专利名称：气流式角速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种角速度传感器，特别涉及气流式角速度传感器。
背景技术：
气流式角速度传感器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。 气流式传感器以其具有成本低、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角速度传感器通常为二维压电射流角速度传感器，这种气流式角速度传感器通过设置两个敏感元件来分别对X、y两个方向上的角速度进行测量。所以，它存在制作起来体积大、成本较高、两个敏感元件之间交叉耦合强等缺点，导致传感器的输出不稳定，重复性较差。
发明内容
针对现有技术中的气流式角速度传感器所存在的问题，本发明提供一种新型的角速度传感器包括测试腔体，设置在所述测试腔体中心位置的敏感元件，对称设置在测试腔体两端的两个压电泵，与测试腔体和所述压电泵相连通的气体循环通道和信号处理电路； 所述测试腔体为沿轴向中心、径向中心均对称的腔体，在测试腔体的两端位置设置有进气口 ；两个压电泵与测试腔体的两端具有一定距离，所述传感器内的气体可在由测试腔体、气体循环通道和压电泵组成的密闭空间内循环，所述敏感元件为四周设置有四组热敏电阻丝的板状框架结构，每组电阻丝所在直线与敏感元件的中心位置的垂直距离相同，相对的两组热敏丝相互平行，相邻的两组热敏丝之间相互垂直，所述敏感元件的中心与所述进气口的中心均位于测试腔体的中心线上；所述气体在所述压电泵的作用下形成气体射流束，气体射流束经过设置在测试腔体两端的进气口喷射到敏感元件上，再通过所述出气口进入到气体循环通道中返回，气体射流束喷射到敏感元件上的位置会随着外部角速度的改变而发生偏移，进而导致敏感元件上测试热敏电阻丝对中的两个相对设置的热敏电阻丝的电阻发生改变，经由信号处理电路处理后可根据热敏电阻丝对中两个电阻丝的电阻发生相对变化值得出角速度值。进一步，所述气体循环通道为偶数个，沿周向均布在所述测试腔体外侧。进一步，所述设置在测试腔体两端的进气口为喷嘴体，所述喷嘴体包括主喷嘴和设置在主喷嘴周围的列阵喷嘴，列阵式喷嘴的直径小于主喷嘴直径。进一步，所述测试腔体的内腔截面形状为喇叭口相对设置的两个喇叭形状。进一步，所述测试腔体的内壁截面形状为角部为倒角的矩形。进一步，位于所述热敏电阻丝除端部外，其他部分不与所述框架接触。进一步，所述敏感元件还包括两个背对设置框架上的，用于为所述气体射流束导流的导向面，所述导向面为回转体，其母线为圆弧或直线，所述导向面的最高点应位于所述
3测试腔体的中心线上。进一步，在所述测试腔体上还设置有导线引出口和导线引出槽，用于将敏感元件上的导线引出与所述外部信号处理电路相连。进一步，所述信号处理电路包括压电泵驱动电路、电桥电路、放大电路、滤波电路和补偿电路组成，所述补偿电路包括温度传感器和单片机，单片机内部装有零位温度补偿程序、非线性度补偿程序和灵敏度补偿程序，主要完成零位温度补偿、非线性度补偿和灵敏度补偿等信号处理。本发明中的气流式角速度传感器具有下列优点
(1)传感器以气体作为敏感介质，具有较高的抗冲击能力。(2)使用一个敏感元件即可测试X-Y两个方向的角速度，简化了传感器结构，将体积缩小到原有角速度传感器的一半。(3)增设了气流引导�？榧瓷柚迷诿舾性系牡枷蛎�。通过导向面的设置，解决了射流柱间直接碰撞而引起的气体循环紊乱的问题，提高了传感器的稳定性。(4)采用阵列式喷嘴替代了单一喷嘴，解决了射流中心强度随传输距离衰减的问题，降低了气体的损耗，提升了传感器的分辨率。
