專利名稱：雙向合成噴射流陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感器技術領域。
在汽車、軍事、民用產品(比如照相機，玩具，鼠標)、工業控制、航空及船舶等領域都需要大量應用角速度傳感器或者陀螺儀。研制性能更好、可靠性更高、價格更低的新型陀螺儀是人們一直在追求的一個目標。目前已經應用的測量角速度的器件中，一個普遍的特點是需要旋轉部件。旋轉部件的存在使得器件的壽命短，可靠性低，另外，它也使得微加工困難，成本升高。美國專利5012676提出了一種以氣體射流作為工作介質的陀螺儀，其示意圖如
圖1所示。它用一個泵1，2通過噴口3來形成流體流動，這股流體流經一個狹長流道5并受到加熱片4的加熱而形成熱流體，隨后經由噴口6在空腔7中形成射流，并射到兩個對稱布置在空腔中心線上的熱敏傳感器8上。當沒有角速度的時候，射流沒有偏轉，兩個熱敏感絲檢測到相同的溫度，而當有角速度的時候，射流發生偏轉，兩個熱敏傳感器之間形成溫度差，這一差值中包含著角速度的信息，通過測量溫度差可以測量角速度。上述陀螺儀存在一個重大缺點，由于射流只沿著一個方向，當應用于非勻角速度的情況的時候，射流的偏轉是同時受到哥氏力和切向力的作用，因此，兩個熱敏感絲檢測到的溫差中包含有角速度ω和角加速度 信息。這意味著在應用于非勻角速度情況時候，上述陀螺儀得不到正確的角速度信息。另外，上述陀螺儀中的關鍵的部件為泵1，2和流道5，這種結構使得這種陀螺儀的尺寸較大，價格偏高。同時，狹長的流道5使射流速度衰減很快，這將導致陀螺儀的靈敏度和分辨率大大降低。
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種雙向合成噴射流陀螺儀，它以氣體射流作為工作介質，能夠在非勻角速度情況下有效地剔除角加速度 信息，獲得角速度信息。同時具有結構簡單、可靠性好、靈敏度和分辨率高、成本低的特點。
本發明提出一種雙向合成噴射流陀螺儀，其特征在于，采用兩股速度相反的完全相同的由驅動器振動膜和噴口構成的合成噴射流源，一對或者多對加熱熱敏傳感器對稱布置在所說的合成噴射流的中心線兩側，該熱敏傳感器的位置位于噴口直徑9-15倍距離外。
本發明可采用精密機械加工或者微加工技術制作。
所說的合成噴的驅動器為電磁，壓電，靜電等驅動方式之任意一種。
所說的合成噴射流源包括一外殼，固定在外殼上的工作腔體，驅動器振動膜和噴口構成的合成噴，固定在外殼和腔體一側邊的帶有測量電路的線路板，對稱布置在射流工作腔體上的多個回流和散熱孔。
本發明的工作原理和特性首先簡單介紹一下合成噴的概念。圖2是合成噴的基本工作原理圖。圖中有一個腔體10，腔體10一側是薄膜9，另一側有一個小孔(噴口)11，通過薄膜周期振動的方式使得氣體周期性地由小孔進入和流出腔體。在氣體流出小孔時，流出的氣體和周圍靜止氣體之間形成一個剪切層，這層渦旋將卷繞形成一個渦環12，它在自引作用下離開腔體向下游運動。與此同時，隨著薄膜往回運動，氣體將從小孔被吸入空腔，而渦環此時已遠離腔體，因此不受吸入過程的影響。這樣，一系列的渦環將形成，這些渦環在運動過程中將經歷不穩定及破碎等過程而最終在小孔附近形成紊流噴13。這種噴有幾個特點1)無需流體輸送，凈質量流量為零；2)電參數控制，射流的速度可以通過改變驅動器電參數來進行。上述特點使得合成噴可以方便地集成于角速度的測量中，它簡化了一般的噴射流需要的泵裝置，可以采用微加工技術來加工，從而大大降低成本。
