合成喷射流角速度计制造技术

本发明专利技术属于传感器技术领域。本发明专利技术采用由驱动器振动膜和喷口构成的合成喷射流源，一对或者多对热敏传感器对称布置在所说的合成喷的中心线两侧，该热敏传感器的位置位于喷口直径９－１５倍距离外。本发明专利技术适合于不同场合下的应用，特别是工作环境恶劣的情况。这种角速度计具有结构简单、可靠性好、灵敏度和分辨率高、成本低的特点。并可容易地实现大规模产品系列化生产。硅加工可以大大降低成本，同时能保证性能良好。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于传感器
在汽车、军事、民用产品(比如照相机，玩具，鼠标)、工业控制、航空及船舶等领域都需要大量应用角速度传感器或者陀螺仪。研制性能更好、可靠性更高、价格更低的新型角速度计器件是人们一直在追求的一个目标。目前已经应用的测量角速度的器件中，一个普遍的特点是需要旋转部件。旋转部件的存在使得器件的寿命短，可靠性低，另外，它也使得微加工困难，成本升高。美国专利5012676提出了一种以气体射流作为工作介质的角速度计，其示意图如附图说明图1所示。它用一个泵1,2通过喷口3来形成流体流动，这股流体流经一个狭长流道5并受到加热片4的加热而形成热流体，随后经由喷口6在空腔7中形成射流，并射到两个对称布置在空腔中心线上的热敏传感器8上。当没有角速度的时候，射流没有偏转，两个热敏感丝检测到相同的温度，而当有角速度的时候，射流发生偏转，两个热敏传感器之间形成温度差，这一差值中包含着角速度的信息，通过测量温度差可以测量角速度。上述角速度计的关键的部件为泵1,2和流道5，这种结构使得这种角速度计的尺寸较大，价格偏高。另外，狭长的流道5使射流速度衰减很快，这将导致角速度计的灵敏度和分辨率大大降低。本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种合成喷射流角速度计，采用合成喷装置作为射流源，采用流体作为工作介质，没有旋转部件，具有结构简单、可靠性好、灵敏度和分辨率高、成本低的特点。本专利技术提出的一种合成喷射流角速度计，其特征在于，采用由驱动器振动膜和喷口构成的合成喷射流源，一对或者多对热敏传感器对称布置在所说的合成喷的中心线两侧，该热敏传感器的位置位于喷口直径9-15倍距离外。本专利技术可采用精密机械加工或者微加工技术制作。所说的合成喷的驱动器可为电磁，压电，静电等驱动方式之任意一种。所说的合成喷射流源可包括一外壳，固定在外壳上的工作腔体，驱动器振动膜和喷口，它们的边缘都固定工作腔体上，固定在外壳和腔体一侧边的带有测量电路的线路板，对称布置在射流工作腔体上的多个回流和散热孔。本专利技术的工作原理和特性首先简单介绍一下合成喷的概念。图2是合成喷的基本工作原理图。图中有一个腔体10，腔体10一侧是薄膜9，另一侧有一个小孔(喷口)11，通过薄膜周期振动的方式使得气体周期性地由小孔进入和流出腔体。在气体流出小孔时，流出的气体和周围静止气体之间形成一个剪切层，这层涡旋将卷绕形成一个涡环12，它在自引作用下离开腔体向下游运动。与此同时，随着薄膜往回运动，气体将从小孔被吸入空腔，而涡环此时已远离腔体，因此不受吸入过程的影响。这样，一系列的涡环将形成，这些涡环在运动过程中将经历不稳定及破碎等过程而最终在小孔附近形成紊流喷13。这种喷有几个特点1)无需流体输送，净质量流量为零；2)电参数控制，射流的速度可以通过改变驱动器电参数来进行。上述特点使得合成喷可以方便地集成于角速度的测量中，它简化了一般的喷射流需要的泵装置，可以采用微加工技术来加工，从而大大降低成本。测量角速度的一般原理示意图如图3所示。图中14为角速度计，FL为离心力，FK为科氏力，Vr为相对被测量物测量器件内的速度，ω为要测量的角速度。它主要是通过测量器件上包含着的科氏力的信息来获得角速度量。合成喷射流角速度计就是利用上述原理并结合合成喷概念形成的。由于没有泵和狭长流道，这种角速度计可以采用两种方式加工完成，一是精密机械加工，二是微机械加工，也就是用硅材料经IC技术加工。它通过合成喷产生射流来作为工作介质，在没有角速度的情况下，射流不会发生偏转，如图4所示。