一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统的制作方法

本发明涉及一种加速度传感器控制系统，特别是涉及含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统。

背景技术

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力也就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。加速度传感器有两种：一种是角加速度传感器，是由陀螺仪改进过来的。另一种就是加速度传感器。它也可以按测量轴分为单轴、双轴和三轴加速度传感器。现在，加速度传感器广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探、振动测试与分析以及安全保卫振动侦察等多种领域。

含芯压电棒六维加速度传感器可完成测量物体移动线速度和角加速度，为移动终端设备等小功率电子设备提供高性能的六维加速度传感器，改变目前便携式移动设备中加速度传感器感应维数低，结构大、精度不高等情况。鉴于目前如智能手机、汽车的庞大市场，以及电子产品的快速更新换代，而且市场上还未出现类似的竞争产品，本产品的市场相当可观，需求紧迫，未来几十年市场容量大于100亿。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是如何提供一种通过电荷放大器部分实现阻抗变换及对信号进行滤波、放大，通过设置信号采集与处理单元实现电荷放大器输出的模拟信号进行采集并转换数字信号，通过相应芯片编程实现信号的预处理，再根据数字信号处理器中的加速度求解算法进行计算，获取并输出被测对象的加速度信息的加速度传感器控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统，包括：传感器信号处理系统和测量系统。所述的传感器信号处理系统包含有信号调理单元、信号采集与数据处理单元，所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元之间控制连接，且所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元传输信息。所述的信号采集与数据处理单元进一步包含有信号采集模块、数据处理模块和输出接口模块，所述的信号调理单元与信号采集模块之间控制连接，所述的信号采集模块与数据处理模块、输出接口模块之间依次连接。

所述的测量系统包含有控制单元、灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元、电荷转换单元、第一缓冲模块、第二缓冲模块和两级放大模块。其中，所述的控制单元分别与灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元之间控制连接，所述的增益选择单元与两级放大模块之间控制连接，所述的电荷转换单元与灵敏度单元、第一缓冲模块之间分别相连接。

在一个具体实施例中，所述滤波单元包含有低通滤波器选择模块、低通滤波器、高通滤波器选择模块、高通滤波器，所述的第一缓冲模块与低通滤波器、高通滤波器、第二缓冲模块依次连接。

在一个具体实施例中，所述测量系统还包含有模数转换器、数据输出及显示模块、电源、fpga控制单元、dsp算法控制单元和输入单元，所述的fpga控制单元与模数转换器、数据输出及显示模块、电源、dsp算法控制单元、键盘输入单元之间分别控制连接，且所述的fpga控制单元与控制单元相连接。

在一个具体实施例中，所述的两级放大模块与模数转换器之间相连接。

在一个具体实施例中，所述的输入单元中包含有键盘输入

在一个具体实施例中，数据输出及显示模块包含有存储显示单元、u盘和液晶显示器。

本发明的有益效果是：通过电荷放大器部分实现阻抗变换及对信号进行滤波、放大，通过设置信号采集与处理单元实现电荷放大器输出的模拟信号进行采集并转换数字信号，通过相应芯片编程实现信号的预处理，再根据数字信号处理器中的加速度求解算法进行计算，获取并输出被测对象的加速度信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统中一具体实施例的含芯压电六维加速度传感器的信号采集与数据处理示意图；

图2是本发明含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统中一具体实施例的测量系统原理图；

图3是本发明含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统中一具体实施例的信号采集与处理单元原理框图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图，在本发明的一个具体实施例中提供一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统，

实施例1：

一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统包括：传感器信号处理系统和测量系统。所述的传感器信号处理系统包含有信号调理单元、信号采集与数据处理单元，所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元之间控制连接，且所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元传输信息。所述的信号采集与数据处理单元进一步包含有信号采集模块、数据处理模块和输出接口模块，所述的信号调理单元与信号采集模块之间控制连接，所述的信号采集模块与数据处理模块、输出接口模块之间依次连接。

所述的测量系统包含有控制单元、灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元、电荷转换单元、第一缓冲模块、第二缓冲模块和两级放大模块。其中，所述的控制单元分别与灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元之间控制连接，所述的增益选择单元与两级放大模块之间控制连接，所述的电荷转换单元与灵敏度单元、第一缓冲模块之间分别相连接。

