CN101140165A

CN101140165A - 微热流陀螺仪

Info

Publication number: CN101140165A
Application number: CNA2006100309608A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 艾叶; 罗小兵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-12

Abstract

微热流陀螺仪，采用双向流体分流通道结构，由驱动膜振动变形控制腔体体积周期的交替变化，产生两股速度大小和温度完全相同，而速度方向相反的流体，流体分别流经各自的缓冲腔和主微流通道，分流至对称布置的带有热敏器件的分流通道，热敏器件与流体之间的对流传热包含有角速度信息，通过检测两对对称布置热敏器件的温差获得角速度。本发明的优点是能有效减小离心力耦合对检测精度的负面影响，使检测精度和量程可以同时达到优化，适用于匀角速度和非匀角速度的场合，结构简单，灵敏度和分辨率高。

Description

微热流陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种检测角速度的微热流陀螺仪。

技术背景

陀螺仪在各个领域中已经得到广泛应用，如军事上可用于导弹惯性制导、工业上可用于汽车或机器人运动监测以及各类消费电子产品等。对小尺寸、低成本、高性能和高可靠性微机械陀螺仪的极大需求将促进这类产品的产业化。目前已经研制出的微机械陀螺仪加工工艺较复杂，其原理一般基于电容、压电效应造成电路复杂，导致其成本居高不下。

美国专利5012676提出了一种气体陀螺仪。它以泵为核心工作部件，基于哥式力作用下的射流与对称布置的热敏器件对流传热有差异来检测角速度。当无角速度时，射流不偏转，两热敏器件检测的温度相同；当存在角速度时，射流偏转，两热敏器件检测的温度存在差异，通过测量温差获得角速度。该陀螺仪存在一个缺点：在非匀角速度的情况下，哥式力和角加速度引起的切向力都将导致射流偏转，因此，热敏器件间的温差同时包含角速度和角加速度信息。

中国专利01129222.9提出了一种以气体为工作流体的双向合成喷射流陀螺仪。它采用合成喷产生两股速度大小相同，速度方向相反的射流，由对称布置在腔体中心线两侧的一对或多对热敏器件检测射流偏转，从而获得角速度信息，这种陀螺可以剔除角加速度。

上述两种气体陀螺仪都是通过射流偏转导致热敏器件存在温差来检测角速度。射流的哥式加速度a_k＝-2ω×V，为了在小角速度时获得较高的检测精度，射流的速度应当足够大，但当角速度也较大时，射流偏转距离可能超出腔体空间尺寸。可见，通过射流偏转检测角速度其检测精度和量程是相互矛盾的，不能同时达到最优。另外，上述的两种陀螺加工较复杂，需要进行精密的装配。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，本发明提供了一种微热流陀螺仪，该微热流陀螺仪为双向流体分流通道结构，适用于匀角速度和非匀角速度、能有效减小离心力耦合对检测精度的负面影响，并且使检测精度和量程可以同时达到优化。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种微热流陀螺仪，主要包括：外壳、基体、热敏器件、检测驱动电路，其特征在于基体上设有腔体、第一锥形收缩管、第二锥形收缩管、第三锥形收缩管、第四锥形收缩管、第一锥形扩散管、第二锥形扩散管、第一缓冲腔、第二缓冲腔，第一主微流通道、第二主微流通道、第一分流通道、第二分流通道、第三分流通道、第四分流通道、回流管道，腔体位于基体的中心，第一锥形收缩管、第二锥形收缩管通过腔体、第一锥形扩散管、第一缓冲腔、第一主微流通道分别与第一分流通道、第二分流通道相连通，再接到回流管道，第一热敏器件、第二热敏器件分别对称置于第一分流通道、第二分流通道中，第三锥形收缩管、第四锥形收缩管通过腔体、第二锥形扩散管、第二缓冲腔、第二主微流通道分别与第三分流通道、第四分流通道相连通，再接到回流管道，第三热敏器件、第四热敏器件分别对称置于第三分流通道、第四分流通道中，由第一驱动膜与第一基底膜相贴构成的第一振动膜和由第二驱动膜与第二基底膜相贴构成的第二振动膜位于腔体和外壳之间，第一检测驱动电路用于检测第一热敏器件与第二热敏器件的温度差以及驱动第一驱动膜，第二检测驱动电路用于检测第三热敏器件与第四热敏器件的温度差以及驱动第二驱动膜。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)采用双向流体分流通道结构，可以剔除角加速度信息减小离心力负面影响，有角速度时，在一对热敏器件中，一个温度上升一个温度下降，这种差动检测精度是普通检测方式的两倍。

