重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，包括設(shè)置在正四面體內(nèi)的測(cè)量球、四個(gè)壓力傳感器、與每個(gè)壓力傳感器輸出端相連接的信號(hào)調(diào)理電路、與信號(hào)調(diào)理電路輸出端相連接的單片機(jī)和與單片機(jī)輸出端相連接的顯示模塊；每個(gè)所述壓力傳感器嵌入在正四面體每個(gè)面的中心位置，所述測(cè)量球的中心與正四面體的中心重合；所述信號(hào)調(diào)理電路包括惠斯通電橋、與惠斯通電橋輸出端相連接的多級(jí)差分放大器、與多級(jí)差分放大器輸出端相連接的低通濾波電路和與低通濾波電路輸出端相連接的A/D轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的輸入端相連接。本發(fā)明的系統(tǒng)不受水平放置條件的限制，適用于不同地形和復(fù)雜環(huán)境，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，屬于自動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 重力加速度是科學(xué)研究中最基本的物理量之一，與所處地的地形地貌、空間分布 W及地球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、內(nèi)部物質(zhì)組成密切相關(guān)。高精度的重力加速度不僅是地質(zhì)研究、資源 勘查、地球動(dòng)力探索中的重要參數(shù)，在空間科學(xué)、海洋研究等領(lǐng)域更是不可或缺。
[0003] 傳統(tǒng)的重力加速度測(cè)量方法如物理實(shí)驗(yàn)中常采用的單擺法、自由落體法都受空氣 阻力的影響，加上人工讀數(shù)誤差會(huì)使測(cè)量誤差較大。其次，傳統(tǒng)的測(cè)量方法對(duì)測(cè)量條件要求 高，裝置體積大，難W實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置小型化和實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種測(cè)量精度高的重力加速度的非 水平測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量時(shí)不受水平放置條件的限制，并適用于不同地形、復(fù)雜環(huán)境和便于攜 帶。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0006] 本發(fā)明的重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，包括設(shè)置在正四面體內(nèi)的測(cè)量球、四個(gè) 壓力傳感器、與每個(gè)壓力傳感器輸出端相連接的信號(hào)調(diào)理電路、與信號(hào)調(diào)理電路輸出端相 連接的單片機(jī)和與單片機(jī)輸出端相連接的顯示模塊;每個(gè)所述壓力傳感器嵌入在正四面體 每個(gè)面的中屯、位置，所述測(cè)量球的中屯、與正四面體的中屯、重合;所述信號(hào)調(diào)理電路包括惠 斯通電橋、與惠斯通電橋輸出端相連接的多級(jí)差分放大器、與多級(jí)差分放大器輸出端相連 接的低通濾波電路和與低通濾波電路輸出端相連接的A/D轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī) 的輸入端相連接;每個(gè)所述壓力傳感器在壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生與壓力大小對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)， 電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)所述多級(jí)差分放大器和A/D轉(zhuǎn)換器后，由所述單片機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算模型計(jì)算 出測(cè)量球產(chǎn)生的重力G，再由重力公式G = mg，可求得重力加速度g的值，并通過(guò)所述顯示模 塊將測(cè)量數(shù)值實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。
[0007] 平衡狀態(tài)下根據(jù)正四面體各個(gè)面所受壓力，由數(shù)學(xué)計(jì)算模型可計(jì)算出豎直向下的 合力Fh,即Fh = G;
[000引所述數(shù)學(xué)計(jì)算模型如下：
[0009] 建立S維坐標(biāo)系，平衡時(shí)，測(cè)量球?qū)φ拿骟w四個(gè)面Si、S2、S3、S4產(chǎn)生的壓力分別 為Fl、F2、F3、F4，設(shè)四個(gè)力的合力在x、y、zS個(gè)方向上分解為Fx、Fy、Fz，則豎直向下的合力為 Fh;
[0010] W正四面體中屯、和現(xiàn)慢球球屯、重合點(diǎn)0點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，解2、53、54面的交點(diǎn)巧旨向0 點(diǎn)為Z軸方向，巧平面垂直于Z軸，其中面Si、S3、S4面的交點(diǎn)Q對(duì)xy面的投影落在y軸上;設(shè)S2、 S3、S4面雙測(cè)量球壓力的平衡力F2、F3、F4與Z軸正方向夾角分別為目2、目3、目4，F(xiàn)廟Xy平面的分 力和y軸負(fù)方向夾角為a，F(xiàn)廟Xy平面的分力和y軸正方向的夾角為0;則Fi、F2、F3、F^Fx、Fy、 Fz的關(guān)系為
[0011] ：1)
[0012]
[0013]
[0014]
[0015] (3)
[0016]
