CN202815012U

CN202815012U - 一种数字式三轴微加速度传感器

Info

Publication number: CN202815012U
Application number: CN 201220482481
Authority: CN
Inventors: 安增勇; 徐明龙; 冯勃; 王战; 翟崇朴; 张舒文
Original assignee: Second Affiliated Hospital School of Medicine of Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University; Second Affiliated Hospital School of Medicine of Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2022-09-20

Abstract

一种数字式三轴微加速度传感器，包括Ｘ轴加速度传感器、Ｙ轴加速度传感器、Ｚ轴加速度传感器、Ｘ轴信号调理电路、Ｙ轴信号调理电路、Ｚ轴信号调理电路、A/D转换模块、微处理器及温度传感器，通过ＸＹＺ方向加速度传感器感应到的被测量件在ＸＹＺ方向加速度的分量大小变化并通过将修正后的被测量件在ＸＹＺ方向加速度值通过信号转换接口输送到上位机显示；由于加速度传感器均采用微电子芯片，具有灵敏度高和测量精度高的优点；温度传感器能适应温度变化进行调节，避免了受环境温度影响而测量精度较低的缺点；微处理器利用数字滤波算法抗振动干扰能力强；采用信号转换接口扩展性好、传输距离远；所用部件由小封装低功耗电子器件组装，体积小、功耗低。

Description

一种数字式三轴微加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，具体涉及一种数字式三轴微加速度传感器。

背景技术

目前用于对被测量件的三轴微加速度的加速度传感器为直接电压输出式的三轴加速度传感器。

直接电压输出式的三轴加速度传感器采用对传感器芯片供电，依靠传感器芯片自身输出与加速度对应的电压信号，根据电压大小得到被测量件加速度大小。该种方式导致电压信号在传输过程中容易受干扰、传输距离短的缺陷，此种传感器的应用受到极大限制。

另外直接电压输出式的三轴加速度传感器缺乏通信端口而无法接入其它的设备来配合工作，导致扩展性差。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种数字式三轴微加速度传感器，具有灵敏度高、测量精度高、抗干扰能力强且传输距离远的优点。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种数字式三轴微加速度传感器，包括并联的Ｘ轴加速度传感器1、Ｙ轴加速度传感器2以及Ｚ轴加速度传感器3，Ｘ轴加速度传感器1的第一模拟电压输出端口13和第二模拟电压输出端口14分别与Ｘ轴信号调理电路4的第一输入端口19和第二输入端口20相连接；Ｘ轴信号调理电路 4的第一输出端口25和A/D转换模块7的正向输入端31相连接，Ｘ轴信号调理电路4的第二输出端口26和A/D转换模块7的负向输入端32相连接，Ｙ轴加速度传感器2的第一模拟电压输出端口15和第二模拟电压输出端口16分别与Ｙ轴信号调理电路5的第一输入端口21和第二输入端口22相连接；Ｙ轴信号调理电路5的第一输出端口27和A/D转换模块7的正向输入端33相连接，Ｙ轴信号调理电路5的第二输出端口28和A/D转换模块7的负向输入端34相连接，Ｚ轴加速度传感器3的第一模拟电压输出端口17和第二模拟电压输出端口18分别与Ｚ轴信号调理电路6的第一输入端口23和第二输入端口24相连接；Ｚ轴信号调理电路6的第一输出端口29和A/D转换模块7的正向输入端35相连接，Ｚ轴信号调理电路6的第二输出端口30和A/D转换模块7的负向输入端36相连接，A/D转换模块7的时钟输入端口37和微处理器8的时钟线输入输出I/O端口39相连接，A/D转换模块7的数据线通信端口38和微处理器8的数据线输入输出I/O端口40相连接，微处理器8的发送输出端口41和信号转换接口9的接收输入端口43相连接，微处理器8的接收输入端口42和信号转换接口9的发送输出端口44相连接，微处理器8的温度测量输入输出I/O端口50和温度传感器10的数据线通信端口49相连接，信号转换接口9的发送输出端口45和上位机12的接收输入端口47相连接，信号转换接口9的接收输入端口46和上位机12的发送输出端口48相连接；Ｘ轴加速度传感器1、Ｙ轴加速度传感器2、Ｚ轴加速度传感器3、A/D转换模块7、微处理器8、信号转换接口9以及温度传感器10的电源输入端和电源模块11相连接。

