CN102252667A - 一种基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，由渐开线流管无阀压电泵、压差测量器件组成；本发明涉及的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，可以利用压差测量器件，通过测量压电泵输出的压差来感知外界扰动的角速度，从而使渐开线流管无阀压电泵具有了陀螺性质。本发明所涉及的基于渐开线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。

Description

一种基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺

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

陀螺技术最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。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，陀螺仪器能提供准确的方位、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制导中，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，陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见，陀螺仪器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。

自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，发展过程大致分为4个阶段：第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第一阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第二阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。

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，用在民用应用却不是很多，但近些年来随着经济的发展，陀螺运用在民用领域需求越来越多，比如在汽车侧翻控制、游戏机的姿态感知等均需要一种价格低廉、技术简单的陀螺仪器，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

1.技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种基于渐开线流管无阀压电泵的新型陀螺，这种新型陀螺结构简单，应用范围广泛。

2.技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺具有渐开线流管无阀压电泵和测量压电泵出入口压力的压电薄膜结构。

所述的渐开线流管无阀压电泵包括由下盖和上盖组成的泵体、设置在下盖与上盖之间的泵腔，以及容纳在泵腔内的压电振子，还包括设置在下盖与上盖之间的第一渐开线流管和第一连通槽。本发明中，渐开线流管无阀压电泵中采用一个渐开线流管的结构即可实现泵功能，也可以采用两个渐开线流管的结构实现泵功能。即所述的第一渐开线形流管一端与设置在泵体上的流体进口连接，另一端可以直接与泵腔连接，也可以通过第二连通槽与泵腔连接；所述的第一连通槽的一端与泵腔连接，另一端直接或通过第二渐开线流管与流体出口连接；流体进口通过第一导管与外界连接，流体出口通过第二导管与外界连接。

所述的渐开线流管为平面弯曲的流管，由于该流管的中心轴线属于渐开线，因此将该流管命名为“渐开线流管”。渐开线参数方程为：

$\left\{\begin{array}{c}x=r(\cos \mathrm{\φ}+\mathrm{\φ}\sin \mathrm{\φ})\\ y=r\left(\sin \mathrm{\φ-\φ}\cos \mathrm{\φ}\right)\end{array}\right.$

如图1所示，其中，r为基圆半径，常数；φ为参数，单位是弧度。

所述第一导管远离流体进口的顶端设置有第一压电薄膜，第一压电薄膜通过导线与传感器相连接；所述第二导管远离流体进口的顶端设置有第二压电薄膜，第二压电薄膜通过导线与第二传感器相连接。

所述的第一压电薄膜通过第一压电薄膜固定件固定在第一导管的顶端；第二压电薄膜通过第二压电薄膜固定件固定在第二导管的顶端。压电薄膜与压电薄膜固定件共同组成了测量压电泵入口和出口压力的压电薄膜结构。

本发明中的两个渐开线流管的旋向是相反的，所述的第一渐开线流管为以流体进口为中心和起点顺时针方向设置的渐开线流管，所述的第二渐开线流管为以流体出口为中心和起点逆时针方向设置的渐开线流管。

所述的泵腔由设置在下盖上的第一凹槽和设置在上盖上的第二凹槽以及压电振子封闭构成，第二凹槽的边缘为阶梯状，压电振子就粘贴固定在第二凹槽的阶梯处。

所述的压电振子一般由圆形的压电陶瓷片和金属片粘贴成的圆形振动片，为与圆形的压电振子的形状相适应，所述的泵腔截面也呈圆形。

所述的传感器可以测量由具有正压电效应的压电材料制成的压电薄膜的电荷变化量，并根据分析装置分析出电荷变化量和受到冲击压力的转换。其原理是压电薄膜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，就可以得到受到力的大小。当压电薄膜受到的压力不同时，就会使压电薄膜产生电荷不同，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。

