專利名稱：一種加速度檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速度檢測方法及裝置，屬于微弱信號檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域中，飛行器飛行的環(huán)境比較復(fù)雜，常常有微小加速度輸入到 加速度計中，而這種具有微弱變化量的加速度就是一種微弱信號，對于這種微弱信號普遍 采用積分的方法進行檢測。由于各種信號中幾乎都存在噪聲的影響，而微弱信號又很容易 淹沒在噪聲干擾中，為了把淹沒在噪聲中的信號提取出來，傳統(tǒng)方法普遍采用抑制噪聲并 從噪聲中檢測微弱信號的方法，但由于微弱信號與噪聲相比其信號強度已經(jīng)非常微弱了， 導(dǎo)致現(xiàn)有的微弱信號檢測方法受到噪聲的干擾較大，難以準(zhǔn)確從噪聲中檢測出微弱信號。
因此，在現(xiàn)有的微弱信號檢測技術(shù)中，存在難以檢測出微弱的加速度變化量的問 題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種加速度檢測方法及裝置，以解決在現(xiàn)有的微弱信號檢測技術(shù) 中，存在難以檢測出微弱的加速度變化量的問題。
—種加速度檢測方法，包括 將加速度計輸出的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為離 散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號處理器； 通過數(shù)字信號處理器對所述離散的數(shù)字量進行解調(diào)，根據(jù)預(yù)定的控制算法計算得
到數(shù)字反饋誤差量并輸出。 —種加速度檢測裝置，包括 差分電容檢測電路，用于將加速度計輸出的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號；
A/D轉(zhuǎn)換電路，用于將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號處理 器； 數(shù)字信號處理器，用于對所述離散的數(shù)字量進行解調(diào)，根據(jù)預(yù)定的控制算法計算 得到數(shù)字反饋誤差量。 本發(fā)明通過對加速度計輸出量進行模數(shù)變換并計算數(shù)字反饋誤差量，以獲得加速 度的值，不但能夠檢測微弱的加速度變化量，還具有方法簡單、檢測精度高、動態(tài)范圍大、分 辨率高的特點，可有效濾除噪聲和各采樣點誤差的累積，從而保證了整個導(dǎo)航系統(tǒng)的高精 度。


圖1是本發(fā)明的具體實施方式
提供的一種加速度檢測方法的流程示意圖；
圖2是本發(fā)明的具體實施方式
提供的一種加速度檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的具體實施方式
提供的差分電容檢測電路的結(jié)構(gòu)示意3
圖4是本發(fā)明的具體實施方式
提供的硬件電路的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明的具體實施方式
提供的數(shù)字信號處理器的信號處理流程示意圖； 圖6是本發(fā)明的具體實施方式
提供的相關(guān)檢測原理示意圖； 圖7是本發(fā)明的具體實施方式
提供的采用相關(guān)檢測進行數(shù)字信號處理的原理示 意圖； 圖8是本發(fā)明的具體實施方式
提供的加速度計的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的具體實施方式
提供了一種加速度檢測方法，首先將檢測到的加速度計輸 出的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將電壓信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號 處理器；然后通過數(shù)字信號處理器對離散的數(shù)字量進行解調(diào)，根據(jù)預(yù)定的控制算法計算得 到數(shù)字反饋誤差量并輸出。 進一步地，相應(yīng)的檢測加速度計輸出的差分電容變化信號包括將差分電容變化信 號進行高頻載波調(diào)制，再經(jīng)過電荷放大后輸出。以及，相應(yīng)的數(shù)字反饋誤差量通過相關(guān)檢測 方法得到，并且與電壓信號成正比，并通過待測信號與本身的相關(guān)性較強且與噪聲無相關(guān) 性的性質(zhì)，從待測信號與噪聲的混合信號中檢測待測信號。 另外，該方法還包括將數(shù)字信號處理器反饋的數(shù)字反饋誤差量轉(zhuǎn)換為模擬反饋誤 差電壓信號，并將模擬反饋誤差電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬反饋電流輸出到加速度計的電磁力矩 上。 本具體實施方式
采用相關(guān)檢測技術(shù)的加速度檢測方法是建立在以下的電路結(jié)構(gòu)
上的單載波調(diào)制差分電容檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路及電壓
/電流轉(zhuǎn)換電路，其中單載波調(diào)制差分電容檢測電路又包括載波信號發(fā)生器DDS、電荷放大
電路幾個模塊。為了更清楚的說明本發(fā)明的具體實施方式
提供的一種加速度檢測方法，現(xiàn)