雙向合成噴射流陀螺儀測量角速度的示意圖如圖3所示。圖中14為雙向合成噴射流陀螺儀，FL為離心力，FK為科氏力，Vr為相對被測量物測量器件內的速度，ω為要測量的角速度。在勻角速度情況下，FK中只包含著科氏力，此時可以得到比例于4ω×Vr的電信號，這比單噴射流的2ω×Vr增大一倍。而在非勻角速度情況下，由于FK中包含著科氏力和切向力，如前所述，單方向射流陀螺儀無法準確檢測，而對本文的雙向合成噴射流陀螺儀的雙噴，左邊噴的科氏力FKL=-m(ω.×R-2ω×Vr),]]>右邊噴的科氏力為FKR=-m(ω.×R+2ω×Vr)]]>。綜合有F＝FKL－FKR＝4ω×Vr。顯然通過相反方向射流的雙噴，無論在勻角速度和非勻角速度情況下，都能順利地檢測角速度，同時相比單噴射流的陀螺儀能增大靈敏度一倍。
雙向合成噴射流陀螺儀是利用上述原理并結合合成噴概念形成的。由于沒有泵和狹長流道，這種陀螺儀可以采用兩種方式加工完成，一是精密機械加工，二是微機械加工，也就是用硅材料經IC技術加工。它通過合成噴產生射流來作為工作介質，在沒有角速度的情況下，射流不會發生偏轉，如圖4所示。這個時候，對稱布置在射流中的一對或者多對加熱的熱敏傳感器將受到相對低溫的氣流的同樣的沖擊，因此溫度相同，不會有電信號輸出。當有角速度的時候，由于受到科氏力作用，射流發生偏轉，示意圖如圖5所示。這時候，相對應的一對熱敏傳感器所受的射流沖擊發生差異，溫度差將在這兩個傳感器之間產生，這個溫度差正比于射流受力，而射流受力中包含著角速度的信息，因此通過測量溫度差可以獲得角速度的信息。
本發明的特點和應用范圍1、采用雙噴對射，可以測量勻角速度和非勻角速度，靈敏度相比單噴射流陀螺增大一倍。
2、由于采用合成噴裝置作為射流源，采用流體作為工作介質，沒有旋轉部件，因此這種陀螺儀的工作壽命比較長。
3、采用合成噴形成射流，沒有狹長流道，結構簡單，便于加工制造；
4、射流直接作用在敏感器件上，射流速度較大，因此靈敏度和分辨率高。
5、由于合成噴和熱敏傳感器的微加工技術成熟，可以利用制造集成電路的工藝(IC技術)大量制造，大大降低了成本，因此適用于需要低成本的情況，比如用于汽車里的氣囊安全系統和玩具；6、本發明適合于不同場合下的應用，特別是工作環境惡劣的需要長壽命的情況。
附圖簡要說明圖1為已有的射流陀螺儀的結構示意圖。
圖2為本發明的合成噴的工作原理示意圖。
圖3為本發明的角速度測量原理示意圖。
圖4為在本發明中沒有角速度射流呈左右對稱圖。
圖5為在本發明中有角速度射流發生偏轉圖。
圖6為本發明的使用一對傳感器的實施例一的結構計示意圖。
圖7為本發明的使用兩對傳感器的實施例二的結構示意圖。
本發明設計出兩種雙向合成噴射流陀螺儀實施例，結合附圖詳細說明如下實施例一為具有一對溫度傳感器的雙向合成噴射流陀螺儀，其結構如圖6所示。圖中左右兩邊沿振動膜中心線完全對稱，這里以左邊一半來進行說明。封裝外殼15可為圓柱形或者方形，射流工作腔體18固定在外殼15上，在射流工作腔體的一邊為帶有測量電路的線路板16，它固定在外殼15和射流工作腔體18上。在射流工作腔體18右側布置上下對稱的合成噴，它們由驅動器振動膜21和合成噴腔體22及噴口20構成。振動膜21的驅動器可以采用壓電驅動、靜電驅動或者電磁驅動，其中電磁驅動的振幅可以較大，有利于高射流速度的形成，實施例一中振動膜的驅動器采用電磁驅動，工作頻率為500Hz。噴口20的尺寸可根據需要權衡選擇，一般說來，在半周期平均質量流量相同的條件下，小尺寸噴口設計的角速度計的靈敏度和分辨率要高于大尺寸噴口的設計，實施例一中的噴口直徑為0.5mm，振動薄膜21a和21b距離中心線高度均為1mm。