一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪及测量方法
阅读说明：本技术 一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪及测量方法 (Liquid piezoelectric jet gyroscope based on electrochemical energy conversion and measuring method ) 是由 杨大鹏 孙郡泽 王小欢 陈恒 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪及测量方法。该液体压电射流陀螺仪包括：陀螺仪本体、流体驱动元件、压力传感器、压电纤维片、第一电化学换能器、第二电化学换能器和控制器；流体驱动元件、压电纤维片、压力传感器、第一电化学换能器和第二电化学换能器均与控制器连接；陀螺仪本体的内部开设依次连通的流体驱动腔、缓冲腔和分流腔；分流腔包括：喷射口、第一分流道和第二分流道；第一电化学换能器设置在第一分流道中；第二电化学换能器设置在第二分流道中。该基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪采用电解液作为流动介质,将感应元件设置为电化学换能器,避免了由于温度引起的输出特性漂移的问题。(The invention discloses a liquid piezoelectric jet gyroscope based on electrochemical transduction and a measuring method. The liquid piezoelectric jet gyroscope includes: the gyroscope comprises a gyroscope body, a fluid driving element, a pressure sensor, a piezoelectric fiber sheet, a first electrochemical transducer, a second electrochemical transducer and a controller; the fluid driving element, the piezoelectric fiber sheet, the pressure sensor, the first electrochemical transducer and the second electrochemical transducer are all connected with the controller; a fluid driving cavity, a buffer cavity and a diversion cavity which are communicated in sequence are formed in the gyroscope body; the shunting cavity includes: an injection port, a first branch flow passage and a second branch flow passage; the first electrochemical transducer is arranged in the first shunt channel; the second electrochemical transducer is disposed in the second shunt channel. The liquid piezoelectric jet gyroscope based on electrochemical transduction adopts electrolyte as a flowing medium, and the sensing element is set as an electrochemical transducer, so that the problem of output characteristic drift caused by temperature is solved.)
技术领域
本发明涉及陀螺仪技术领域，特别是涉及一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪及测量方法。
背景技术
陀螺仪作为一种重要的惯性敏感单元，它可以用于检测运动物体的角速度和角速率。从20世纪50年代前出现的第一代陀螺仪开始，经过了不断的发展，陀螺仪从原来传统的机械转子陀螺仪发展出了静电陀螺、激光陀螺、绕性陀螺、光纤陀螺和压电射流陀螺等，他们都属于固态陀螺。与传统的陀螺相比，他们不带有转子，因此从原理上避免了由于高速转动的转子带来的机械摩擦和机械干扰，提高了系统的稳定性，同时降低了误差。
