CN102331255A

CN102331255A - 一种基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺

Info

Publication number: CN102331255A
Application number: CN201110167276A
Authority: CN
Inventors: 张建辉
Original assignee: Wuxi Changhui Machinery & Electronics Technology Co Ltd
Current assignee: Wuxi Changhui Machinery & Electronics Technology Co Ltd
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: CN102331255B

Abstract

本发明涉及一种基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，由费马螺线流管无阀压电泵、压差测量件、上盖和第一、第二导管组成；本发明涉及的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，可以利用压差测量件，通过测量压电泵输出的压差来感知外界扰动的角速度，从而具有了陀螺性质。本发明所涉及的基于费马螺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

一种基于费马螺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，并具有较好精度的基于费马螺线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，本发明的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺由费马螺线流管无阀压电泵、压差测量件、上盖和第一、第二导管组成，所述的费马螺线流管无阀压电泵包括密封连接的下盖和腔体，下盖和腔体之间设有容纳有压电振子的泵腔，腔体与下盖之间还设有一个第一费马螺线流管和第一直流槽，所述的第一费马螺线流管一端与泵腔连通，另一端与腔体上的第一通孔连通，所述的第一直流槽一端与泵腔连通，另一端直接或者通过第二费马螺线流管与腔体上的第二通孔连通，第一通孔实质上为费马螺线流管无阀压电泵的流体进口，第二通孔实质上为费马螺线流管无阀压电泵的流体出口；腔体朝向上盖的一面设有一个凹形槽，所述的凹形槽一侧通过第一直流管与第一通孔连通，另一侧通过第二直流管与第二通孔连通，并且凹形槽为开口朝向上盖的盲孔；所述的压差测量件固定在凹形槽内，从而将第一直流管与第二直流管间隔开来；第一导管通过上盖上的第一连通孔与第一直流管连接，第二导管通过上盖上的第二连通孔与第二直流管连接。当流体在本基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺中流动时，流体的通道为第一直流管、第一通孔、第一费马螺线流管、泵腔、第一直流槽、第二通孔和第二直流管。所述的费马螺线流管为平面弯曲的流管，由于该流管的中心轴线属于费马螺线，因此将该流管命名为“费马螺线流管”。费马螺线是等角螺线的一种，如图1所示。费马螺线极坐标方程为：

r＝θ^1/2

其中，r为极径，θ为极角。

为了测量出流体在泵腔两侧的压差，本发明涉及的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺还设有一个压差测量件，其包括一个固定块，固定块固定在腔体上的凹形槽中，固定块上设置有一个压电薄膜传感器，压电薄膜传感器上向陀螺机构外界引出导线用于传导传感信号。

所述的凹形槽一侧通过第一过渡槽与第一直流管连通，另一侧通过第二过渡槽与第二直流管连通。固定块需与凹形槽形状紧密配合。在没有固定块的情况下，第一直流管、第一过渡槽、凹形槽、第二过渡槽和第二直流管实际上相互连通的，但是当固定块紧密地嵌合在凹形槽中时，其将第一直流管、第一过渡槽和第二过渡槽、第二直流管间隔开。

所述第一导管通过第一连通孔与第一过渡槽连通，第二导管通过第二连通孔与第二过渡槽连通。

所述的第二费马螺线流管与第一费马螺线流管旋向是相反的，第一费马螺线流管为以第一通孔为中心和起点顺时针旋向的流管，第二费马螺线流管为以第二通孔为中心和起点逆时针旋向的流管。

所述的泵腔截面呈圆形，由设在上盖上的第一凹槽和设在下盖上的阶梯状通孔组成，压电振子粘结固定在阶梯状通孔内，并且使阶梯状通孔密封。在实际运用中，压电振子一般由一片圆形压电片和一片直径较大的圆形铜片粘结而成。

所述的费马螺线流管无阀压电泵是指利用费马螺线流管，依靠科氏力实现单向流动的容积型无阀压电泵。把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子通交流电时，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，从而导致压电泵泵腔的体积周期性变化，驱动流体在沿费马螺线流管和直流管中往返流动。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。在吸程阶段，流体沿第一直流管和第一费马螺线流管进入泵腔；在排程阶段，流体沿第一直流管和第一费马螺线流管流出泵腔。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费马螺线流管运动时，都会产生科氏力，使沿第一费马螺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，因此综合吸入和排出阶段，沿第一费马螺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一个流管流向泵的另一个流管；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。

