CN100417916C - 微型飞行器机载微型高度计 - Google Patents
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Abstract
微型飞行器机载微型高度计，涉及用于微型飞行器的微型高度计。本发明包括依次相连的微型绝压传感器信号调理单元、后续放大和滤波单元、数据采集模块、微处理器、显示存储单元以及给上述模块提供系统电源和基准电压的电源模块；微型绝压传感器信号条理单元中采用精密恒流源驱动MEMS微型绝压传感器；传感器输出通过精密仪表放大器差动放大后，又经过一后续放大和滤波电路，将高度计有效量程内的信号进行二次放大，并采取低通滤波，有效提高了灵敏度和信噪比；后续放大和滤波电路输出到数据采集模块，进行AD转换之后输出至与之相连的微处理器；微处理器输出到显示存储单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种高度测量议，特别涉及一种用于微型飞行器的微型高度测量装置.
背景技术
高度计是飞行器必备的机载传感器.传统的机载高度计通常采用膜盒式气压高度表和雷达高度表两套设备.前者量程宽，可以在几千米的高空进行测量；雷达高度表适用于接近地面的高度上的高度测量，它直接测量飞机相对于地表的高度，而不是像膜盒气压高度表那样测量相对于标准压力面的高度.
自从1992年美国提出“微型飞行器”的概念以来，微型飞行器因为具有特殊用途而倍受关注.一些国家投入了专项经费，研制了翼展从一百多毫米到一米的飞行器.微型飞行器尺寸和重量的限制要求机载电子设备具有很高的集成度；能源的限制则要求电子设备具有很低的功耗；在动力学方面，低雷诺数降低了飞机的稳定性，因而对传感器的精度提出了较高要求；微型飞行器飞行高度范围小，通常在几百米以内.因此，微型飞行器机载高度计的关键技术除了低重量、小体积、功耗低以外，还必须具有高灵敏度和高精度.
由于这些特殊的限制，传统的机载高度计不能用于微型飞行器.需要设计一种新型的微型高度计.
发明内容
本发明的目的是提出一种结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、精度好的微型高度计，可用于微型飞行器和其它一些小型系统.
本发明的技术方案如下：
一种微型飞行器机载微型高度计，其特征在于：该高度计包括依次电连接的微型绝压传感器信号调理单元、后续放大和滤波单元、数据采集模块、微处理器和显示存储单元以及给上述模块提供系统电源和基准电压的电源模块；所述的微型绝压传感器信号调理单元包括依次电连接的恒流源模块、微型绝压传感器和差动放大电路；所述的恒流源模块由运放和低温漂采样电阻组成，运放同相端接基准电压，反相端通过采样电阻后接地；运放的输出端和反相端接该恒流源的负载；微型绝压传感器为MEMS微型绝压传感器，其气压口与大气或飞机空速计的静压腔相通，其输出端与差动放大电路的输入端相连；所述的后续放大和滤波单元有两个差动输入端，其中反相端接差动放大电路的输出端，同相端接由基准电压分压得到的电压，后续放大和滤波单元对同相端和反相端电压之差进行放大和滤波；所述的数据采集模块与后续放大和滤波单元输出端相连，数据采集模块为A/D转换电路模块，对接收的信号进行AD转换，之后输入至与之相连的微处理器；微处理器与显示存储单元相连，以显示存储所测得的高度数据.
本发明提供的用于微型飞行器的微型高度计具有以下优点及突出性效果：
测量元件选用MEMS微型绝压传感器，所选传感器体积小、重量轻，并具有优良的精度、灵敏度、温度特性和稳定性；采用精密恒流源驱动绝压传感器，提高了传感器工作的精度和稳定性；因为微型飞行器机载高度计只须测量微型飞行器飞行高度以内的较低范围，所以在差动放大电路之后，设计了后续放大电路，从差动放大电路输出电压中减去传感器量程中用不到的电压，并将两者之差进行放大和滤波，这一方法大大提高了传感器的灵敏度，并大大降低了输出噪声；本发明采用12位A/D转换器时，分辨率可达到10厘米以下，综合精度优于0.5米；模拟电路部分采用3伏或5伏供电，与微型飞行器上的系统电源兼容；选取低功耗电子元器件，使模拟电路总功耗低于20毫瓦；全部采用表面贴封装元器件，并最大程度地减小电路板尺寸，本设计中模拟电路部分总重量小于4克.
附图说明
图1为本发明的微型高度计的原理结构示意图.
图2为后续放大和滤波单元结构示意图.
图3为恒流源模块结构示意图.
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步描述本发明：
图1为本发明的微型高度计的原理结构示意图.该高度计包括依次电连接的微型绝压传感器信号调理单元10、后续放大和滤波单元20、数据采集模块30、微处理器40和显示存储单元50以及给上述模块提供系统电源61和基准电压62的电源模块60；所述的微型绝压传感器信号调理单元10包括依次电连接的恒流源模块11、微型绝压传感器12和差动放大电路13；所述的恒流源模块11的输入端与基准电压62相连；微型绝压传感器12采用MEMS微型绝压传感器，其气压口与大气或飞机空速计的静压腔相通，其输出端与差动放大电路13的输入端相连；所述的后续放大和滤波单元20有两个差动输入端，其中反相端接差动放大电路13的输出端，同相端接由基准电压62分压得到的电压，后续放大和滤波单元20对同相端和反相端电压之差进行放大和滤波；所述的数据采集模块30与后续放大和滤波单元20输出端相连，数据采集模块30为A/D转换电路模块，对接收的信号进行A/D转换后输入至微处理器40，微处理器与显示存储单元50相连，以显示存储所测得的高度数据.
