CN105738654A - 一种加速度测量装置及基于量程切换的数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加速度测量装置及基于量程切换的数据采集方法，包括加速度计、量程切换模块、第一信号预处理模块、第二信号预处理模块以及信号处理和控制单元；加速度计采集加速度信息；量程切换模块根据控制信号与第一信号处理模块或第二信号处理模块连接，并将加速度信息发送至第一信号处理模块或第二信号处理模块；第一信号预处理模块和第二信号预处理模块分别对加速度信息预处理；信号处理和控制单元将预处理的加速度信息与预设值比较，并产生控制信号发送给量程切换模块，若大于预设值，控制量程切换模块与第一信号预处理模块连接；若小于预设值，控制量程切换模块与第二信号预处理模块连接。本发明能够满足不同的加速度测量需求。
Description
技术领域
本发明涉及微重力科学实验设备，具体涉及一种加速度测量装置及基于量程切换的数据采集方法。
背景技术
加速度计是一种广泛用于航天、军工、工业、生活等各类仪器设备的惯性器件。根据应用场合不同，选用的加速度计也不同。加速度计种类各不相同。
在惯性测量的应用中一般采用石英挠性加速度计的较多。但石英加速度计根据挠性片的不同，也有专门针对大量程(例如±10g)和小量程(例如±2g以下)的区别。大量程的加速度计精度较差(一般大在100ug以上)，而精度较好(例如10ug量级)的一般量程较小。
在微重力科学和技术领域，由于卫星、飞船等设备上处于完全失重的状态，因此对量程要求不高，但对于精度要求很高(ug量级)。我们可以将石英加速度计进行改造为专用于微重力下应用的加速度计(例如量程在±0.1g以下)。
此外，微重力的加速度测量还可以通过其他的加速度计去测量，如静电悬浮加速度计等。这种加速度计的量程更小(例如在±0.01g以下)，但精度很高(在10-3ug量级以下)。
加速度计的核心技术在于表头的结构工艺和伺服电路。但在一些特殊应用中(例如微重力测量领域、精密检测领域)，对加速度信号的量程、精度(10-4～10-5)、带宽(>300Hz)要求很高，加速度计的信号处理电路也成为影响***指标的关键部分。
加速度计信号处理电路包括两部分：信号调理放大电路和信号采集处理电路。加速度计调理放大电路的作用是对信号进行放大，信号调理放大电路同样有量程和精度方面的矛盾。电路的动态范围有限，在当量程较大时，采集噪声也提高；当噪声较小时，量程也变小。
在一些特殊场景下(例如微重力科学实验)，微重力科学实验对于加速度测量的量程要求较小，而对加速度测量精度要求较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种加速度测量装置及基于量程切换的数据采集方法，能够切换量程，满足不同的加速度测量需求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种加速度测量装置，包括加速度计、量程切换模块、第一信号预处理模块、第二信号预处理模块以及信号处理和控制单元；
所述加速度计，用于采集外部环境的加速度信息；
所述量程切换模块，用于根据所述信号处理和控制单元发送的控制信号与第一信号处理模块或第二信号处理模块连接，并将采集的加速度信息发送至第一信号处理模块或第二信号处理模块；
所述第一信号预处理模块，用于对接收到的加速度信息预处理；
所述第二信号预处理模块，用于对接收到的加速度信息预处理；
所述信号处理和控制单元，用于将接收到的预处理的加速度信息与预设值比较，根据比较结果产生控制信号，并发送给量程切换模块，若大于预设值，控制量程切换模块与第一信号预处理模块连接；若小于预设值，控制量程切换模块与第二信号预处理模块连接；
所述第二信号预处理模块对数据的处理精度大于第一信号预处理模块。
本发明的有益效果是：量程切换模块根据信号处理和控制单元的判断结果控制与第一信号预处理模块或第二信号预处理模块接通，从而实现不同量程的自动切换，使得该装置具有微重力和常规重力两种测量模式，既保持了微重力小量程测量精度高的优势，又兼有常规重力大量程测量范围大的优点，通用性强。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述所述量程切换模块为继电器、多路选通开关和GPA切换电路中的一种。
进一步，所述第一信号预处理模块包括依次连接的第一信号调理电路和第一采集电路。
进一步，所述第一信号调理电路包括依次连接的第一转换电路、第一放大器和第一滤波电路。
进一步，所述第二信号预处理模块包括依次连接的第二信号调理电路和第二采集电路。