所述的X轴信号调理电路4包括第一输入端口19和第二输入端口20，第一输入端口19和电阻R1的一端电连接，电阻R1的另一端、并联连接的电容C1和电容C2的一端以及X轴信号调理电路4的第一输出端25电连接，第二输入端口20和电阻R2的一端电连接，电阻R2的另一端、并联连接的电容C1和电容C2的另一端以及X轴信号调理电路4的第二输出端26电连接；所述的Y轴信号调理电路5包括第一输入端口21和第二输入端口22，第一输入端口21和电阻R3的一端电连接，电阻R3的另一端、并联连接的电容C3和电容C4的一端以及Y轴信号调理电路5的第一输出端27电连接，第二输入端口22和电阻R4的一端电连接，电阻R4的另一端、并联连接的电容C3和电容C4的另一端以及Y轴信号调理电路5的第二输出端28电连接；所述的Z轴信号调理电路6包括第一输入端口23和第二输入端口24，第一输入端口23和电阻R5的一端电连接，电阻R5的另一端、并联连接的电容C5和电容C6的一端以及Z轴信号调理电路6的第一输出端29电连接，第二输入端口24和电阻R6的一端电连接，电阻R6的另一端、并联连接的电容C5和电容C6的另一端以及Z轴信号调理电路6的第二输出端30电连接；其中电阻R1、电阻R2以及电容C1、电容C2的连接组成Ｘ轴RC电路；电阻R3、电阻R4以及电容C3、电容C4的连接组成Ｙ轴RC电路；电阻R5、电阻R6以及电容C5、电容C6的连接组成Ｚ轴RC电路。

所述的微处理器8包含数字滤波模块和温度补偿模块。

所述的Ｘ轴加速度传感器1、Ｙ轴加速度传感器2、Ｚ轴加速度传感器3均采用的是微电子芯片。

所述信号转换接口9可进行长距离传输，还可接入其它的设备来配合工作，扩展性好。

通过将该数字式三轴微加速度传感器固定安置于被测量件上并接通电源模块11通电启动X轴加速度传感器1、Y轴加速度传感器2、Z轴加速度传感器3、A/D转换模块7、微处理器8以及信号转换接口9，当被测量件运动时，X轴加速度传感器1、Y轴加速度传感器2、Z轴加速度传感器3感应加速度在其测量轴上的分量大小，并将该加速度信号分别转换成两路加速度模拟电压信号：通过X轴加速度传感器1的第一模拟电压输出端口13和第二模拟电压输出端口14分别输出到X轴信号调理电路4的第一输入端口19和第二输入端口20，该两路加速度模拟电压信号经过X轴信号调理电路的RC电路滤波处理后，再将处理后的两路X轴加速度模拟电压信号分别通过X轴信号调理电路的第一输出端口25和第二输出端口26输送到和A/D转换模块7的正向输入端31和和负向输入端32；通过Y轴加速度传感器2的第一模拟电压输出端口15和第二模拟电压输出端口16分别输出到Y轴信号调理电路5的第一输入端口21和第二输入端口22，该两路加速度模拟电压信号经过Y轴信号调理电路的RC电路滤波处理后，再将处理后的两路Y轴加速度模拟电压信号分别通过Y轴信号调理电路的第一输出端口27和第二输出端口28输送到和A/D转换模块7的正向输入端33和负向输入端34；通过Z轴加速度传感器3的第一模拟电压输出端口17和第二模拟电压输出端口18分别输出到Z轴信号调理电路6的第一输入端口23和第二输入端口24，该两路加速度模拟电压信号经过Z轴信号调理电路的RC电路滤波处理后，再将处理后的两路Z轴加速度模拟电压信号分别通过Z轴信号调理电路的第一输出端口29和第二输出端口30输送到和A/D转换模块7的正向输入端35和负向输入端36；A/D转换模块7将发送来的加速度模拟电压信号进行高分辨率采样后，通过微处理器8的数字滤波模块操纵时钟线输入输出I/O端口39向A/D转换模块7的时钟输入端口37发出的时序控制指令，将高分辨率采样结果根据微处理器8的数字滤波模块的时序控制指令来定时经A/D转换模块7的数据线通信端口38发送至微处理器8的数据线输入输出I/O端口40，微处理器8中数字滤波模块采用无限脉冲响应滤波算法对该高分辨率采样结果进行滤波处理并按照一定的关系式换算成相应的当前X、Y、Z方向的加速度值，同时温度传感器10采集到外界环境温度并将该温度信号通过其数据线通信端口49输送至微处理器8的温度测量输入输出I/O端口50中，微处理器的温度补偿模块经过一定的关系式换算出当前的X、Y、Z方向的加速度修正值，对当前X、Y、Z方向的加速度值进行温度补偿后计算出实际的X、Y、Z方向的加速度值，微处理器8将实际的X、Y、Z方向的加速度值通过信号转换接口9输送到上位机12显示，上位机12也通过信号转换接口9可对微处理器8的输出频率进行设置以及对X、Y、Z方向的加速度进行标定。由于X轴加速度传感器1、Y轴加速度传感器2、Z轴加速度传感器3均采用的是微电子芯片，具有灵敏度高和测量精度高的优点；借助温度传感器10实时监测温度的变化并将其温度信号输送至微处理器8中的温度补偿模块实现温度的自动补偿功能，能适应温度变化而进行调节，避免了受环境温度影响较大而且测量精度较低的缺点；微处理器8利用数字滤波算法，有效地降低了测量过程中振动冲击的影响，抗振动干扰能力强；采用信号转换接口9，可进行长距离传输，还可接入其它的设备来配合工作，扩展性好；另外所用的部件由小封装低功耗电子器件组装而成，体积小、功耗低。

