CN1153046C - 双向合成喷射流陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域。涉及双向合成喷射流陀螺仪。采用两股速度相反的完全相同的由带驱动器的振动膜、合成喷腔体和喷口构成的合成喷射流源，一对或者多对温度传感器对称布置在合成喷射流的中心线两侧，该温度传感器的位置位于喷口直径9-15倍距离外。本发明无论在匀角速度和非匀角速度情况下，都能顺利地检测角速度，结构简单，寿命长，可以采用微加工技术，加工方便，成本低。灵敏度和分辨率较高。本发明适合于不同场合下的应用，特别是工作环境恶劣的情况。

Description

双向合成喷射流陀螺仪

本发明属于传感器技术领域。

在汽车、军事、民用产品(比如照相机，玩具，鼠标)、工业控制、航空及船舶等领域都需要大量应用角速度传感器或者陀螺仪。研制性能更好、可靠性更高、价格更低的新型陀螺仪是人们一直在追求的一个目标。目前已经应用的测量角速度的器件中，一个普遍的特点是需要旋转部件。旋转部件的存在使得器件的寿命短，可靠性低，另外，它也使得微加工困难，成本升高。美国专利5012676提出了一种以气体射流作为工作介质的陀螺仪，其示意图如图1所示。它用一个泵1，2通过喷口3来形成流体流动，这股流体流经一个狭长流道5并受到加热片4的加热而形成热流体，随后经由喷口6在空腔7中形成射流，并射到两个对称布置在空腔中心线上的热敏传感器8上。当没有角速度的时候，射流没有偏转，两个热敏感丝检测到相同的温度，而当有角速度的时候，射流发生偏转，两个热敏传感器之间形成温度差，这一差值中包含着角速度的信息，通过测量温度差可以测量角速度。上述陀螺仪存在一个重大缺点，由于射流只沿着一个方向，当应用于非匀角速度的情况的时候，射流的偏转是同时受到哥氏力和切向力的作用，因此，两个热敏感丝检测到的温差中包含有角速度ω和角加速度 信息。这意味着在应用于非匀角速度情况时候，上述陀螺仪得不到正确的角速度信息。另外，上述陀螺仪中的关键的部件为泵1，2和流道5，这种结构使得这种陀螺仪的尺寸较大，价格偏高。同时，狭长的流道5使射流速度衰减很快，这将导致陀螺仪的灵敏度和分辨率大大降低。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种双向合成喷射流陀螺仪，它以气体射流作为工作介质，能够在非匀角速度情况下有效地剔除角加速度 信息，获得角速度信息。同时具有结构简单、可靠性好、灵敏度和分辨率高、成本低的特点。

本发明提出一种双向合成喷射流陀螺仪，其特征在于，采用两股速度相反的完全相同的由带驱动器的振动膜、合成喷腔体和喷口构成的合成喷射流源，一对或者多对温度传感器对称布置在所说的合成喷射流源的中心线两侧，该温度传感器的位置位于喷口直径9-15倍距离外。

本发明可采用精密机械加工或者微加工技术制作。

所说的合成喷的驱动器为电磁，压电，静电等驱动方式之任意一种。

本发明还包括设置在所说的合成喷射流源外的一外壳，固定在外壳内通过所说喷口与合成喷腔体相通的射流工作腔体，该温度传感器设置在射流工作腔体内固定在外壳和腔体一侧边的带有测量电路的线路板，对称布置在所说射流工作腔体上的多个回流和散热孔。

