加速度测量仪设计制作
基于虚拟仪器的加速度计测试系统方案设计
关键 词 ：虚拟仪器 ； 测试系统 ； 加速度 计
中 图分 类 号 ：ＴＰ １ ＋． ２６ １ 文献 标 识 码 ：Ｂ
Ｔｅ ｔｎｇ ｓ ｓ ｅ ｏ ｃ ｅ ｅ ｏ ｅ ｅ ｓ ｄ ｏ ｉｔ ａ ｎ ｔ ｕ ｅ ｔ ｓ ｉ ｙ ｔ ｍ ｆ ｒ ａ ｃ ｌ ｒ ｍ ｔ ｒ ｂａ ｅ ｎ ｖ ｒ ｕ ｌｉ ｓ ｒ ｍ ｎ
的测试特别是对误差系数 的标定提出了很 高的要求。 目 前加速 度计测试 工 序多 ， 作 复杂 ， 容 易 引起 误 操 作 ， 操 很 同
时测 试系统 不能满 足 自动化 、 快速 化 的测试 要 求 。随着 虚 拟仪 器技 术 的 飞 速 发 展 ， 现 了 Ｐ Ｉ 出 Ｘ 总线 。Ｐ Ｉ 线 是 Ｘ 总 ＰＩ Ｃ 总线 的一种 扩展 总线 ， 其模块 化 、 由于 通用 性 以及标 准 化及软 件兼容 性设计 等优 点 ， 之 成 为 目前应 用 最 广 泛 的 使 测试 总线 。基 于 Ｐ Ｉ 线 的优 点 以及 为 了 有效 的 提高 测 Ｘ 总 试效 率和 自动化水 平 ， 设计 了基 于 Ｐ Ｉ Ｘ 总线 的加速 度计 自 动化 测试系 统 。
Ｋｅ ｗｍ￣ｓ ｙ ｌ ：ＰＸＩ ｕ ｏ ｔ ｓ ｉ ｇ ｓ ｓ ｅ ；ａ ｃ ｌ ｒ ｍ ｅ ｅ ；ａ ｔ ｅ ｔ ｙ ｔｍ ｎ ｃｅｅｏ ｔｒ
Ｏ 引
言
度计 的简化模 型如式 （ ） １：
Ｕ — ｋ ＋ ｋａ ＋ ｋａ ｏ ｌｆ ｚ （） １
导 弹武器 系 统 的射 击 精 度 偏 差 主要 是 由惯 性 器 件 测 量误 差 引起 的 ， 而加 速 度计 占其 大 部 分 ， 因此 对 加 速度 计
式 中 ：。 ｋ 为加 速度 计 的零 偏 ； ｋ 为加 速度计 的标 度 因数 ； 。 为加速 度计 的二 阶非 线性 系数 。 加 速度计 在各 个位 置的输 出可 以表示 为式 （） ２：
一种基于心率和加速度的运动能耗测量仪及测量方法[发明专利]
![一种基于心率和加速度的运动能耗测量仪及测量方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/99073b2ec381e53a580216fc700abb68a982addb.png)
(10)申请公布号 CN 102727185 A(43)申请公布日 2012.10.17C N 102727185 A*CN102727185A*(21)申请号 201210249466.6(22)申请日 2012.07.18A61B 5/00(2006.01)(71)申请人重庆邮电大学地址400065 重庆市南岸区黄桷垭崇文路2号(72)发明人李章勇 陈小波 冷锐 姜瑜王伟 赵志强 张汇泉 刘圣蓉(74)专利代理机构北京同恒源知识产权代理有限公司 11275代理人江雪(54)发明名称一种基于心率和加速度的运动能耗测量仪及测量方法(57)摘要本发明实施例提供了一种运动能耗测量仪，包括人体个性化参数采集单元，用于采集和存储人体个性化参数；心率传感器，用于测量心率HR ；基础能耗计算单元，用于利用测量心率HR 和所述人体个性化参数计算基础能耗；加速度传感器，用于测量运动加速度；运动做功计算单元，用于利用运动加速度和所述体重W 计算对外做功；运动能耗计算单元，将基础能耗BEE 和对外做功EEact 相加，计算运动能耗；还提供了一种运动能耗测量方法；本发明建立基础能量消耗、心率和个性化参数的线性回归方程，利用加速度传感器测量运动加速度，进一步考虑不同方向的影响因素，结合体重在三个方向分别实施对外做功计算，将心率和运动加速度有效结合，提升了测量精度。
(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书8页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 3 页1.一种运动能耗测量仪，其特征在于，包括：人体个性化参数采集单元，用于采集和存储人体个性化参数，包括身高H 、体重W 、年龄Y 、性别G 和截止心率FLEX_HR ；心率传感器，用于测量心率HR ；基础能耗计算单元，用于利用测量心率HR 和所述人体个性化参数计算基础能耗BEE ；加速度传感器，用于测量运动加速度；运动做功计算单元，用于利用运动加速度和所述体重W 计算对外做功EE act ；运动能耗计算单元，将基础能耗BEE 和对外做功EE act 相加，计算运动能耗EE ，即EE=BEE+EE act 。
基于压电加速度计速度测量信号调理电路设计
课程设计报告题目基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计2014-2015 第二学期专业班级2012级电气5班姓名赵倩学号************指导教师马鸣教学单位电子电气工程学院2015年7月6日课程设计任务书一、压电式加速度传感器的概要 (4)二、信号采集系统的总设计方案 (5)三、信号采集系统分析 (6)1、电荷转换部分: (6)2、适调放大部分 (6)3、低通滤波部分: (7)4、输出放大部分 (7)5、积分器部分： (8)四、单片机软件设计 (8)五、Multisim仿真分析 (10)1．仿真电路图 (10)2.仿真波形及分析 (11)六、误差分析 (11)1、连接电缆的固定 (11)2、接地点选择 (12)3、湿度的影响 (12)4、环境温度的影响 (12)七、改进措施 (12)六、心得体会 (12)七、参考文献 (13)前言在数据采集领域，NI作为虚拟仪器技术的开创者和领导者，也是基于PC的数据采集产品的领导者，为用户提供了最为广泛的数据采集设备选择。
但配备NI公司的数据采集硬件及软件比较昂贵，并且对于本文中在实验室进行的压电加速度传感器信号的采集，其输出模拟量为缓变低频信号，采用总线型。
压电式加速度传感器是以压电原材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压量的装置。