下面介绍一最佳实施例.本实施例中，基准电压62采用MAX6061获得；该芯片为精密、低温漂、微功耗、小封装电压基准源.
微型绝压传感器12选用ICS1210-015A型MEMS绝压传感器，该传感器为压阻式，具有体积小、灵敏度高、可靠性高的特点.其内部应用电阻激光修正技术对传感器进行温度补偿、漂移修正，采用高稳定芯片粘合在陶瓷基的结构，保证了高可靠性.
提供稳定的恒流源是保证传感器达到高精度的重要条件.由基准电压62为恒流源模块11提供基准电压，通过负反馈电路保证微型绝压传感器12工作在恒流状态；需要注意的是，在选择采样电阻时应保证工作电流使运放工作在线性范围，避免饱和.
差动放大电路13选用单电源精密仪表放大器MAX4194或AD623作为放大器，其两输入端分别连接微型绝压传感器12的两输出端；放大器增益通过一个电阻进行设置.
差动放大电路13的输出连接到后续放大和滤波单元20；该单元将差动放大电路13的输出电压减掉从基准电压62分得的电压，并通过运放将信号进一步放大；放大电路采用一阶有缘低通滤波器的结构，可有效消除噪声，使电路在获得高灵敏度的同时获得高信噪比.
所述的数据采集模块30与后续放大和滤波单元20输出端相连，数据采集模块30为A/D转换电路模块，对接收的信号进行AD转换，之后输入至与之相连的微处理器40；微处理器40与显示存储单元50相连，以显示存储所测得的高度数据.无需专门说明，本专业人士即可根据需要自行设计数据采集模块30、微处理器40和显示存储单元50；另外对于这三个模块，应该理解为根据需要可以将其与其他系统相结合或者作相应修改.
图2为后续放大和滤波单元结构示意图.图中所示OUT1为差动放大电路13的输出端，VREF为基准电压62的输出端，VREF经一电位计R6分得的电压与OUT1相减，经运放放大和滤波；ALT_OUT为后续放大和滤波单元的输出电压.
图3为恒流源模块结构示意图.恒流源模块11由运放和低温漂采样电阻组成；图中所示运放的同相端接基准电压62的输出端，反相端通过采样电阻R2后接地；运放的输出端和反相端接该恒流源的负载.
高度计感受的气压P和高度H的关系可表示为：H＝K1(P0-P)，P0表示标准大气压强，K1为比例因子；P和差动放大电路13的输出电压U1的关系为：U1＝UA-K2P，UA为偏置电压，K2为差动放大电路13的增益；U1与后续放大和滤波单元20输出电压U2的关系为：U2＝K3(UB-U1)，UB为基准电压，K3为后续放大和滤波单元20的增益.因此，高度的计算公式为：H＝K1 P0-K1 U2/(K2 K3)+K1(UB-UA)/K2.U2被数据采集模块30采样，经微处理器40计算出高度，并送到显示存储单元50进行存储和显示.
Claims (4)
1. 一种用于微型飞行器的微型高度计，其特征在于：该高度计包括依次电连接的微型绝压传感器信号调理单元(10)、后续放大和滤波单元(20)、数据采集模块(30)、微处理器(40)和显示存储单元(50)，以及由系统电源(61)和基准电压(62)组成的电源模块(60)，所述的微型绝压传感器信号调理单元(10)包括依次电连接的恒流源模块(11)、微型绝压传感器(12)和差动放大电路(13)；所述的系统电源(61)为微型绝压传感器信号调理单元(10)、后续放大和滤波单元(20)、数据采集模块(30)、微处理器(40)和显示存储单元(50)提供系统电压，所述的基准电压(62)为恒流源模块(11)和后续放大和滤波单元(20)提供基准电压；所述的恒流源模块(11)的输入端与基准电压(62)相连；微型绝压传感器(12)采用MEMS微型绝压传感器，其气压口与大气或飞机空速计的静压腔相通，其输出端与差动放大电路(13)的输入端相连；所述的后续放大和滤波单元(20)有两个差动输入端，其中反相端接差动放大电路(13)的输出端，同相端接由基准电压(62)分压得到的电压，后续放大和滤波单元(20)对同相端和反相端电压之差进行放大和滤波；所述的数据采集模块(30)与后续放大和滤波单元(20)输出端相连，数据采集模块(30)为A/D转换电路模块，对接收的信号进行A/D转换后输入至微处理器(40)，微处理器与显示存储单元(50)相连，以显示存储所测得的高度数据。
2. 按照权利要求1所述的高度计，其特征在于：所述的基准电压(62)采用精密、低温漂、微功耗电压基准芯片MAX6061。
3. 按照权利要求1所述的高度计，其特征在于：恒流源模块(11)由运放和低温漂采样电阻组成；运放同相端接基准电压(62)，反相端通过采样电阻后接地；运放的输出端和反相端接该恒流源的负载。
4. 按照权利要求1所述的高度计，其特征在于：差动放大电路采用精密仪表放大器芯片MAX4194。
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