附图说明

图1是本实用新型的各部件连接示意图。

图2是本实用新型的信号调理电路的内部接线图，其中图2（a）为X轴 RC电路接线图，图2（b）为Y轴RC电路接线图，图2（c）为Z轴RC电路接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更详细的说明。

如图1和图2所示，数字式三轴微加速度传感器，包括并联的X轴加速度传感器1、Y轴加速度传感器2、Z轴加速度传感器3，X轴加速度传感器1的第一模拟电压输出端口13和第二模拟电压输出端口14分别通过通信线缆和X轴信号调理电路4的第一输入端口19和第二输入端口20相连接；X轴信号调理电路4的结构是其第一输入端口19和电阻R1的一端电连接，电阻R1的另一端、并联连接电容C1和电容C2的一端以及X轴信号调理电路4的第一输出端25电连接，X轴信号调理电路4的第二输入端口20和电阻R2的一端电连接，电阻R2的另一端、电容C1和电容C2的一端以及X轴信号调理电路4的第二输出端26电连接，Y轴加速度传感器2的第一模拟电压输出端口15和第二模拟电压输出端口16分别通过通信线缆和Y轴信号调理电路5的第一输入端口21和第二输入端口22相连接；Y轴信号调理电路5的结构是其第一输入端口21和电阻R3的一端电连接，电阻R3的另一端、并联连接电容C3和电容C4的一端以及Y轴信号调理电路5的第一输出端27电连接，Y轴信号调理电路5的第二输入端口22和电阻R4的一端电连接，电阻R4的另一端、电容C3和电容C4的一端以及Y轴信号调理电路5的第二输出端28电连接，Z轴加速度传感器3的第一模拟电压输出端口17和第二模拟电压输出端口18分别通过通信线缆和Z轴信号调理电路6的第一输入端口23和第二输入端口24相连接；Z轴信号调理电路6的结构是其第一输入端口23和电阻R5的一端电连接，电阻R5的另一端、并联连接电容C5和电容C6的一端以及Z轴信号调理电路6的第一输出端29电连接，Z轴信号调理电路6的第二输入端口24和电阻R6的一端电连接，电阻R6的另一端、电容C5和电容C6的一端以及Z轴信号调理电路6的第二输出端30电连接，其中电阻R1、电阻R2以及电容C1和C2的连接组成Ｘ轴RC电路、其中电阻R3、电阻R4以及电容C3和C4的连接组成Ｙ轴RC电路、其中电阻R5、电阻R6以及电容C5和C6的连接组成Ｚ轴RC电路；X轴信号调理电路4的第一输出端口25和A/D转换模块7的正向输入端31通过通信电缆相连接，X轴信号调理电路4的第二输出端口26和A/D转换模块7的负向输入端32通过通信电缆相连接，Ｙ轴信号调理电路5的第一输出端口27和A/D转换模块7的正向输入端33通过通信电缆相连接，Ｙ轴信号调理电路5的第二输出端口28和A/D转换模块7的负向输入端34通过通信电缆相连接，Ｚ轴信号调理电路6的第一输出端口29和A/D转换模块7的正向输入端35通过通信电缆相连接，Ｚ轴信号调理电路6的第二输出端口30和A/D转换模块7的负向输入端36通过通信电缆相连接，A/D转换模块7的时钟输入端口37和微处理器8的时钟线输入输出I/O端口39通过通信电缆相连接，A/D转换模块7的数据线通信端口38和微处理器8的数据线输入输出I/O端口40通过通信电缆相连接，微处理器8包含数字滤波模块和温度补偿模块，微处理器8的发送输出端口41和信号转换接口9的接收输入端口43通过通信电缆相连接，微处理器8的接收输入端口42和信号转换接口9的发送输出端口44通过通信电缆相连接，微处理器8的温度测量输入输出I/O端口50和温度传感器10的数据线通信端口49通过通信电缆相连接，信号转换接口9的发送输出端口45和上位机12的接收输入端口47通过通信电缆相连接，信号转换接口9的接收输入端口46和上位机12的发送输出端口48通过通信电缆相连接；X轴加速度传感器1、Y轴加速度传感器2、Z轴加速度传感器3、A/D转换模块7、微处理器8、信号转换接口9以及温度传感器10的电源输入端通过供电线缆和电源模块11相连接。

