xiàn)有技術(shù)中的氣流式陀螺，如圖I所示，包括殼體1，殼體I兩端通過端蓋2封閉，在殼體I內(nèi)設置筒狀的測試腔體7，測試腔體7上一端設置有進氣噴嘴71，另一端設置有出氣口 72，測試腔體內(nèi)部靠近出氣口 72設置有熱敏元件8，外殼I與測試腔體7之間設置有偶數(shù)個氣體循環(huán)通道3，氣體循環(huán)通道3連接進氣噴嘴71和出氣口 72，并且與測試腔體7構(gòu)成封閉的氣流流道，壓電泵5設置在測試腔體7的裝有進氣噴嘴71 一端的外側(cè)，通過進氣噴嘴71向測試腔體7內(nèi)壓入氣流束，氣體沿圖中箭頭方向單向流動。氣流束均勻打在熱敏元件8上，隨陀螺的角速度變化，流過熱敏元件8上的氣流束的分布也發(fā)生變化，熱敏元件8通過捕捉氣流束的分布變化計算陀螺的角速度，因此，很小的亂流介入都會對這種高精度裝置的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。但是，由于測試腔體7的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)為圓筒型棱角較多，這些棱角會阻礙氣流束的流動，產(chǎn)生擾亂氣流正常流動的渦流區(qū)，而且氣流束由小開口的進氣噴嘴71進入測試腔體7后截面的驟然變化，也會使得測試腔體7內(nèi)部形成多個渦流區(qū)，使氣流束打在熱敏元件8上的分散不均，降低了測量精度，嚴重影響測量結(jié)果的準確性。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種小型氣流式陀螺，該陀螺將內(nèi)部的測試腔體按氣流方向分為三個連續(xù)的部分，分別是導向段、流動段和匯流段三段構(gòu)成。導向段對剛進入測試腔體的氣流束進行導向，使氣流束在本段更加集中，避免氣流束由于截面突然變化而分散；流動段保證有足夠的循環(huán)空間來促進測試腔體內(nèi)氣流的流動；匯流段既可以為腔體內(nèi)氣流循環(huán)提供更緩和順暢的流動區(qū)域，又可以充分利用測試腔體內(nèi)的空間，加快測試腔體內(nèi)氣流的循環(huán)流動速度，同時還可以減少測試腔體內(nèi)渦流現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高測量精度和陀螺工作的穩(wěn)定性，通過采用這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測試腔體，極大程度上減小了亂流對測量精度和準確度的影響。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種小型氣流式陀螺，該陀螺包括殼體，所述殼體兩端通過端蓋封閉，殼體內(nèi)設置有測試腔體，所述測試腔體上開設有進氣噴嘴和出氣口，測試腔體內(nèi)靠近出氣口處設置有熱敏元件，殼體與測試腔體之間設置有連接所述進氣噴嘴和所述出氣口的氣體循環(huán)通道，測試腔體的進氣噴嘴外側(cè)設置有將氣體壓入測試腔體的壓電泵，測試腔體、所述氣體循環(huán)通道和所述壓電泵構(gòu)成氣體的封閉循環(huán)，所述測試腔體為徑向中心對稱，測試腔體自所述進氣噴嘴至出氣口依次包括用于對氣流束擴散角度導向的導向段、供氣流束順暢流動的流動段和通過平滑斜面使氣流束匯集至出氣口的匯流段，所述熱敏元件設置在所述匯流段末端。進一步，所述導向段設置呈錐型，所述錐形的小口端連接所述進氣噴嘴，其大口端連接所述流動段，流動段設置呈直筒形，所述匯流段設置呈中部開口的弧型，所述中部開口與所述出氣口連接，導向段、流動段和匯流段沿軸線的長度比例為2:5:1。進一步，所述導向段徑向截面呈喇叭形，該喇叭形開口角度為60度-120度。進一步，所述喇叭形開口角度為42度。進一步，所述流動段的直徑和軸線的長度比例為I :1。進一步，所述匯流段的弧形為1/4個圓，其半徑與所述流動段直徑比為I :4_10。