所述滤波单元包含有低通滤波器选择模块、低通滤波器、高通滤波器选择模块、高通滤波器，所述的第一缓冲模块与低通滤波器、高通滤波器、第二缓冲模块依次连接。

所述测量系统还包含有模数转换器、数据输出及显示模块、电源、fpga控制单元、dsp算法控制单元和输入单元，所述的fpga控制单元与模数转换器、数据输出及显示模块、电源、dsp算法控制单元、键盘输入单元之间分别控制连接，且所述的fpga控制单元与控制单元相连接。

实施例2：

一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统，包括：传感器信号处理系统和测量系统。所述的传感器信号处理系统包含有信号调理单元、信号采集与数据处理单元，所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元之间控制连接，且所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元传输信息。所述的信号采集与数据处理单元进一步包含有信号采集模块、数据处理模块和输出接口模块，所述的信号调理单元与信号采集模块之间控制连接，所述的信号采集模块与数据处理模块、输出接口模块之间依次连接。

所述的测量系统包含有控制单元、灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元、电荷转换单元、第一缓冲模块、第二缓冲模块和两级放大模块。其中，所述的控制单元分别与灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元之间控制连接，所述的增益选择单元与两级放大模块之间控制连接，所述的电荷转换单元与灵敏度单元、第一缓冲模块之间分别相连接。

所述滤波单元包含有低通滤波器选择模块、低通滤波器、高通滤波器选择模块、高通滤波器，所述的第一缓冲模块与低通滤波器、高通滤波器、第二缓冲模块依次连接。

所述测量系统还包含有模数转换器、数据输出及显示模块、电源、fpga控制单元、dsp算法控制单元和输入单元，所述的fpga控制单元与模数转换器、数据输出及显示模块、电源、dsp算法控制单元、键盘输入单元之间分别控制连接，且所述的fpga控制单元与控制单元相连接。所述的两级放大模块与模数转换器之间相连接。

实施例3：

一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统，包括：传感器信号处理系统和测量系统。所述的传感器信号处理系统包含有信号调理单元、信号采集与数据处理单元，所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元之间控制连接，且所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元传输信息。所述的信号采集与数据处理单元进一步包含有信号采集模块、数据处理模块和输出接口模块，所述的信号调理单元与信号采集模块之间控制连接，所述的信号采集模块与数据处理模块、输出接口模块之间依次连接。

所述的测量系统包含有控制单元、灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元、电荷转换单元、第一缓冲模块、第二缓冲模块和两级放大模块。其中，所述的控制单元分别与灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元之间控制连接，所述的增益选择单元与两级放大模块之间控制连接，所述的电荷转换单元与灵敏度单元、第一缓冲模块之间分别相连接。

所述滤波单元包含有低通滤波器选择模块、低通滤波器、高通滤波器选择模块、高通滤波器，所述的第一缓冲模块与低通滤波器、高通滤波器、第二缓冲模块依次连接。

所述测量系统还包含有模数转换器、数据输出及显示模块、电源、fpga控制单元、dsp算法控制单元和输入单元，所述的fpga控制单元与模数转换器、数据输出及显示模块、电源、dsp算法控制单元、键盘输入单元之间分别控制连接，且所述的fpga控制单元与控制单元相连接。所述的输入单元中包含有键盘输入。

实施例4：

一种含芯压电棒多维加速度传感器加速度测量系统，包括：传感器信号处理系统和测量系统。所述的传感器信号处理系统包含有信号调理单元、信号采集与数据处理单元，所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元之间控制连接，且所述的信号调理单元向信号采集与数据处理单元传输信息。所述的信号采集与数据处理单元进一步包含有信号采集模块、数据处理模块和输出接口模块，所述的信号调理单元与信号采集模块之间控制连接，所述的信号采集模块与数据处理模块、输出接口模块之间依次连接。

所述的测量系统包含有控制单元、灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元、电荷转换单元、第一缓冲模块、第二缓冲模块和两级放大模块。其中，所述的控制单元分别与灵敏度单元、滤波单元、增益选择单元之间控制连接，所述的增益选择单元与两级放大模块之间控制连接，所述的电荷转换单元与灵敏度单元、第一缓冲模块之间分别相连接。