这个时候，对称布置在射流中的一对或者多对加热的热敏传感器将受到相对低温的气流的同样的冲击，因此温度相同，不会有电信号输出。当有角速度的时候，由于受到科氏力作用，射流发生偏转，示意图如图5所示。这时候，相对应的一对热敏传感器所受的射流冲击发生差异，温度差将在这两个传感器之间产生，这个温度差正比于科氏力，而科氏力中包含着角速度的信息，因此通过测量温度差可以获得角速度的信息。本专利技术的特点和应用范围1、由于采用合成喷装置作为射流源，采用流体作为工作介质，没有旋转部件，因此这种角速度计的工作寿命比较长。2、采用合成喷形成射流，没有狭长流道，结构简单，便于加工制造；3、射流直接作用在敏感器件上，射流速度较大，因此灵敏度和分辨率高。4、由于合成喷和热敏传感器的微加工技术成熟，可以利用制造集成电路的工艺(IC技术)大量制造，大大降低了成本，因此适用于需要低成本的情况，比如用于汽车里的气囊安全系统和玩具；5、本专利技术适合于不同场合下的应用，特别是工作环境恶劣的需要长寿命的情况。附图简要说明图1为已有的射流角速度计的结构示意图。图2为本专利技术的合成喷的工作原理示意图。图3为本专利技术的角速度计测量原理示意图。图4为在本专利技术中没有角速度射流呈左右对称图。图5为在本专利技术中有角速度射流发生偏转图。图6为本专利技术的使用一对传感器的实施例一的结构计示意图。图7为本专利技术的使用两对传感器的实施例二的结构示意图。本专利技术设计出两种合成喷射流角速度计实施例，结合附图详细说明如下实施例一为具有一对温度传感器的合成喷射流角速度计，其结构如图6所示。图中，封装外壳17可为圆柱形或者方形，射流工作腔体19固定在外壳17上，在射流工作腔体的一边为带有测量电路的线路板21，它固定在外壳17和腔体19上。在线路板21右侧布置合成喷，它由驱动器振动膜20和喷口15构成，它们的边缘都固定工作腔体19上。振动膜20的驱动器可以采用压电驱动、静电驱动或者电磁驱动，其中电磁驱动的振幅可以较大，有利于高射流速度的形成，实施例一中振动膜的驱动器采用电磁驱动，工作频率为500Hz。喷口15的尺寸可根据需要权衡选择，一般说来，在半周期平均质量流量相同的条件下，小尺寸喷口设计的角速度计的灵敏度和分辨率要高于大尺寸喷口的设计，本实施例一中的喷口直径为1mm，振动薄膜20距离喷口15的距离为4mm。为了检测射流，以喷口15中心线为对称线布置的两个温度传感器18a和18b固定在射流工作腔体上，其到喷口的距离在实施例一中为10倍的喷口直径，也就是距离喷口为10mm。温度传感器采用加热热敏电阻丝构成，它的温度比射流温度要高。为了有效的形成射流和防止腔体19内温度升高，四个回流和散热孔16a-16d分别对称布置在射流工作腔体19上，其中两个在加热热敏电阻丝的左边，两个布置在右边。工作腔体在实施例一中长度取为25mm，高度为10mm，回流和散热孔径为0.5mm。上述装置主要是通过由驱动器振动膜20和喷口15构成的合成喷来产生射流，在没有角速度的情况下，射流不会发生偏转。这个时候，对称布置在射流中的一对加热的热敏传感器将受到相对低温的气流的同样的冲击，由于温度相同，不会有电信号输出。当有角速度的时候，由于科氏力作用，射流发生偏转。这时候，一对温度传感器所受的射流冲击发生差异，温度差将在两个传感器之间产生，这个温度差正比于科氏力，而科氏力中包含着角速度的信息，因此通过测量温度差可以获得角速度的信息。实施例二为具有两对温度传感器的合成喷射流角速度计，其结构如图7所示，图中温度传感器分别为18a-18d，其他结构与图6基本相同，工作原理也基本相同，但检测精度更高。本实施例二中的工作腔体长度取为15mm，高度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合成喷射流角速度计，其特征在于，采用由驱动器振动膜和喷口构成的合成喷射流源，一对或者多对热敏传感器对称布置在所说的合成喷的中心线两侧，该热敏传感器的位置位于喷口直径９－１５倍距离外。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗小兵，李志信，过增元，易明，胡桅林，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]