[0017] (4)
[001 引
[0019] (5)
[0020] 上述壓力傳感器采用的是電阻式應(yīng)變片。
[0021] 上述惠斯通電橋包括作為工作應(yīng)變計(jì)的Ra、作為溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)與Ra置于相同溫 度場(chǎng)中的化和電阻Rc、Rd構(gòu)成，在壓力作用下，該電橋電阻器阻值改變，使電橋失去平衡并且 在電橋兩端產(chǎn)生一個(gè)差分的電壓信號(hào);該電壓信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，并且恒定的 直流電壓也輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的兩輸入端，用于簡(jiǎn)化后級(jí)濾波和抑制共模直流電壓，同時(shí)放 大差分信號(hào)電壓;通過(guò)所述多級(jí)差分放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。
[0022] 上述低通濾波電路具體采用的是二階低通有源濾波電路。
[0023] 上述測(cè)量球采用的是無(wú)磁性的玻璃球。
[0024] 上述單片機(jī)的輸入端還連接有按鍵模塊、時(shí)鐘忍片和電可擦除存儲(chǔ)器。
[0025] 上述多級(jí)差分放大器具體采用的是二級(jí)差分放大器。
[0026] 本發(fā)明基于平衡法原理，W單片機(jī)作為主控忍片，采用應(yīng)變計(jì)壓力傳感器。測(cè)量系 統(tǒng)為嵌入四個(gè)壓力傳感器的正四面體結(jié)構(gòu)，根據(jù)內(nèi)放置的無(wú)磁性測(cè)量球靜止時(shí)對(duì)四個(gè)面的 壓力，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算小球所受的向下合力，并計(jì)算出當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎?，測(cè)量數(shù)值通過(guò) 顯示模塊實(shí)時(shí)顯示;根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，該系統(tǒng)不受水平放置條件的限制，適用于不同地形 和復(fù)雜環(huán)境，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為正四面體測(cè)量模型示意圖；
[0028] 圖2為S維坐標(biāo)系；
[0029] 圖3為S維坐標(biāo)系中四個(gè)面受力示意圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
[0031] 圖5為壓力傳感器及信號(hào)調(diào)理電路；
[0032] 圖6為低通濾波電路；
[0033] 圖7為主程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合
【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0035] 本發(fā)明設(shè)計(jì)基于平衡法原理，設(shè)計(jì)了一種重力加速度的非水平測(cè)量方法和推導(dǎo)了 其數(shù)學(xué)計(jì)算模型。具體如下：
[0036] 設(shè)計(jì)思想
[0037] 如果把一個(gè)質(zhì)量為m的玻璃球放置在一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置內(nèi)（測(cè)量裝置 的每個(gè)面的中屯、位置嵌入一個(gè)壓力傳感器），使玻璃球中屯、與正四面體的中屯、重合，即玻璃 球剛好與四個(gè)面的中屯、位置均勻接觸。測(cè)試時(shí)，當(dāng)壓力傳感器在壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生與壓力 大小對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算模型計(jì) 算出玻璃球產(chǎn)生的重力G，再由重力公式G = mg可求得重力加速度g的值。圖1為正四面體測(cè) 量模型示意圖，平衡狀態(tài)下根據(jù)正四面體各個(gè)面所受壓力由數(shù)學(xué)計(jì)算模型可計(jì)算出豎直向 下的合力Fh,即Fh = Gd
[0038] 數(shù)學(xué)計(jì)算模型
[0039] 建立=維坐標(biāo)系如圖2所示。平衡時(shí)，玻璃球?qū)φ拿骟w四個(gè)面Si、S2、S3、S4產(chǎn)生的 壓力分別為Fl、F2、F3、F4，設(shè)四個(gè)力的合力在x、y、zS個(gè)方向上分解為Fx、Fy、Fz，則豎直向下 的合力為Fh。
[0040] =維坐標(biāo)系中四個(gè)面受力示意圖如圖3所示。W四面體中屯、和玻璃球球屯、重合點(diǎn)0 點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，WS2、S3、S4面的交點(diǎn)巧旨向0點(diǎn)為Z軸方向，巧平面垂直于Z軸，其中面Sl、S3、S4 面的交點(diǎn)Q對(duì)xy面的投影落在y軸上。設(shè)S2、S3、S砸受玻璃球壓力的平衡力F2、F3、F4與Z軸正 方向夾角分別為02、03、04，F(xiàn)廟Xy平面的分力和y軸負(fù)方向夾角為a, F廟Xy平面的分力和y軸 正方向的夾角為e。則Fi、F2、的、F4與Fx、Fy、Fz的關(guān)系為
[0041]
11 )
[0042] 由正四面體模型幾何關(guān)系
[0043]
[0044]
[0045] (3)
[0046]
[0047] (4)
[004引
[0049] (S)