由于它具有结构简单、工作可靠等性能，目前已成为冲击振动测试技术中使用广泛的一种传感器。
世界各国作为量值传递标准的高频和中频基准的标准加速度传感器，都是压电式的。
本文基于上述特点对压电加速度传感器低频信号进行了分析，同时在参阅大量文献资料的情况下设计了基于单片机的压电加速度传感器低频信号的采集系统。
基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计一、压电式加速度传感器的概要压电式加速度传感器是一种典型的自发式传感器，又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。
它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的电压效应为转换原理的传感器。
利用传感器测量重力加速度大小的实验设计
利用传感器测量重力加速度大小的实验设计## 实验设计：利用传感器测量重力加速度大小### 1. 引言本实验旨在通过使用传感器测量重力加速度的大小，从而深入了解物体所受的引力。
通过合理设计实验步骤和使用适当的仪器，我们将能够准确地获取重力加速度的数据，并分析实验结果。
### 2. 实验目的掌握传感器测量重力加速度的原理和方法，熟悉相关仪器的使用，以及通过实验数据分析和处理获取准确结果的技能。
### 3. 实验材料和仪器- 加速度传感器- 数据采集器- 支持实时数据记录的计算机软件- 平稳水平的表面- 测试物体（可选）### 4. 实验步骤#### 4.1 设置实验环境确保实验室环境平稳，尽量消除外部干扰因素。
将传感器连接到数据采集器，并确保设备处于工作状态。
#### 4.2 传感器校准在开始实验前，对加速度传感器进行校准，以确保测量结果的准确性。
#### 4.3 测量基准将传感器放置在水平表面上，记录此时的重力加速度测量值，作为实验的基准。
#### 4.4 添加测试物体（可选）若需要测量特定物体的重力加速度，将该物体轻放在传感器附近。
注意保持物体相对静止，避免额外的力干扰。
#### 4.5 进行多次测量进行多次测量，记录每次测量的数据。
确保每次测量前传感器和测试环境都保持一致。
#### 4.6 数据记录与分析使用计算机软件实时记录和保存数据，然后进行数据分析。
计算平均值，并考虑任何异常值的排除。
### 5. 实验注意事项- 保持实验环境平稳，避免外部干扰。
- 传感器校准是确保准确测量的关键步骤。
- 对测试物体的添加需要小心，确保不引入额外的力。
### 6. 实验结果与讨论分析实验数据，得出重力加速度的大小，并与理论值进行比较。
讨论可能的误差来源和改进实验的方法。
### 7. 结论总结实验过程，强调实验的重要性，以及对物体受力的深入理解。
指出实验中的挑战和可能的改进方向。
通过以上实验设计，我们能够系统地测量重力加速度大小，培养学生实验设计和数据分析的能力，深化对物理学原理的理解。
测量重力加速度的重力加速度测量实验
测量重力加速度的重力加速度测量实验标题：测量重力加速度的重力加速度测量实验引言：重力加速度是物理学中的一个基本概念，它代表了物体在自由下落中所获得的速度增加率。
准确测量重力加速度对于许多物理应用和科学研究都至关重要。
本文将详细解读测量重力加速度的实验，包括实验的准备工作、实验过程以及实验的应用和其他专业性角度。
一、实验准备：1. 实验仪器和器材准备：(1) 自由下落装置：包括一个支架、一个准直器和一个释放装置。
(2) 计时器：用于准确测量自由下落物体的时间。
(3) 高精度水平仪：用于调整实验装置的水平度。
(4) 铅球：作为自由下落物体，具有一定质量和球形。
(5) 雷射测距仪：用于精确测量铅球的下落距离。
(6) 温度计：用于测量实验环境的温度。
2. 实验环境准备：(1) 确保实验室的温度和湿度稳定，以避免温度对实验结果的影响。
(2) 调整实验装置的水平度，以确保实验的准确性。
(3) 移除实验装置周围的任何干扰物，例如风扇或其他振动源。
二、实验过程：1. 调整实验装置：(1) 将自由下落装置固定在支架上，确保准直器与释放装置垂直。
(2) 使用高精度水平仪调整实验装置的水平度。
2. 测量重力加速度：(1) 将铅球放置在自由下落装置的释放装置上，并确保它处于稳定状态。
(2) 使用雷射测距仪测量铅球的下落距离。
(3) 释放铅球，并同时启动计时器。
(4) 当铅球触地时，停止计时器。
(5) 重复以上步骤多次，并记录每次实验的下落时间和下落距离。
三、实验应用和专业性角度：1. 应用：(1) 校正其他实验的时间测量：重力加速度测量实验可以提供准确的时间，可用于校正其他实验的时间测量误差。
(2) 建筑结构设计：测量重力加速度可以帮助工程师设计更安全和稳定的建筑结构。
(3) 航天工程：测量重力加速度对于航天器的设计和任务规划至关重要，如发射轨道的计算等。
(4) 弹道学研究：测量重力加速度可以帮助研究弹道学中物体的飞行轨迹和速度变化。
简易重力加速度测量装置
发明与创新·中学生创造天地文河北省唐山市第二中学蒋灏镔利用自由落体运动测量重力加速度在实验室中很常见。
实验时，通常使用打点计时器记录物体自由落体运动的时刻和距离，但这种方法测出来的重力加速度误差较大。
比较先进的测量重力加速度的方法是使用钢球作为自由下落的物体，以光电门作为计时工具。
这种仪器一般需要3个光电门，价格昂贵且不易安装。
于是，我有了制作基于电磁感应的自由落体重力加速度测量仪的想法。
一、设计思路使用磁棒作为自由落体物，以长1400mm、直径20mm 的有机玻璃管为自由落体物体经过的路径，在有机玻璃管外按照固定方向分别在0mm 处、100mm 处、400mm 处、1300mm 处用导线缠绕单匝线圈。
测量时，让有机玻璃管竖直向下，磁棒穿过有机玻璃管外壁的线圈时，有电磁感应产生，导线内有微小的电流，电流的波形是正弦曲线。
以磁棒末端穿过线圈时的波峰时刻作为自由落体物（磁棒）穿过每匝线圈的时刻，根据1=01+1212和2=02+1222得到：=2（22-11）（2-1）。
二、实验数据磁棒自由下落经过有机玻璃管外壁的线圈时，感应电流波形如图1~图5所示。
