專利名稱：一種基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種陀螺，尤其涉及一種基于無閥壓電泵的陀螺。
背景技術：
陀螺的原意為高速旋轉的剛體，而現(xiàn)在一般將能夠測量相對慣性空間的角速度和角位移的裝置稱為陀螺。由于陀螺具有自主導航能力的特性，所以自問世以來，就引起人們極大關注，一直是各國重點發(fā)展的技術之一。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀能提供準確的方位、水平等信號，以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的導航中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛(wèi)星上的照相機相對地面穩(wěn)定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈發(fā)射等提供準確的方位基準。由此可見，陀螺技術的應用范圍是相當廣泛的，它在現(xiàn)代化的國防建設和國民經(jīng)濟建設中均占重要的地位。雖然陀螺的誕生至今已有100多年的歷史，但目前由于受到成本、技術等因素的限制，陀螺儀大多應用于艦艇、導彈、飛機等大型高性能的導航與制導系統(tǒng)，用在民用運載工具方面的應用卻很少，因此，實用新型制作一種技術簡單、成本低廉、可以大量應用在民用運載工具上的陀螺儀是十分必要的。

實用新型內容技術問題本實用新型要解決的技術問題是提供一種加工制作簡單，成本低廉，并具有較好精度的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺?？朔爽F(xiàn)有的陀螺技術復雜、成本高、不能大量應用在民用運載工具上的缺點。技術方案為了解決上述的技術問題，本實用新型涉及的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺包括由上蓋和下蓋密封組成的泵體，泵體內設有容納有壓電振子的泵腔，還包括一圓柱體，所述的圓柱體底端固設在上蓋的上面，所述的圓柱體側面刻有圍繞圓柱體的螺旋流管槽，圓柱體外套一圓管，該圓管與圓柱體之間為過盈配合，圓管頂端設有端蓋，端蓋與圓柱體之間留有間隙，端蓋、圓管和上蓋將圓柱體進行密封，從而使圓管覆蓋在螺旋流管槽的開口上形成螺旋流管；所述的圓柱體中心處設有連通所述間隙和上蓋上通孔的第一直流管，所述通孔與泵腔連通；所述圓柱體還設有與第一直流管連通的第二直流管；螺旋流管槽一端與間隙連通，另一端通過上蓋上的直流管與泵腔連通；圓柱體頂端固定有一壓電薄膜傳感器， 所述壓電薄膜傳感器固定安裝在間隙和第一直流管之間，將第一直流管與間隙隔開而不連通，從而形成壓電泵的兩個流道；所述的壓電薄膜傳感器通過端蓋上的小通孔向外界引出
3導線，并且導線引出后要將微小通孔密封；端蓋上設有與間隙連通的第一導管，該第一導管作為流體的一個進出口，第二直流管與第二導管相連通，該第二導管作為流體的另一個進出口，兩導管開口端設置成與圓柱體的軸線平行。所述的螺旋流管槽下端通過其上的一過渡槽與上蓋上的連直流管相連通，使該螺旋流管槽與泵腔的平緩連通。一般地，第一直流管處于圓柱體的中心，且與泵體上蓋相垂直，第二直流管又與第一直流管相互垂直；第二直流管的軸線應當位于螺旋流管槽相鄰的兩段流槽之間，而從圓柱體內延伸至外部。上蓋上設有定位螺孔和圓形凹坑，圓柱體的底面上設有與所述的定位螺孔位置相對應的螺紋孔，定位螺孔與螺紋孔相配合將圓柱體固定在圓形凹坑內。為了安裝第二導管，圓管上與第二直流管開口相對應的位置有一圓形開孔，該圓形開孔使得第二直流管從圓柱體內部延伸至外部。第一導管通過端蓋上的圓形通孔與間隙連通，端蓋上設有一微孔，壓電薄膜傳感器延伸出的導線從該微孔中穿出。為便于加工，所述的螺旋流管槽截面呈矩形。本技術方案的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其主要組成部分為一螺旋流管無閥壓電泵，是利用圓柱形螺旋流管，依靠科氏力實現(xiàn)單向流動的容積型無閥壓電泵。該泵的工作原理為把壓電陶瓷片和金屬片作為兩極，向壓電振子施加交流電壓，壓電振子在逆壓電效應下產生軸向振動，引起泵腔容積變化，驅動流體沿螺旋流管、直流管往返流動；流體在沿螺旋流道往返流動的時候，由于受到地球自轉、泵體受擾動而產生角速度的影響以及流體自身沿螺旋流管運動，都會產生科氏力，對沿逆時針和順時針方向旋轉的流體產生不同作用，從而使流體在通過螺旋流槽的往返方向上流動受到的阻力不同，使得整個周期內會有凈流量從泵腔流入和流出，當壓電振子連續(xù)振動時，流體在宏觀上就會表現(xiàn)為單向流動，實現(xiàn)泵的功能。所述的壓電薄膜力傳感器是由具有正壓電效應的壓電材料制成的，其原理是利用正壓電效應來實現(xiàn)力電轉化，即當壓電材料受到機械應力時，就會產生電極化，從而產生電荷，所產生的電荷多少與機械應力成正比。利用信號分析裝置對所產生的電信號進行測量分析，就可以得到力的大小。