图1为本发明中气流式角速度传感器结构示意图； 图2为测试腔体中心剖视图3为图2中B-B向剖视图； 图4为测试腔体端盖结构示意图； 图5为敏感元件模块主视图； 图6为图5中A-A向剖视图7为本发明中气流式角速度传感器信号处理电路框图； 图8为实施例2中测试腔体结构示意图。
具体实施例方式实施例1
如图ι中所示，本发明中气流式角速度传感器包括外壳1，压电泵2，压电泵座3，测试腔体4、敏感元件5、碟簧6和信号处理电路(图中未显示)，其中外壳1由侧壁11和设置在侧壁两端的底座12组成，侧壁11可为薄壁圆筒状，也可为其他形状。两个底座12上还设置有电源插座引出口 13，在两个底座12上均开有电源插座引出口 13是为了方便角速度传感器的安装，使角速度传感器的设置位置不受外接电源位置的限制，在工作时，两个引出口 13中仅有一个使用，另一个封闭。当电源和导线由引出口 13引出后，所使用的引出口 13也将被封闭，使外壳1内成为一个密闭空间。在外壳1内的中心位置设置有测试腔体4，两个压电泵2对称的设置在测试腔体4的两端。碟簧6设置在外壳1内，与一侧底座12相接， 用于装配时提供预紧力，将测试腔体4和设置在其两端的压电泵2在外壳1内压紧固定，避免它们在测试过程中在外壳1内发生轴向(即图1中的水平方向)移动。如图1所示，测试腔体4为腔体侧壁40和设置在其两端的腔体端盖41围成的空间，为左、右，上、下均对称的结构。如图2、3中所示，腔体侧壁40由中间向两端逐渐增厚，使测试腔体4为两个形状相同的喇叭，在喇叭口处对接在一起形成的形状。这种设计方式可减少气流与测试腔体内壁的直接碰撞，降低了气体能量的损耗，相应减少了测试腔体4内气流通道存在的涡流现象，使气体在密闭腔体内能够平稳有序的循环。在测试腔体4的外侧，沿周向均布设置有偶数个气体循环通道42，优选的为4-8个，本实施例的气体循环通道 42为四个，气体循环通道可设置在测试腔体4的侧壁内，也可为单独设置在测试腔体4外侧的管道，也可为测试腔体4与外壳侧壁11之间的间隙。气体循环通道42的断面为圆形，本实施例中气体循环通道42设置在测试腔体4的侧壁内，并且，优选的气体循环通道42的圆周与腔体侧壁40外圆周相切，气体循环通道42与测试腔体4通过四个出气口 43连通，四个出气口 43均布在测试腔体4轴向中心处的圆周上，在测试腔体4外围沿周向均布设置与其腔内连通的四个气体循环通道42，其目的是使由测试腔体中输出的气体能够进行合理、 有序、稳定的循环，并使其达到压电泵处的动能尽量�。醋圆煌较蛏系钠宥芸梢韵嗷サ窒�。在腔体侧壁40上还设置有四个导线出口 44和与之相连通的设置在测试腔体侧壁上的导线槽45。端盖41为具有一定厚度的板状结构，其截面与腔体侧壁40截面相配，在端盖41上还设置有进气口，如图4所示，该进气口为喷嘴体，包括主喷嘴46和位于主喷嘴46 周围的列阵式喷嘴47，主喷嘴46为一个与端盖41同心设置的一个大圆孔；列阵式喷嘴47 为在主喷嘴46周围，与主喷嘴46同心的圆周上均布的若干个小通孔。主喷嘴46的直径与列阵式喷嘴47直径的比值可为6-10 :1，优选的为8 1 ；列阵式喷嘴46中的喷嘴数量可为 4-8个。喷嘴体主要功能是产生射流束，是进入测试腔体4内的气流流动的关键部件，其结构和形状决定了喷出气流的运动状态。在主喷嘴46周围设置的列阵式喷嘴47 —方面能够增加喷嘴射出气体的效率，另一方面可以减少气体在喷嘴射出后发生的扩散，使气体可以在测试腔体4内稳定的传递，有效避免了气体射流中心强度随传输距离衰减的问题，降低了气体的损耗，从而提高了气体射流柱的性能和传感器测试的稳定性。