所述滤波单元包含有低通滤波器选择模块、低通滤波器、高通滤波器选择模块、高通滤波器，所述的第一缓冲模块与低通滤波器、高通滤波器、第二缓冲模块依次连接。

所述测量系统还包含有模数转换器、数据输出及显示模块、电源、fpga控制单元、dsp算法控制单元和输入单元，所述的fpga控制单元与模数转换器、数据输出及显示模块、电源、dsp算法控制单元、键盘输入单元之间分别控制连接，且所述的fpga控制单元与控制单元相连接。数据输出及显示模块包含有存储显示单元、u盘和液晶显示器。

在具体的实施例中，本发明中所描述的微型加速度传感器原理来源于团队对人体耳朵结构组织仿生研究，内耳中的前庭感受器包括球囊和三个半规管，分别感受不同方向的直线加速度和角加速度的刺激，通过前庭神经传入前庭核，再通过与其他中枢的联系，发出相应的反应，来维持人体平衡。在日常生活中半规管的壶腹嵴接受角加速度的刺激，球囊和椭圆囊的感觉装置则接受直线加速度，包括重力加速度和切线加速度的刺激。壶腹嵴和囊斑均有一定的刺激阈值，但这类数值并不恒定，与刺激的方向、大小、时间及头位变化的速度都有关系，而且受到人体内外条件的影响。根据上述前庭感受器原理，基于多电极含芯压电纤维传感特性，设计出了本发明中的微型六维加速度传感器。

对于常用的压电加速度传感器主要有压缩型、剪切型和弯曲型这3种传统结构。如弯曲型压电加速度传感器的敏感元件、压电材料制作的悬臂梁，或粘贴有压电材料的悬臂梁，其固有频率低、灵敏度高，适用于低频测量，缺点是体积大，机械强度较差等。而且市场上的压电加速度计多为单轴和二轴加速度计，三轴加速度计一般由一个双轴加速度计和一个单轴加速度计组合而成，体积较大，结构复杂，而不能满足市场需求。本项目研究的含芯压电棒六维加速度传感器克服常规加速度计一般只能测量一维的直线加速度，或者结构复杂、精度不高的缺点。

目前人们研究了多种基于电容式、压阻式和光电式原理的六维加速度传感器，其多维加速度传感器的基本原理可以归纳为通过获取由弹性单元和阻尼单元连接在壳体上的单一惯性质量相对壳体的位移或弹性单元的应变实现六维加速度的传感，均存在结构复杂和制作工艺要求高等缺点，而不能实现同时测量物体移动时的线加速度和角加速度。

信号发生模块模拟各个单轴加速度传感器测得的加速度，其输出通过加速度求解模块解算得到刚体运动的多维加速度，送显示模块记录显示。在此基础上，采用基于实时仿真系统（dspaceds1103和matlab/simulink）的快速控制原型（rapidcontrolprototyping,rcp）技术开发含芯压电棒六维加速度传感器的快速原型。由于正压电效应，压电元件在沿极化方向作用力下产生电荷，压电元件两极通过导线分别连接到各通道电荷放大器输入端。由于各通道电荷放大器的内部结构完全相同，图中只表示了单个电荷放大器接入时的系统连接关系。该系统主要由两部分组成：

（a）电荷放大器部分，该部分主要实现阻抗变换及对信号进行滤波、放大。

（b）信号采集与处理单元，实现对电荷放大器输出的模拟信号进行采集并转换数字信号，通过对现场可编程门阵列（fpga）芯片的编程实现信号的预处理，再根据数字信号处理器中的加速度求解算法进行计算，获取并输出被测对象的加速度信息。

因此，本发明具有以下优点：通过电荷放大器部分实现阻抗变换及对信号进行滤波、放大，通过设置信号采集与处理单元实现电荷放大器输出的模拟信号进行采集并转换数字信号，通过相应芯片编程实现信号的预处理，再根据数字信号处理器中的加速度求解算法进行计算，获取并输出被测对象的加速度信息。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。