本发明的工作原理和特性：

首先简单介绍一下合成喷的概念。图2是合成喷的基本工作原理图。图中有一个腔体10，腔体10一侧是薄膜9，另一侧有一个小孔(喷口)11，通过薄膜周期振动的方式使得气体周期性地由小孔进入和流出腔体。在气体流出小孔时，流出的气体和周围静止气体之间形成一个剪切层，这层涡旋将卷绕形成一个涡环12，它在自引作用下离开腔体向下游运动。与此同时，随着薄膜往回运动，气体将从小孔被吸入空腔，而涡环此时已远离腔体，因此不受吸入过程的影响。这样，一系列的涡环将形成，这些涡环在运动过程中将经历不稳定及破碎等过程而最终在小孔附近形成紊流喷13。这种喷有几个特点：1)无需流体输送，净质量流量为零；2)电参数控制，射流的速度可以通过改变驱动器电参数来进行。上述特点使得合成喷可以方便地集成于角速度的测量中，它简化了一般的喷射流需要的泵装置，可以采用微加工技术来加工，从而大大降低成本。

双向合成喷射流陀螺仪测量角速度的示意图如图3所示。图中14为双向合成喷射流陀螺仪，F_L为离心力，F_K为科氏力，V_r为相对被测量物测量器件内的速度，ω为要测量的角速度。在匀角速度情况下，F_K中只包含着科氏力，此时可以得到比例于的电信号，这比单喷射流

增大一倍。而在非匀角速度情况下，由于F_K中包含着科氏力和切向力，如前所述，单方向射流陀螺仪无法准确检测，而对本文的双向合成喷射流陀螺仪的双喷，左边喷的科氏力 $F_{\mathrm{KL}}=-m(\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}\×R-2\mathrm{\ω}\×V_r),$ 右边喷的科氏力为 $F_{\mathrm{KR}}=-m(\stackrel{.}{\mathrm{\ω}}\×R+2\mathrm{\ω}\×V_r).$ 综合有：F＝F_KL-F_KR＝4ω×V_r。显然通过相反方向射流的双喷，无论在匀角速度和非匀角速度情况下，都能顺利地检测角速度，同时相比单喷射流的陀螺仪能增大灵敏度一倍。

双向合成喷射流陀螺仪是利用上述原理并结合合成喷概念形成的。由于没有泵和狭长流道，这种陀螺仪可以采用两种方式加工完成，一是精密机械加工，二是微机械加工，也就是用硅材料经IC技术加工。它通过合成喷产生射流来作为工作介质，在没有角速度的情况下，射流不会发生偏转，如图4所示。这个时候，对称布置在射流中的一对或者多对加热的热敏传感器将受到相对低温的气流的同样的冲击，因此温度相同，不会有电信号输出。当有角速度的时候，由于受到科氏力作用，射流发生偏转，示意图如图5所示。这时候，相对应的一对热敏传感器所受的射流冲击发生差异，温度差将在这两个传感器之间产生，这个温度差正比于射流受力，而射流受力中包含着角速度的信息，因此通过测量温度差可以获得角速度的信息。

本发明的特点和应用范围：

1、采用双喷对射，可以测量匀角速度和非匀角速度，灵敏度相比单喷射流陀螺增大一倍。

2、由于采用合成喷装置作为射流源，采用流体作为工作介质，没有旋转部件，因此这种陀螺仪的工作寿命比较长。

3、采用合成喷形成射流，没有狭长流道，结构简单，便于加工制造；

4、射流直接作用在敏感器件上，射流速度较大，因此灵敏度和分辨率高。

5、由于合成喷和热敏传感器的微加工技术成熟，可以利用制造集成电路的工艺(IC技术)大量制造，大大降低了成本，因此适用于需要低成本的情况，比如用于汽车里的气囊安全系统和玩具；