测试腔体4长宽比优选的为3:1，即其腔体腔内空间的长度和最大直径处之间的比值为3 :1，这样的设计比例既可保证气流束射到热敏电阻丝的强度高，又保证了在外界角速度作用下，射流束的偏离效果明显。如图1、5、6所示，敏感元件5由两个相背固定在一起敏感元件�？楣钩桑缤�6、7 中所示，敏感元件�？�51包括带有导向面55的框架52、热敏电阻丝53和热敏电阻丝安装结构M ；框架52为一个带有导向面55的平板，其形状为四个边为圆弧的正方形，在其四个角处均固定有热敏电阻丝安装结构54，四根热敏电阻丝53通过热敏电阻丝安装结构M设置在框架52上，每根热敏电阻丝53的两端分别固定位于两个相邻角部上的热敏电阻丝安装结构M上，除其两端外，热敏电阻丝53的其他部分不与框架52和热敏电阻丝安装结构 M相接触。热敏电阻丝的设置方式有很多种，但均要保证每根热敏电阻丝53所在直线与敏感元件的5中心的垂直距离相等，并且相对设置的两根电阻丝53相互平行，对称的设置在框架52上，相邻设置的两根电阻丝53相互垂直。相对边的两根热敏电阻丝53组成一组测试热敏电阻丝对用于对角速度进行测试。热敏电阻丝安装结构M还用于将热敏电阻丝53 与测试电路连接在一起；设置在敏感元件5上的导线可通过导向出口 44和导线槽45由测试腔体中引出与外部电路相连。框架52的导向面55为回转体，其母线为圆弧或直线，其截面形状如图7中所示的斜边为圆弧的三角形，也可为斜边为直线的三角形。装配时，两个敏感元件�？�51平面相接，固定在一起，然后通过四角吊装的方式设置在测试腔体中，其形心与测试腔体的形心相重合；优选的，如图1中所示，敏感元件5的四个角分别对着四个出气口 43的中心线，其导向面55的最高点应与位于端盖41中心线，也就是测试腔体4的轴线上。导向面阳的最高点距进气口的距离应满足气体射流束具有足够长的喷射距离，又不能太长，而使气体射流束发散而影响测试效果。敏感元件5的四个角距离四个出气口 43 的距离应满足敏感元件的四个角不会对出气口 43造成堵塞，但其间的距离也不应过长，使导向面55对射向其上的气体的移动方向失去导向意义，导致由出气口 43排出到测试腔体 4以外的气体，无法满足在压电泵2的作用下形成气体射流束所需的气体的量，降低传感器测试结果的准确性。在敏感元件5和测试腔体4的大�。约懊舾性�5与测试腔体的出气口、排气口之间的距离一定的条件下，气流式角速度传感器在静止、旋转时，随着角速度的不断变化，由气体射流束喷射进测试腔体4内的气体，其通过出气口 43进入到气体循环通道42中的气体量与在测试腔体4内循环的气体之间的比例会随着角速度的变化而变化， 所以，测试腔体4与敏感元件5的大小比例可通过标定或模拟计算等方式确定，以满足上述条件。如图1中所示，两个压电泵2对称的设置在测试腔体4的两端，并与测试腔体4的两个端盖42之间具有一定距离，该空间可满足气流式角速度传感器中气体循环的需要。压电泵2包括压电片21和压电振子22，压电片21和压电振子22均固定设置在压电泵座3 上，其中，压电片21为压电陶瓷薄片，压电振子22为带有中心圆孔的弹性薄板。在逆压电效应的作用下压电片21可使压电振子22产生变形，压电振子22的变形导致的压电泵2内部空间容积变化实现气流的循环输入和输出。如图7所示，信号处理电路主要由压电泵驱动电路30、电桥电路31、放大电路32、 滤波电路33和补偿电路34组成，压电泵驱动电路30驱动压电泵2产生运动气流，形成气体射流射向敏感元件5 ；电桥电路31将热电阻丝53的电阻信号转换为电压信号，其输出接于放大电路32;放大电路32将输出的电压信号进行放大，以便于信号的检测，其输出接于滤波电路33 ；滤波电路33主要清除电路中的噪声干扰，并接于补偿电路34 ；补偿电路34利用单片机36对传感器产生的温度漂移进行补偿，最后输出角速度。