結(jié)合說明書附圖對該方法進行詳細(xì)說明，如圖1所示，該方法具體可以包括 步驟ll，將加速度計輸出的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將電壓信號轉(zhuǎn)換
為離散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號處理器。 當(dāng)檢測到輸入的加速度為a時，加速度計表頭中的差分電容傳感器檢測這一變化 并產(chǎn)生差分電容變化量AC;單載波調(diào)制差分電容檢測電路將相應(yīng)的差分電容變化量AC 進行高頻載波調(diào)制，再經(jīng)過電荷放大后轉(zhuǎn)換為電壓信號V輸出，再將相應(yīng)的電壓信號V經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換變成為離散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號處理器。 此時可以將數(shù)字信號處理器反饋的數(shù)字反饋誤差量轉(zhuǎn)換為模擬反饋誤差電壓信
號，并將模擬反饋誤差電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬反饋電流輸出到加速度計的電磁力矩上，產(chǎn)生
電磁力矩，使加速度計恢復(fù)平衡位置，完成一個周期的加速度檢測工作。 步驟12，通過數(shù)字信號處理器對離散的數(shù)字量進行解調(diào)，根據(jù)預(yù)定的控制算法計
算得到數(shù)字反饋誤差量并輸出。 相應(yīng)的數(shù)字反饋誤差量可以通過相關(guān)檢測方法得到，并且與電壓信號成正比，通 過待測信號與本身的相關(guān)性較強且與噪聲無相關(guān)性的性質(zhì)，從待測信號與噪聲的混合信號 中檢測待測信號，具體為首先找到待測信號與噪聲之間的差異，相關(guān)檢測所利用的是信號 與噪聲相關(guān)性的不同，即相關(guān)檢測技術(shù)應(yīng)用信號的相關(guān)性和噪聲隨機性的特點，通過相關(guān)運算，去除噪聲，檢測出微弱信號。由于信號和噪聲是相互獨立的過程，根據(jù)相關(guān)函數(shù)的定 義，信號只與信號本身相關(guān)與噪聲無關(guān)，它隨時間變化緩慢，在不同時刻取值關(guān)系密切，相 關(guān)性強，而噪聲隨時間變化劇烈，在不同時刻的取值關(guān)系松散，相關(guān)性弱，就可以利用互相 關(guān)函數(shù)，從噪聲和其它無關(guān)信號中找出信號兩部分之間或兩個信號之間的函數(shù)關(guān)系并根據(jù) 相關(guān)性進行檢測和提取，從而達到抑制噪聲，提取信號的目的。 上述方法中包含的各步驟的實現(xiàn)功能的具體實施方式
在之后的裝置實施方式中 將會具體描述，在此不再重復(fù)描述。 本發(fā)明還提供了一種加速度檢測裝置，如圖2所示，具體可以包括差分電容檢測 電路21、A/D轉(zhuǎn)換電路22、數(shù)字信號處理器23、D/A轉(zhuǎn)換電路24和電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25， 差分電容檢測電路21用于將加速度計輸出的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號，A/D轉(zhuǎn)換電 路22用于將電壓信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器23用 于對離散的數(shù)字量進行解調(diào)，并根據(jù)預(yù)定的控制算法計算得到數(shù)字反饋誤差量，D/A轉(zhuǎn)換電 路24用于將數(shù)字信號處理器反饋的數(shù)字反饋誤差量轉(zhuǎn)換為模擬反饋誤差電壓信號，電壓/ 電流轉(zhuǎn)換電路25用于將模擬反饋誤差電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬反饋電流輸出到加速度計的電 磁力矩上。 進一步地，如圖3所示，相應(yīng)的差分電容檢測電路21包括載波信號發(fā)生器和電荷 放大電路，載波信號發(fā)生器用于對差分電容變化信號進行高頻載波調(diào)制，電荷放大電路用 于對高頻載波調(diào)制差分電容變化信號進行放大并輸出，其中的載波信號發(fā)生器為圖3中的 DDS芯片，電荷放大電路為圖3中的雙路運算放大器和儀表放大器。以及，在數(shù)字信號處理 器中還包括數(shù)字反饋誤差量計算的單元，用于通過待測信號與本身的相關(guān)性較強且與噪聲 無相關(guān)性的性質(zhì)，從待測信號與噪聲的混合信號中檢測待測信號。 本具體實施方式
的硬件電路結(jié)構(gòu)圖可以參考圖4，其中的DDS作為差分電容檢測 電路21的載波信號發(fā)生器，產(chǎn)生的信號經(jīng)過雙運算放大器和儀表放大器后再經(jīng)過A/D變換 后進入數(shù)字信號處理器23，數(shù)字信號處理器23將輸入的信號經(jīng)過處理獲得數(shù)字反模誤差 量后將數(shù)字反模誤差量輸出到導(dǎo)航計算機，并同時將數(shù)字反模誤差量經(jīng)過D/A變換和電壓 /電流變換后輸出反饋電流。 載波信號發(fā)生器對差分電容變化信號進行高頻載波調(diào)制載波類型選擇正弦波，具 有單一的頻率成分，基本無失真。載波信號發(fā)生器可選用直接數(shù)字頻率合成器(DDS，Direct Digital Synthesis)產(chǎn)生正弦波，這是一種根據(jù)已有的固定頻率高精度時鐘信號，采用數(shù) 字處理模塊來產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的輸出信號的技術(shù)，具有波形好，頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點。