图1磁棒经过四段线圈时的波形图2磁棒经过第一段线圈时的波形，波峰显示磁棒末端经过线圈的时刻为9.746s简易重力加速度测量装置22创造天地分析以上结果可得，磁棒下落0.1m 时重力加速度的平均值为9.626m/s 2，下落0.4m 时重力加速度的平均值为9.506m/s 2，下落1.3m 时重力加速度的平均值为9.437m/s 2。
三、实验误差分析1.纬度原因。
唐山地区的重力加速度是9.8016m/s 2，比标准值大。
该因素不可避免。
2.空气阻力导致重力加速度减小，该因素影响较小，可忽略不计。
3.封闭线圈中的磁场对自由下落的磁棒有阻碍作用，导致重力加速度减小。
该因素影响较小，可忽略不计。
4.磁棒下落过程中可能与有机玻璃管内壁碰撞，因此改变下落路径，延缓磁棒的下落，导致重力加速度减小。
用凯特摆测量重力加速度（4）
⽤凯特摆测量重⼒加速度（4）实验报告 87姓名:竺贵强学号:PB07210017 系别：0706 实验题⽬:⽤凯特摆测量重⼒加速度实验⽬的:1．学习凯特摆的实验设计思想和技巧2．掌握⼀种⽐较精确的测量重⼒加速度的⽅法实验内容:1. 仪器调节调平⽀架:让摆杆做⼩⾓度摆动，记录⼀个周期的时间，反复测量，并调节⽀架的底座，直到多次测量的⼀个周期误差在0.001秒之内。
2. 测量摆动周期1T 和2T求出平均值为 mm l 5.7443== 根据gl T π2=粗略估算出 s T 7318.18.97445.02=??=π调节四个摆锤的位置，使正挂的摆动周期1T 和倒挂的摆动周期2T 逐渐靠近，⼀般粗调⽤⼤摆锤，微调⽤⼩摆锤，当1T 和2T 接近估计值时，最好移动⼩摆锤，使1T 和2T 的差值⼩于0.001s.当周期的调节达到要求后,分别测量5次的101T 和10g (Ⅰ)计算l, 1h ,1T 和2T 的平均值和不确定度 (1)已求出l 的平均值 mm l 5.744=l 的A 类不确定度为 mm l l l u i i A 17.0)13(3)()(312=-?-=∑= 查表得卷尺的仪?=0.8mm, 683.0t =1.32, p k =1, C=3由22683.0683.0)/()(C k u t U p A 仪?+=得mm l U 3.0)3/8.01()17.032.1()(22683.0=?+?=所以 mm l )3.05.744(±= P=0.683(2)求出1h 的平均值 mm h 5.45933.4598.4595.4591=++=1h 的A 类不确定度为 mm h h h u i i A 15.0)13(3)()(312111=-?-=∑=查表得卷尺的仪?=0.8mm, 683.0t =1.32, p k =1, C=3由22683.0683.0)/()(C k u t U p A 仪?+=得 mm h U 3.0)3/8.01()15.032.1()(221683.0=?+?=所以 mm h )3.05.459(1±= P=0.683(3)求出1T 的平均值 s T T i 74055.11010515111==∑=1T 的A 类不确定度为 s T T T u i i A 00014.0)15(5) ()(512111=-?-=∑=取仪?=0, 查表得 683.0t =1.14,由A u t U 683.0683.0=得s T U 00016.000014.014.1)(1683.0=?=所以 s T )00016.074055.1(1±= P=0.683(4)求出2T 的平均值 s T T i 73990.11010515122==∑=2T 的A 类不确定度为 s T T T u i i A 00011.0)15(5)()(51 2222=-?-=∑=取仪?=0, 查表得 683.0t =1.14,由A u t U 683.0683.0=得s T U 00012.000011.014.1)(2683.0=?=所以 s T )00012.073990.1(2±= P=0.683(Ⅱ)计算g 及其不确定度已知b a l h T T l T T g +=--++=)2(2241222122212π(1)由l T T a 22221+=得 21220677.47445.0273990.174055.1s m a -=?+=下⾯求a 的不确定度传递公式：两边取对数 2ln ln )ln(ln 2221--+=l T T a求微分 dl l dT T T T dT T T T da a 1221222212122211-+++= 系数去绝对值并改成不确定度符号，最后写成不确定度传递公式为 2222212222211)1()2()2(21l T T a U l U T T T U T T T a U ++++= 带⼊数值可求求得a 的不确定度为2222222683.0)0003.07445.01()00012.073990.174055.173990.12()00016.073990.174055.174055.12(0677.4)(?+?+?+?+??=a U 2-10.0017m s =所以 2-10.0017)m 0677.4(s a ±= P=0.683(2)由)2(212221l h T T b --=得 21220065.0)7445.04595.02(273990.174055.1s m b -=-?-= (3)⽐较a 和b 的⼤⼩,%15.0%100=?ab ,可见b 与a 相⽐,b 项可以忽略不计,从⽽可由a lT T g =+=2422212π求得a g 24π= 229.708m/s 0677.44==πg 再求g 的不确定度传递公式两边取对数 a g ln 4ln ln 2-=π求微分 da adg g 11-= 系数去绝对值并改成不确定度符号，最后写成不确定度传递公式为 a g U ag U = 带⼊数值可求的g 的不确定度为 2683.0/004.00017.00677.4708.9)(s m g U =?= 所以 20.004)m /s 9.708(±=g P=0.683误差分析：1. 使⽤⽶尺测量长度,误差太⼤;2. 在实验过程中⽀架底座很难调平,从⽽造成每个周期之间会有偏差;3. 实验中的偶然因素(⽐如振动)会造成周期的变化;4. 实验中发现凯特摆的周期与振幅有⼀定关系,从⽽每次的振幅不同也会造成周期的不同5. 在实验过程中，可能会形成不易察觉的锥⾯摆6. 从数据果看出，测得的⼗个周期数据并不理想，在调节时，两个周期分别为1.74005和1.74003，但在测量⼗个周期时周期的偏差⽐较⼤，可能是由于等待稳定的时间选的不好，导致周期有偏差改进⽅法：先测量⼀个周期，当稳定后，再迅速调到⼗个周期的档测量（这样能保证摆动已经稳定）。