其中压电射流陀螺以气体作为流动介质，其优点是质量小，气体通过压电泵驱动气体循环流动，当陀螺有角速度信号输入时，由于科氏力使循环气流发生偏转来实现角参数的测量。
压电射流陀螺仪的技术特点比较符合制导兵器的应用趋势，压电射流陀螺不仅有重量轻、体积小、抗恶劣环境能力强和性能稳定的特点，且成本低、使用方便。
当前的压电射流陀螺仪主要采用气体作为流动介质，采用热敏电阻做为流速测量单元，但是从先前对流体式陀螺仪的研究来看，气体流动介质的低密度和自然对流形态是造成器件灵敏度低、频率响应低、测量范围小的主要因素，对于热射流陀螺仪，由于其感应元件为热敏电阻丝。热敏电阻丝工作在发热状态，其周围会产生一个温度场，导致陀螺仪腔体内气流速度场的分布发生改变，当两根热敏电阻丝分布不对称时，两个电阻丝也会受到温度场的影响，因此会带来陀螺仪的零位温度漂移，灵敏度温度漂移和产生非线性误差等问题。
因此，现有压电射流陀螺仪存在温度引起的输出特性漂移的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪及测量方法，采用电解液作为流动介质，将感应元件设置为电化学换能器，避免了由于温度带来的输出特性漂移的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪，包括：陀螺仪本体、流体驱动元件、压力传感器、压电纤维片、第一电化学换能器、第二电化学换能器和控制器；所述流体驱动元件、所述压电纤维片、所述压力传感器、所述第一电化学换能器和所述第二电化学换能器均与所述控制器连接；
所述陀螺仪本体的内部开设依次连通的流体驱动腔、缓冲腔和分流腔；所述分流腔包括：喷射口、第一分流道和第二分流道；所述喷射口位于所述缓冲腔和所述分流腔的连接处；所述第一分流道通过第一回流流道与所述流体驱动腔连通；所述第二分流道通过第二回流流道与所述流体驱动腔连通；所述缓冲腔为顶部开口的空腔，所述缓冲腔的顶部设置所述压电纤维片；所述缓冲腔的底部设置所述压力传感器；
所述流体驱动元件设置在所述流体驱动腔内；所述流体驱动元件用于驱动电解液流动，以使得流经所述缓冲腔后的电解液从所述喷射口射出从而产生射流并发生偏移，再经所述第一分流道和所述第二分流道回流至所述流体驱动腔；
所述第一电化学换能器设置在所述第一分流道中；所述第二电化学换能器设置在所述第二分流道中；
所述控制器用于获取所述压力传感器检测到的压力信号、所述第一电化学换能器检测到的第一流速信号和所述第二电化学换能器检测到的第二流速信号，根据所述压力信号改变所述压力纤维片的弯曲方向以改变所述缓冲腔的体积，使得所述缓冲腔内的压强平衡，并根据所述第一流速信号和所述第二流速信号计算液体压电射流陀螺仪的角速度。
可选的，所述陀螺仪本体包括上壳体和下壳体；
所述下壳体开设有第一驱动槽、第一缓冲槽和第一分流槽；所述上壳体开设有与所述第一驱动槽相匹配的第二驱动槽、与所述第一缓冲槽相匹配的缓冲贯穿槽和与所述第一分流槽相匹配的第二分流槽；所述第一驱动槽和所述第二驱动槽构成所述流体驱动腔，所述第一缓冲槽和所述缓冲贯穿槽构成所述缓冲腔；所述第一分流槽和所述第二分流槽构成所述分流腔。
可选的，所述第二驱动槽包括第一驱动元件固定槽和第二驱动元件固定槽。
可选的，所述下壳体的底面开设有与所述缓冲腔位置相对应的压力传感器固定槽，所述缓冲腔的底部开设有贯通所述压力传感器固定槽的开口，所述压力传感器固定槽用于设置所述压力传感器，所述压力传感器用于通过所述开口检测所述压力信号。
可选的，所述下壳体还开设有第一回流槽和第二回流槽；所述上壳体还开设有第三回流槽和第四回流槽；所述第一回流槽和所述第三回流槽组成所述第一回流流道，所述第二回流槽和所述第四回流槽组成所述第二回流流道。
可选的，所述第一分流槽上开设第一电化学换能器固定分槽和第二电化学换能器固定分槽，所述第二分流槽上开设第三电化学换能器固定分槽和第四电化学换能器固定分槽；所述第一电化学换能器固定分槽和所述第三电化学换能器固定分槽组成第一电化学换能器固定槽，所述第二电化学换能器固定分槽和所述第四电化学换能器固定分槽组成第二电化学换能器固定槽；
所述第一电化学换能器固定槽用于固定所述第一电化学换能器；
所述第二电化学换能器固定槽用于固定所述第二电化学换能器。
可选的，所述流体驱动元件为压电泵。
一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪测量方法，应用于上述的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪，所述测量方法包括：
获取压力传感器检测到的压力信号、第一电化学换能器检测到的第一流速信号和第二电化学换能器检测到的第二流速信号；
根据所述压力信号改变压力纤维片的弯曲方向以改变缓冲腔的体积，使得所述缓冲腔内的压强平衡；