[0050] 本發(fā)明為一種重力加速度的非水平測(cè)量方法與系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
[0051] 系統(tǒng)框圖
[0052] 系統(tǒng)由壓力傳感器、惠斯通電橋、差分放大器、A/D轉(zhuǎn)換器W及LCD顯示屏組成。四 個(gè)壓力傳感器通過(guò)惠斯通電橋?qū)⑥D(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，經(jīng)兩級(jí)差分放大器放大后濾波，再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)程序處理，將測(cè)量數(shù)值顯示出來(lái)。硬件電路系統(tǒng) 框圖如圖4所示。
[0053] 壓力傳感器及信號(hào)調(diào)理電路
[0054] 壓力傳感器采用120 Q BFH120高精度電阻式應(yīng)變片。壓力傳感器能將機(jī)械量轉(zhuǎn)換 成電量，具有較廣的應(yīng)變范圍和高靈敏度，頻率響應(yīng)好。將四個(gè)壓力傳感器嵌入正四面體的 四個(gè)表面上，當(dāng)壓力傳感器受到壓力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相 應(yīng)變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)大小的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變對(duì)壓力的測(cè)量。
[0055] 信號(hào)調(diào)理電路由惠斯通電橋、AD8221組成的電橋前置差分放大電路和后級(jí)放大電 路組成，如圖5所示。圖中Ra、Rd為壓力傳感器的應(yīng)變計(jì)，無(wú)形變時(shí)初始阻值為120 Q ,Ra為工 作應(yīng)變計(jì)，Rd作為溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)與Ra置于相同的溫度場(chǎng)中，但不感受力的變化。Rb、Rc為 120 Q高精度電阻。Ra、化、Rc、Rd構(gòu)成惠斯通電橋，在壓力作用下，電橋電阻器阻值改變，使電 橋失去平衡并且在電橋兩端產(chǎn)生一個(gè)差分的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)輸入到AD8221儀表放大 器的輸入端。此外，恒定的直流電壓也輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的兩輸入端，簡(jiǎn)化后級(jí)濾波和抑制 共模直流電壓，同時(shí)放大差分信號(hào)電壓，同時(shí)放大差分信號(hào)電壓。通過(guò)儀表放大器對(duì)毫伏級(jí) 的輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，在通過(guò)后級(jí)放大使輸出信號(hào)為0~5V電壓。
[0056] 濾波電路
[0057] 有效信號(hào)易受工頻信號(hào)和其他噪聲信號(hào)的干擾，故需在A/D轉(zhuǎn)換之前濾波處理。濾 波器采用二階低通有源濾波電路，如圖6所示。
[005引濾波器運(yùn)算放大器采用高性能，低失調(diào)，低噪聲的集成忍片0PA2134"3地截止角頻 率為40化，能夠有效濾除電路中50化工頻干擾和其他噪聲干擾。
[0059] 軟件設(shè)計(jì)
[0060] 單片機(jī)對(duì)I/O口、外圍模塊進(jìn)行初始化后，A/D轉(zhuǎn)換忍片ADSl 115對(duì)4個(gè)通道經(jīng)過(guò)放 大濾波后壓力傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行多次采樣，單片機(jī)通過(guò)IIC通信方式讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)，同時(shí)剔除極值、求和、取平均值W減小數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差。最終計(jì)算出重力加速度g的值， 并通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示。程序流程圖如圖7所示。
[0061 ]實(shí)驗(yàn)結(jié)果
[0062] 測(cè)量過(guò)程中采用多次測(cè)量取平均值的方法W減小測(cè)量不同質(zhì)量玻璃球時(shí)造成的 隨機(jī)誤差，相同質(zhì)量的玻璃球測(cè)量記錄十次數(shù)據(jù)，取平均值。將玻璃球放入正四面體測(cè)量裝 置中，使裝置保持平衡，讀取記錄顯示的測(cè)量值，求出平均值。選取不同質(zhì)量的玻璃球重復(fù) 上述步驟。不同質(zhì)量玻璃球的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。
[0063] 親1違胳娜I試結(jié)要
[0064]
[0065] 對(duì)測(cè)量所得的各組數(shù)據(jù)求和取平均值，與當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎颠M(jìn)行比較分析，并計(jì) 算出絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差。測(cè)量對(duì)比結(jié)果分析如表2所示，根據(jù)對(duì)比分析可知采用平衡法測(cè) 量的重力加速度值有較高的準(zhǔn)確度。
[0066] 表2測(cè)量對(duì)比結(jié)果分析
[0067]