基于LabVIEW的速度和加速的测量实验的模拟 精品
基于LabVIEW的速度和加速度的测量实验的模拟摘要随着科技技术的发展，软件行业日新月异，人们可以用软件编程来实现自己想要的功能，这使得用户在操作上简单了许多，视觉上也清晰明了，易于理解。
本次毕业设计研究的是基于LabVIEW的速度和加速度的测量实验的模拟，用虚拟仪器模拟现实实验。
进入前面板后，用户可以手动操作整个实验过程，也可以清楚的看到滑块在气垫导轨上移动，测量出来的数据也会在计时计数测速仪上显示，能让用户感觉像是在物理实验室做实验一样，给人一种身临其境的感觉。
用户可以通过可视化的界面方便的清楚整个速度和加速度实验的过程，这大大的方便了教师的物理教学。
关键词：LabVIEW,虚拟仪器，速度和加速度The measurement experiment simulation of Velocity andAcceleration Based on LabVIEWAbstractWith the development of science and technology,the software industry with each passing day,people can use software to achieve their want.This allows the user to easier to operate,and the vision is clear and easy to understand.The graduation design research is based on the LabVIEW velocity and acceleration measurement experiment of simulation,virtual instrument was used to simulate real experiment.After entering the front panel,user can manually operating the whole experiment process,and also can clearly see the slider move on the air track.Measured data will be displayed on the timer count speedometer,it can let the user feel like doing the experiment in physics laboratory,giving a surreal and truly musical feeling. Through a visual interface convenient user can know the whole process of velocity and acceleration experiment,this greatly facilitates teachers of physics teaching.Keywords:LabVIEW,virtual instrument,velocity and acceleration目录1绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 选题的意义及应用背景 (1)2 LabVIEW和虚拟仪器 (2)2.1 LabVIEW和虚拟仪器简介 (2)2.2 LabVIEW软件的特点 (3)2.3 LabVIEW使用的优势 (4)2.4虚拟仪器的主要特点 (4)3 速度和加速度的测量实验 (6)3.1 速度和加速的测量 (6)3.2 实验内容及步骤 (7)4 程序实现 (9)4.1 LabVIEW实现的基本思路 (9)4.2 前面板设计 (9)4.3 程序框图设计 (11)4.4 设计演示 (18)4.5 程序发布 (20)5 结语 (23)参考文献 (24)致谢 (25)1绪论1.1 引言LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
船舶加速度计的设计与应用
船舶加速度计的设计与应用船舶加速度计是一种用于测量船舶运动状态的仪器。
通过检测船舶在笛卡尔坐标系下的加速度，可以确定船舶的运动方向和速度。
在海事活动中，船舶加速度计被广泛应用于导航、海上科学研究等领域，对于保障海上交通和保护海洋环境具有重要作用。
本文探讨船舶加速度计的设计与应用。
一、船舶加速度计的原理与构造船舶加速度计主要包括三个部分：检测器、信号处理器和显示器。
检测器是船舶加速度计的核心部件，用于检测船舶在三个方向上的加速度，包括横向、纵向和竖向加速度。
检测器通常采用MEMS技术制造，具有体积小、重量轻、功耗低等优点。
信号处理器主要负责将检测器检测到的加速度信号进行滤波、积分、比例放大等处理，输出船舶在三个方向上的速度、位移等运动状态参数。
目前，信号处理器采用数字信号处理芯片（DSP）进行实现，具有高速、高精度、低功耗等特性。
显示器是船舶加速度计的输出界面，用于显示船舶在三个方向上的速度、位移等运动状态参数。
目前，显示器通常采用LED、LCD等技术进行实现，具有高亮度、低功耗、易于观察等优点。
二、船舶加速度计的设计与优化船舶加速度计的设计需要考虑多种因素，包括抗震性、抗干扰性、精度和灵敏度等。
在设计过程中，需要进行多种优化措施，以保证船舶加速度计在恶劣环境下能够正常工作。
