專(zhuān)利名稱(chēng)：微型飛行器機(jī)載微型高度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高度測(cè)量議，特別涉及一種用于微型飛行器的微型高度測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
高度計(jì)是飛行器必備的機(jī)載傳感器。傳統(tǒng)的機(jī)載高度計(jì)通常采用膜盒式氣壓高度表和雷達(dá)高度表兩套設(shè)備。前者量程寬，可以在幾千米的高空進(jìn)行測(cè)量；雷達(dá)高度表適用于接近地面的高度上的高度測(cè)量，它直接測(cè)量飛機(jī)相對(duì)于地表的高度，而不是像膜盒氣壓高度表那樣測(cè)量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)壓力面的高度。
自從1992年美國(guó)提出“微型飛行器”的概念以來(lái)，微型飛行器因?yàn)榫哂刑厥庥猛径妒荜P(guān)注。一些國(guó)家投入了專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，研制了翼展從一百多毫米到一米的飛行器。微型飛行器尺寸和重量的限制要求機(jī)載電子設(shè)備具有很高的集成度；能源的限制則要求電子設(shè)備具有很低的功耗；在動(dòng)力學(xué)方面，低雷諾數(shù)降低了飛機(jī)的穩(wěn)定性，因而對(duì)傳感器的精度提出了較高要求；微型飛行器飛行高度范圍小，通常在幾百米以?xún)?nèi)。因此，微型飛行器機(jī)載高度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)除了低重量、小體積、功耗低以外，還必須具有高靈敏度和高精度。
由于這些特殊的限制，傳統(tǒng)的機(jī)載高度計(jì)不能用于微型飛行器。需要設(shè)計(jì)一種新型的微型高度計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、靈敏度高、精度好的微型高度計(jì)，可用于微型飛行器和其它一些小型系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種微型飛行器機(jī)載微型高度計(jì)，其特征在于該高度計(jì)包括依次電連接的微型絕壓傳感器信號(hào)調(diào)理單元、后續(xù)放大和濾波單元、數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器和顯示存儲(chǔ)單元以及給上述模塊提供系統(tǒng)電源和基準(zhǔn)電壓的電源模塊；所述的微型絕壓傳感器信號(hào)調(diào)理單元包括依次電連接的恒流源模塊、微型絕壓傳感器和差動(dòng)放大電路；所述的恒流源模塊由運(yùn)放和低溫漂采樣電阻組成，運(yùn)放同相端接基準(zhǔn)電壓，反相端通過(guò)采樣電阻后接地；運(yùn)放的輸出端和反相端接該恒流源的負(fù)載；微型絕壓傳感器為MEMS微型絕壓傳感器，其氣壓口與大氣或飛機(jī)空速計(jì)的靜壓腔相通，其輸出端與差動(dòng)放大電路的輸入端相連；所述的后續(xù)放大和濾波單元有兩個(gè)差動(dòng)輸入端，其中反相端接差動(dòng)放大電路的輸出端，同相端接由基準(zhǔn)電壓分壓得到的電壓，后續(xù)放大和濾波單元對(duì)同相端和反相端電壓之差進(jìn)行放大和濾波；所述的數(shù)據(jù)采集模塊與后續(xù)放大和濾波單元輸出端相連，數(shù)據(jù)采集模塊為A/D轉(zhuǎn)換電路模塊，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，之后輸入至與之相連的微處理器；微處理器與顯示存儲(chǔ)單元相連，以顯示存儲(chǔ)所測(cè)得的高度數(shù)據(jù)。
本發(fā)明提供的用于微型飛行器的微型高度計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果測(cè)量元件選用MEMS微型絕壓傳感器，所選傳感器體積小、重量輕，并具有優(yōu)良的精度、靈敏度、溫度特性和穩(wěn)定性；采用精密恒流源驅(qū)動(dòng)絕壓傳感器，提高了傳感器工作的精度和穩(wěn)定性；因?yàn)槲⑿惋w行器機(jī)載高度計(jì)只須測(cè)量微型飛行器飛行高度以?xún)?nèi)的較低范圍，所以在差動(dòng)放大電路之后，設(shè)計(jì)了后續(xù)放大電路，從差動(dòng)放大電路輸出電壓中減去傳感器量程中用不到的電壓，并將兩者之差進(jìn)行放大和濾波，這一方法大大提高了傳感器的靈敏度，并大大降低了輸出噪聲；本發(fā)明采用12位A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，分辨率可達(dá)到10厘米以下，綜合精度優(yōu)于0.5米；模擬電路部分采用3伏或5伏供電，與微型飛行器上的系統(tǒng)電源兼容；選取低功耗電子元器件，使模擬電路總功耗低于20毫瓦；全部采用表面貼封裝元器件，并最大程度地減小電路板尺寸，本設(shè)計(jì)中模擬電路部分總重量小于4克。


