專(zhuān)利名稱(chēng)：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(cè)量運(yùn)動(dòng)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(méi)有傳統(tǒng)陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也沒(méi)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(yīng)時(shí)間短、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在角速度的測(cè)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(guò)端蓋2封閉，在殼體I內(nèi)設(shè)置筒狀的測(cè)試腔體7，測(cè)試腔體7上一端設(shè)置有進(jìn)氣噴嘴71，另一端設(shè)置有出氣口 72，測(cè)試腔體內(nèi)部靠近出氣口 72設(shè)置有熱敏元件8，外殼I與測(cè)試腔體7之間設(shè)置有偶數(shù)個(gè)氣體循環(huán)通道3，氣體循環(huán)通道3連接進(jìn)氣噴嘴71和出氣口 72，并且與測(cè)試腔體7構(gòu)成封閉的氣流流道，壓電泵5設(shè)置在測(cè)試腔體7的裝有進(jìn)氣噴嘴71 一端的外側(cè)，通過(guò)進(jìn)氣噴嘴71向測(cè)試腔體7內(nèi)壓入氣流束，氣體沿圖中箭頭方向單向流動(dòng)。氣流束均勻打在熱敏元件8上，隨陀螺的角速度變化，流過(guò)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(guò)捕捉氣流束的分布變化計(jì)算陀螺的角速度，因此，很小的亂流介入都會(huì)對(duì)這種高精度裝置的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。但是，由于測(cè)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(huì)阻礙氣流束的流動(dòng)，產(chǎn)生擾亂氣流正常流動(dòng)的渦流區(qū)，而且氣流束由小開(kāi)口的進(jìn)氣噴嘴71進(jìn)入測(cè)試腔體7后截面的驟然變化，也會(huì)使得測(cè)試腔體7內(nèi)部形成多個(gè)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(cè)量精度，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)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(cè)試腔體按氣流方向分為三個(gè)連續(xù)的部分，分別是導(dǎo)向段、流動(dòng)段和匯流段三段構(gòu)成。導(dǎo)向段對(duì)剛進(jìn)入測(cè)試腔體的氣流束進(jìn)行導(dǎo)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(dòng)段保證有足夠的循環(huán)空間來(lái)促進(jìn)測(cè)試腔體內(nèi)氣流的流動(dòng)；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(dòng)區(qū)域，又可以充分利用測(cè)試腔體內(nèi)的空間，加快測(cè)試腔體內(nèi)氣流的循環(huán)流動(dòng)速度，同時(shí)還可以減少測(cè)試腔體內(nèi)渦流現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高測(cè)量精度和陀螺工作的穩(wěn)定性，通過(guò)采用這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)試腔體，極大程度上減小了亂流對(duì)測(cè)量精度和準(zhǔn)確度的影響。為了實(shí)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(guò)端蓋封閉，殼體內(nèi)設(shè)置有測(cè)試腔體，所述測(cè)試腔體上開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣噴嘴和出氣口，測(cè)試腔體內(nèi)靠近出氣口處設(shè)置有熱敏元件，殼體與測(cè)試腔體之間設(shè)置有連接所述進(jìn)氣噴嘴和所述出氣口的氣體循環(huán)通道，測(cè)試腔體的進(jìn)氣噴嘴外側(cè)設(shè)置有將氣體壓入測(cè)試腔體的壓電泵，測(cè)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(cè)試腔體為徑向中心對(duì)稱(chēng)，測(cè)試腔體自所述進(jìn)氣噴嘴至出氣口依次包括用于對(duì)氣流束擴(kuò)散角度導(dǎo)向的導(dǎo)向段、供氣流束順暢流動(dòng)的流動(dòng)段和通過(guò)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(shè)置在所述匯流段末端。進(jìn)一步，所述導(dǎo)向段設(shè)置呈錐型，所述錐形的小口端連接所述進(jìn)氣噴嘴，其大口端連接所述流動(dòng)段，流動(dòng)段設(shè)置呈直筒形，所述匯流段設(shè)置呈中部開(kāi)口的弧型，所述中部開(kāi)口與所述出氣口連接，導(dǎo)向段、流動(dòng)段和匯流段沿軸線(xiàn)的長(zhǎng)度比例為2:5:1。進(jìn)一步，所述導(dǎo)向段徑向截面呈喇叭形，該喇叭形開(kāi)口角度為60度-120度。進(jìn)一步，所述喇叭形開(kāi)口角度為42度。進(jìn)一步，所述流動(dòng)段的直徑和軸線(xiàn)的長(zhǎng)度比例為I :1。進(jìn)一步，所述匯流段的弧形為1/4個(gè)圓，其半徑與所述流動(dòng)段直徑比為I :4_10。進(jìn)一步，所述進(jìn)氣噴嘴沿氣流方向直徑漸短的縮口。進(jìn)一步，所述出氣口沿氣流方向直徑漸短的縮口。進(jìn)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(kāi)設(shè)在靠近出氣口一側(cè)的所述端蓋上，通過(guò)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(shè)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(dǎo)向分流，避免產(chǎn)生亂流。