抗震性是船舶加速度计设计的基本要求，对于海上运输和海上科学研究具有至关重要的作用。
为了提高船舶加速度计的抗震性，需要选择适当的材料和结构，并进行充分的振动测试和模拟分析。
抗干扰性是船舶加速度计设计的另一个重要要求，避免了设备工作时受到环境的干扰。
目前，智能陀螺仪、电子罗盘、GPS等位置导航系统常常会对船舶加速度计产生影响，因此需要加强设计和筛选，以降低这些干扰的影响。
精度是船舶加速度计的核心指标之一，影响到其在海上活动中的使用。
为了提高精度，需要对检测器、信号处理器等各个环节进行优化，利用最新的传感技术和数字信号处理算法，以提高船舶加速度计的精度和稳定性。
基于加速度传感器和磁阻传感器的空间三维角测量仪的设计
２ １８ ） １ １ ９
摘要 ： 通过描 述 地球 重 力场 、 地磁 场和 实 际测 量传 感 器 ３轴 之 间的 关 系， 阐述 了空 间三 维 角 的测
量原 理 ， 结合 加速 度传 感 器和磁 阻传 感器 的原理 及 其误 差 分析 ， 出 了测 量 空 间三 维 角的软 硬 再 给
件设 计 。
维普资讯
７ ０
２ ０ 年 １ 月 中国制造业信息化 第 ３ 卷 第 ２ 期 ０７ ２ ６ ３
ｓ９ ７ ｉ ｏ ｎ
Ｒ
／Ｌ
于是得 到 地 理坐 标 系 到探 头 坐标 系间 的变 换
Ｎ
ｃ９ ｏ ０ ｓ ｌ
０ １１ －
轴、 Ｅ与 ｙ轴 、 与 ｚ轴 相对 应 ）随后 载体绕 Ｎ 轴 Ｄ ，
旋 转 角 ， Ｅ轴旋 转 角 ， Ｄ 轴旋转 ａ角 ， 绕 绕 就得 到 当前 的坐标 系 （ Ｃ 。 Ｓ Ｓ） 每次 旋转相 当于一次 坐标 变换 ， 以用相 应 的 可 变换矩 阵 ＲＤ ａ ， （ ， （ 表示 ： （ ） ＲＥ ） ＲＮ ）
（） ３
矩 阵 Ｒ （ ） Ｅ ０ Ｒ ） 此矩 阵 由各 转 动 角 度 Ｄ ａ Ｒ （ ） Ｎ（ ， 和 次序惟 一地确 定 ：
ｃ ｓ ｓｎ９ ｏ Ｏｉ
、，
— ．．． ．． Ｌ ． ． ．．。 ．．． ．。
ｌ ｊ
ｒ
ｃｓｃｓ ｏＯｏ９
Ｒ （ ） Ｅ ） （ ＝ Ｄ ａ Ｒ 。（ ＲＮ ） ０
、
本 文 首先对 空 间三维 角 的测量原 理进 行说 明 ， 然后 简 要 叙 述 单 片 双 轴 ＭＥ ＭＳ加 速 度 传 感 器
、
＼
＼
＼
Ａ Ｌ０ ＤＸ ２ ２和磁 阻传 感 器 ＨＭＣ ０２的 工作 原 理 和 １２
2024-2024学年高一物理高频考点期末复习单元检测：天体运动与人造航天器(基础必刷)
2024-2024学年高一物理高频考点期末复习单元检测：天体运动与人造航天器（基础必刷）一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。
在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题如图所示是天和核心舱绕地球做匀速圆周运动的场景，2024年4月30日，神舟十七号载人飞船返回舱脱离空间站，随后在东风着陆场成功着陆。
已知核心舱的轨道距离地面高度为h，地球质量为M，地球半径为R，引力常量为G。
关于核心舱和返回舱的运动状态，下列说法正确的是（）A．天和核心舱在轨运行时的向心加速度大小为B．天和核心舱匀速圆周运动的周期为C．返回舱脱离空间站，开始返回时，需要点火减速，向后喷出炙热气体D．返回舱进入大气层返回地球表面的过程中，空气阻力做负功，动能逐渐减小第(2)题将重物静止悬挂在轻质弹簧下端，往左右方向轻微扰动重物，将会形成一个单摆；往上下方向轻微扰动重物，将会形成一个弹簧振子。
若此单摆及弹簧振子的周期满足时，无论给予哪种扰动，该装置都会周期性地在单摆和弹簧振子状态间切换，这种现象称为“内共振”。
已知弹簧振子的周期（m为重物质量，k为弹簧劲度系数），单摆摆长为L，重力加速度为g，若要产生“内共振”现象，则该弹簧劲度系数应该满足（ ）A．B．C．D．第(3)题利用发波水槽得到的水面波形如图所示，则( )A．图a、b均显示了波的干涉现象B．图a、b均显示了波的衍射现象C．图a显示了波的干涉现象，图b显示了波的衍射现象D．图a显示了波的衍射现象，图b显示了波的干涉现象第(4)题如图所示，在水平面上放置一个右侧面半径为的圆弧凹槽，凹槽质量为，凹槽点切线水平，点为最高点.一个质量也为的小球以速度从点冲上凹槽，重力加速度为，不计一切摩擦，则下列说法正确的是（）A．小球在凹槽内运动的全过程中，小球与凹槽的总动量守恒，且离开凹槽后做平抛运动B．若，小球恰好可到达凹槽的点且离开凹槽后做自由落体运动C．若，小球最后一次离开凹槽的位置一定是点，且离开凹糟后做自由落体运动D．若，小球最后一次离开凹槽的位置一定是点，且离开凹槽后做竖直上抛运动第(5)题单镜头反光相机俗称单反，它用一块放置在镜头与感光部件之间的透明平面镜把来自镜头的图像投射到对焦屏上。
实验1 单摆测重力加速度实验内容及指导
实验1 单摆测重力加速度实验内容一.用误差均分原理设计一单摆装置,测量重力加速度g.设计要求:(1)根据误差均分原理,自行设计试验方案,合理选择测量仪器和方法.(2)写出详细的推导过程,试验步骤.(3)用自制的单摆装置测量重力加速度g,测量精度要求△g/g < 1%.可提供的器材及参数:游标卡尺,米尺,千分尺,电子秒表,支架,细线(尼龙线),钢球,摆幅测量标尺(提供硬白纸板自制),天平(公用).假设摆长l≈70.00cm;摆球直径D≈2.00cm;摆动周期T≈1.700s;米尺精度△米≈0.05cm;卡尺精度△卡≈0.002cm;千分尺精度△千≈0.001cm;秒表精度△秒≈0.01s;根据统计分析,实验人员开或停秒表反应时间为0.1s左右,所以实验人员开,停秒表总的反应时间近似为△人≈0.2s.二.对重力加速度g的测量结果进行误差分析和数据处理,检验实验结果是否达到设计要求.三.自拟实验步骤研究单摆周期与摆长,摆角,悬线的质量和弹性系数,空气阻力等因素的关系,试分析各项误差的大小.四.自拟试验步骤用单摆实验验证机械能守恒定律.实验指导将需要用到的仪器，从仪器栏中拖到桌面上来。
鼠标移动到仪器上的时候，可以在提示信息栏中看见相应的提示信息。