進一步，所述進氣噴嘴沿氣流方向直徑漸短的縮口。進一步，所述出氣口沿氣流方向直徑漸短的縮口。進一步，所述氣體循環(huán)通道包括有與所述出氣口連通的集流槽，所述集流槽開設在靠近出氣口一側(cè)的所述端蓋上，通過集流槽將氣體送入多條氣體循環(huán)通道中，集流槽與出氣口連接處設置有向出氣口延伸的錐形凸起，該錐形凸起用于將由出氣口流出的氣體導向分流，避免產(chǎn)生亂流。進一步，所述氣體循環(huán)通道與集流槽的連接端設置有饋送口，所述饋送口設置呈沿氣流方向直徑漸短的縮口。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中的氣流式陀螺的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明小型氣流式陀螺的結(jié)構(gòu)示意 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中矩形截面結(jié)構(gòu)測試腔體7的內(nèi)氣體流速分布矢量 圖4為本發(fā)明中的瓶頸狀測試腔體7的內(nèi)氣體流速分布矢量 圖5為比較圖3和圖4的氣體內(nèi)流速的表格。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖I所示為本發(fā)明小型氣流式陀螺包括，殼體I、碟簧4、壓電泵5、測試腔體7、熱敏元件8和信號處理電路(圖中未顯示);殼體I由側(cè)壁和封蓋在側(cè)壁兩端的端蓋2組成，側(cè)壁為薄壁圓筒狀，在其中一端的端蓋2設置有供電源線和信號線的絕緣子引出殼體I的信號引出口 9，當電源和導線引出后，將信號引出口 9封閉，使殼體I內(nèi)成為一個密閉空間。測試腔體7設置在殼體I內(nèi)的中心位置，在圖中測試腔體7的左端設置有進氣噴嘴71，進氣噴嘴71沿氣流方向直徑漸短的縮口，其剖面為倒梯形，且其中心線與測試腔體7的中心軸線重合，進氣噴嘴71的主要功能是產(chǎn)生射流束，是進入測試腔體7內(nèi)的氣流流動的關(guān)鍵部件，該結(jié)構(gòu)使得壓電泵5內(nèi)有更多的氣體進入腔體，相比以前的矩形結(jié)構(gòu)進氣噴嘴可在一定程度上減小了進氣噴嘴口 6兩端側(cè)壁所受壓力，能增強射流陀螺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長其壽命。在測試腔體7的右端開設有出氣口 72，出氣口 72沿氣流方向直徑漸短的縮口，熱敏元件8設置在測試腔體7內(nèi)部靠近出氣口 72處，且與信號處理電路電連接。壓電泵5設置在測試腔體7的左側(cè)，端蓋2通過碟簧4將壓電泵5壓靠在靠近進氣噴嘴6的一端的外側(cè)。測試腔體7剖面為滿足一定長度比例的流線型瓶頸狀結(jié)構(gòu)，測試腔體7為徑向中心對稱，進氣噴嘴71和出氣口 72分別設置在測試腔體7軸向兩端，并位于測試腔體7的中心軸上，測試腔體7自進氣噴嘴71至出氣口 72依次包括用于對氣流束擴散角度導向的導向段73、供氣流束順暢流動的流動段74和通過平滑斜面使氣流束匯集至出氣口 72的匯流段75。導向段73設置呈錐型，導向段73徑向截面呈喇叭形，該喇叭形開口角度為30度-60度，優(yōu)選為42度。錐形的小口端連接進氣噴嘴6，其大口端連接流動段74 ;流動段74設置呈直筒形，流動段74的直徑和軸線的長度比例為I :1 ;匯流段75設置呈連接流動段74和出氣口 72的弧形，導向段73、流動段74和匯流段75沿軸線的長度比例為2:5:1。氣流經(jīng)進氣噴嘴71噴出，在腔體7內(nèi)進氣噴嘴附近有較大的沿射流束軸向速度，導向段75對氣流有較好的導向引流作用；測試腔體7內(nèi)中部的流動段74截面為矩形結(jié)構(gòu)，沿射流束傳播方向上隨著距離的增加，射流會逐漸的向射流中心軸兩側(cè)擴散，因此要有足夠的射流循環(huán)空間來促進測試腔體7內(nèi)氣流的流動；匯流段75的為中部開口的弧型，弧型為1/4圓弧結(jié)構(gòu)，其半徑與流動段76的直徑比為I :4-10，中部開口與出氣口 72對接。