本实用新型的工作原理是：通过将该数字式三轴微加速度传感器固定安置于被测量件上并接通电源模块11通电启动X轴加速度传感器1、Y轴加速度传感器2、Z轴加速度传感器3、A/D转换模块7、微处理器8以及信号转换接口9，当被测量件运动时，X轴加速度传感器1、Y轴加速度传感器2、Z轴加速度传感器3感应加速度在其测量轴上的分量大小，并将该加速度信号分别转换成两路加速度模拟电压信号：通过X轴加速度传感器1的第一模拟电压输出端口13和第二模拟电压输出端口14分别输出到X轴信号调理电路4的第一输入端口19和第二输入端口20，该两路加速度模拟电压信号经过X轴信号调理电路的RC电路滤波处理后，再将处理后的两路X轴加速度模拟电压信号分别通过X轴信号调理电路的第一输出端口25和第二输出端口26输送到和A/D转换模块7的正向输入端31和和负向输入端32；通过Y轴加速度传感器2的第一模拟电压输出端口15和第二模拟电压输出端口16分别输出到Y轴信号调理电路5的第一输入端口21和第二输入端口22，该两路加速度模拟电压信号经过Y轴信号调理电路的RC电路滤波处理后，再将处理后的两路Y轴加速度模拟电压信号分别通过Y轴信号调理电路的第一输出端口27和第二输出端口28输送到和A/D转换模块7的正向输入端33和负向输入端34；通过Z轴加速度传感器3的第一模拟电压输出端口17和第二模拟电压输出端口18分别输出到Z轴信号调理电路6的第一输入端口23和第二输入端口24，该两路加速度模拟电压信号经过Z轴信号调理电路的RC电路滤波处理后，再将处理后的两路Z轴加速度模拟电压信号分别通过Z轴信号调理电路的第一输出端口29和第二输出端口30输送到和A/D转换模块7的正向输入端35和负向输入端36；A/D转换模块7将发送来的加速度模拟电压信号进行高分辨率采样后，通过微处理器8的数字滤波模块操纵时钟线输入输出I/O端口39向A/D转换模块7的时钟输入端口37发出的时序控制指令，将高分辨率采样结果根据微处理器8的数字滤波模块的时序控制指令来定时经A/D转换模块7的数据线通信端口38发送至微处理器8的数据线输入输出I/O端口40，微处理器8中数字滤波模块采用无限脉冲响应滤波算法对该高分辨率采样结果进行滤波处理并按照一定的关系式换算成相应的当前X、Y、Z方向的加速度值，同时温度传感器10采集到外界环境温度并将该温度信号通过其数据线通信端口49输送至微处理器8的温度测量输入输出I/O端口50中，微处理器的温度补偿模块经过一定的关系式换算出当前的X、Y、Z方向的加速度修正值，对当前X、Y、Z方向的加速度值进行温度补偿后计算出实际的X、Y、Z方向的加速度值，微处理器8将实际的X、Y、Z方向的加速度值通过信号转换接口9输送到上位机12显示，上位机12也通过信号转换接口9可对微处理器8的输出频率进行设置以及对X、Y、Z方向的加速度进行标定。由于X轴加速度传感器1、Y轴加速度传感器2、Z轴加速度传感器3均采用的是微电子芯片，具有灵敏度高和测量精度高的优点；借助温度传感器10实时监测温度的变化并将其温度信号输送至微处理器8中的温度补偿模块实现温度的自动补偿功能，能适应温度变化而进行调节，避免了受环境温度影响较大而且测量精度较低的缺点；微处理器8利用数字滤波算法，有效地降低了测量过程中振动冲击的影响，抗振动干扰能力强；采用信号转换接口9，可进行长距离传输，还可接入其它的设备来配合工作，扩展性好；另外所用的部件由小封装低功耗电子器件组装而成，体积小、功耗低。