使用仪器之前需要双击打开调节窗口再进行调节。
双击打开千分尺或者游标卡尺窗口，点击开始测量按钮，将小球拖入进行测量。
测量完成后关闭窗口调节摆线长度双击米尺打开米尺测量窗口，双击单摆打开单摆窗口。
按住单摆窗口中摆线末端的旋钮调节摆线长度，在米尺窗口中读出摆线长度。
打开单摆窗口和电子秒表窗口。
拖动小球使其摆动，使用秒表测量周期。
电容式微加速度计
电容式微加速度计电容式微加速度计的三种常见结构：1、扭摆式微加速度计（跷跷板式）2、梳齿式微加速度计（叉指式）3、悬臂梁式加速度计（三明治式）1、扭摆式微加速度计（跷跷板式）结构：,扭摆式微硅型加速度计由一对挠性轴; 一个板块; 一个质量块和四个电极(二个敏感电极,二个激励电极)组成。
加速度计的挠性抽在扭转方向上是很软的,而在其它方向上很硬。
工作原理：质量块在加速度作用下,产生扭矩使加速度计的挠性轴扭转,引起输出敏感电容的变化。
（工作简图、计算公式）公式中的参数：A 为敏感电极宽度; L 为加速度计板块长度; L - x 0 为敏感电极的长度。
X为介电常数。
如图2 所示, 当无加速度输人时, 摆元件处于平衡位置, 每个传感器电极的极板之间间隙相等, 电容量也相等, 无电压输出。
当有加速度a 输人时, 检测质量的’惯性力将对挠性轴产生惯性力矩( 即图2 中的Ma),使摆元件绕挠性轴偏转O, 导致敏感电容器的一个极板的间隙增大, 电容减小。
另一个极板的间隙减小, 电容增大。
将其电容值△ C 作为一个控制信号, 经后续电子线路形成加在力矩器电极( 即施力电极)上的控制电压△U。
同时在力矩器的控制极板上施加偏置电压Uo。
在控制电压作用下, 间隙大的电极上的电压增大而使静电吸力增大; 间隙小的电极上的电压减小而使静电吸力减小。
其吸力差对挠性轴产生的静电力矩( 即图2 中的Me)作用, 以平衡由加速度产生的惯性力矩Ma。
同样控制电压△u 正比于输人加速度。
, 根据控制电压的大小即可测得加速度值。
式中: k。
为比例系数( 由极板的结构尺寸所决定) ; kd为检测控制电路的增益( 完全由后续电路所决定) ;ku为加速度计的标度因数。
制作工艺：步骤：图6(a )在N 型< 100> 硅片上进行氧化和挠性轴支承扩散,要求硼扩散浓度大于1×1020图6( b )进行第一次EPW腐蚀(各向异性腐蚀)形成加速度计板块与玻璃之间的间隙D图6( c)进行第二次浓硼扩散,为制作加速度计的质量块。
MEMS电容加速度计
加速度计的半壁江山 ——电容式加速度计
• 电容式微加速度计因具有高精度、低温度敏感系数、低功耗、 宽动态范围和微机械结构等优点而成为当前国内外的研究热 点。其有很好的直流响应，较好的信噪比，负载阻抗高，受 磁场的干扰小，容易实现自检，高灵敏度，低漂移和低温度 灵敏度等，在低频响应方面可以响应静态的或直流加速度， 因此得到了广泛的应用。在当前的科学研究以及市场份额中 都是以电容式加速度计为主，占据了mems加速度计的半壁江 山。
微加速度计的最新产品
Bosch在2012推出了最新的三轴MEMS加 速度计 BMA280/BMA255 分辨率： 14位， 封装及尺寸： 2*2mm LGA(触点阵列), 制作工艺 ：200mm晶圆， 可检测最小加速度数值：0.25milli-g 集成了FIFO缓冲区和先进的中断机制 噪音仅为：120 micro-g/vHz和150 microg/vHz 以最大速率传输数据时电流只有130mA 省点模式时功耗甚至可低于10mA 接口：SPI(3-or-4wire)和IIC 工作温度：-40~+85度 特点：目前市场上还没其它2*2mm的加速 度计能够保持如此低噪音和高灵敏度
如图3-1，在电容器板间通过厚为d，相对介电常数为
εr介质，电容为
C
0 A
a d d r
,若通过的介质相对介电
常数增加△εr，列如湿度增加，成分变化时，电容增
加为：
a
d
图（3-1）
C
C
a
d
0A [d (r
r
)]
C C
r r
N2
1
1 N 3 ( r
电容式微加速度计的种类
210975074_一种振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置设计与实现
计算机测量与控制!"#"$!$%!$"!!"#$%&'()'*+%('#',&-!",&(".!!#%%(!#收稿日期 "#""#&"+$!修回日期 "#""#(#&%作者简介 林!渊!%('""&男&湖南邵阳人&硕士&主要从事测试设备设计与数字信号处理方向的研究%引用格式 林!渊&尹伟伟&胡广明!一种振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置设计与实现')(!计算机测量与控制&"#"$&$%!$") %%(%"*!文章编号 %*&%+,(' "#"$ #$#%%(#'!!-./ %#!%*,"* 0!1234!%%5+&*" 67!"#"$!#$!#%'!!中图分类号 89"#"!!文献标识码 :一种振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置设计与实现林!渊 尹伟伟 胡广明!航天科工惯性技术有限公司&北京!%###&+"摘要 目前&振梁式加速度计非线性度参数测量方法主要是将加速度计固定在离心机转台上&人为手动控制离心机转台转速&稳定后记录加速度输出$待所有加速度值测试完成后&通过数据处理软件计算出非线性度参数$但该方式效率较低&且一般都是单套产品进行测试&不适合大批量产品产生需求$鉴于解决上述测量效率问题&满足产品的批量生产需求&本设计提出一种测量方法&即同时测试多套振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置$试验结果表明)文章设计的测量装置&不仅实现了自动化进行多套加速度计同时测量&提高了测量效率&而且提出了一种便捷计算加速度计到离心机中心距离半径的方法&从而计算出实际作用于加速度计的[值&提高了测量精度%关键词 振梁式$加速度$非线性度$离心机$测量装置G'+12,*,6H#$.'