本技术方案的基于渐开线流管无阀压电泵的新型陀螺工作时，先对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；一般可将压电泵的一个工作周期分为两个阶段：从下死点(压电振子在泵腔内远离平衡位置的最大位移)经平衡位置到达上死点(压电振子在泵腔外远离平衡位置的最大位移)为泵的吸程阶段；从上死点经平衡位置到达下死点为泵的排程阶段。在压电泵具有一个渐开线流管时，在吸程阶段，流体沿第一渐开线流管和第一连通槽进入泵腔；在排程阶段，流体沿第一渐开线流管和第一连通槽流出泵腔；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渐开线流管运动时，都会产生科氏力，使沿第一渐开线流管流入和流出泵腔的流体所受的阻力不相同，而流入或流出流体的体积大小又与流管的流阻大小成反比，因此综合吸入和排出阶段，沿第一渐开线流管流入泵腔的流体体积比流出泵腔的流体体积多，使得整个周期内会有一个净流量从泵的第一渐开线流管流向泵的第一连通槽；从宏观上看，压电泵总是使流体从第一渐开线流管流入，从第一连通槽流出，从而实现了流体的单向流动，实现了泵的功能。

同理，在压电泵具有两个渐开线流管时，在压电振子的驱动下，流体在沿渐开线流管、连通槽往返流动；流体在沿渐开线流管往返流动的时候，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渐开线流管运动时，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的作用，使沿渐开线流管流入和流出的流体所受的阻力不相同，而流入或流出流体的体积大小又与流管的流阻大小成反比，所以当泵腔体积增大时，流体从第一渐开线流管和第二渐开线流管流入泵腔，此时压电泵处于吸程阶段，但从两流管流入泵腔的流体体积不相同；当泵腔体积减小时，流体从第一渐开线流管和第二渐开线流管流出泵腔，此时压电泵处于排程阶段，但从两流管流出泵腔的流体体积不相同；分析从两流管在压电泵处于吸程和排程阶段时，流入和流出的流体体积的多少可以概括为：在压电泵处于吸程阶段时流入流体体积多的，则在压电泵处于排程阶段时流出流体的体积少；在压电泵处于吸程阶段时流入流体体积少的，则在压电泵处于排程阶段时流出流体的体积多；从宏观上看，压电泵总是使流体从一个流管流入，从另一个流管流出，从而实现了流体的单向流动，实现了泵的功能。

把本装置安装在平台上，如果平台受到扰动产生转动角速度的影响时，会对陀螺结构中的渐开线流管无阀压电泵输出性能产生影响。

建立一个空间坐标系：X轴为过陀螺中心点的子午面和含中心点的切平面的交线，指向地球北方向；Z轴与经过中心点的法线重合，指向地球外；Y轴由右手定则判定。设地球自转的角速度在Z轴的分量为流体沿渐开线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ω_z；泵的输出压力P是由

ω₂、ω_z决定的，因此可表示成P

如果平台没受到外界扰动ω_z干扰的时候，泵的输出性能由

和ω₂决定，当给压电振子输入的电压和频率一定的时候，泵的性能是一定的，进出口流管内的液体对于压电薄膜的冲击也是大致一定，反应到传感器的示数也是基本一定，出口的传感器示数减去进口的传感器示数假定为Δx₀，也即泵的输出压力为P₀，那么他们之间是有对应关系的。如果平台受到外界扰动ω_z的干扰时候，ω_z≠0，设P

此时会对渐开线流管中的流体流动有着加强或者减弱的影响，此刻对泵的性能的影响表现在进出口的流管连接的传感器的示数上，若传感器出口一侧的示数为x₁，进口一侧的示数为x₂，那么设Δx₁＝x₁-x₂，ΔP＝P-P₀＝Δx₀-Δx₁，ΔP可以是正值，也可以是负值和零。ΔP(或P)与ω_z之间存在着对应关系，即对于每一个ΔP(或P)值，都有一个ω_z相对应，而ΔP与Δx₁之间有对应关系。也就是说通过传感器测量螺线形流管无阀压电泵中的液体对于压电薄膜的冲击作用Δx₁，就可以得到平台受到扰动时产生的角度在Z轴上分量ω_z。这样，由泵的压差和转动的关系就可以得出姿态变化情况，从而达到陀螺的作用。