(2)流体与热敏器件之间的对流传热效率高于射流结构，检测精度也相应得到提高。

(3)工作流体可为液体，液体对流传热效果比气体更优，可提高检测精度。

4)本发明陀螺仪在存在角速度情况下，分流通道流量不同，导致对流传热效果不同，即使角速度很大，两分流通道也有流体流动，因此这种陀螺仪的量程很大。

(5)采用微加工技术，加工工艺简单，成本大大降低，利于大规模生产。

(6)由于不需要射流结构中的偏转腔体，陀螺仪整体尺寸可以进一步缩小。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明的图1中的A-A剖面图；

图3本发明的双向流体检测角速度的原理示意图；

图4本发明的实施例数值模拟得到的第一分流通道与第二分流通道的流量差与角速度的关系图。

1基体、2腔体、3a第一锥形收缩管、3b第二锥形收缩管、3c第三锥形收缩管、3d第四锥形收缩管、4a第一锥形扩散管、4b第二锥形扩散管、5a第一缓冲腔、5b第二缓冲腔、6a第一主微流通道、6b第二主微流通道、7a第一分流通道、7b第二分流通道、7c第三分流通道、7d第四分流通道、8a第一热敏器件、8b第二热敏器件、8c第三热敏器件、8d第四热敏器件、9a第一检测驱动电路、9b第二检测驱动电路、10回流管道、外壳11、12a第一驱动膜、12b第二驱动膜、13a第一基底膜、13b第二基底膜。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例：

参见图1、图2，在基体1上开有腔体2、第一锥形收缩管3a、第二锥形收缩管3b、第三锥形收缩管3c、第四锥形收缩管3d、第一锥形扩散管4a、第二锥形扩散管4b、第一缓冲腔5a、第二缓冲腔5b，第一主微流通道6a、第二主微流通道6b、第一分流通道7a、第二分流通道7b、第三分流通道7c、第四分流通道7d、回流管道10，腔体2位于基体1的中心，第一锥形收缩管3a、第二锥形收缩管3b通过腔体2、第一锥形扩散管4a、第一缓冲腔5a、第一主微流通道6a分别与第一分流通道7a、第二分流通道7b相连通，再接到回流管道10，第一热敏器件8a、第二热敏器件8b分别对称置于第一分流通道7a、第二分流通道7b中，第三锥形收缩管3c、第四锥形收缩管3d通过腔体2、第二锥形扩散管4b、第二缓冲腔5b、第二主微流通道6b分别与第三分流通道7c、第四分流通道7d相连通，再接到回流管道10，第三热敏器件8c、第四热敏器件8d分别对称置于第三分流通道7c、第四分流通道7d中，由第一驱动膜12a与第一基底膜13a相贴构成的第一振动膜和由第二驱动膜12b与第二基底膜13b相贴构成的第二振动膜位于腔体2和外壳11之间，第一检测驱动电路9a用于检测第一热敏器件8a与第二热敏器件8b的温度差以及驱动第一驱动膜12a，第二检测驱动电路9b用于检测第三热敏器件8c与第四热敏器件8d的温度差以及驱动第二驱动膜12b。

第一基底膜13a为基体1的一部分，即腔体2的上沿，第一驱动膜12a贴在第一基底膜13a的上面，且与外壳11之间留有间隙，同样，第二基底膜13b为基体1的一部分，即腔体2的下沿，第二驱动膜12b贴在第二基底膜13b的下面，且与外壳11之间留有间隙。

第一驱动膜12a与第二驱动膜12b的驱动方式可以是压电、电磁、静电、形状记忆合金中的任意一种。第一检测驱动电路9a和第二检测驱动电路9b均采用通常的检测电路和驱动电路。第一检测驱动电路9a和第二检测驱动电路9b可位于基体1和外壳11之间，也可采用其它多种方式放置。

第一锥形收缩管3a、第二锥形收缩管3b、第三锥形收缩管3c、第四锥形收缩管3d、第一锥形扩散管4a、第二锥形扩散管4b的锥形角度α为5°～12°时，角速度检测精度较高。

第一热敏器件8a、第二热敏器件8b、第三热敏器件8c和第四热敏器件8d为热敏电阻、热电偶和热释电的任意一种。

密封于外壳11内的流体是液体或气体。

工作时，第一检测驱动电路9a中的驱动电路和第二检测驱动电路9b中的驱动电路分别驱动第一驱动膜12a和第二驱动膜12b振动变形，从而带动第一基底膜13a和第二基底膜13b振动变形，使腔体2的体积发生增加和减小的交替变化。