以下結合附圖對本實用新型的工作原理進行描述，本實用新型的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺工作原理為將該陀螺裝置固定在某一平臺上，建立如圖10(a)所示的空間直角坐標系自西向東方向為X軸，自南向北方向為Y軸，垂直地表向上方向為ζ軸。設地球自轉的角速度在 Z軸的分量為Az，流體沿螺旋流管流動時的角速度為ω2，平臺受到外界擾動時，產生的角速度在Z軸的分量為ω ζ ；泵的輸出壓力P是由<、ω 2、ω ζ決定的，因此可表示成,ω2,ωζ)α向壓電振子施加交流電壓，泵開始工作。如圖10(b)所示，當平臺相對地球表面靜止(不受到外界干擾)，即ωζ = 0時，由于<、ω2是定值，所以此時#<，％， )為一恒定值，設此定值為Ptl ；此時，第一導管內的液面到壓電薄膜的高度在Z軸上的分量為h1;第二導管內的液面到壓電薄膜的高度在Z軸上的分量為Ii2，則Ptl= (h2-gl) · Pg，其中P為流體
4密度，g為重力加速度。當平臺因受到外界干擾而產生角速度時，即ω z乒0，1^ρ(ω;,ω2,ωζ)=ρ，此時，第
一導管內的液面到壓電薄膜的高度在Z軸上的分量由Ill變?yōu)?lt;，第二導管內的液面到壓電薄膜的高度在ζ軸上的分量由Ii2變?yōu)閔;，則P = (h;-h) · Pg。設AP = P-Ptl, Δ P可以是正值，也可以是負值和零。ΔΡ(或P)與《2之間存在著對應關系，即對于每一個ΔΡ(或P)值，都有一個ω 2相對應，也就是說通過壓電薄膜傳感器測量螺旋流管無閥壓電泵的輸出壓力P，就可以得到平臺受到擾動時產生的角度在Z軸上分量ωζ。由以上敘述可知，本裝置對外界擾動產生的角速度有感知作用，并能通過測量輸出壓力ΔΡ(或P)，就可以得到這個角速度的具體數(shù)值，即實現(xiàn)了陀螺的功能。3.有益效果本實用新型的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺具有結構簡單、制作材料來源廣泛、成本低廉、易于實現(xiàn)、耗能低、無電磁干擾、靈敏度較高等優(yōu)點，可以大量應用于民用運載工具的姿態(tài)控制上。

圖1螺旋流管無閥壓電泵結構示意圖；圖2本實用新型一個實施例的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺整體結構示意圖；圖3上蓋B-B剖視圖；圖4上蓋主視圖；圖5 (a)泵下蓋主視圖；(b) C-C剖視圖；圖6(a)刻有螺旋流管槽的圓柱主視圖；(b)D-D剖視圖；(C)E向視圖；圖7 (a)圓管主視圖；(b)圓管F-F剖視圖；圖8端蓋剖視圖；圖9壓電薄膜傳感器的結構示意圖；圖10陀螺測量角速度ωζ(泵壓差)原理示意圖，其中，圖(a)為安裝方法示意圖， 圖(b)為測量壓差的示意圖。圖中標記含義為1、2-螺旋流管，3-泵體，4-壓電振子，5-螺釘，6_押圈，7_端蓋， 8-圓管，9-刻有螺旋流管槽的圓柱，10-過渡槽，11-螺栓和螺母，12-上蓋，13-下蓋，14-泵腔，15-方形通孔(直流管)，16-第一直流管，17-圓形通孔，18-定位螺釘，19-螺旋流管槽，20-第二導管，21-壓電薄膜傳感器，22-第一導管，23-螺栓孔，24-定位螺孔，25-定位凹坑，26-第二凹槽，27-螺紋孔，28-圓形階梯，29-第二直流管，30-圓形通孔，31-泵口， 32-微孔，33-粘貼在壓電薄膜上的絕緣和防濕薄膜，34-電纜線，35-壓電薄膜，36-焊錫點， 37-薄銅片，38-導電膠，39-第一凹槽。
具體實施方式
本實施例中，采用的螺旋流管無閥壓電泵與如圖1所示的無閥壓電泵具有類似結構，該螺旋流管無閥壓電泵由第一螺旋流管1、第二螺旋流管2、泵體3、壓電振子4、螺釘5、 押圈6組成，壓電振子4在泵腔內往復振動引起流體在第一螺旋流管1、泵腔和第二螺旋流管2中單向流動。