3.有益效果：本发明的基于渐开线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、灵敏度高等优点，可以大量应用于民用运载工具的姿态控制上。

附图说明

图1是直角坐标系下渐开线示意图；

图2是本发明的一个实施例中的基于渐开线流管无阀压电泵的装配示意图；

图3是本发明一个实施例的下盖结构示意图；

图4是图2A-A向示意图；

图5是本发明一个实施例的上盖结构示意图；

图6是图5B-B向示意图；

图7是本发明一个实施例的结构示意图

图8是压电薄膜结构示意图；

图9是本发明另一个实施的下盖结构示意图。

具体实施方式

实施例一：如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本实施例的基于渐开线流管无阀压电泵21的陀螺，包括由上盖3和下盖5组成的泵体21、设置在上盖3与下盖5之间的泵腔11，以及容纳在泵腔11内的压电振子4，还包括设置在上盖3与下盖5之间的第一渐开线流管8和第一连通槽12，所述的第一渐开线流管8一端与设置在泵体上的流体进口9连接，另一端与泵腔11连接，第一渐开线流管8为以流体进口9为中心和起点逆时针方向设置的渐开线流管。第一连通槽12的一端与泵腔11连接，另一端与流体出口13连接；流体进口9通过上盖3上的进口孔15与外界进行流体交换，流体出口13通过上盖3上的出口孔17进行流体交换；流体进口9通过第一导管1A与外界连接，流体出口13通过第二导管1B与外界连接，所述第一导管1A远离流体进口的顶端设置有第一压电薄膜23A，第一压电薄膜23通过导线与传感器20A相连接，用于传导电荷信号；所述第二导管1B远离流体进口的顶端设置有第二压电薄膜23B，第二压电薄膜23B通过导线与第二传感器20B相连接，用于传导电荷信号。本实施例中，下盖5为矩形铝板，在其表面蚀刻出渐开线流管槽，上盖3为矩形树脂板，下螺栓孔7、上螺栓孔14、螺栓6和螺帽2相配合，将上盖3和下盖5固定在一起。

如图7所示，所述的第一压电薄膜23A通过第一压电薄膜固定件22A固定在第一导管1A的顶端；第二压电薄膜23B通过第二压电薄膜固定件22B固定在第二导管1B的顶端。

如图3所示，第一渐开线流管8通过第二连通槽10与泵腔11连接。

如图4所示，流体进口9和流体出口13位于泵腔11的两侧，也可以以泵腔的中心线为对称轴相对称。泵腔11截面呈圆形。

如图3、图4、图5所示，本实施例的泵腔11由设置在下盖5上的第一凹槽111和设置在上盖3上的第二凹槽112封闭组成，所述的压电振子4容纳在第二凹槽42内，第二凹槽42为设在上盖3上的阶梯形槽16。