进一步，所述第二信号调理电路包括第二转换电路、第二放大器和第二滤波电路。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种加速度测量装置，包括第一加速度计、第二加速度计、第一信号预处理模块、第二信号预处理模块以及信号处理和控制单元；
所述第一加速度计，用于采集外部环境的加速度信息，并发送至所述第一信号预处理模块；
所述第二加速度计，用于采集外部环境的加速度信息，并发送至所述第二信号预处理模块；
所述第一信号预处理模块，用于对加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元；
所述第二信号预处理模块，用于对加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元；
所述信号处理和控制单元，用于将预处理的加速度信息与预设值比较，若大于预设值，则开启第一加速度计且关闭第二加速度计；若小于预设值，则关闭大量程加速度计且开启小量程加速度计；
所述第二信号预处理模块对数据的处理精度大于第一信号预处理模块；
所述第一加速度计的量程大于第二加速度计的量程。
本发明的有益效果是：通过设置两个不同量程的加速度计，从而根据信号处理和控制单元的判断结果选择开启第一加速度计或第二加速度计使其工作，从而实现不同量程的自动切换，使得该装置具有微重力和常规重力两种测量模式，既保持了微重力小量程测量精度高的优势，又兼有常规重力大量程测量范围大的优点，通用性强。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述第一信号预处理模块包括依次连接的第一信号调理电路和第一采集电路。
进一步，所述第一信号调理电路包括依次连接的第一转换电路、第一放大器和第一滤波电路。
进一步，所述第二信号预处理模块包括依次连接的第二信号调理电路和第二采集电路。
进一步，所述第二信号调理电路包括第二转换电路、第二放大器和第二滤波电路。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种基于量程切换的数据采集方法，包括：
Sa1，加速度计采集外部环境的加速度信息；
Sa2，第一信号预处理模块对采集到的加速度信息预处理；
Sa3，信号处理和控制单元将预处理的加速度信息与预设值比较，并根据比较结果发送控制信号给量程切换模块，若大于预设值，则控制量程切换模块与所述第一信号预处理模块连接，返回步骤Sa1，并根据外部停止命令停止采集加速度信息；若小于预设值，则控制量程切换模块与所述第二信号预处理模块连接，并执行步骤Sa4，；
Sa4，加速度计采集外部环境的加速度信息；
Sa5，第二信号预处理模块对采集到的加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元执行步骤Sa3，以及在接收到外部停止命令时停止采集加速度信息。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种基于量程切换的数据采集方法，包括：
Sb1，第一加速度计采集外部环境加速度信息；
Sb2，第一信号预处理模块对接收到的加速度信息预处理；
Sb3，所述信号处理和控制单元将预处理的加速度信息与预设值比较，若大于预设值，则返回步骤Sb1，并在接收到外部停止命令时结束；若小于预设值，则关闭第一加速度计且开启第二加速度计，并执行步骤Sb4；
Sb4，所述第二加速度计采集外部环境加速度信息；
Sb5，所述第二信号预处理模块对采集的加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元执行步骤Sb3，以及在接收到外部停止命令时停止采集加速度信息。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种加速度测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2中一种加速度测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1和实施例2中第一信号预处理模块的结构示意图；
图4为本发明实施例1和实施例2中第二信号预处理模块的结构示意图；
图5为本发明实施例1中一种基于量程切换的数据采集方法的流程示意图；
图6为本发明实施例2中一种基于量程切换的数据采集方法的流程示意图；
图7为本发明的基于量程切换的数据采集方法用于微重力实验***的方法流程示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、加速度计，2、量程切换模块，3、第一信号预处理模块，31、第一信号调理电路，311、第一转换电路，312、第一放大器，313、第一滤波电路，32、第一采集电路，4、第二信号预处理模块，41、第二信号调理电路，411、第二转换电路，412、第二放大器，413、第二滤波电路，42、第二采集电路，5、信号处理和控制单元，6、第一加速度计，7、第二加速度计。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种加速度测量装置，包括加速度计1、量程切换模块2、第一信号预处理模块3、第二信号预处理模块4以及信号处理和控制单元5；