在測試腔體7的外側(cè)，沿軸向均勻設置有偶數(shù)個氣體循環(huán)通道3，本實施例的氣體循環(huán)通道3為四個，氣體循環(huán)通道3的斷面為圓形，設置在測試腔體7的側(cè)壁外側(cè)，優(yōu)選的氣體循環(huán)通道3的圓周與測試腔體7側(cè)壁外圓周相切。氣體循環(huán)通道3包括有與出氣口 72連通的集流槽32，集流槽32開設在靠近出氣口 72 —側(cè)的端蓋2上，通過集流槽32將氣體送入多條氣體循環(huán)通道3中，集流槽32與出氣口 72連接處設置有向出氣口 72延伸的錐形凸起21，該錐形凸起21用于將由出氣口 72流出的氣體導向分流，避免產(chǎn)生亂流。氣體循環(huán)通道3上與集流槽32的連接端設置有饋送口 31，饋送口 31設置呈沿氣流方向直徑漸短的縮口。氣體沿圖中箭頭方向單向流動，從另一個角度看，饋送口 31此結(jié)構(gòu)在氣體循環(huán)流動中可看為一個單向閥，既對氣流的流動有單向引流作用，又能匯聚氣流，使得進入氣體循環(huán)通道3內(nèi)的氣體比普通矩形結(jié)構(gòu)有更大的射流速度，促進氣流在循環(huán)通道內(nèi)的循環(huán)。此種結(jié)構(gòu)既可為測試腔體7內(nèi)氣流循環(huán)提供更緩和順暢的流動區(qū)域，又可充分利用測試腔體7內(nèi)的空間，加快氣流的循環(huán)流動，降低氣體能量的損耗，能減小腔體內(nèi)的渦流現(xiàn)象。此比例分配經(jīng)有限元方法仿真驗證腔體內(nèi)的氣流運動情況較好，見圖3-圖5，分析如下
導向段73、流動段74、匯流段75這三種結(jié)構(gòu)在腔體中心軸線上的比例為2:5:1; 導向段73開口角度為42度；
流動段74為12. 5*13的矩形，長寬比約為I的長方形； 匯流段75兩側(cè)的1/4圓弧的半徑r為2. 5mm。進氣噴嘴和出氣口大小分別為Imm和4mm,兩種結(jié)構(gòu)的進氣噴嘴和出氣口尺寸相同；
以進氣噴嘴中心為原點，定義靜態(tài)時射流束軸向垂直方向為X軸，射流束軸向方向為y軸。進氣口速度大小為1.5m/s。圖5的表格中，由于射流束關(guān)于腔體中心軸的對稱性，只給出y軸右側(cè)相關(guān)截面上的速度分布，表中為x=0、3、5mm截面與y=0. 5、12、19. 5mm截面交點處兩種結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)的速度分布。在進氣噴嘴附近(y=0. 5mm)和腔體中間(y=2mm)附近,本專利的測試腔體內(nèi)射流束中心軸上的速度總是大于現(xiàn)有技術(shù)中矩形截面的測試腔體，在出氣口附近二者的速度相當；在一定范圍內(nèi)隨著與射流中心軸距離的增加，本發(fā)明的測試腔體內(nèi)的相關(guān)截面上的射流速度總是大于現(xiàn)有技術(shù)中矩形截面的測試腔體，然而在測試腔體側(cè)壁附近，本發(fā)明的測試腔體內(nèi)相關(guān)截面上的流速小于現(xiàn)有技術(shù)中矩形截面的測試腔體，這能在一定程度上減小腔體內(nèi)的渦流現(xiàn)象。以上提到的速度均是射流束的(y軸方向上)合速度。
上述示例只是用于說明本發(fā)明，本發(fā)明的實施方式并不限于這些示例，本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的符合本發(fā)明思想的各種具體實施方式