根据所述第一流速信号和所述第二流速信号计算所述液体压电射流陀螺仪的角速度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪及测量方法，液体压电射流陀螺仪包括：陀螺仪本体、流体驱动元件、压力传感器、压电纤维片、第一电化学换能器、第二电化学换能器和控制器；流体驱动元件、压电纤维片、压力传感器、第一电化学换能器和第二电化学换能器均与控制器连接；陀螺仪本体的内部开设依次连通的流体驱动腔、缓冲腔和分流腔；分流腔包括：喷射口、第一分流道和第二分流道；喷射口位于缓冲腔和分流腔的连接处；第一分流道通过第一回流流道与流体驱动腔连通；第二分流道通过第二回流流道与流体驱动腔连通；缓冲腔为顶部开口的空腔，缓冲腔的顶部设置压电纤维片；缓冲腔的底部设置压力传感器；流体驱动元件设置在流体驱动腔内；流体驱动元件驱动电解液流动，以使得流经所述缓冲腔后的电解液从所述喷射口射出从而产生射流并发生偏移，再经所述第一分流道和所述第二分流道回流至所述流体驱动腔；第一电化学换能器设置在第一分流道中；第二电化学换能器设置在第二分流道中。该基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪采用电解液作为流动介质，将感应元件设置为电化学换能器，提高了陀螺仪的灵敏度和频率响应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪的第一结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪的第二结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电化学换能器结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪的电解液流动方向示意图；
图5为本发明实施例提供的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪测量方法的流程图。
符号说明：1-流体驱动元件，2-压力传感器，3-压电纤维片，4-第一电化学换能器，5-第二电化学换能器，6-喷射口，7-上壳体第一回流流道，8-下壳体第二回流流道，9-第一驱动槽，10-第一缓冲槽，11-第一分流槽，12-缓冲贯穿槽，13-第二分流槽，14-压电纤维片周边固定单元，15-第一驱动元件固定槽，16-第二驱动元件固定槽，17-压力传感器固定槽，18-第一回流槽，19-第二回流槽，20-第三回流槽，21-第四回流槽，22-第一电化学换能器固定分槽，23-第二电化学换能器固定分槽，24-第三电化学换能器固定分槽，25-第四电化学换能器固定分槽，26-流体驱动腔，27-缓冲腔，28-分流腔，29-第一回流流道，30-第二回流流道，31-阳极，32-阴极，33-微孔聚合物垫片，34-回流流道道壁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪及测量方法，旨在避免由于温度带来的输出特性漂移的问题，可应用于陀螺仪技术领域。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪的第一结构示意图，图2为本发明实施例提供的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪的第二结构示意图。如图1和图2所示，本实施例中的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪包括：陀螺仪本体、流体驱动元件1、压力传感器2、压电纤维片3、第一电化学换能器4、第二电化学换能器5和控制器；流体驱动元件1、压电纤维片3、压力传感器2、第一电化学换能器4和第二电化学换能器5均与控制器(图中未示出)连接。
如图3所示，第一电化学换能器4和第二电化学换能器5均为多孔惰性金属电极和其周边电路构成的电化学换能器，金属电极由精细的铂网电极组成，包含两个阳极31和两个阴极32，阳极31和阴极32用微孔聚合物垫片33隔开，排列方式为平行排列。电化学换能器的周边电路包括两个阻抗放大器和一个差分放大器，用于将电极产生的电流信号转化为电压信号。
陀螺仪本体的内部开设依次连通的流体驱动腔26、缓冲腔27和分流腔28；分流腔28包括：喷射口6、第一分流道和第二分流道；喷射口6位于缓冲腔27和分流腔28的连接处；第一分流道通过第一回流流道29与流体驱动腔26连通；第二分流道通过第二回流流道30与流体驱动腔26连通；缓冲腔27为顶部开口的空腔，缓冲腔27的顶部设置压电纤维片3；缓冲腔27的底部设置压力传感器2。
如图4所示，流体驱动元件1设置在流体驱动腔26内；流体驱动元件1用于驱动电解液流动，以使得流经缓冲腔27后的电解液从喷射口6射出从而产生射流并发生偏移，再经第一分流道和第二分流道回流至流体驱动腔26。