加速度计1，用于采集外部环境的加速度信息；
量程切换模块2，用于根据信号处理和控制单元5发送的控制信号与第一信号处理模块3或第二信号处理模块4连接，并将采集的加速度信息发送至第一信号处理模块3或第二信号处理模块4；
第一信号预处理模块3，用于对接收到的加速度信息预处理；
第二信号预处理模块4，用于对接收到的加速度信息预处理；
信号处理和控制单元5，用于将接收到的预处理的加速度信息与预设值比较，根据比较结果产生控制信号，并发送给量程切换模块2，若大于预设值，控制量程切换模块2与第一信号预处理模块3连接；若小于预设值，控制量程切换模块2与第二信号预处理模块4连接；
第二信号预处理模块4对数据的处理精度大于第一信号预处理模块3；
量程切换模块2为继电器、多路选通开关和GPA切换电路中的一种。
如图3所示，第一信号预处理模块3包括依次连接的第一信号调理电路31和第一采集电路32。
第一信号调理电路31包括依次连接的第一转换电路311、第一放大器312和第一滤波电路313。
如图4所示，第二信号预处理模块4包括依次连接的第二信号调理电路41和第二采集电路42。
第二信号调理电路41包括第二转换电路411、第二放大器412和第二滤波电路413。
如图5所示，在给加速度测量装置上电后默认量程切换模块与第一信号预处理模块连接，因此，一种基于量程切换的数据采集方法的步骤包括：
Sa1，加速度计1采集外部环境的加速度信息；
Sa2，第一信号预处理模块3对采集到的加速度信息预处理；
Sa3，信号处理和控制单元5将预处理的加速度信息与预设值比较，并根据比较结果发送控制信号给量程切换模块2，若大于预设值，则控制量程切换模块2与所述第一信号预处理模块3连接，返回步骤Sa1，并根据外部停止命令停止采集加速度信息；若小于预设值，则控制量程切换模块2与所述第二信号预处理模块4连接，并执行步骤Sa4，；
Sa4，加速度计1采集外部环境的加速度信息；
Sa5，第二信号预处理模块4对采集到的加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元5执行步骤Sa3，以及在接收到外部停止命令时停止采集加速度信息。
实施例2
如图2所示，一种加速度测量装置，包括第一加速度计6、第二加速度计7、第一信号预处理模块3、第二信号预处理模块4以及信号处理和控制单元5；
第一加速度计6，用于采集外部环境的加速度信息，并发送至第一信号预处理模块3；
第二加速度计7，用于采集外部环境的加速度信息，并发送至第二信号预处理模块4；
第一信号预处理模块3，用于对加速度信息预处理，并发送至信号处理和控制单元5；
第二信号预处理模块4，用于对加速度信息预处理，并发送至信号处理和控制单元5；
信号处理和控制单元5，用于将预处理的加速度信息与预设值比较，若大于预设值，则开启第一加速度计6且关闭第二加速度计7；若小于预设值，则关闭大量程加速度计6且开启小量程加速度计6；
第二信号预处理模块4对数据的处理精度大于第一信号预处理模块3对数据的处理精度；
第一加速度计6的量程大于第二加速度计7的量程。
如图3所示，第一信号预处理模块3包括依次连接的第一信号调理电路31和第一采集电路32。
第一信号调理电路31包括依次连接的第一转换电路311、第一放大器312和第一滤波电路313。
如图4所示，第二信号预处理模块4包括依次连接的第二信号调理电路41和第二采集电路42。
第二信号调理电路41包括第二转换电路411、第二放大器412和第二滤波电路413。
如图6所示，在给加速度测量装置上电后默认第一加速度计和第一信号预处理模块工作，因此，一种基于量程切换的数据采集方法的步骤包括：
Sb1，第一加速度计6采集外部环境加速度信息，并发送给第一信号预处理模块3；
Sb2，第一信号预处理模块3对接收到的加速度信息预处理；
Sb3，所述信号处理和控制单元5将预处理的加速度信息与预设值比较，若大于预设值，则返回步骤Sb1，并在接收到外部停止命令时结束；若小于预设值，则关闭第一加速度计6且开启第二加速度计6，并执行步骤Sb4；
Sb4，所述第二加速度计7采集外部环境加速度信息；
Sb5，所述第二信号预处理模块4对采集的加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元5执行步骤Sb3，以及在接收到外部停止命令时停止采集加速度信息。
