CN205749941U - 重力加速度的非水平测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了重力加速度的非水平测量系统，包括设置在正四面体内的测量球、四个压力传感器、与每个压力传感器输出端相连接的信号调理电路、与信号调理电路输出端相连接的单片机和与单片机输出端相连接的显示模块；每个所述压力传感器嵌入在正四面体每个面的中心位置，所述测量球的中心与正四面体的中心重合；所述信号调理电路包括惠斯通电桥、与惠斯通电桥输出端相连接的多级差分放大器、与多级差分放大器输出端相连接的低通滤波电路和与低通滤波电路输出端相连接的A/D转换器，所述A/D转换器与单片机的输入端相连接。本实用新型的系统不受水平放置条件的限制，适用于不同地形和复杂环境，具有较强的现实意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种重力加速度的非水平测量系统，属于自动测量技术领域。
背景技术
重力加速度是科学研究中最基本的物理量之一，与所处地的地形地貌、空间分布以及地球的运动状态、内部物质组成密切相关。高精度的重力加速度不仅是地质研究、资源勘查、地球动力探索中的重要参数，在空间科学、海洋研究等领域更是不可或缺。
传统的重力加速度测量方法如物理实验中常采用的单摆法、自由落体法都受空气阻力的影响，加上人工读数误差会使测量误差较大。其次，传统的测量方法对测量条件要求高，装置体积大，难以实现测量装置小型化和实时实地测量。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型目的是提供一种测量精度高的重力加速度的非水平测量系统，测量时不受水平放置条件的限制，并适用于不同地形、复杂环境和便于携带。
为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：
本实用新型的重力加速度的非水平测量系统，包括设置在正四面体内的测量球、四个压力传感器、与每个压力传感器输出端相连接的信号调理电路、与信号调理电路输出端相连接的单片机和与单片机输出端相连接的显示模块；每个所述压力传感器嵌入在正四面体每个面的中心位置，所述测量球的中心与正四面体的中心重合；所述信号调理电路包括惠斯通电桥、与惠斯通电桥输出端相连接的多级差分放大器、与多级差分放大器输出端相连接的低通滤波电路和与低通滤波电路输出端相连接的A/D转换器，所述A/D转换器与单片机的输入端相连接。
本实用新型中，通过压力传感器检测正四面体各个面所受压力，然后经过所述多级差分放大器和A/D转换器后，通过单片机可计算出测量球竖直向下的合力FH(计算测量球竖直向下的合力FH现有的计算机程序即可实现，为现有技术。本实用新型的创新点在于各部件之间的连接关系，所以本专利属于实用新型的保护客体)，FH＝G，g＝G/m。
上述单片机的输入端还连接有按键模块、时钟芯片和电可擦除存储器。
上述低通滤波电路具体采用的是二阶低通有源滤波电路。
上述测量球采用的是无磁性的玻璃球。
上述多级差分放大器具体采用的是二级差分放大器。
本实用新型为嵌入四个压力传感器的正四面体结构，根据内放置的无磁性测量球静止时对四个面的压力，计算出小球所受的向下合力，并计算出当地重力加速度值，测量数值通过显示模块实时显示；根据实验测试结果，该系统不受水平放置条件的限制，适用于不同地形和复杂环境，具有较强的现实意义。
附图说明
图1为正四面体测量模型示意图；
图2为本实用新型的系统框图；
图3为压力传感器及信号调理电路；
图4为低通滤波电路。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
设计思想
如果把一个质量为m的玻璃球放置在一个正四面体结构的测量装置内(测量装置的每个面的中心位置嵌入一个压力传感器)，使玻璃球中心与正四面体的中心重合，即玻璃球刚好与四个面的中心位置均匀接触。测试时，当压力传感器在压力作用下，会产生与压力大小对应的电压信号；电压信号经过放大电路和A/D转换后，由单片机根据数学计算模型计算出玻璃球产生的重力G，再由重力公式G＝mg可求得重力加速度g的值。图1为正四面体测量模型示意图，平衡状态下根据正四面体各个面所受压力由数学计算模型可计算出竖直向下的合力FH,即FH＝G。
系统框图
系统由压力传感器、惠斯通电桥、差分放大器、A/D转换器以及LCD显示屏组成。四个压力传感器通过惠斯通电桥将转换的电压信号，经两级差分放大器放大后滤波，再经A/D转换成数字信号传输给单片机，单片机通过程序处理，将测量数值显示出来。硬件电路系统框图如图2所示。
压力传感器及信号调理电路
压力传感器采用120ΩBFH120高精度电阻式应变片。压力传感器能将机械量转换成电量，具有较广的应变范围和高灵敏度，频率响应好。将四个压力传感器嵌入正四面体的四个表面上，当压力传感器受到压力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为相应大小的电信号，从而实现应变对压力的测量。