電荷放大電路由一個雙運放芯片和一個儀表放大器組成，輸出UQl用公式表示輸 出為 "。i =7msin"c/x2:^xG; (1) 其中VmSin"。t為正弦載波信號，Vm為載波信號的幅值，"。為載波角頻率，AC為 差分電容的變化量，Cf為放大器偏置電容，G為儀表放大器的增益。 A/D轉(zhuǎn)換電路22可采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7810,將模擬電壓量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳送給 數(shù)字信號處理器23。 數(shù)字信號處理器23可采用互相關(guān)檢測技術(shù)對離散的數(shù)字信號進行檢測，對信號的處理流程如圖5所示，首先將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算得到反饋數(shù)字量，然后分 別輸出到導(dǎo)航計算機和加速度計。數(shù)字信號處理器23可以由相關(guān)器、信號通道和參考通道 組成，相關(guān)器完成被測信號與參考信號互相關(guān)函數(shù)的運算，包括乘法器和積分器兩部分；乘 法器的作用是將檢測信號與參考信號相乘，積分器的作用一是對誤差信號進行放大，二是 數(shù)字濾波。其中相關(guān)器的原理圖如圖6所示，PSD為乘法器，LPF為低通濾波器并由積分器 實現(xiàn)，信號通道位于相關(guān)器之前，用于傳輸待測信號，參考通道在觸發(fā)信號的同步下輸出等 幅的、相位可調(diào)的、與輸入信號同頻的正弦波。 相關(guān)器輸出正比于輸入信號的幅值與輸入?yún)⒖夹盘柕南辔徊畹挠嘞抑档姆e。由于 隨機噪聲的平均值為零，信號與噪聲的互相關(guān)函數(shù)為零，因此互相關(guān)接收只有信號與數(shù)字 參考信號的相關(guān)輸出，去掉了噪聲項，因此它的輸出信噪比高，圖7為采用相關(guān)檢測技術(shù)進 行數(shù)字信號處理的原理示意圖，加速度計輸出的信號經(jīng)過差分電容檢測電路21和A/D轉(zhuǎn)換 器22后由數(shù)字信號處理器23經(jīng)過相關(guān)檢測后輸出給導(dǎo)航計算機，并且數(shù)字信號處理器23 還將經(jīng)過相關(guān)檢測后的信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器24和電壓/電流轉(zhuǎn)換電路反饋給加速度計，公 式示意如下所示。 設(shè)x(t)為待檢測正弦信號，r(t)為與之同頻的參考正弦信號，
x(t) = Vscos(w。t+9 ) (2)
r(t) = Vrcos(w0t) (3)
w, AC p 式(2)中Vs為輸入待測信號的幅值，即為式(1)中的2^x^xG，式(3)中^為
匕.,
參考信號的幅值，e為待測信號與參考信號之間的相位差。輸出信號Up(t)為 Up (t) = x (t) r (t) = Vscos ( co 0t+ 9 ) Vrcos ( co 0t) = 0. 5VsVrcos 9 +0. 5VsVrcos (2 w 0t+ 9 ) (4) 式(4)中第一項為差頻分量，第二項為和頻分量，輸出經(jīng)過積分器低頻濾波，和頻 項被濾掉，低頻帶以外的噪聲也被濾掉，輸出變?yōu)?U。(t) = 0. 5VsVrcos 9 (5) 則實際相關(guān)檢測輸出為
AC
「 ， "。=K X——xGx「xcos^ (6)
。
m廣 r 、cu 輸出正比于待測信號和參考信號的相位差的余弦、載波信號的幅值、差分電容的 變化量、儀表放大器的增益及參考信號的幅值。由此可以看出，相關(guān)檢測的方法濾除掉了高 頻帶的噪聲，而只保留與待測信號幅值成正比的輸出信號，消除了信號誤差干擾，提高了檢 D/A轉(zhuǎn)換電路24可采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7616，將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為反饋電壓輸出，經(jīng) 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25變?yōu)殡娏鞣答佇盘?。電?電流轉(zhuǎn)換電路25產(chǎn)生與輸入電壓信號 成正比的驅(qū)動電流信號，輸送到加速度計的電磁力矩器上形成恢復(fù)力矩，使石英擺片回到 平衡位置。加速度計的整體結(jié)構(gòu)可以參考圖8，主要包括力矩器、石英擺片、差分電容和模擬 閉環(huán)伺服電路。
通過本具體實施方式
的描述并經(jīng)過對會對檢測性能造成影響的載波信號穩(wěn)定性、
調(diào)制信號與參考信號頻率一致等因素的關(guān)注，使此檢測裝置的檢測精度、分辨率、穩(wěn)定性指
標(biāo)基本達到了預(yù)期的要求，具有動態(tài)范圍大，抗干擾能力強，系統(tǒng)精度高等優(yōu)點。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，