本实施例的陀螺工作过程如下：对压电振子4施加交流电压，压电振子在逆压电效应下在平衡位置两侧产生轴向振动，轴向振动位移引起泵腔容积变化。把泵的一个工作周期分为两个阶段：从下死点(压电振子4向下远离平衡位置的最大位移)经平衡位置到达上死点(压电振子4向上离平衡位置的最大位移)为泵的吸程阶段；从上死点经平衡位置到达下死点为泵的排程阶段。当泵处于吸程时，泵腔容积变大，压强变小，在负压作用下第一连通槽12和第二连通槽10中的流体向泵腔中流动，从流体进口9流进的流体经过第一渐开线流管8时，由于受到地球科氏力和自旋科氏力的影响，螺线流管的螺线曲率变化方向是逐渐减小的，相对与螺线曲率逐渐增大的过程，对流体的流动阻碍小，那么进入泵腔的流量相对大些，当泵进入排程时，泵腔容积变小，在压力下泵腔中的流体向两侧连通槽流出，当从泵腔向平面螺线流管8流动的流体经过螺线流管时，由于受到地球科氏力和自旋科氏力作用的影响是螺线的曲率逐渐增大的过程，相对螺线曲率逐渐减小，此刻第一渐开线螺线流管8对流体的阻碍程度大，那么从泵腔向第一渐开线螺线流管8流出的流量就会相对较小，往返的过程中就会产生一个流量差，由于泵腔吸程和排程体积变化基本相等，那么就会使得由泵腔向第一连通槽12流出的流量大于由第二连通槽10向泵腔11流入的流量，整个周期会产生一个单向运动的净流量，当压电振子4连续振动，流体在宏观上就表现出单向流动，从而形成泵的功能。当我们给压电振子4固定的输入条件时候，那么流管1A中的流体液面高度就会一定，对于压电薄膜的冲击作用也是大致一样的，反映在电荷传感器中数值也是一个变化幅度比较小的恒值，如果承载平台受到转动角速度的影响，整个转动会对陀螺结构中的渐开线流管无阀压电泵21性能产生影响，若对流体顺时针流动方向产生加强作用而对逆时针流动产生减弱作用，那么就会提高本泵的输出性能，使得出口流管1B中的液体液面上升，液面对于安装在流管中的压电薄膜冲击也会提升，若对流体逆时针流动方向产生加强作用而对顺时针流动产生减弱作用，那么就会降低本泵的输出性能，使得出口的液体液面下降，液面对于安装在其中的压电薄膜冲击也会减弱，总体上说转动角速度对流体流动方向产生作用，那么就会对泵的输出性能产生影响，使得流管1A、1B中的液体液面产生变化，液面对于安装在其中的压电薄膜冲击也会变化，根据电荷传感器对于压电薄膜由于压电效应产生的电荷变化测量出来数值，根据两边测量出的数据就可以得出泵的压差变化，根据初试测定的泵的压差和转动的关系就可以得出转动姿态，从而达到陀螺的作用。

实施例二：

本实施例的主要结构与实施例一基本相同，不同的是本实施例中，如图9所示，在压电泵21部分，具有两个渐开线流管，即第一渐开线流管8、第二渐开线流管8A；所述的第一平面渐开线流管8为以流体进口9为中心和起点顺时针方向设置的渐开线流管，第二平面渐开线流管8A为以流体出口13为中心和起点逆时针方向设置的渐开线形流管。