5[0035]如圖2、圖3所示，本實施例的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，包括由上蓋12和下蓋13密封組成的泵體，泵體內設有容納有壓電振子4的泵腔14，還包括一圓柱體9，圓柱體9的一個底面固定在上蓋12上，上蓋12和下蓋13通過螺栓11連接在一起；所述的圓柱體9側面刻有圍繞圓柱體9的螺旋流管槽19，圓柱體9外套設一圓管8，圓管8與圓柱體9 之間為過盈配合；圓管8頂端設有端蓋7，端蓋7和圓管8將圓柱體9封閉起來，從而使圓管8覆蓋在螺旋流管槽19的開口上形成螺旋流管。端蓋7與圓柱體9之間留有一間隙，圓柱體9設有連通所述間隙和上蓋12上通孔17的第一直流管16，所述通孔17與泵腔14連通；所述的圓柱體9還設有與第一直流管16連通的第二直流管四；其中，第一直流管16位于圓柱體9的中心處，且垂直于上蓋12設置，第二直流管四位于螺旋流管槽19之間并與第一直流管16相連通并相垂直；螺旋流管槽19 一端與間隙連通，另一端通過上蓋12上的連通孔15與泵腔14連通；圓柱體9頂端在第一直流管19的開口處又開有一圓形階梯觀， 其中固定有一壓電薄膜傳感器21，并將第一直流管19與間隙隔開而不連通；所述的壓電薄膜傳感器21向外界引出導線；端蓋7上設有與間隙連通的第一導管22，第二直流管四與第二導管20相連通。所述的螺旋流管槽19通過一過渡槽10與上蓋12上的連通孔15相連通。第一導管22與第二導管20開口端相互平行設置，且均與圓柱體9的軸線平行或垂直。為了防止使用過程中，陀螺各連接處產生流體滲漏，可以在各部件的連接處均勻涂硅膠密封。如圖2、3、4、5所示，所述的泵腔14為圓柱形腔體，包括位于上蓋12并且開口朝向下蓋13的第一凹槽39，以及位于下蓋13并且開口朝向第一凹槽39的第二凹槽沈，第二凹槽沈設計成通孔且邊緣處為階梯狀，壓電振子4粘貼固定在第二凹槽沈階梯狀邊緣處；上蓋12和下蓋13通過螺栓孔23和螺栓11固定在一起。上蓋12上設有一個圓形凹坑25和三個定位螺孔24，圓柱體9的一個底面通過定位螺孔M和螺紋孔27利用定位螺釘18固定在該圓形凹坑25內從而使其固定在上蓋12上。如圖6 (a)所示，所述的螺旋流管槽19為圍繞圓柱體9側面上螺旋狀的開槽，且其截面呈矩形；如圖6 (b)所示，第二直流管四位于螺旋流管槽19間并與第一直流管16相連通并相垂直；在圓柱體9的底面上、第一直流管16的頂端開有階梯孔觀用于安裝壓電薄膜傳感器21 ；如圖6 (c)所示，圓柱體9的底面上有三個螺紋孔27，與所述的定位螺孔M相對應，用于圓柱體9的定位。如圖7所示，圓管8上與第二直流管四開口相對應的位置有一圓形開孔30，該圓形開孔30使得第二直流管四得到從圓柱體9內部延伸至外部。如圖8所示，端蓋7上亦設有供第一導管22安裝的圓形通孔31，同時設有一微孔 32，壓電薄膜傳感器21延伸出的導線從該微孔32中穿出，并且導線引出后要將微孔32密封。如圖9所示，壓電薄膜傳感器是21由壓電薄膜35、雙芯電纜34、小薄銅片37、導電膠38、絕緣和防濕薄膜33組成，壓電薄膜35的兩面各鍍著一層導電膜，小薄銅片37粘貼在壓電薄膜的表面，小薄銅片37上焊了一種很細的彈性很好的雙芯電纜34，在壓電薄膜35、 雙芯電纜34、小薄銅片37、導電膠38上涂有絕緣和防濕材料。當壓電薄膜傳感器21兩面的壓力不同時，就會使壓電薄膜35的兩側產生電荷，電荷信號經(jīng)電荷放大器放大轉成電信號后，經(jīng)模數(shù)轉換器到計算機接受分析、計算、并給出測試結果，這樣使用壓電薄膜力傳感
6器即可測量泵的輸出壓力。本實施例采用220V、50Hz交流電壓，也可使用其它頻率的電壓；使用單側型壓電振子，把交流電加于壓電振子4的兩極——壓電陶瓷片和金屬片上面，使壓電振子4產生周期性的軸向彎曲變形，從而驅動壓電泵的工作。本實施例中，上蓋12、下蓋13、圓管8均采用有機玻璃加工制造；刻有螺旋流管槽 19的圓柱體9可以采用鋁加工制造，也可以采用有機玻璃加工制造；第一導管20、第二導管22采用市售件，可根據(jù)需求進行截取彎折；壓電振子4采用市售件，直徑為50mm，壓電陶瓷片和金屬片厚均為0. 1mm，金屬片的材料為黃銅；壓電薄膜傳感器21采用市售件，直徑為 IOmm,厚度不超過0. 1mm。
