专利名称：一种小型气流式陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用气流射流测量运动体角速度的装置，尤其是一种小型气流式陀螺。
背景技术：
气流式射流陀螺器件是一种具有陀螺功能而没有传统陀螺的转动部分，也没有压电陀螺悬挂部件的固态惯性器件。气流式角速度传感器以气体作为敏感质量，其质量极小，并以其具有成本低、响应时间短、抗冲击能力强等优点被广泛应用在角速度的测量领域内。现有技术中的气流式陀螺，如图I所示，包括壳体1，壳体I两端通过端盖2封闭，在壳体I内设置筒状的测试腔体7，测试腔体7上一端设置有进气喷嘴71，另一端设置有出气口 72，测试腔体内部靠近出气口 72设置有热敏元件8，外壳I与测试腔体7之间设置有偶数个气体循环通道3，气体循环通道3连接进气喷嘴71和出气口 72，并且与测试腔体7构成封闭的气流流道，压电泵5设置在测试腔体7的装有进气喷嘴71 一端的外侧，通过进气喷嘴71向测试腔体7内压入气流束，气体沿图中箭头方向单向流动。气流束均匀打在热敏元件8上，随陀螺的角速度变化，流过热敏元件8上的气流束的分布也发生变化，热敏元件8通过捕捉气流束的分布变化计算陀螺的角速度，因此，很小的乱流介入都会对这种高精度装置的测量结果产生影响。但是，由于测试腔体7的内部空间结构为圆筒型棱角较多，这些棱角会阻碍气流束的流动，产生扰乱气流正常流动的涡流区，而且气流束由小开口的进气喷嘴71进入测试腔体7后截面的骤然变化，也会使得测试腔体7内部形成多个涡流区，使气流束打在热敏元件8上的分散不均，降低了测量精度，严重影响测量结果的准确性。

发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种小型气流式陀螺，该陀螺将内部的测试腔体按气流方向分为三个连续的部分，分别是导向段、流动段和汇流段三段构成。导向段对刚进入测试腔体的气流束进行导向，使气流束在本段更加集中，避免气流束由于截面突然变化而分散；流动段保证有足够的循环空间来促进测试腔体内气流的流动；汇流段既可以为腔体内气流循环提供更缓和顺畅的流动区域，又可以充分利用测试腔体内的空间，加快测试腔体内气流的循环流动速度，同时还可以减少测试腔体内涡流现象的产生，提高测量精度和陀螺工作的稳定性，通过采用这种内部结构的测试腔体，极大程度上减小了乱流对测量精度和准确度的影响。为了实现上述目的，本发明一种小型气流式陀螺，该陀螺包括壳体，所述壳体两端通过端盖封闭，壳体内设置有测试腔体，所述测试腔体上开设有进气喷嘴和出气口，测试腔体内靠近出气口处设置有热敏元件，壳体与测试腔体之间设置有连接所述进气喷嘴和所述出气口的气体循环通道，测试腔体的进气喷嘴外侧设置有将气体压入测试腔体的压电泵，测试腔体、所述气体循环通道和所述压电泵构成气体的封闭循环，所述测试腔体为径向中心对称，测试腔体自所述进气喷嘴至出气口依次包括用于对气流束扩散角度导向的导向段、供气流束顺畅流动的流动段和通过平滑斜面使气流束汇集至出气口的汇流段，所述热敏元件设置在所述汇流段末端。进一步，所述导向段设置呈锥型，所述锥形的小口端连接所述进气喷嘴，其大口端连接所述流动段，流动段设置呈直筒形，所述汇流段设置呈中部开口的弧型，所述中部开口与所述出气口连接，导向段、流动段和汇流段沿轴线的长度比例为2:5:1。进一步，所述导向段径向截面呈喇叭形，该喇叭形开口角度为60度-120度。进一步，所述喇叭形开口角度为42度。进一步，所述流动段的直径和轴线的长度比例为I :1。进一步，所述汇流段的弧形为1/4个圆，其半径与所述流动段直径比为I :4_10。进一步，所述进气喷嘴沿气流方向直径渐短的缩口。进一步，所述出气口沿气流方向直径渐短的缩口。进一步，所述气体循环通道包括有与所述出气口连通的集流槽，所述集流槽开设在靠近出气口一侧的所述端盖上，通过集流槽将气体送入多条气体循环通道中，集流槽与出气口连接处设置有向出气口延伸的锥形凸起，该锥形凸起用于将由出气口流出的气体导向分流，避免产生乱流。进一步，所述气体循环通道与集流槽的连接端设置有馈送口，所述馈送口设置呈沿气流方向直径渐短的缩口。