本实施例的陀螺工作时，把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子4通交流电时，压电陶瓷片会产生沿其径向的伸缩变形，由于压电陶瓷片和金属片粘结成一体，并且压电陶瓷片和金属片的径向伸缩不同，所以当压电陶瓷片产生沿径向的伸缩变形时，金属片也会产生伸缩变形，且伸缩方向与压电陶瓷片相反，则压电振子4必然会产生沿轴向(压电陶瓷片的法向方向)的往复变形振动，把压电振子4作为压电泵的动力源，随着压电振子的轴向往复变形振动，从而导致泵腔4的体积周期性变化。由于流体的运动受地球自转的影响，以及流体自身沿渐开线流管运动时也会产生科氏力，对沿逆时针和顺时针方向旋转的流体产生不同作用，使从流体进口流入和从流体出口流出的流体所受的阻力不相同，而流入或流出流体的体积大小又与流管的流阻大小成反比，所以当泵腔11体积增大时，流体从第一渐开线流管8和第二渐开线流管8A流入泵腔11，此时压电泵处于吸程阶段，但从两流管流入泵腔的流体体积不相同；当泵腔11体积减小时，流体从第一渐开线流管8和第二渐开线流管8A流出泵腔11，此时压电泵处于排出阶段，但从两流管流出泵腔的流体体积不相同；分析从两流管在压电泵处于吸入和排出阶段时，流入和流出的流体体积的多少可以概括为：在压电泵处于吸入阶段，流入流体体积多的，则在压电泵处于排出阶段时流出流体的体积少；在压电泵处于吸入阶段是流入流体体积少的，则在压电泵处于排出阶段时流出流体的体积多；从宏观上看，压电泵总是使流体从一个流管流入，从另一个流管流出，从而实现了流体的单向流动，实现了泵的功能。当给压电振子4固定的输入条件时候，那么流管1A中的流体液面高度就会一定，对于压电薄膜的冲击作用也是大致一样的，反映在电荷传感器中数值也是一个变化幅度比较小的恒值，如果承载平台受到转动角速度的影响，整个转动会对陀螺结构中的渐开线流管无阀压电泵21性能产生影响，若对流体顺时针流动方向产生加强作用而对逆时针流动产生减弱作用，那么就会提高本泵的输出性能，使得出口流管1B中的液体液面上升，液面对于安装在流管中的压电薄膜冲击也会提升，若对流体逆时针流动方向产生加强作用而对顺时针流动产生减弱作用，那么就会降低本泵的输出性能，使得出口的液体液面下降，液面对于安装在其中的压电薄膜冲击也会减弱，总体上说转动角速度对流体流动方向产生作用，那么就会对泵的输出性能产生影响，使得流管1A、1B中的液体液面产生变化，液面对于安装在其中的压电薄膜23冲击也会变化，根据电荷传感器对于压电薄膜由于压电效应产生的电荷变化测量出来数值，根据两边测量出的数据就可以得出泵的压差变化，根据初试测定的泵的压差和转动的关系就可以得出转动姿态，从而达到陀螺的作用。

Claims (10)

1.一种基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，包括由上盖（3）和下盖（5）组成的泵体、设置在上盖（3）与下盖（5）之间的泵腔（11），以及容纳在泵腔（11）内的压电振子（4），其特征在于，还包括设置在上盖（3）与下盖（5）之间的第一渐开线流管（8）和第一连通槽（12），所述的第一渐开线流管（8）一端与设置在泵体上的流体进口（9）连接，另一端与泵腔（11）连接，第一连通槽（12）的一端与泵腔（11）连接，另一端与流体出口（13）连接；流体进口（9）通过第一流管（1A）与外界连接，流体出口（13）通过第二流管（1B）与外界连接，所述第一流管（1A）远离流体进口的顶端设置有第一压电薄膜（23A），第一压电薄膜（23A）通过导线与传感器（20 A）相连接；所述第二流管（1B）远离流体进口的顶端设置有第二压电薄膜（23B），第二压电薄膜（23B）通过导线与第二传感器（20 B）相连接。

2.如权利要求1所述的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的第一压电薄膜（23A）通过第一压电薄膜固定件（22A）固定在第一流管（1A）的顶端；第二压电薄膜（23B）通过第二压电薄膜固定件（22B）固定在第二流管（1B）的顶端。

3.如权利要求1所述的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的第一渐开线流管（8）通过第二连通槽（10）与泵腔（11）连接。

4.如权利要求1所述的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，第一连通槽（12）通过第二渐开线流管（8A）与流体出口（13）连接。

5.如权利要求1所述的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的第一渐开线流管（8）为以流体进口（9）为中心和起点顺时针方向设置的渐开线形流管。

6.如权利要求4所述的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的第二渐开线流管（8A）为以流体出口（13）为中心和起点逆时针方向设置的渐开线流管。

7.如权利要求1所述的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的流体进口（9）和流体出口（13）以泵腔（11）的中心线为对称轴相对称。

8.如权利要求1所述的基于渐开线形流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的泵腔（11）由设置在下盖（5）上的第一凹槽（111）和设置在上盖（3）上的第二凹槽（112）封闭组成，所述的压电振子（4）容纳在第二凹槽（112）内。

9.如权利要求1所述的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的泵腔（11）设置在下盖（5）上并且开口朝向上盖（3）。

10.如权利要求1所述的基于渐开线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的泵腔（11）截面呈圆形。

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