同理，当本技术方案的费马螺线流管无阀压电泵有两个费马螺线流管时，把压电陶瓷片和金属片作为两极，向压电振子通交流电时，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，驱动流体在沿费马螺线流管、直流管往返流动；流体在沿费马螺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费马螺线流管运动时，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，使沿费马螺线流管流入和流出的流体所受的阻力不同，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，流体从第一费马螺线流管和第二费马螺线流管流入泵腔，此时压电泵处于吸入阶段，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，流体从第一费马螺线流管和第二费马螺线流管流出泵腔，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。

所述的压电薄膜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。当压电薄膜传感器两面的压力不同时，就会使压电薄膜的两侧产生电荷，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。

为说明本发明的技术方案，以下结合有关附图进行说明。本发明的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺工作时，先将其固定在某一平台上，建立如图13(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

流体沿费马螺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

向压电振子施加交流电压，泵开始工作。如图13(b)所示，当平台相对地球表面静止(不受到外界干扰)，即ω_z＝0时，由于ω₂是定值，所以此时

为一恒定值，设此定值为P₀；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h₂，则P₀＝(h₂-h₁)·ρg，其中ρ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≠0，设此时，第一导管内的液面到压电薄膜的高度在Z轴上的分量由h₁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h₂变为

则

设ΔP＝P-P₀，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，也就是说通过压电薄膜传感器测量费马螺线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ω_z。

由以上可知，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ΔP(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。

有益效果

本发明所涉及的基于费马螺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。

附图说明

图1费马螺线示意图；

图2费马螺线流管无阀压电泵的立体分解示意图；

图3基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺的立体分解示意图；

图4基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺的结构局部剖视图；

图5泵下盖B-B剖视图；

图6泵下盖主视图；

图7(a)泵下盖主视图；(b)C向视图；(c)D向视图；

图8泵上盖主视图及E-E剖视图；

图9(a)安装块主视图；(b)F-F剖视图；(c)G向视图；

图10(a)押圈主视图；(b)H-H剖视图；

图11压电薄膜传感器的结构示意图；

图12压差测量装置装配剖视图；

图13陀螺测量角速度ω_z(泵压差)原理示意图；

图14本发明另一个实施例的腔体示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图2、图3、图7所示，本实施例的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，由费马螺线流管无阀压电泵、压差测量件、上盖17和第一导管18A、第二导管18B组成，所述的费马螺线流管无阀压电泵包括密封连接的下盖12和腔体13，下盖12和腔体13之间设有容纳有压电振子2的泵腔9，腔体13与下盖12之间还设有一个第一费马螺线流管10和第二费马螺线流管10B，所述的第一费马螺线流管10一端与泵腔9连通，另一端与腔体13上的第一通孔24连通，所述的第二费马螺线流管10B一端通过直流槽10A与泵腔9连通，另一端与腔体13上的第二通孔24A连通；腔体13朝向上盖17的一面设有一个凹形槽20，所述的凹形槽20一侧通过第一直流管19与第一通孔24连通，另一侧通过第二直流管19A与第二通孔24A连通；所述的压差测量件固定在凹形槽20内；第一导管18A通过上盖17上的第一连通孔6A与第一直流管19连接，第二导管18B通过上盖17上的第二连通孔6B与第二直流管19A连接。下盖12、腔体13和上盖17上对应的位置都设有螺栓孔8，彼此通过螺母4和螺栓5连接在一起。

如图7(a)所示，所述的第一费马螺线流管10为以第一通孔24为中心和起点顺时针旋向的流管，所述的第二费马螺线流管10B为以第二通孔24A为中心和起点逆时针旋向的流管，即二个费马螺线流管的旋向总是相反的。

如图3、图4、图5、图6、图7所示，在所述的费马螺线无阀压电泵的部分中，流体的通道为第一直流管19、第一通孔24、第一费马螺线流管10、泵腔9、第二费马螺线流管10B、第二通孔24A和第二直流管19A。而第一导管18A通过上盖17上的第一连通孔6A与第一直流管19连通，第二导管18B通过上盖17上的第二连通孔6B与第二直流管19A连通，形成本发明中陀螺的流体通道。第一导管18A通过第一连通孔6A与第一过渡槽11连通，第二导管18B通过第二连通孔6B与第二过渡槽11A连通，即第一导管18A和第二导管18B分别为本实施例陀螺装置的流体进口和流体出口。