Claims

1.一种数字式三轴微加速度传感器，其特征在于：包括并联的Ｘ轴加速度传感器（1）、Ｙ轴加速度传感器（2）以及Ｚ轴加速度传感器（3），Ｘ轴加速度传感器（1）的第一模拟电压输出端口（13）和第二模拟电压输出端口（14）分别与Ｘ轴信号调理电路（4）的第一输入端口（19）和第二输入端口（20）相连接；Ｘ轴信号调理电路（4）的第一输出端口（25）和A/D转换模块（7）的正向输入端（31）相连接，Ｘ轴信号调理电路（4）的第二输出端口（26）和A/D转换模块（7）的负向输入端（32）相连接，Ｙ轴加速度传感器（2）的第一模拟电压输出端口（15）和第二模拟电压输出端口（16）分别与Ｙ轴信号调理电路（5）的第一输入端口（21）和第二输入端口（22）相连接；Ｙ轴信号调理电路（5）的第一输出端口（27）和A/D转换模块（7）的正向输入端（33）相连接，Ｙ轴信号调理电路（5）的第二输出端口（28）和A/D转换模块（7）的负向输入端（34）相连接，Ｚ轴加速度传感器（3）的第一模拟电压输出端口（17）和第二模拟电压输出端口（18）分别与Ｚ轴信号调理电路（6）的第一输入端口（23）和第二输入端口（24）相连接；Ｚ轴信号调理电路（6）的第一输出端口（29）和A/D转换模块（7）的正向输入端（35）相连接，Ｚ轴信号调理电路（6）的第二输出端口（30）和A/D转换模块（7）的负向输入端（36）相连接，A/D转换模块（7）的时钟输入端口（37）和微处理器（8）的时钟线输入输出I/O端口（39）相连接，A/D转换模块（7）的数据线通信端口（38）和微处理器（8）的数据线输入输出I/O端口（40）相连接，微处理器（8）的发送输出端口（41）和信号转换接口（9）的接收输入端口（43）相连接，微处理器（8）的接收输入端口（42）和信号转换接口（9）的发送输出端口（44）相连接，微处理器（8）的温度测量输入输出I/O端口（50）和温度传感器（10）的数据线通信端口（49）相连接，信号转换接口（9）的发送输出端口（45）和上位机（12）的接收输入端口（47）相连接，信号转换接口（9）的接收输入端口（46）和上位机（12）的发送输出端口（48）相连接；Ｘ轴加速度传感器（1）、Ｙ轴加速度传感器（2）、Ｚ轴加速度传感器（3）、A/D转换模块（7）、微处理器（8）、信号转换接口（9）以及温度传感器（10）的电源输入端和电源模块（11）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种数字式三轴微加速度传感器，其特征在于：所述的X轴信号调理电路（4）包括第一输入端口（19）和第二输入端口（20），第一输入端口（19）和电阻R1的一端电连接，电阻R1的另一端、并联连接的电容C1和电容C2的一端以及X轴信号调理电路（4）的第一输出端（25）电连接，第二输入端口（20）和电阻R2的一端电连接，电阻R2的另一端、并联连接的电容C1和电容C2的另一端以及X轴信号调理电路（4）的第二输出端（26）电连接；

所述的Y轴信号调理电路（5）包括第一输入端口（21）和第二输入端口（22），第一输入端口（21）和电阻R3的一端电连接，电阻R3的另一端、并联连接的电容C3和电容C4的一端以及Y轴信号调理电路（5）的第一输出端（27）电连接，第二输入端口（22）和电阻R4的一端电连接，电阻R4的另一端、并联连接的电容C3和电容C4的另一端以及Y轴信号调理电路（5）的第二输出端（28）电连接；

所述的Z轴信号调理电路（6）包括第一输入端口（23）和第二输入端口（24），第一输入端口（23）和电阻R5的一端电连接，电阻R5的另一端、并联连接的电容C5和电容C6的一端以及Z轴信号调理电路（6）的第一输出端（29）电连接，第二输入端口（24）和电阻R6的一端电连接，电阻R6的另一端、并联连接的电容C5和电容C6的另一端以及Z轴信号调理电路（6）的第二输出端（30）电连接；其中电阻R1、电阻R2以及电容C1、电容C2的连接组成Ｘ轴RC电路；电阻R3、电阻R4以及电容C3、电容C4的连接组成Ｙ轴RC电路；电阻R5、电阻R6以及电容C5、电容C6的连接组成Ｚ轴RC电路。

3.根据权利要求1所述的一种数字式三轴微加速度传感器，其特征在于：所述的微处理器（8）包含数字滤波模块和温度补偿模块。

4.根据权利要求1所述的一种数字式三轴微加速度传感器，其特征在于：所述的Ｘ轴加速度传感器（1）、Ｙ轴加速度传感器（2）、Ｚ轴加速度传感器（3）均采用的是微电子芯片。