#',&*&1","/*,<%&"#*&19)'*+%(1,2G'I19'/"(V",.1,'*(J*(*#'&'(+"/R1=(*&1,2='*#<99'.'("#'&'(G/?C A J2&C/?D E4S E4&`>@A J2N<42N!:E P H Q7J1E=14E21En/2V A Q6P R/2E P64J K8E1M2H K H N R L H;&G6V;&X E4042N!%###&+&L M42J"<=+&(*9&):4<E VJ6E B4642N<E J Q A P E<E26<E6M H V QH I2H2K42E J P7J P J<E6E P QH I O4F P J642N F E J<J11E K E P H<E6E P&J2J11E K E P H<E6E P4Q <J42K R I4B E VH26M E1E26P4I A N E6A P26J F K E&6M E P H6J64H2Q7E E VH I1E26P4I A N E6A P26J F K E4Q<J2A J K K R1H26P H K K E V6HP E1H P V6M EJ11E K E P J64H2H A67A6J I6E P6M E P H6J64H2Q7E E V Q6J F4K4U J64H2!:I6E P J K K J11E K E P J64H2Q J P E6E Q6E V&6M E2H2K42E J P7J P J<E6E P Q J P E1J K1A K J6E V F R6M E V J6J7P H T1E Q Q42N Q H I6S J P E!`H S E O E P&6M E E I I414E21R H I6M4Q<E6M H V4Q K H S&J2V464Q N E2E P J K K R6E Q6E V F R Q42N K E J11E K E P J64H2&S M41M4Q2H6Q A46J F K EI H P6M E6E Q6V E<J2V H I K J P N E T Q1J K E7P H V A16Q!/2H P V E P6H Q H K O E7P H F K E<J2V<E E66M E P E k A4P E<E26H I<J Q Q7P H V A16Q&J2J A6H<J641<E J Q TA P E<E26V E O41E I H P Q4<A K6J2E H A Q K R6E Q642N6M E2H2K42E J P7J P J<E6E P Q H I<A K647K E O4F P J642N F E J<J11E K E P H<E6E P Q4Q7P H7H Q E V!8M E6E Q6P E TQ A K6Q Q M H S6M J66M E V E O41E P E J K4U E Q6M E J A6H<J641<E J Q A P E<E26H I<A K647K E J11E K E P H<E6E P Q J66M E Q J<E64<E J2V4<7P H O E Q6M E<E J Q A P E T <E26E I I414E21R&J2VJ1H2O E24E26<E6M H V4Q7P H7H Q E V6H1J K1A K J6E6M E P J V4A QH I6M EV4Q6J21EF E6S E E26M EJ11E K E P H<E6E P J2V1E26E PH I 6M E1E26P4I A N E&Q H J Q6H1J K1A K J6E6M E N O J K A E H I6M E J11E K E P H<E6E P&S M41M4<7P H O E Q6M E<E J Q A P E<E26J11A P J1R!>':?"(6+)O4F P J642N F E J<$J11E K E P J64H2$2H2K42E J P46R$1E26P4I A N E$<E J Q A P42N V E O41E@!引言振梁式加速度计'%(逐渐成为导航领域的主导产品%由于其响应带宽大*体积小*成本低*可靠&且振梁式加速度计输出的是频率&可与数字信号处理系统兼容'"(&在许多应用领域可以取代常规的线加速度计&已开始大批量生产%目前&振梁式加速度计非线性度参数测量主要是将加速度计固定于离心加速度转台上&然后根据离心加速度>j'"g T公式&输入离心机转台角速率和已知的T半径&即可计算出当前作用于振梁式加速度计上的实际加速度%首先&将振梁式加速度计正向对准离心机转台中心轴&测量正向加速度与频率之间的关系%测量人员记录当前加速度>%与振梁式加速度计输出值&%&以此类推&测量并分别记录所有加速度点与振梁式加速度计输出对应的频率值&假设正向序列!>%&&%"&!>"&&""&..$同理&测量并记录负向!5>%&5&%"&!5>"&5&""&..&然后通过二次项拟合得出相关参数'$(%然而&该方法有"个缺点)!%"所有测量点的数据记录和控制离心机转台都需要人为干预&效率较低&且容易出错$!""计算过程中的T半径是工装生产时图纸中的理论值&实际安装时仍存在一定的误差&影响测量精度$尤其是同时测试多支振梁式加速度计时&需要记录的数据和后续的数据处理是相当繁琐的%同时&每只振梁式加速度计到转台中心轴的实际半径是有差别的&如果由理论值T参与公式计算加速度值势必带来更大的误差%为解决上述测!投稿网址 S S S!0Q01K R3U!1H<Copyright©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#%"#!#量精度和测量效率问题&本文设计了一种同时测试多套振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置%A !系统结构及原理自动测量系统结构包括计算机单元*供电控制单元*频率测量单元*离心机自动控制单元及相关电缆组成&系统组成如图%所示%图%!