在上述两个实施例中，外部停止命令指手动关闭加速度测量装置，例如断电。
在上述实施例1和实施例2的装置结构中，加速度计1、第一加速度计6和第二加速度计7均采用石英挠性加速度计。石英挠性加速度计是一种力平衡式传感器，能够将输入的加速度转换成其挠性摆片的微小位移，并用反馈力加以平衡。由于采用了力反馈回路，使这种挠性加速度计具有精度高，抗干扰能力强的特点。最适合于低频低g值的加速度测量，是惯性导航和制导***中不可缺少的关键器件之一，在运载火箭、远程弹道导弹、宇宙飞船、中程导弹、战术导弹、军用飞机、舰船等导航与制导***中有广泛的应用。
量程切换模块2优选继电器；继电器选用磁保持继电器；磁保持继电器是一种一直闭合在同一管脚的继电器，只有给予有效控制信号后才会进行切换，保证了断电后磁保持继电器不会改变原有的闭合管脚。通过切换调理电路，使得装置有微重力±50mg和常规重力±2g两种测量模式，保证***即能保持微重力小量程测量精度高的优势，又兼有常规重力大量程测量范围大的优点，增强装置的通用性。磁保持继电器能够保证整个装置在上电过程中，不会发生继电器管脚的跳动变化，减少了因上电时继电器管脚变化带来的噪声和信号的不稳定，提高了采集的实时性。并且继电器是机械切换，切换后不会引入新的噪声。
第一采集电路32与第二采集电路42均采用A/D转换器，型号优选ADS1258，ADS1258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪声的16通道多路复用的高精度24位A/D转换器，单通道带宽125kSPS，自动采集带宽23.5kSPS，噪声2.8μVRMS1.8kSPS，线性度0.0003％，其内部集成了输入多路复用器、模拟低通滤波器、数字滤波器等功能。内部有多种控制寄存器，用户通过不同的配置得到不同的A/D采样率、采样模式、A/D转换精度等。带有串行外设接口SPI，一个高速同步的串行输入/输出串口。此外，ADS1258具有EP级产品，支持在较恶劣的环境下使用；
第一放大器312和第二放大器412的区别为放大倍数不同，第一放大器312的放大倍数大于第二放大器412的放大倍数；第一放大器312和第二放大器412的核心放大器均采用0P07；选用OP07作为核心放大器。这样可保证信号在后一级的准确性和测量的可行性。
加速度信号通过滤波、放大、AD转换采集之后，必须进行处理、存储，并根据处理结果输出控制信号。因此，在前期信号处理和信号转换之后，主要通过信号处理和控制单元对数据进行处理和输出控制信号。信号处理和控制单元选择FPGA。FPGA选型为Actel公司的Flash型A3PE3000L-FG484M，工作温度为–55℃～125℃，最高主频350MHz，最大300万门电路。
在上述两种实施例中，信号处理和控制单元在将经过预处理的加速度信息与预设值比较时，预设值取50mg。
在上述实施例1和实施例2的方法中，信号处理和控制单元在判断完后，还可以发送控制信号给微重力实验***，作为实验的开始或结束信号，如图7所示，在该过程中，前述采集数据以及数据的预处理和判断过程均与量程切换方法相同，在判断完后具体为：当判断结果是大于预设值时，则实验结束；若小于预设值，则可以开始实验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种加速度测量装置，其特征在于，包括加速度计(1)、量程切换模块(2)、第一信号预处理模块(3)、第二信号预处理模块(4)以及信号处理和控制单元(5)；
所述加速度计(1)，用于采集外部环境的加速度信息；
所述量程切换模块(2)，用于根据所述信号处理和控制单元(5)发送的控制信号与第一信号处理模块(3)或第二信号处理模块(4)连接，并将采集的加速度信息发送至第一信号处理模块(3)或第二信号处理模块(4)；
所述第一信号预处理模块(3)，用于对接收到的加速度信息预处理；
所述第二信号预处理模块(4)，用于对接收到的加速度信息预处理；
所述信号处理和控制单元(5)，用于将接收到的预处理的加速度信息与预设值比较，根据比较结果产生控制信号，并发送给量程切换模块(2)，若大于预设值，控制量程切换模块(2)与第一信号预处理模块(3)连接；若小于预设值，控制量程切换模块(2)与第二信号预处理模块(4)连接；
所述第二信号预处理模块(4)对数据的处理精度大于第一信号预处理模块(3)。
2.根据权利要求1所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述量程切换模块(2)为继电器、多路选通开关和GPA切换电路中的一种。
3.根据权利要求1所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述第一信号预处理模块(3)包括依次连接的第一信号调理电路(31)和第一采集电路(32)。