当第一驱动膜12a和第二驱动膜12b同时向腔外振动时，腔体2的体积增加，腔内压力减小，流体通过第一锥形收缩管3a、第二锥形收缩管3b、第三锥形收缩管3c、第四锥形收缩管3d、第一锥形扩散管4a、第二锥形扩散管4b同时流入腔体2，此过程为吸入过程。由于锥形收缩管与锥形扩散管的流阻系数不同，从锥形收缩管和锥形扩散管流入腔体2的流量也不同。吸入过程中，从锥形收缩管流入腔体2的流体流量大于从锥形扩散管流入腔体2的流体流量。

当第一驱动膜12a和第二驱动膜12b同时向腔内振动时，腔体2的体积减小，腔内压力增大，流体通过第一锥形收缩管3a、第二锥形收缩管3b、第三锥形收缩管3c、第四锥形收缩管3d、第一锥形扩散管4a、第二锥形扩散管4b同时流出腔体2，此过程为泵出过程。在泵出过程中，从锥形扩散管流出腔体2的流体流量大于从锥形收缩管流出腔体2的流体流量。因此，本发明陀螺仪工作时，有流体不断的从第一锥形收缩管3a、第二锥形收缩管3b、第三锥形收缩管3c、第四锥形收缩管3d向第一锥形扩散管4a、第二锥形扩散管4b流动，速度大小和流体温度完全相同而速度方向相反。从第一锥形扩散管4a流出的流体流经第一缓冲腔5a、第一主微流通道6a，再分流至对称布置的第一分流通道7a、第二分流通道7b，分别与第一热敏器件8a、第二热敏器件8b进行对流传热后，流至回流管道10并与散热性能良好的外壳11进行热交换，使流体流入腔体2的温度和流出腔体2的温度一致，第一热敏器件8a与第二热敏器件8b的温差由第一检测驱动电路9a中的检测电路进行检测；从第二锥形扩散管4b流出的流体流经第二缓冲腔5b、第二主微流通道6b，再分流至对称布置的第三分流通道7c、第四分流通道7d，分别与第三热敏器件8c、第四热敏器件8d进行对流传热后，流至回流管道10并与散热性能良好的外壳11进行热交换，使流体流入腔体2的温度和流出腔体2的温度一致，第三热敏器件8c与第四热敏器件8d的温差由第二检测驱动电路9b中的检测电路进行检测。

当不存在角速度时，流体不受哥式力作用，分流至第一分流通道7a、第二分流通道7b、第三分流通道7c、第四分流通道7d的流量相同，流体与第一热敏器件8a、第二热敏器件8b、第三热敏器件8c、第四热敏器件8d对流传热带走的热量相同，因此，第一热敏器件8a与第二热敏器件8b之间不存在温差，第三热敏器件8c与第四热敏器件8d之间不存在温差；

当存在角速度时，流体受哥式力作用，分流至第一分流通道7a的流量大于第二分流通道7b的流量，分流至第四分流通道7d的流量大于第三分流通道7c的流量，流体与第一热敏器件8a对流传热带走的热量大于第二热敏器件8b带走的热量，流体与第四热敏器件8d对流传热带走的热量大于第三热敏器件8c带走的热量，因此，第一热敏器件8a与第二热敏器件8b之间存在温差，第三热敏器件8c与第四热敏器件8d之间存在温差。通过测量温差就可以获得角速度。

本发明采用了双向流体分流通道结构，参见图3，双向流体检测能剔除角加速度信息，使本发明适用于匀角速度和非匀角速度的场合，并能有效减小离心力耦合对检测精度的负面影响。图3中F_K、F_L、F_Q分别是流体受到的哥式力、离心力和角加速度引起的切向力，转动半径为R，瞬时角速度为ω，瞬时角加速度为β，流体速度为V₀。

在匀角速度的情况下，转动方向如图3所示，β等于零即F_Q等于零，这里忽略离心力对流速的影响，则从第一锥形扩散管4a流出的流体所受力的大小为2mω×V₀，方向如图3向上；从第二锥形扩散管4b流出的流体所受力的大小为2mω×V₀，方向如图3向下；从腔体2流出的流体总受力为4mω×V₀。当瞬时角加速度为β不等于零时，从第一锥形扩散管4a流出的流体所受力的大小为m(2ω×V₀-β×R)，方向如图3向上；从第二锥形扩散管4b流出的流体所受力的大小为m(2ω×V₀+β×R)，方向如图3向下，从腔体2流出的流体总受力仍为4mω×V₀。可见，在非匀角速度的情况下，单方向检测中包含有角加速度信息，而双向流体分流通道结构可以剔除角加速度。