[0068] 基于壓力傳感器和正四面體測(cè)量裝置的非水平重力加速度測(cè)量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng) 重力加速度測(cè)量方法中測(cè)量裝置體積大、要求水平放置和不便于測(cè)量的問(wèn)題。系統(tǒng)通過(guò)單 片機(jī)處理數(shù)據(jù)并由LCD直接顯示測(cè)量結(jié)果，能夠消除人為讀數(shù)誤差，提高測(cè)量的穩(wěn)定度和工 作效率，減小實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。
[0069] W上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，運(yùn)些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其 等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在正四面體內(nèi)的測(cè)量球、四個(gè) 壓力傳感器、與每個(gè)壓力傳感器輸出端相連接的信號(hào)調(diào)理電路、與信號(hào)調(diào)理電路輸出端相 連接的單片機(jī)和與單片機(jī)輸出端相連接的顯示模塊； 每個(gè)所述壓力傳感器嵌入在正四面體每個(gè)面的中心位置，所述測(cè)量球的中心與正四面 體的中心重合； 所述信號(hào)調(diào)理電路包括惠斯通電橋、與惠斯通電橋輸出端相連接的多級(jí)差分放大器、 與多級(jí)差分放大器輸出端相連接的低通濾波電路和與低通濾波電路輸出端相連接的A/D轉(zhuǎn) 換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的輸入端相連接； 每個(gè)所述壓力傳感器在壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生與壓力大小對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng) 過(guò)所述多級(jí)差分放大器和A/D轉(zhuǎn)換器后，由所述單片機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算模型計(jì)算出測(cè)量球產(chǎn) 生的重力G，再由重力公式G = mg，可求得重力加速度g的值，并通過(guò)所述顯示模塊將測(cè)量數(shù) 值實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，平衡狀態(tài)下根據(jù) 正四面體各個(gè)面所受壓力，由數(shù)學(xué)計(jì)算模型可計(jì)算出豎直向下的合力Fh JPFh = G; 所述數(shù)學(xué)計(jì)算模型如下： 建立三維坐標(biāo)系，平衡時(shí)，測(cè)量球?qū)φ拿骟w四個(gè)面&、&、&54產(chǎn)生的壓力分別為 1?1、 F2、F3、F4,設(shè)四個(gè)力的合力在x、y、z三個(gè)方向上分解為Fx、Fy、Fz，則豎直向下的合力為Fh; 以正四面體中心和測(cè)量球球心重合點(diǎn)O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以S2、S3、S4面的交點(diǎn)P指向O點(diǎn)為 z軸方向，xy平面垂直于z軸，其中面Si、S3、S4面的交點(diǎn)Q對(duì)xy面的投影落在y軸上;設(shè)S2、S3、S4 面受測(cè)量球壓力的平衡力F2、F3、F4與Z軸正方向夾角分別為 92、93、04，？3在17平面的分力和7 軸負(fù)方向夾角為a，F(xiàn)4在xy平面的分力和y軸正方向的夾角為β;則 系為則豎直向下的合力Fh為(5)3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器 采用的是電阻式應(yīng)變片。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述惠斯通電橋 包括作為工作應(yīng)變計(jì)的1^、作為溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)與R a置于相同溫度場(chǎng)中的Rb和電阻Rc、Rd構(gòu) 成，在壓力作用下，該電橋電阻器阻值改變，使電橋失去平衡并且在電橋兩端產(chǎn)生一個(gè)差分 的電壓信號(hào)；該電壓信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，并且恒定的直流電壓也輸入到A/D轉(zhuǎn) 換器的兩輸入端，用于簡(jiǎn)化后級(jí)濾波和抑制共模直流電壓，同時(shí)放大差分信號(hào)電壓;通過(guò)所 述多級(jí)差分放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述低通濾波電 路具體采用的是二階低通有源濾波電路。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量球采用 的是無(wú)磁性的玻璃球。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機(jī)的輸 入端還連接有按鍵模塊、時(shí)鐘芯片和電可擦除存儲(chǔ)器。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力加速度的非水平測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述多級(jí)差分放 大器具體采用的是二級(jí)差分放大器。
【文檔編號(hào)】G01V7/00GK106019396SQ201610475926
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】張秀再, 王義林, 鮑登森, 李冉冉
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)