补偿电路34包括温度传感器35和单片机36，单片机36内部装有零位温度补偿程序37、非线性度补偿程序38和灵敏度补偿程序39，主要用于完成零位温度补偿、非线性度补偿和灵敏度补偿等信号处理。 上述信号处理电路电源采用正负级稳压电源，其电压值要根据热敏电阻丝53电阻值、单片机16供电电压和实际信号大小而定，一般选用士 15DVC。使用时，将本实施例中的气流式角速度传感器通过底座设置在被测装置上，首先检测气流式角速度传感器的设置位置，检测方法为接通电源，气流式角速度传感器所检测到的角速度应为零，即热电阻丝对产生的热量应相等。工作时，压电片在逆压电效应的作用下驱使压电振子振动，将处于压电泵与测试腔体端盖之间空间内的气体吸入到压电泵中， 然后再由压电泵中喷出，由压电泵喷出的气体产生射流，气体射流束经过喷嘴体进入到测试腔体中，并喷射到敏感元件上，经敏感元件的导向面导向后，一部分由出气口喷出，并经过气体循环通道返回到压电泵与测试腔体端盖之间的空间，另一部分在测试腔体内循环。 由测试腔体喷出的气体，沿气体循环通道循环至压电泵与测试腔体端盖之间的空间内。在测试过程中，气体一直在压电泵的作用下按此路线，在由压电泵测试腔体与气体循环通道所组成的密闭空间内往复循环，对被测装置进行角速度进行测试。在设备静止时，即角速度为零时，由压电泵驱动气体而产生的气体射流束，没有受到外界角速度的干扰，此时，气体射流束均勻的喷射到敏感元件导向面的中心位置，使对称设置敏感元件上的两个热敏电阻丝对中的两个热敏电阻丝所产生的热量均相同，经过后续电桥检测，可知热敏电阻丝对中的两根热敏电阻丝的电阻相对变化为零。当设备以一定角速度做旋转运动时，气体射流束喷射到敏感元件上的位置，由于受到角速度的影响，会相对于敏感元件中心向某一方向偏离，使敏感元件发生转动。此时，热敏电阻丝对中的两根相对设置的热敏电阻丝的电阻阻值在射流的作用下会发生相对变化，所产生的热量会不同，经后续电桥检测，可知两根热阻丝的电阻相对变化量，通过电桥电路得到输出电压。这样，利用输出电压和输入角速度的对应关系，就可以计算出气流式角速度传感器输入角速度的大小。实施例2
如图8中所示，本实施例中的气流式角速度传感器的结构与实施例1中基本相同，其不同之处在于，测试腔体结构轴向截面形状为带有圆弧倒角的矩形。这种设计形式比实施例 1中的喇叭形设计增加了测试腔体的容积，扩大了气体在腔体内部循环的空间，抑制了射流柱的发散。由于增加了圆弧倒角的设计，它比现有技术中测试腔体中长方形截面设计降低了气流与腔体的四个顶角的直接碰撞，有效避免了腔体内部存在的涡流现象。由于气流式角速度传感器采用零位输出、灵敏度随温度变化较大，传感器在大角速度输入时输出电压是非线性的，因此必须对传感器进行补偿处理才能够得到准确的测量结果。为了得到更加准确的测试结果，在不影响传感器分辨率的情况下，本发明采用移动式算术平均法进行数据处理，采用非等间距分段的多项式拟合方法和分段线性插值方法，通过温度传感器和单片机进行软件补偿。这种软件补偿方法调试简单，成本低，补偿精度高， 适用于大批量生产。本发明气流式角速度传感器采用喷嘴阵结构提升了传感器的性能，而且信号处理电路和外围元器件共用一套系统实现，使得气流式角速度传感器的体积比现有设计减小了一半。
权利要求