進(jìn)一步，所述氣體循環(huán)通道與集流槽的連接端設(shè)置有饋送口，所述饋送口設(shè)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(cè)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(cè)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(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(cè)試腔體7、熱敏元件8和信號(hào)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(shè)置有供電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)的絕緣子引出殼體I的信號(hào)引出口 9，當(dāng)電源和導(dǎo)線(xiàn)引出后，將信號(hào)引出口 9封閉，使殼體I內(nèi)成為一個(gè)密閉空間。測(cè)試腔體7設(shè)置在殼體I內(nèi)的中心位置，在圖中測(cè)試腔體7的左端設(shè)置有進(jìn)氣噴嘴71，進(jìn)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(xiàn)與測(cè)試腔體7的中心軸線(xiàn)重合，進(jìn)氣噴嘴71的主要功能是產(chǎn)生射流束，是進(jìn)入測(cè)試腔體7內(nèi)的氣流流動(dòng)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(jìn)入腔體，相比以前的矩形結(jié)構(gòu)進(jìn)氣噴嘴可在一定程度上減小了進(jìn)氣噴嘴口 6兩端側(cè)壁所受壓力，能增強(qiáng)射流陀螺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其壽命。在測(cè)試腔體7的右端開(kāi)設(shè)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(shè)置在測(cè)試腔體7內(nèi)部靠近出氣口 72處，且與信號(hào)處理電路電連接。壓電泵5設(shè)置在測(cè)試腔體7的左側(cè)，端蓋2通過(guò)碟簧4將壓電泵5壓靠在靠近進(jìn)氣噴嘴6的一端的外側(cè)。測(cè)試腔體7剖面為滿(mǎn)足一定長(zhǎng)度比例的流線(xiàn)型瓶頸狀結(jié)構(gòu)，測(cè)試腔體7為徑向中心對(duì)稱(chēng)，進(jìn)氣噴嘴71和出氣口 72分別設(shè)置在測(cè)試腔體7軸向兩端，并位于測(cè)試腔體7的中心軸上，測(cè)試腔體7自進(jìn)氣噴嘴71至出氣口 72依次包括用于對(duì)氣流束擴(kuò)散角度導(dǎo)向的導(dǎo)向段73、供氣流束順暢流動(dòng)的流動(dòng)段74和通過(guò)平滑斜面使氣流束匯集至出氣口 72的匯流段75。導(dǎo)向段73設(shè)置呈錐型，導(dǎo)向段73徑向截面呈喇叭形，該喇叭形開(kāi)口角度為30度-60度，優(yōu)選為42度。錐形的小口端連接進(jìn)氣噴嘴6，其大口端連接流動(dòng)段74 ;流動(dòng)段74設(shè)置呈直筒形，流動(dòng)段74的直徑和軸線(xiàn)的長(zhǎng)度比例為I :1 ;匯流段75設(shè)置呈連接流動(dòng)段74和出氣口 72的弧形，導(dǎo)向段73、流動(dòng)段74和匯流段75沿軸線(xiàn)的長(zhǎng)度比例為2:5:1。氣流經(jīng)進(jìn)氣噴嘴71噴出，在腔體7內(nèi)進(jìn)氣噴嘴附近有較大的沿射流束軸向速度，導(dǎo)向段75對(duì)氣流有較好的導(dǎo)向引流作用；測(cè)試腔體7內(nèi)中部的流動(dòng)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(huì)逐漸的向射流中心軸兩側(cè)擴(kuò)散，因此要有足夠的射流循環(huán)空間來(lái)促進(jìn)測(cè)試腔體7內(nèi)氣流的流動(dòng)；匯流段75的為中部開(kāi)口的弧型，弧型為1/4圓弧結(jié)構(gòu)，其半徑與流動(dòng)段76的直徑比為I :4-10，中部開(kāi)口與出氣口 72對(duì)接。在測(cè)試腔體7的外側(cè)，沿軸向均勻設(shè)置有偶數(shù)個(gè)氣體循環(huán)通道3，本實(shí)施例的氣體循環(huán)通道3為四個(gè)，氣體循環(huán)通道3的斷面為圓形，設(shè)置在測(cè)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(cè)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(kāi)設(shè)在靠近出氣口 72 —側(cè)的端蓋2上，通過(guò)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(shè)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(dǎo)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(shè)置有饋送口 31，饋送口 31設(shè)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(dòng)，從另一個(gè)角度看，饋送口 31此結(jié)構(gòu)在氣體循環(huán)流動(dòng)中可看為一個(gè)單向閥，既對(duì)氣流的流動(dòng)有單向引流作用，又能匯聚氣流，使得進(jìn)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(jìn)氣流在循環(huán)通道內(nèi)的循環(huán)。此種結(jié)構(gòu)既可為測(cè)試腔體7內(nèi)氣流循環(huán)提供更緩和順暢的流動(dòng)區(qū)域，又可充分利用測(cè)試腔體7內(nèi)的空間，加快氣流的循環(huán)流動(dòng)，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(yàn)證腔體內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)情況較好，見(jiàn)圖3-圖5，分析如下
導(dǎo)向段73、流動(dòng)段74、匯流段75這三種結(jié)構(gòu)在腔體中心軸線(xiàn)上的比例為2:5:1; 導(dǎo)向段73開(kāi)口角度為42度；