圖1為本發(fā)明的微型高度計(jì)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為后續(xù)放大和濾波單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為恒流源模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明圖1為本發(fā)明的微型高度計(jì)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。該高度計(jì)包括依次電連接的微型絕壓傳感器信號(hào)調(diào)理單元10、后續(xù)放大和濾波單元20、數(shù)據(jù)采集模塊30、微處理器40和顯示存儲(chǔ)單元50以及給上述模塊提供系統(tǒng)電源61和基準(zhǔn)電壓62的電源模塊60；所述的微型絕壓傳感器信號(hào)調(diào)理單元10包括依次電連接的恒流源模塊11、微型絕壓傳感器12和差動(dòng)放大電路13；所述的恒流源模塊11的輸入端與基準(zhǔn)電壓62相連；微型絕壓傳感器12采用MEMS微型絕壓傳感器，其氣壓口與大氣或飛機(jī)空速計(jì)的靜壓腔相通，其輸出端與差動(dòng)放大電路13的輸入端相連；所述的后續(xù)放大和濾波單元20有兩個(gè)差動(dòng)輸入端，其中反相端接差動(dòng)放大電路13的輸出端，同相端接由基準(zhǔn)電壓62分壓得到的電壓，后續(xù)放大和濾波單元20對(duì)同相端和反相端電壓之差進(jìn)行放大和濾波；所述的數(shù)據(jù)采集模塊30與后續(xù)放大和濾波單元20輸出端相連，數(shù)據(jù)采集模塊30為A/D轉(zhuǎn)換電路模塊，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸入至微處理器40，微處理器與顯示存儲(chǔ)單元50相連，以顯示存儲(chǔ)所測(cè)得的高度數(shù)據(jù)。
下面介紹一最佳實(shí)施例。本實(shí)施例中，基準(zhǔn)電壓62采用MAX6061獲得；該芯片為精密、低溫漂、微功耗、小封裝電壓基準(zhǔn)源。
微型絕壓傳感器12選用ICS1210-015A型MEMS絕壓傳感器，該傳感器為壓阻式，具有體積小、靈敏度高、可靠性高的特點(diǎn)。其內(nèi)部應(yīng)用電阻激光修正技術(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償、漂移修正，采用高穩(wěn)定芯片粘合在陶瓷基的結(jié)構(gòu)，保證了高可靠性。
提供穩(wěn)定的恒流源是保證傳感器達(dá)到高精度的重要條件。由基準(zhǔn)電壓62為恒流源模塊11提供基準(zhǔn)電壓，通過(guò)負(fù)反饋電路保證微型絕壓傳感器12工作在恒流狀態(tài)；需要注意的是，在選擇采樣電阻時(shí)應(yīng)保證工作電流使運(yùn)放工作在線(xiàn)性范圍，避免飽和。
差動(dòng)放大電路13選用單電源精密儀表放大器MAX4194或AD623作為放大器，其兩輸入端分別連接微型絕壓傳感器12的兩輸出端；放大器增益通過(guò)一個(gè)電阻進(jìn)行設(shè)置。
差動(dòng)放大電路13的輸出連接到后續(xù)放大和濾波單元20；該單元將差動(dòng)放大電路13的輸出電壓減掉從基準(zhǔn)電壓62分得的電壓，并通過(guò)運(yùn)放將信號(hào)進(jìn)一步放大；放大電路采用一階有緣低通濾波器的結(jié)構(gòu)，可有效消除噪聲，使電路在獲得高靈敏度的同時(shí)獲得高信噪比。
所述的數(shù)據(jù)采集模塊30與后續(xù)放大和濾波單元20輸出端相連，數(shù)據(jù)采集模塊30為A/D轉(zhuǎn)換電路模塊，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，之后輸入至與之相連的微處理器40；微處理器40與顯示存儲(chǔ)單元50相連，以顯示存儲(chǔ)所測(cè)得的高度數(shù)據(jù)。無(wú)需專(zhuān)門(mén)說(shuō)明，本專(zhuān)業(yè)人士即可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊30、微處理器40和顯示存儲(chǔ)單元50；另外對(duì)于這三個(gè)模塊，應(yīng)該理解為根據(jù)需要可以將其與其他系統(tǒng)相結(jié)合或者作相應(yīng)修改。
圖2為后續(xù)放大和濾波單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示OUT1為差動(dòng)放大電路13的輸出端，VREF為基準(zhǔn)電壓62的輸出端，VREF經(jīng)一電位計(jì)R6分得的電壓與OUT1相減，經(jīng)運(yùn)放放大和濾波；ALT_OUT為后續(xù)放大和濾波單元的輸出電壓。