6、本发明适合于不同场合下的应用，特别是工作环境恶劣的需要长寿命的情况。

附图简要说明：

图1为已有的射流陀螺仪的结构示意图。

图2为本发明的合成喷的工作原理示意图。

图3为本发明的角速度测量原理示意图。

图4为在本发明中没有角速度射流呈左右对称图。

图5为在本发明中有角速度射流发生偏转图。

图6为本发明的使用一对传感器的实施例一的结构示意图。

图7为本发明的使用两对传感器的实施例二的结构示意图。

本发明设计出两种双向合成喷射流陀螺仪实施例，结合附图详细说明如下：

实施例一为具有一对温度传感器的双向合成喷射流陀螺仪，其结构如图6所示。图中左右两边沿振动膜中心线完全对称，这里以左边一半来进行说明。封装外壳15可为圆柱形或者方形，射流工作腔体18固定在外壳15上，在射流工作腔体的一边为带有测量电路的线路板16，它固定在外壳15和射流工作腔体18上。在射流工作腔体18右侧布置上下对称的合成喷，它们由驱动器振动膜21和合成喷腔体22及喷口20构成。振动膜21的驱动器可以采用压电驱动、静电驱动或者电磁驱动，其中电磁驱动的振幅可以较大，有利于高射流速度的形成，实施例一中振动膜的驱动器采用电磁驱动，工作频率为500Hz。喷口20的尺寸可根据需要权衡选择，一般说来，在半周期平均质量流量相同的条件下，小尺寸喷口设计的角速度计的灵敏度和分辨率要高于大尺寸喷口的设计，实施例一中的喷口直径为0.5mm，振动薄膜21a和21b距离中心线高度均为1mm。为了检测射流，以喷口20中心线为对称线布置的两个温度传感器19a和19b固定在射流工作腔体上，其到喷口20的距离在实施例一中为10倍的喷口直径，也就是距离喷口为5mm。温度传感器采用加热热敏电阻丝构成，它的温度比射流温度要高。为了有效的形成射流和防止腔体18内温度升高，四个回流和散孔17a-17d分别对称布置在射流工作腔体18上，其中两个在加热热敏电阻丝的左边，两个布置在右边。工作腔体在实施例一中长度取为10mm，高度为5mm，回流和散热孔径为0.2mm。

上述装置主要是通过由21，22和20构成的合成喷来产生射流，在没有角速度的情况下，射流不会发生偏转。这个时候，对称布置在射流中的一对加热的热敏传感器将受到相对低温的气流的同样的冲击，由于温度相同，不会有电信号输出。当有角速度的时候，由于科氏力作用，射流发生偏转。这时候，一对温度传感器所受的射流冲击发生差异，温度差将在两个传感器之间产生，这个温度差正比于科氏力，而科氏力中包含着角速度的信息，因此通过测量温度差可以获得角速度的信息。

除了图6所示的一对温度传感器布置外，实施例二为具有两对温度传感器的双向合成喷射流陀螺仪，其结构如图7所示，图中温度传感器分别为19a-19d，其他结构与图6基本相同，工作原理也基本相同，但检测精度更高。实施例二中的一边工作腔体长度取为9mm，高度为4mm，回流和散热孔径为0.2mm，振动薄膜的驱动器为压电驱动，振动频率为2000Hz，喷口直径为0.3mm，振动薄膜21a和21b距离中心线高度均为0.5mm，温度传感器距离喷口的距离为14倍的喷口直径，也就是5.2mm。

除以上两个实施例外，还可以采用多对传感器对称布置，这样将有利于提高检测精度，减小误差。

Claims (4)

1.一种双向合成喷射流陀螺仪，其特征在于，采用两股速度相反的完全相同的由带驱动器的振动膜、合成喷腔体和喷口构成的合成喷射流源，一对或者多对温度传感器对称布置在所说的合成喷射流源的中心线两侧，该温度传感器的位置位于喷口直径9-15倍距离外。

2.如权利要求1所述的双向合成喷射流陀螺仪，其特征在于，采用精密机械加工或者微加工技术制作。

3.如权利要求1所述的双向合成喷射流陀螺仪，其特征在于，所说的合成喷的驱动器为电磁，压电，静电驱动方式之任意一种。

4.如权利要求1所述的双向合成喷射流陀螺仪，其特征在于，还包括设置在所说的合成喷射流源外的一外壳(15)，固定在外壳内通过所说喷口与合成喷腔体相通的射流工作腔体(18)，该温度传感器设置在射流工作腔体内固定在外壳和腔体一侧边的带有测量电路的线路板(16)，对称布置在所说射流工作腔体上的多个回流和散热孔(17)。

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