第一电化学换能器4设置在所述第一分流道中；第二电化学换能器5设置在所述第二分流道中。
控制器用于获取压力传感器2检测到的压力信号、第一电化学换能器4检测到的第一流速信号和第二电化学换能器5检测到的第二流速信号，根据压力信号改变压力纤维片3的弯曲方向以改变缓冲腔27的体积，使得缓冲腔27内的压强平衡，并根据第一流速信号和第二流速信号计算液体压电射流陀螺仪的角速度。
作为一种可选的实施方式，陀螺仪本体包括上壳体7和下壳体8。
下壳体8开设有第一驱动槽9、第一缓冲槽10和第一分流槽11；上壳体7开设有与第一驱动槽9相匹配的第二驱动槽、与第一缓冲槽10相匹配的缓冲贯穿槽12和与第一分流槽11相匹配的第二分流槽13；第一驱动槽9和第二驱动槽构成流体驱动腔26，第一缓冲槽10和缓冲贯穿槽12构成缓冲腔27；第一分流槽11和第二分流槽13构成分流腔28。压电纤维片3通过压电纤维片周边固定单元14设置上缓冲贯穿槽12。
作为一种可选的实施方式，第二驱动槽包括第一驱动元件固定槽15和第二驱动元件固定槽16。
作为一种可选的实施方式，下壳体8的底面开设有与缓冲腔27位置相对应的压力传感器固定槽17，缓冲腔27的底部开设有贯通压力传感器固定槽17的开口，压力传感器固定槽17用于设置压力传感器2，压力传感器2用于通过开口检测压力信号。
作为一种可选的实施方式，下壳体8还开设有第一回流槽18和第二回流槽19；上壳体7还开设有第三回流槽20和第四回流槽21；第一回流槽18和第三回流槽20组成第一回流流道29，第二回流槽19和第四回流槽21组成第二回流流道30。
作为一种可选的实施方式，第一分流槽11上开设第一电化学换能器固定分槽22和第二电化学换能器固定分槽23，第二分流槽13上开设第三电化学换能器固定分槽24和第四电化学换能器固定分槽25；第一电化学换能器固定分槽22和第三电化学换能器固定分槽24组成第一电化学换能器固定槽，第二电化学换能器固定分槽23和第四电化学换能器固定分槽25组成第二电化学换能器固定槽。
第一电化学换能器固定槽用于固定第一电化学换能器4。
第二电化学换能器固定槽用于固定第二电化学换能器5。
作为一种可选的实施方式，流体驱动元件1为压电泵。
图5为本发明实施例提供的基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪测量方法的流程图，测量方法包括：
获取压力传感器2检测到的压力信号、第一电化学换能器4检测到的第一流速信号和第二电化学换能器5检测到的第二流速信号。
根据所述压力信号改变压力纤维片的弯曲方向以改变缓冲腔27的体积，使得所述缓冲腔27内的压强平衡。
根据所述第一流速信号和所述第二流速信号计算所述液体压电射流陀螺仪的角速度。
本发明中基于电化学换能的液体压电射流陀螺仪主要理论依据是科氏定律，在旋转体系中，进行直线运动的质点受科氏力的影响，会有相对旋转体系产生的直线运动的偏移，科氏力为：F＝-2mω×v，其中，m是质点的质量，v是质点相对于旋转体系的运动速度，ω是旋转体系的角速度，科氏力F的方向同时垂直于v的方向和ω的方向，×表示两个向量的向量积。在陀螺仪中，由于科氏力的存在，使得射流朝着科氏力的方向偏转，导致流经两个电化学换能器的流量不同。
若设射流的偏移量为x，则科氏加速度大小为：
x″＝2ωv，
从上式可知，射流在科式力F的作用下产生的偏移量为：
x＝ωvt2，
其中，t是从产生射流到计算偏移量的时间。
若第一分流道和第二分流道的长度均为l，根据l＝vt可得本发明陀螺仪中产生的射流在科式力F的作用下产生的偏移量为：
可以看出，射流的偏移量正比于旋转体系的角速度，射流的偏移会导致流入第一分流道和第二分流道的流量产生差值。由于第一分流道和第二分流道的横截面积相同，第一分流道和第二分流道内电解液的流量差与电解液流速度差值成正比，因此电化学换能器检测第一分流道和第二分流道的电解液流速差异，即可解算出旋转体系的角速度，设两个回流道内电解液流速差值为ΔV，k1为比例系数，则
电化学换能器产生电流信号以响应输入的运动。换能器单元的对称几何形状(两个相反方向的阳极和两个阴极)保证了它在大范围输入信号上的线性行为。
因此，两个分流道内电解液流速的变化最终会引起电化学换能器输出电流的变化，则根据流速信号转换成电流信号的公式如下：
其中，I是电流。
外围电路可以将电化学换能器的电流转化为电压，设转换灵敏度为A,则输出电压的公式如下：
其中，Uout是输出电压。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置、方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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