1.一种气流式角速度传感器，其特征为，该传感器包括测试腔体，设置在所述测试腔体中心位置的敏感元件，对称设置在测试腔体两端的两个压电泵，与测试腔体和所述压电泵相连通的气体循环通道和信号处理电路；所述测试腔体为沿轴向中心、径向中心均对称的腔体，在测试腔体的两端位置设置有进气口 ；两个压电泵与测试腔体的两端具有一定距离，所述传感器内的气体可在由测试腔体，气体循环通道和压电泵组成的密闭空间内循环， 所述敏感元件为四周设置有四组热敏电阻丝的板状框架结构，每组电阻丝所在直线与敏感元件的中心位置的垂直距离相同，相对的两组热敏丝相互平行，相邻的两组热敏丝之间相互垂直，所述敏感元件的中心与所述进气口的中心均位于测试腔体的中心线上；所述气体在所述压电泵的作用下形成气体射流束，气体射流束经过设置在测试腔体两端的进气口喷射到敏感元件上，再通过所述出气口进入到气体循环通道中返回，气体射流束喷射到敏感元件上的位置会随着外部角速度的改变而发生偏移，进而导致敏感元件上测试热敏电阻丝对中的两个相对设置的热敏电阻丝的电阻发生改变，经由信号处理电路处理后可根据热敏电阻丝对中两个电阻丝的电阻发生相对变化值得出角速度值。
2.根据权利要求1中所述角速度传感器，其特征为，所述气体循环通道为偶数个，沿周向均布在所述测试腔体外侧。
3.根据权利要求1中所述角速度传感器，其特征为，所述设置在测试腔体两端的进气口为喷嘴体，所述喷嘴体包括主喷嘴和设置在主喷嘴周围的列阵喷嘴，列阵式喷嘴的直径小于主喷嘴直径。
4.根据权利要求1中所述角速度传感器，其特征为，所述测试腔体的内腔截面形状为喇叭口相对设置的两个喇叭形状。
5.根据权利要求1中所述角速度传感器，其特征为，所述测试腔体的内壁截面形状为角部为倒角的矩形。
6.根据权利要求1中所述角速度传感器，其特征为，位于所述热敏电阻丝除端部外，其他部分不与所述框架接触。
7.根据权利要求6中所述角速度传感器，其特征为，所述敏感元件还包括两个背对设置框架上的，用于为所述气体射流束导流的导向面，所述导向面为回转体，其母线为圆弧或直线，所述导向面的最高点应位于所述测试腔体的中心线上。
8.根据权利要求1中所述角速度传感器，其特征为，在所述测试腔体上还设置有导线引出口和导线引出槽，用于将敏感元件上的导线引出与所述外部信号处理电路相连。
9.根据权利要求1中所述角速度传感器，其特征为，所述信号处理电路包括压电泵驱动电路、电桥电路、放大电路、滤波电路和补偿电路组成，所述补偿电路包括温度传感器和单片机，单片机内部装有零位温度补偿程序、非线性度补偿程序和灵敏度补偿程序，主要完成零位温度补偿、非线性度补偿和灵敏度补偿等信号处理。
全文摘要
一种气流式角速度传感器包括测试腔体，设置在所述测试腔体中心位置的敏感元件，对称设置在测试腔体两端的两个压电泵，与测试腔体和压电泵相连通的气体循环通道和信号处理电路；测试腔体为沿轴向中心、径向中心均对称的腔体，在测试腔体的两端位置设置有进气口；两个压电泵与测试腔体的两端具有一定距离，传感器内的气体可在由测试腔体，气体循环通道和压电泵组成的密闭空间内循环，敏感元件为四周设置有四组热敏电阻丝的板状框架结构，每组电阻丝所在直线与敏感元件的中心位置的垂直距离相同，相对的两组热敏丝相互平行，相邻的两组热敏丝之间相互垂直，敏感元件的中心与所述进气口的中心均位于测试腔体的中心线上。
文档编号G01P3/28GK102288775SQ20111018634
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者余全刚, 朴林华, 王星 申请人:北京信息科技大学
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