流動(dòng)段74為12. 5*13的矩形，長(zhǎng)寬比約為I的長(zhǎng)方形； 匯流段75兩側(cè)的1/4圓弧的半徑r為2. 5mm。進(jìn)氣噴嘴和出氣口大小分別為Imm和4mm,兩種結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣噴嘴和出氣口尺寸相同；
以進(jìn)氣噴嘴中心為原點(diǎn)，定義靜態(tài)時(shí)射流束軸向垂直方向?yàn)閄軸，射流束軸向方向?yàn)閥軸。進(jìn)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(duì)稱(chēng)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(diǎn)處兩種結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)的速度分布。在進(jìn)氣噴嘴附近(y=0. 5mm)和腔體中間(y=2mm)附近,本專(zhuān)利的測(cè)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(cè)試腔體，在出氣口附近二者的速度相當(dāng)；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(cè)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(cè)試腔體，然而在測(cè)試腔體側(cè)壁附近，本發(fā)明的測(cè)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(cè)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(shuō)明本發(fā)明，本發(fā)明的實(shí)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(shí)施方式
都在本發(fā)明的保護(hù)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(guò)端蓋封閉，殼體內(nèi)設(shè)置有測(cè)試腔體，所述測(cè)試腔體上開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣噴嘴和出氣口，測(cè)試腔體內(nèi)靠近出氣口處設(shè)置有熱敏元件，殼體與測(cè)試腔體之間設(shè)置有連接所述進(jìn)氣噴嘴和所述出氣口的氣體循環(huán)通道，測(cè)試腔體的進(jìn)氣噴嘴外側(cè)設(shè)置有將氣體壓入測(cè)試腔體的壓電泵，測(cè)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(cè)試腔體為徑向中心對(duì)稱(chēng)，測(cè)試腔體自所述進(jìn)氣噴嘴至出氣口依次包括用于對(duì)氣流束擴(kuò)散角度導(dǎo)向的導(dǎo)向段、供氣流束順暢流動(dòng)的流動(dòng)段和通過(guò)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(shè)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(dǎo)向段設(shè)置呈錐型，所述錐形的小口端連接所述進(jìn)氣噴嘴，其大口端連接所述流動(dòng)段，流動(dòng)段設(shè)置呈直筒形，所述匯流段設(shè)置呈中部開(kāi)口的弧型，所述中部開(kāi)口與所述出氣口連接，導(dǎo)向段、流動(dòng)段和匯流段沿軸線(xiàn)的長(zhǎng)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(dǎo)向段徑向截面呈喇叭形，該喇叭形開(kāi)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(kāi)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(dòng)段的直徑和軸線(xiàn)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(gè)圓，其半徑與所述流動(dòng)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(jìn)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(kāi)設(shè)在靠近出氣口一側(cè)的所述端蓋上，通過(guò)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(shè)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(dǎo)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(shè)置有饋送口，所述饋送口設(shè)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(guò)端蓋封閉，殼體內(nèi)設(shè)置有測(cè)試腔體，所述測(cè)試腔體上開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣噴嘴和出氣口，測(cè)試腔體內(nèi)靠近出氣口處設(shè)置有熱敏元件，殼體與測(cè)試腔體之間設(shè)置有連接所述進(jìn)氣噴嘴和所述出氣口的氣體循環(huán)通道，測(cè)試腔體的進(jìn)氣噴嘴外側(cè)設(shè)置有將氣體壓入測(cè)試腔體的壓電泵，測(cè)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(cè)試腔體為徑向中心對(duì)稱(chēng)，測(cè)試腔體自所述進(jìn)氣噴嘴至出氣口依次包括用于對(duì)氣流束擴(kuò)散角度導(dǎo)向的導(dǎo)向段、供氣流束順暢流動(dòng)的流動(dòng)段和通過(guò)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(shè)置在所述匯流段末端。提高測(cè)量精度和陀螺工作的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G01C19/58GK102980567SQ20121048107
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)