任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，
都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范
圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種加速度檢測方法，其特征在于，包括將加速度計輸出的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號處理器；通過數(shù)字信號處理器對所述離散的數(shù)字量進行解調(diào)，根據(jù)預(yù)定的控制算法計算得到數(shù)字反饋誤差量并輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號 包括將所述差分電容變化信號進行高頻載波調(diào)制，再經(jīng)過電荷放大后輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述數(shù)字反饋誤差量通過相關(guān)檢測方法 得到，并且與所述電壓信號成正比。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述相關(guān)檢測方法是通過待測信號與本 身的相關(guān)性較強且與噪聲無相關(guān)性的性質(zhì)，從待測信號與噪聲的混合信號中檢測待測信 號。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項所述的方法，其特征在于，該方法還包括 將數(shù)字信號處理器反饋的數(shù)字反饋誤差量轉(zhuǎn)換為模擬反饋誤差電壓信號，并將所述模擬反饋誤差電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬反饋電流輸出到加速度計的電磁力矩上。
6. —種加速度檢測裝置，其特征在于，包括差分電容檢測電路，用于將加速度計輸出的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號； A/D轉(zhuǎn)換電路，用于將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號處理器； 數(shù)字信號處理器，用于對所述離散的數(shù)字量進行解調(diào)，根據(jù)預(yù)定的控制算法計算得到 數(shù)字反饋誤差量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述差分電容檢測電路包括 載波信號發(fā)生器，用于對所述差分電容變化信號進行高頻載波調(diào)制； 電荷放大電路，用于對高頻載波調(diào)制差分電容變化信號進行放大并輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，在數(shù)字信號處理器中還包括數(shù)字反饋誤 差量計算的單元，用于通過待測信號與本身的相關(guān)性較強且與噪聲無相關(guān)性的性質(zhì)，從待 測信號與噪聲的混合信號中檢測待測信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8任意一項所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括 D/A轉(zhuǎn)換電路，用于將數(shù)字信號處理器反饋的數(shù)字反饋誤差量轉(zhuǎn)換為模擬反饋誤差電壓信號；電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，用于將所述模擬反饋誤差電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬反饋電流輸出到 加速度計的電磁力矩上。
全文摘要
一種加速度檢測方法及裝置，屬于微弱信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，以解決在現(xiàn)有的微弱信號檢測技術(shù)中存在難以檢測出微弱的加速度變化量的問題。本發(fā)明包括將加速度計輸出的差分電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將所述電壓信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量輸出到數(shù)字信號處理器；通過數(shù)字信號處理器對所述離散的數(shù)字量進行解調(diào)，根據(jù)預(yù)定的控制算法計算得到數(shù)字反饋誤差量并輸出。本發(fā)明通過對加速度計輸出量進行模數(shù)變換并計算數(shù)字反饋誤差量，以獲得加速度的值，不但能夠檢測微弱的加速度變化量，還具有方法簡單、檢測精度高、動態(tài)范圍大、分辨率高的特點，可有效濾除噪聲和各采樣點誤差的累積，從而保證了整個導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度。
文檔編號G01P15/125GK101701970SQ200910237868
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者周海濤, 張春熹, 張晞, 李琳, 李立京 申請人:北京航空航天大學(xué)