图I为现有技术中的气流式陀螺的结构示意 图2为本发明小型气流式陀螺的结构示意 图3为现有技术中矩形截面结构测试腔体7的内气体流速分布矢量 图4为本发明中的瓶颈状测试腔体7的内气体流速分布矢量 图5为比较图3和图4的气体内流速的表格。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。如图I所示为本发明小型气流式陀螺包括，壳体I、碟簧4、压电泵5、测试腔体7、热敏元件8和信号处理电路(图中未显示);壳体I由侧壁和封盖在侧壁两端的端盖2组成，侧壁为薄壁圆筒状，在其中一端的端盖2设置有供电源线和信号线的绝缘子引出壳体I的信号引出口 9，当电源和导线引出后，将信号引出口 9封闭，使壳体I内成为一个密闭空间。测试腔体7设置在壳体I内的中心位置，在图中测试腔体7的左端设置有进气喷嘴71，进气喷嘴71沿气流方向直径渐短的缩口，其剖面为倒梯形，且其中心线与测试腔体7的中心轴线重合，进气喷嘴71的主要功能是产生射流束，是进入测试腔体7内的气流流动的关键部件，该结构使得压电泵5内有更多的气体进入腔体，相比以前的矩形结构进气喷嘴可在一定程度上减小了进气喷嘴口 6两端侧壁所受压力，能增强射流陀螺结构的稳定性，延长其寿命。在测试腔体7的右端开设有出气口 72，出气口 72沿气流方向直径渐短的缩口，热敏元件8设置在测试腔体7内部靠近出气口 72处，且与信号处理电路电连接。压电泵5设置在测试腔体7的左侧，端盖2通过碟簧4将压电泵5压靠在靠近进气喷嘴6的一端的外侧。测试腔体7剖面为满足一定长度比例的流线型瓶颈状结构，测试腔体7为径向中心对称，进气喷嘴71和出气口 72分别设置在测试腔体7轴向两端，并位于测试腔体7的中心轴上，测试腔体7自进气喷嘴71至出气口 72依次包括用于对气流束扩散角度导向的导向段73、供气流束顺畅流动的流动段74和通过平滑斜面使气流束汇集至出气口 72的汇流段75。导向段73设置呈锥型，导向段73径向截面呈喇叭形，该喇叭形开口角度为30度-60度，优选为42度。锥形的小口端连接进气喷嘴6，其大口端连接流动段74 ;流动段74设置呈直筒形，流动段74的直径和轴线的长度比例为I :1 ;汇流段75设置呈连接流动段74和出气口 72的弧形，导向段73、流动段74和汇流段75沿轴线的长度比例为2:5:1。气流经进气喷嘴71喷出，在腔体7内进气喷嘴附近有较大的沿射流束轴向速度，导向段75对气流有较好的导向引流作用；测试腔体7内中部的流动段74截面为矩形结构，沿射流束传播方向上随着距离的增加，射流会逐渐的向射流中心轴两侧扩散，因此要有足够的射流循环空间来促进测试腔体7内气流的流动；汇流段75的为中部开口的弧型，弧型为1/4圆弧结构，其半径与流动段76的直径比为I :4-10，中部开口与出气口 72对接。在测试腔体7的外侧，沿轴向均匀设置有偶数个气体循环通道3，本实施例的气体循环通道3为四个，气体循环通道3的断面为圆形，设置在测试腔体7的侧壁外侧，优选的气体循环通道3的圆周与测试腔体7侧壁外圆周相切。气体循环通道3包括有与出气口 72连通的集流槽32，集流槽32开设在靠近出气口 72 —侧的端盖2上，通过集流槽32将气体送入多条气体循环通道3中，集流槽32与出气口 72连接处设置有向出气口 72延伸的锥形凸起21，该锥形凸起21用于将由出气口 72流出的气体导向分流，避免产生乱流。气体循环通道3上与集流槽32的连接端设置有馈送口 31，馈送口 31设置呈沿气流方向直径渐短的缩口。气体沿图中箭头方向单向流动，从另一个角度看，馈送口 31此结构在气体循环流动中可看为一个单向阀，既对气流的流动有单向引流作用，又能汇聚气流，使得进入气体循环通道3内的气体比普通矩形结构有更大的射流速度，促进气流在循环通道内的循环。此种结构既可为测试腔体7内气流循环提供更缓和顺畅的流动区域，又可充分利用测试腔体7内的空间，加快气流的循环流动，降低气体能量的损耗，能减小腔体内的涡流现象。此比例分配经有限元方法仿真验证腔体内的气流运动情况较好，见图3-图5，分析如下
导向段73、流动段74、汇流段75这三种结构在腔体中心轴线上的比例为2:5:1; 导向段73开口角度为42度；
流动段74为12. 5*13的矩形，长宽比约为I的长方形； 汇流段75两侧的1/4圆弧的半径r为2. 5mm。进气喷嘴和出气口大小分别为Imm和4mm,两种结构的进气喷嘴和出气口尺寸相同；
以进气喷嘴中心为原点，定义静态时射流束轴向垂直方向为X轴，射流束轴向方向为y轴。进气口速度大小为1.5m/s。图5的表格中，由于射流束关于腔体中心轴的对称性，只给出y轴右侧相关截面上的速度分布，表中为x=0、3、5mm截面与y=0. 5、12、19. 5mm截面交点处两种结构腔体内的速度分布。在进气喷嘴附近(y=0. 5mm)和腔体中间(y=2mm)附近,本专利的测试腔体内射流束中心轴上的速度总是大于现有技术中矩形截面的测试腔体，在出气口附近二者的速度相当；在一定范围内随着与射流中心轴距离的增加，本发明的测试腔体内的相关截面上的射流速度总是大于现有技术中矩形截面的测试腔体，然而在测试腔体侧壁附近，本发明的测试腔体内相关截面上的流速小于现有技术中矩形截面的测试腔体，这能在一定程度上减小腔体内的涡流现象。以上提到的速度均是射流束的(y轴方向上)合速度。