4.根据权利要求3所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述第一信号调理电路(31)包括依次连接的第一转换电路(311)、第一放大器(312)和第一滤波电路(313)。
5.根据权利要求1所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述第二信号预处理模块(4)包括依次连接的第二信号调理电路(41)和第二采集电路(42)。
6.根据权利要求5所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述第二信号调理电路(41)包括第二转换电路(411)、第二放大器(412)和第二滤波电路(413)。
7.一种加速度测量装置，其特征在于，包括第一加速度计(6)、第二加速度计(7)、第一信号预处理模块(3)、第二信号预处理模块(4)以及信号处理和控制单元(5)；
所述第一加速度计(6)，用于采集外部环境的加速度信息，并发送至所述第一信号预处理模块(3)；
所述第二加速度计(7)，用于采集外部环境的加速度信息，并发送至所述第二信号预处理模块(4)；
所述第一信号预处理模块(3)，用于对加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元(5)；
所述第二信号预处理模块(4)，用于对加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元(5)；
所述信号处理和控制单元(5)，用于将预处理的加速度信息与预设值比较，若大于预设值，则开启第一加速度计(6)且关闭第二加速度计(7)；若小于预设值，则关闭大量程加速度计(6)且开启小量程加速度计(6)；
所述第二信号预处理模块(4)对数据的处理精度大于第一信号预处理模块(3)；
所述第一加速度计(6)的量程大于第二加速度计(7)的量程。
8.根据权利要求7所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述第一信号预处理模块(3)包括依次连接的第一信号调理电路(31)和第一采集电路(32)。
9.根据权利要求8所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述第一信号调理电路(31)包括依次连接的第一转换电路(311)、第一放大器(312)和第一滤波电路(313)。
10.根据权利要求7所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述第二信号预处理模块(4)包括依次连接的第二信号调理电路(41)和第二采集电路(42)。
11.根据权利要求10所述一种加速度测量装置，其特征在于，所述第二信号调理电路(41)包括第二转换电路(411)、第二放大器(412)和第二滤波电路(413)。
12.一种基于量程切换的数据采集方法，其特征在于，包括：
Sa1，加速度计(1)采集外部环境的加速度信息；
Sa2，第一信号预处理模块(3)对采集到的加速度信息预处理；
Sa3，信号处理和控制单元(5)将预处理的加速度信息与预设值比较，并根据比较结果发送控制信号给量程切换模块(2)，若大于预设值，则控制量程切换模块(2)与所述第一信号预处理模块(3)连接，返回步骤Sa1，并根据外部停止命令停止采集加速度信息；若小于预设值，则控制量程切换模块(2)与所述第二信号预处理模块(4)连接，并执行步骤Sa4；
Sa4，加速度计(1)采集外部环境的加速度信息；
Sa5，第二信号预处理模块(4)对采集到的加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元(5)执行步骤Sa3，以及在接收到外部停止命令时停止采集加速度信息。
13.一种基于量程切换的数据采集方法，其特征在于，包括：
Sb1，第一加速度计(6)采集外部环境加速度信息；
Sb2，第一信号预处理模块(3)对接收到的加速度信息预处理；
Sb3，所述信号处理和控制单元(5)将预处理的加速度信息与预设值比较，若大于预设值，则返回步骤Sb1，并在接收到外部停止命令时结束；若小于预设值，则关闭第一加速度计(6)且开启第二加速度计(6)，并执行步骤Sb4；
Sb4，所述第二加速度计(7)采集外部环境加速度信息；
Sb5，所述第二信号预处理模块(4)对采集的加速度信息预处理，并发送至所述信号处理和控制单元(5)执行步骤Sb3，以及在接收到外部停止命令时停止采集加速度信息。
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