当转动半径或角速度足够大时，离心力F_L的影响就必须考虑。离心力F_L的方向如图3所示，沿转动中心向外，可以看到离心力减慢了从第一锥形扩散管4a流出的流体速度，加快了从第二锥形扩散管4b流出的流体速度。在角速度一样的情况前提下，这样必然导致两流体受到的哥式力大小不一样，单方向检测的角速度必然与实际值有偏差。而双向流体检测，从第一锥形扩散管4a流出的流体受到的哥式力变小，从第二锥形扩散管4b流出的流体受到的哥式力变大，这种偏差对从腔体2流出的流体总受力来说正好抵消。可见，双向流体检测结构还可以减小离心力耦合对检测精度的负面影响。

根据上述实施方式给出一个具体的实例：

第一驱动膜12a与第二驱动膜12b的材料采用锆钛酸铅(PZT)薄膜，压电驱动，锥形角度α为10°，工作流体为水；第一主微流通道6a和第二主微流通道6b的长度为8mm，宽度为0.4mm，深为0.25mm，第一分流通道7a与第二分流通道7b的夹角θ为0°～1800，第一热敏器件8a、第二热敏器件8b、第三热敏器件8c、第四热敏器件8d为热敏电阻，热敏电阻为低掺杂的P型硅。

参见图4，图中以上述实例数值模拟得到的第一分流通道7a与第二分流通道7b的流量差与角速度的关系图，其横坐标为角速度，纵坐标为第一分流通道7a与第二分流通道7b的流量差，从图中可看出，第一分流通道7a与第二分流通道7b的流量差与角速度呈较好的线性关系。

Claims

1.一种微热流陀螺仪，主要包括：外壳、基体、热敏器件、检测驱动电路，其特征在于所述在基体(1)上设有腔体(2)、第一锥形收缩管(3a)、第二锥形收缩管(3b)、第三锥形收缩管(3c)、第四锥形收缩管(3d)、第一锥形扩散管(4a)、第二锥形扩散管(4b)、第一缓冲腔(5a)、第二缓冲腔(5b)，第一主微流通道(6a)、第二主微流通道(6b)、第一分流通道(7a)、第二分流通道(7b)、第三分流通道(7c)、第四分流通道(7d)、回流管道(10)，腔体(2)位于基体(1)的中心，第一锥形收缩管(3a)、第二锥形收缩管(3b)通过腔体(2)、第一锥形扩散管(4a)、第一缓冲腔(5a)、第一主微流通道(6a)分别与第一分流通道(7a)、第二分流通道(7b)相连通，再接到回流管道(10)，第一热敏器件(8a)、第二热敏器件(8b)分别对称置于第一分流通道(7a)、第二分流通道(7b)中，第三锥形收缩管(3c)、第四锥形收缩管(3d)通过腔体(2)、第二锥形扩散管(4b)、第二缓冲腔(5b)、第二主微流通道(6b)分别与第三分流通道(7c)、第四分流通道(7d)相连通，再接到回流管道(10)，第三热敏器件(8c)、第四热敏器件(8d)分别对称置于第三分流通道(7c)、第四分流通道(7d)中，由第一驱动膜(12a)与第一基底膜(13a)相贴构成的第一振动膜和由第二驱动膜(12b)与第二基底膜(13b)相贴构成的第二振动膜位于腔体(2)和外壳(11)之间，第一检测驱动电路(9a)用于检测第一热敏器件(8a)与第二热敏器件(8b)的温度差以及驱动第一驱动膜(12a)，第二检测驱动电路(9b)用于检测第三热敏器件(8c)与第四热敏器件(8d)的温度差以及驱动第二驱动膜(12b)。

2.根据权利要求1所述的一种微热流陀螺仪，其特征在于所述第一锥形收缩管(3a)、第二锥形收缩管(3b)、第三锥形收缩管(3c)、第四锥形收缩管(3d)、第一锥形扩散管(4a)、第二锥形扩散管(4b)的锥形角度α为5°～12°。

3.根据权利要求1所述的一种微热流陀螺仪，其特征在于所述第一热敏器件(8a)、第二热敏器件(8b)、第三热敏器件(8c)和第四热敏器件(8d)为热敏电阻或热电偶或热释电。

4.根据权利要求1所述的一种微热流陀螺仪，其特征在于所述密封于外壳(11)内的流体是液体或气体。