圖3為恒流源模塊結(jié)構(gòu)示意圖。恒流源模塊11由運(yùn)放和低溫漂采樣電阻組成；圖中所示運(yùn)放的同相端接基準(zhǔn)電壓62的輸出端，反相端通過(guò)采樣電阻R2后接地；運(yùn)放的輸出端和反相端接該恒流源的負(fù)載。
高度計(jì)感受的氣壓P和高度H的關(guān)系可表示為H＝K1(P0-P)，P0表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，K1為比例因子；P和差動(dòng)放大電路13的輸出電壓U1的關(guān)系為U1＝UA-K2P，UA為偏置電壓，K2為差動(dòng)放大電路13的增益；U1與后續(xù)放大和濾波單元20輸出電壓U2的關(guān)系為U2＝K3(UB-U1)，UB為基準(zhǔn)電壓，K3為后續(xù)放大和濾波單元20的增益。因此，高度的計(jì)算公式為H＝K1 P0-K1 U2/(K2 K3)+K1(UB-UA)/K2。U2被數(shù)據(jù)采集模塊30采樣，經(jīng)微處理器40計(jì)算出高度，并送到顯示存儲(chǔ)單元50進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。
權(quán)利要求
1.一種用于微型飛行器的微型高度計(jì)，其特征在于該高度計(jì)包括依次電連接的微型絕壓傳感器信號(hào)調(diào)理單元(10)、后續(xù)放大和濾波單元(20)、數(shù)據(jù)采集模塊(30)、微處理器(40)和顯示存儲(chǔ)單元(50)以及給上述模塊提供系統(tǒng)電源(61)和基準(zhǔn)電壓(62)的電源模塊(60)；所述的微型絕壓傳感器信號(hào)調(diào)理單元(10)包括依次電連接的恒流源模塊(11)、微型絕壓傳感器(12)和差動(dòng)放大電路(13)；所述的恒流源模塊(11)的輸入端與基準(zhǔn)電壓(62)相連；微型絕壓傳感器(12)采用MEMS微型絕壓傳感器，其氣壓口與大氣或飛機(jī)空速計(jì)的靜壓腔相通，其輸出端與差動(dòng)放大電路(13)的輸入端相連；所述的后續(xù)放大和濾波單元(20)有兩個(gè)差動(dòng)輸入端，其中反相端接差動(dòng)放大電路(13)的輸出端，同相端接由基準(zhǔn)電壓(62)分壓得到的電壓，后續(xù)放大和濾波單元(20)對(duì)同相端和反相端電壓之差進(jìn)行放大和濾波；所述的數(shù)據(jù)采集模塊(30)與后續(xù)放大和濾波單元(20)輸出端相連，數(shù)據(jù)采集模塊(30)為A/D轉(zhuǎn)換電路模塊，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸入至微處理器(40)，微處理器與顯示存儲(chǔ)單元(50)相連，以顯示存儲(chǔ)所測(cè)得的高度數(shù)據(jù)。
2.按照權(quán)利要求1所述的高度計(jì)，其特征在于所述的基準(zhǔn)電壓(62)采用精密、低溫漂、微功耗電壓基準(zhǔn)芯片MAX6061。
3.按照權(quán)利要求1所述的高度計(jì)，其特征在于恒流源模塊(11)由運(yùn)放和低溫漂采樣電阻組成；運(yùn)放同相端接基準(zhǔn)電壓(62)，反相端通過(guò)采樣電阻后接地；運(yùn)放的輸出端和反相端接該恒流源的負(fù)載。
4.按照權(quán)利要求1所述的高度計(jì)，其特征在于差動(dòng)放大電路采用精密儀表放大器芯片MAX4194。
全文摘要
微型飛行器機(jī)載微型高度計(jì)，涉及用于微型飛行器的微型高度計(jì)。本發(fā)明包括依次相連的微型絕壓傳感器信號(hào)調(diào)理單元、后續(xù)放大和濾波單元、數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器、顯示存儲(chǔ)單元以及給上述模塊提供系統(tǒng)電源和基準(zhǔn)電壓的電源模塊；微型絕壓傳感器信號(hào)條理單元中采用精密恒流源驅(qū)動(dòng)MEMS微型絕壓傳感器；傳感器輸出通過(guò)精密儀表放大器差動(dòng)放大后，又經(jīng)過(guò)一后續(xù)放大和濾波電路，將高度計(jì)有效量程內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行二次放大，并采取低通濾波，有效提高了靈敏度和信噪比；后續(xù)放大和濾波電路輸出到數(shù)據(jù)采集模塊，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換之后輸出至與之相連的微處理器；微處理器輸出到顯示存儲(chǔ)單元。
文檔編號(hào)G01C5/00GK1587908SQ20041006891
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月13日
發(fā)明者周兆英, 熊沈蜀, 王曉浩, 祝志晨, 王立代 申請(qǐng)人:清華大學(xué)