為了檢測射流，以噴口20中心線為對稱線布置的兩個溫度傳感器19a和19b固定在射流工作腔體上，其到噴口20的距離在實施例一中為10倍的噴口直徑，也就是距離噴口為5mm。溫度傳感器采用加熱熱敏電阻絲構成，它的溫度比射流溫度要高。為了有效的形成射流和防止腔體18內溫度升高，四個回流和散熱孔17a-17d分別對稱布置在射流工作腔體18上，其中兩個在加熱熱敏電阻絲的左邊，兩個布置在右邊。工作腔體在實施例一中長度取為10mm，高度為5mm，回流和散熱孔徑為0.2mm。
上述裝置主要是通過由21，22和20構成的合成噴來產生射流，在沒有角速度的情況下，射流不會發生偏轉。這個時候，對稱布置在射流中的一對加熱的熱敏傳感器將受到相對低溫的氣流的同樣的沖擊，由于溫度相同，不會有電信號輸出。當有角速度的時候，由于科氏力作用，射流發生偏轉。這時候，一對溫度傳感器所受的射流沖擊發生差異，溫度差將在兩個傳感器之間產生，這個溫度差正比于科氏力，而科氏力中包含著角速度的信息，因此通過測量溫度差可以獲得角速度的信息。
除了圖6所示的一對溫度傳感器布置外，實施例二為具有兩對溫度傳感器的雙向合成噴射流陀螺儀，其結構如圖7所示，圖中溫度傳感器分別為19a-19d，其他結構與圖6基本相同，工作原理也基本相同，但檢測精度更高。實施例二中的一邊工作腔體長度取為9mm，高度為4mm，回流和散熱孔徑為0.2mm，振動薄膜的驅動器為壓電驅動，振動頻率為2000Hz，噴口直徑為0.3mm，振動薄膜21a和21b距離中心線高度均為0.5mm，溫度傳感器距離噴口的距離為14倍的噴口直徑，也就是5.2mm。
除以上兩個實施例外，還可以采用多對傳感器對稱布置，這樣將有利于提高檢測精度，減小誤差。
權利要求
1.一種雙向合成噴射流陀螺儀，其特征在于，采用兩股速度相反的完全相同的由驅動器振動膜和噴口構成的合成噴射流源，一對或者多對加熱熱敏傳感器對稱布置在所說的合成噴射流的中心線兩側，該熱敏傳感器的位置位于噴口直徑9-15倍距離外。
2.如權利要求1所述的雙向合成噴射流陀螺儀，其特征在于，采用精密機械加工或者微加工技術制作。
3.如權利要求1所述的雙向合成噴射流陀螺儀，其特征在于，所說的合成噴的驅動器為電磁，壓電，靜電等驅動方式之任意一種。
4.如權利要求1所述的雙向合成噴射流陀螺儀，其特征在于，所說的合成噴射流源包括一外殼，固定在外殼上的工作腔體，驅動器振動膜和噴口構成的合成噴，固定在外殼和腔體一側邊的帶有測量電路的線路板，對稱布置在射流工作腔體上的多個回流和散熱孔。
全文摘要
本發明屬于傳感器技術領域。采用兩股速度相反的完全相同的由驅動器振動膜和噴口構成的合成噴射流源,一對或者多對加熱熱敏傳感器對稱布置在合成噴射流的中心線兩側,該熱敏傳感器的位置位于噴口直徑9－15倍距離外。本發明無論在勻角速度和非勻角速度情況下,都能順利地檢測角速度,結構簡單,壽命長,可以采用微加工技術,加工方便,成本低。靈敏度和分辨率較高。本發明適合于不同場合下的應用,特別是工作環境惡劣的情況。
文檔編號G01P3/00GK1326090SQ0112922
公開日2001年12月12日 申請日期2001年6月15日 優先權日2001年6月15日
發明者羅小兵, 李志信, 楊擁軍 申請人:清華大學, 信息產業部電子第十三研究所
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