上述示例只是用于说明本发明，本发明的实施方式并不限于这些示例，本领域技术人员所做出的符合本发明思想的各种具体实施方式
都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种小型气流式陀螺，该陀螺包括壳体，所述壳体两端通过端盖封闭，壳体内设置有测试腔体，所述测试腔体上开设有进气喷嘴和出气口，测试腔体内靠近出气口处设置有热敏元件，壳体与测试腔体之间设置有连接所述进气喷嘴和所述出气口的气体循环通道，测试腔体的进气喷嘴外侧设置有将气体压入测试腔体的压电泵，测试腔体、所述气体循环通道和所述压电泵构成气体的封闭循环，其特征在于所述测试腔体为径向中心对称，测试腔体自所述进气喷嘴至出气口依次包括用于对气流束扩散角度导向的导向段、供气流束顺畅流动的流动段和通过平滑斜面使气流束汇集至出气口的汇流段，所述热敏元件设置在所述汇流段末端。
2.如权利要求I所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述导向段设置呈锥型，所述锥形的小口端连接所述进气喷嘴，其大口端连接所述流动段，流动段设置呈直筒形，所述汇流段设置呈中部开口的弧型，所述中部开口与所述出气口连接，导向段、流动段和汇流段沿轴线的长度比例为2:5:1。
3.如权利要求2所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述导向段径向截面呈喇叭形，该喇叭形开口角度为60度-120度。
4.如权利要求3所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述喇叭形开口角度为84度。
5.如权利要求2所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述流动段的直径和轴线比例为 I :1。
6.如权利要求2所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述汇流段的弧形为1/4个圆，其半径与所述流动段直径比为I :4-10。
7.如权利要求1-6任一所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述进气喷嘴沿气流方向直径渐短的缩口。
8.如权利要求1-6任一所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述出气口沿气流方向直径渐短的缩口。
9.如权利要求1-6任一所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述气体循环通道包括有与所述出气口连通的集流槽，所述集流槽开设在靠近出气口一侧的所述端盖上，通过集流槽将气体送入多条气体循环通道中，集流槽与出气口连接处设置有向出气口延伸的锥形凸起，该锥形凸起用于将由出气口流出的气体导向分流，避免产生乱流。
10.如权利要求9所述的小型气流式陀螺，其特征在于所述气体循环通道与集流槽的连接端设置有馈送口，所述馈送口设置呈沿气流方向直径渐短的缩口。
全文摘要
本发明一种小型气流式陀螺，该陀螺包括壳体，所述壳体两端通过端盖封闭，壳体内设置有测试腔体，所述测试腔体上开设有进气喷嘴和出气口，测试腔体内靠近出气口处设置有热敏元件，壳体与测试腔体之间设置有连接所述进气喷嘴和所述出气口的气体循环通道，测试腔体的进气喷嘴外侧设置有将气体压入测试腔体的压电泵，测试腔体、所述气体循环通道和所述压电泵构成气体的封闭循环，所述测试腔体为径向中心对称，测试腔体自所述进气喷嘴至出气口依次包括用于对气流束扩散角度导向的导向段、供气流束顺畅流动的流动段和通过平滑斜面使气流束汇集至出气口的汇流段，所述热敏元件设置在所述汇流段末端。提高测量精度和陀螺工作的稳定性。
文档编号G01C19/58GK102980567SQ20121048107
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者朴林华, 张保丽, 梅传志, 陈敬波 申请人:北京信息科技大学