如图3所示，所述的压差测量件包括一个固定块14，固定块14固定在凹形槽20中，固定块14上设置有一个压电薄膜传感器15，压电薄膜传感器15上向外界引出导线；固定块14紧密地嵌合在凹形槽20中，其将第一直流管19、第一过渡槽11和第二过渡槽11A、第二直流管9A间隔开。如图5、8、9、11所示，固定14的中间位置开有阶梯状通孔21，用于安装压电薄膜传感器15和押圈16，在固定块14的一个侧面的中心位置开有微型通孔22，用于将传感器15的导线从上盖17上的微孔23引出。

如图2、图8所示，所述的泵腔9截面呈圆形，由设在腔体13上的第一凹槽9A和设在下盖13上的阶梯状通孔7组成，压电振子2粘结固定在阶梯状通孔7内，并且使阶梯状通孔7密封。

如图11所示，压电薄膜力传感器15是由压电薄膜27、双芯电缆25、薄铜片29、导电胶30、绝缘和防湿薄膜26等构成的，压电薄膜27的两面各镀着一层导电膜，小薄铜片29粘贴在压电薄膜27的表面，小薄铜片29上在焊锡点28处焊了一种很细且弹性很好的双芯电缆25，在压电薄膜27、双芯电缆25、小薄铜片29、导电胶30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27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。

实施例二：

如图14所示，本实施例的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺的结构与实施例一基本相同，不同的是本实施例中仅设有一个费马螺线流管10，这样即可实现其中费马螺线流管无阀压电泵的功能，从而实现陀螺的功能。

Claims

1.一种基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，由费马螺线流管无阀压电泵、压差测量件、上盖（17）和第一、第二导管（18A、18B）组成，所述的费马螺线流管无阀压电泵包括密封连接的下盖（12）和腔体（13），下盖（12）和腔体（13）之间设有容纳有压电振子（2）的泵腔（9），腔体（13）与下盖（12）之间还设有一个第一费马螺线流管（10）和第一直流槽（10A），所述的第一费马螺线流管（10）一端与泵腔（9）连接，另一端与腔体（13）上的第一通孔（24）连接，所述的第一直流槽（10A）一端与泵腔（9）连接，另一端与腔体（13）上的第二通孔（24A）连接；腔体（13）朝向上盖（17）的一面设有一个凹形槽（20），所述的凹形槽（20）一侧通过第一直流管（19）与第一通孔（24）连通，另一侧通过第二直流管（19A）与第二通孔（24A）连通；所述的压差测量件固定在凹形槽（20）内；第一导管（18A）通过上盖（17）上的第一连通孔（6）与第一直流管（19）连接，第二导管（18B）通过上盖（17）上的第二连通孔（6A）与第二直流管（19A）连接。

2.如权利要求1所述的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的压差测量件包括一个固定块（14），固定块（14）固定在凹形槽（20）中，固定块（14）上设置有一个压电薄膜传感器（15），压电薄膜传感器（15）上向外界引出导线。

3.如权利要求1所述的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的凹形槽（20）一侧通过第一过渡槽（11）与第一直流管（19）连通，另一侧通过第二过渡槽（11A）与第二直流管（19A）连通。

4.如权利要求3所述的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，第一导管（18A）通过第一连通孔（6）与第一过渡槽（11）连通，第二导管（18B）通过第二连通孔（6A）与第二过渡槽（11A）连通。

5.如权利要求1所述的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的腔体（13）与下盖（12）之间还设有一个第二费马螺线流管（10B），其一端与第一直流槽（10A）连接，另一端与第二通孔（24A）连接。

6.如权利要求5所述的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的第二费马螺线流管（10B）为以第二通孔（24A）为中心和起点逆时针旋向的流管。

7.如权利要求1所述的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的第一费马螺线流管（10）为以第一通孔（24）为中心和起点顺时针旋向的流管。

8.如权利要求1所述的基于费马螺线流管无阀压电泵的陀螺，其特征在于，所述的泵腔（9）截面呈圆形，由设在腔体（13）上的第一凹槽（9A）和设在下盖（13）上的阶梯状通孔（7）组成，压电振子（2）粘结固定在阶梯状通孔（7）内，并且使阶梯状通孔（7）密封。