權利要求1.一種基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，包括由上蓋(12)和下蓋(13)密封組成的泵體，泵體內設有容納有壓電振子(4)的泵腔(14)，其特征在于，還包括一圓柱體(9)，所述圓柱體(9)底端固設在上蓋(12)上，所述圓柱體(9)側面設有圍繞圓柱體(9)的螺旋流管槽 (19)，圓柱體(9)外套設一圓管(8)，圓管(8)頂端設有端蓋(7)，端蓋(7)與圓柱體(9)之間有間隙，圓柱體(8)中設有連通所述間隙和上蓋(12)上通孔(17)的第一直流管(16)，所述通孔(17)與泵腔(14)連通；圓柱體(8)還設有與第一直流管(16)連通的第二直流管(29); 螺旋流管槽(19) 一端與間隙連通，另一端通過上蓋(12)上的連通孔(15)與泵腔(14)連通；圓柱體(9)頂端固定有一壓電薄膜傳感器(21)，所述壓電薄膜傳感器(21)固定安裝在間隙和第一直流管(16)之間，并且向外界引出導線；端蓋(7)上設有與間隙連通的第一導管(22)，第二直流管(29)與第二導管(20)相連通。
2.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，所述的螺旋流管槽(19)通過一過渡槽(10)與上蓋(12)上的連通孔(15)相連通。
3.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，第一直流管 (16)與第二直流管(29)相互垂直。
4.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，第二直流管 (29)位于螺旋流管槽(19)間。
5.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，第一導管(19) 與第二導管(20)相互平行設置，且開口端均與錐形臺(7)的軸線相平行。
6.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，上蓋(12)上設有定位螺孔(24))和圓形凹坑(25)，圓柱體(9) 一個底面通過定位螺孔(24)和圓形凹坑 (25)固定在上蓋(12)上。
7.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，圓柱體(9)的底面上設有螺紋孔(27)，與所述的定位螺孔M相對應，通過定位螺釘(18)將圓柱體(9)固定在上蓋(12)上。
8.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，圓管(8)上與第二直流管(29)開口相對應的位置有一圓形開孔(30)，該圓形開孔(30)使得第二直流管 (29)得以從圓柱體(9)內部延伸至外部。
9.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，端蓋(7)上設有供第一導管(22)安裝的圓形通孔(31)，同時設有一微孔(32)，壓電薄膜傳感器(21)延伸出的導線從該微孔(32)中穿出。
10.如權利要求1所述的基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，其特征在于，所述的螺旋流管槽(19)截面呈矩形。
專利摘要本實用新型涉及一種基于螺旋流管無閥壓電泵的陀螺，包括由上蓋和下蓋密封組成的泵體，其內設有容納有壓電振子的泵腔，還包括一圓柱體，所述圓柱體底端固設在上蓋上，所述圓柱體側面設有螺旋流管槽，圓柱體外套設一圓管，圓管頂端設有端蓋，端蓋與圓柱體之間有間隙，圓柱體中設有連通所述間隙和上蓋上通孔的第一直流管，以及與第一直流管連通的第二直流管；圓柱體頂端固定有一壓電薄膜傳感器并引出導線；端蓋上設有與間隙連通的第一導管，第二直流管與第二導管相連通。本實用新型利用壓電薄膜傳感器測量泵的輸出壓力來感知外界擾動的角速度，從而使螺旋流管無閥壓電泵具有了陀螺性質。本實用新型的陀螺具有結構簡單、制作材料來源廣泛、成本低廉、易于實現(xiàn)、耗能低、無電磁干擾、靈敏度較高等優(yōu)點，可以大量應用于民用運載工具的姿態(tài)控制上。
文檔編號F04B43/04GK202149775SQ20112021057
公開日2012年2月22日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權日2011年6月21日
發(fā)明者張建輝 申請人:無錫長輝機電科技有限公司