都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種小型氣流式陀螺，該陀螺包括殼體，所述殼體兩端通過端蓋封閉，殼體內(nèi)設置有測試腔體，所述測試腔體上開設有進氣噴嘴和出氣口，測試腔體內(nèi)靠近出氣口處設置有熱敏元件，殼體與測試腔體之間設置有連接所述進氣噴嘴和所述出氣口的氣體循環(huán)通道，測試腔體的進氣噴嘴外側(cè)設置有將氣體壓入測試腔體的壓電泵，測試腔體、所述氣體循環(huán)通道和所述壓電泵構(gòu)成氣體的封閉循環(huán)，其特征在于所述測試腔體為徑向中心對稱，測試腔體自所述進氣噴嘴至出氣口依次包括用于對氣流束擴散角度導向的導向段、供氣流束順暢流動的流動段和通過平滑斜面使氣流束匯集至出氣口的匯流段，所述熱敏元件設置在所述匯流段末端。
2.如權(quán)利要求I所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述導向段設置呈錐型，所述錐形的小口端連接所述進氣噴嘴，其大口端連接所述流動段，流動段設置呈直筒形，所述匯流段設置呈中部開口的弧型，所述中部開口與所述出氣口連接，導向段、流動段和匯流段沿軸線的長度比例為2:5:1。
3.如權(quán)利要求2所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述導向段徑向截面呈喇叭形，該喇叭形開口角度為60度-120度。
4.如權(quán)利要求3所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述喇叭形開口角度為84度。
5.如權(quán)利要求2所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述流動段的直徑和軸線比例為 I :1。
6.如權(quán)利要求2所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述匯流段的弧形為1/4個圓，其半徑與所述流動段直徑比為I :4-10。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述進氣噴嘴沿氣流方向直徑漸短的縮口。
8.如權(quán)利要求1-6任一所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述出氣口沿氣流方向直徑漸短的縮口。
9.如權(quán)利要求1-6任一所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述氣體循環(huán)通道包括有與所述出氣口連通的集流槽，所述集流槽開設在靠近出氣口一側(cè)的所述端蓋上，通過集流槽將氣體送入多條氣體循環(huán)通道中，集流槽與出氣口連接處設置有向出氣口延伸的錐形凸起，該錐形凸起用于將由出氣口流出的氣體導向分流，避免產(chǎn)生亂流。
10.如權(quán)利要求9所述的小型氣流式陀螺，其特征在于所述氣體循環(huán)通道與集流槽的連接端設置有饋送口，所述饋送口設置呈沿氣流方向直徑漸短的縮口。
全文摘要
本發(fā)明一種小型氣流式陀螺，該陀螺包括殼體，所述殼體兩端通過端蓋封閉，殼體內(nèi)設置有測試腔體，所述測試腔體上開設有進氣噴嘴和出氣口，測試腔體內(nèi)靠近出氣口處設置有熱敏元件，殼體與測試腔體之間設置有連接所述進氣噴嘴和所述出氣口的氣體循環(huán)通道，測試腔體的進氣噴嘴外側(cè)設置有將氣體壓入測試腔體的壓電泵，測試腔體、所述氣體循環(huán)通道和所述壓電泵構(gòu)成氣體的封閉循環(huán)，所述測試腔體為徑向中心對稱，測試腔體自所述進氣噴嘴至出氣口依次包括用于對氣流束擴散角度導向的導向段、供氣流束順暢流動的流動段和通過平滑斜面使氣流束匯集至出氣口的匯流段，所述熱敏元件設置在所述匯流段末端。提高測量精度和陀螺工作的穩(wěn)定性。
文檔編號G01C19/58GK102980567SQ20121048107
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者樸林華, 張保麗, 梅傳志, 陳敬波 申請人:北京信息科技大學