信号调理电路由惠斯通电桥、AD8221组成的电桥前置差分放大电路和后级放大电路组成，如图3所示。图中Ra、Rd为压力传感器的应变计，无形变时初始阻值为120Ω，Ra为工作应变计，Rd作为温度补偿应变计与Ra置于相同的温度场中，但不感受力的变化。Rb、Rc为120Ω高精度电阻。Ra、Rb、Rc、Rd构成惠斯通电桥，在压力作用下，电桥电阻器阻值改变，使电桥失去平衡并且在电桥两端产生一个差分的电压信号。该电压信号输入到AD8221仪表放大器的输入端。此外，恒定的直流电压也输入到A/D转换器的两输入端，简化后级滤波和抑制共模直流电压，同时放大差分信号电压，同时放大差分信号电压。通过仪表放大器对毫伏级的输入信号进行调理，在通过后级放大使输出信号为0～5V电压。
滤波电路
有效信号易受工频信号和其他噪声信号的干扰，故需在A/D转换之前滤波处理。滤波器采用二阶低通有源滤波电路，如图4所示。
滤波器运算放大器采用高性能，低失调，低噪声的集成芯片OPA2134。3dB截止角频率为40Hz，能够有效滤除电路中50Hz工频干扰和其他噪声干扰。
实验结果
测量过程中采用多次测量取平均值的方法以减小测量不同质量玻璃球时造成的随机误差，相同质量的玻璃球测量记录十次数据，取平均值。将玻璃球放入正四面体测量装置中，使装置保持平衡，读取记录显示的测量值，求出平均值。选取不同质量的玻璃球重复上述步骤。不同质量玻璃球的测量数据如表1所示。
表1实验测试结果
对测量所得的各组数据求和取平均值，与当地重力加速度值进行比较分析，并计算出绝对误差与相对误差。测量对比结果分析如表2所示，根据对比分析可知采用平衡法测量的重力加速度值有较高的准确度。
表2测量对比结果分析
基于压力传感器和正四面体测量装置的非水平重力加速度测量系统克服了传统重力加速度测量方法中测量装置体积大、要求水平放置和不便于测量的问题。系统通过单片机处理数据并由LCD直接显示测量结果，能够消除人为读数误差，提高测量的稳定度和工作效率，减小实验测量结果的随机性，具有一定的现实意义和实用价值。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.重力加速度的非水平测量系统，其特征在于，包括设置在正四面体内的测量球、四个压力传感器、与每个压力传感器输出端相连接的信号调理电路、与信号调理电路输出端相连接的单片机和与单片机输出端相连接的显示模块；
每个所述压力传感器嵌入在正四面体每个面的中心位置，所述测量球的中心与正四面体的中心重合；
所述信号调理电路包括惠斯通电桥、与惠斯通电桥输出端相连接的多级差分放大器、与多级差分放大器输出端相连接的低通滤波电路和与低通滤波电路输出端相连接的A/D转换器，所述A/D转换器与单片机的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的重力加速度的非水平测量系统，其特征在于，所述单片机的输入端还连接有按键模块、时钟芯片和电可擦除存储器。
3.根据权利要求1所述的重力加速度的非水平测量系统，其特征在于，所述低通滤波电路具体采用的是二阶低通有源滤波电路。
4.根据权利要求1所述的重力加速度的非水平测量系统，其特征在于，所述测量球采用的是无磁性的玻璃球。
5.根据权利要求1所述的重力加速度的非水平测量系统，其特征在于，所述多级差分放大器具体采用的是二级差分放大器。
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|---|---|---|---|---|
| CN110276857A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-09-24 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 一种航空发动机压力传感器信号的处理方法及电路 |
| CN111122170A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-05-08 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 一种基于电流源的高精度电阻信号调理电路及方法 |
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2016
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| CN111122170B (zh) * | 2019-11-28 | 2022-01-25 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 一种基于电流源的高精度电阻信号调理电路及方法 |
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