系统组成结构图测试系统各组成部分之间连接关系及工作原理如图%所示&系统供电主要为交流""#^市电&离心机转台为$'#^供电&工控机内安装d =+""串口板卡&用于频率测量单元进行数据通讯%供电单元采用两台程控线性直流稳压电源实现&程控接口为>=X &其中一台电源输出%路i %,^&用于被测产品供电&另外一台电源输出%路[,^电源&[,^电源用于频率测量单元供电%配电控制单元用于离心机转台系统的供电和控制&通过d ="$"接口计算机进行信息交互&由计算机控制离心机转台的转速参数%加速度计安装于工装内&加速度计供电和信号通过信号转接板与工装内加速度计相连&将工装与信号转接板置于离心机转台台面%B !系统硬件设计系统硬件设计包括计算机单元*供电单元*控制单元*离心机控制单元等%B C A !计算机单元计算机单元采用机柜式结构&主要包括工控机*d =+""串口卡*e ^W %工控机的功能主要实现测试数据采集*处理*显示*测试用仪器仪表控制等%工控机选用研华工业机箱/9L T *%#T G &为9L /总线架构%d =+""串口卡安装于工控机9L /插槽内&选用北京神州飞航的X =8T "$%%'串口卡&该板卡具有'路异步串口通讯&每路信号相互隔离%为节省机柜空间&选用了%>机柜式安装的显示器*键盘*鼠标一体化单元!简称e ^W "&显示器尺寸为%(英寸&分辨率不低于%"'#g %#"+%B C B !供电控制单元供电单元须对外输出"路电源&%路i%,^&%路[,^&选用外购直流稳压电源实现&可选用两台大华的-`%&**T %三路精密型可编程直流稳压电源&其中"路#!$"^+$:可调输出&具有主从路电压跟踪功能&%路*^+$:可调输出&每路输出通道电压纹波有效值为%<^&峰峰值不大于*<^&电流周期及随机偏差为$<:&电压显示分辨率为#;%<^&电流显示分辨率为#;%<:&满足设计需求%B C D !控制单元控制单元电路设计主要实现多路加速度计独立供电的通断控制和加速度计输出信号的采样%由于测试过程需要进行多只加速度计的供电独立控制&设计中&将供电单元输出的%路i %,^通过继电器切换进行多路输出&切换控制继电器选用松下的小型信号继电器8h =":T +;,^&该继电器具有很低的导通压降&最大不超过$##2^&最大直流切换电压$#^&电流%:&最大切换功率$#D %继电器驱动电流约为%,;*<:&具有较低的功耗%i %,^切换&只切换[%,^和5%,^&%,^@?-不切&直接供给加速度计&多个%,^@?-共在一起%控制中的频率测量单元将多个振梁加速度计输出频率值转换成数字量'+,(&并将转换的物理量通过串口发送给计算机&其工作原理如图"所示%图"!频率测量单元原理图频率测量单元采用脉冲计数法&即是时间间隔测量技术中最基本的方法%脉冲计数法的测量原理是利用计数时钟去填充被测时间间隔&通过对时钟信号的计数来量化被测时间间隔%用时钟信号L G e 驱动计数器对被测信号进行计数%设时钟频率为&&周期为1&计数器的值为B &则被测信号的时间间隔为)1.j B 1%脉冲信号通过采样电阻进!投稿网址 S S S!0Q 01K R3U !1H <Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第$期林!渊&等)""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""一种振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置设计与实现#%"%!#入脉冲计数电路&信号经过处理后进入数字串口电路转换成数字量&经过隔离电路发送给计算机单元%串口电路主要由%##W 的时钟信号经过Y 9@:的锁相环分频&给设计的串口电路提供"#W 的时钟信号&"#W 的时钟信号经过电路中计数器&每"#'$次进行重新计数&进行分频产生所需要的(;*e 时钟信号&即波特率为(;*e %发送时&-=9通过数据总线下发一个字节的数据给Y 9@:&Y 9@:按要求的串口协议通过"触发器加上一位起始位和一位停止位!用于判断数据信息"&变为%#位数据位&再经过移位寄存器&在(;*e 的时钟使能下&将%#位的并行数转换为串行数据发送至+""芯片!串口驱动器"&然后串行数据经"$"++""转换器发送至计算机单元%接收时的过程与发送相反&9L 机下发的串行数据指令通过"$"++""转换器下发至+""芯片&经+""芯片发送至Y 9@:&经过串口电路中计数器与移位寄存器&在时钟信号的使能下转换为并行数据&当接收到一个字节的串口数据&Y 9@:便产生接收成功信号&-=9通过对接收成功信号的中断或查询方式接收串口数据%隔离电路采用光电耦合隔离器典型隔离方式&其主要原理是利用二极管或其他发光器件将电信号转换为光信号&再通过光电二极管等感光器件接收*同时将光信号转换为电信号&实现电信号5光信号5电信号的转换&进而通过光这一载体实现前后级电信号的隔离%一个频率测量单元模块可以同时采集*个振梁加速度计&那么同时应用-个模块就可以实现*g -个振梁加速度计的测量%实现过程中同时采集*路加速度的频率信号&采样周期";,<Q &将采样周期内的频率个数通过d =+""串口发送给计算机单元%传输过程中通讯协议采用%*位的无符号整形来表征一个加速度的频率信号即可&计算机单元程序部分将";,<Q 的瞬时数据逐一累加&每将%Q !+##个数据累加和"数据作为加速度计频率输出的处理值%B C E !离心机自动控制离心机转台系统采用第三方技术%离心机转台提供远程d =T "$"L 通讯接口&能接收上位机的远程控制指令%转台工作在远控状态时&能实现本地操作面板上的各种操作功能&工作过程与本地操作面板上的方式相同&通过指令自动控制离心机工作及监控离心机状态%D !系统软件设计D C A !软件设计思路及编程方法该部分设计包括程序远程自动控制离心机转台转动及整个被测产品的参数测量及计算%该部分核心内容为运行与计算机之上的程序代码&即自动测试程序'*(%下面将重点阐述自动测试程序的实现过程及方法%$;%;%!加速度到离心机中心半径测量首先&将加速度计的/:轴垂直向上安装!如图$"%图$!加速度计输入轴垂直向上安装采集加速度计输出+S [并记录$再次&将加速度计的/:轴垂直向下安装!如图+"%图+!加速度计输入轴垂直向下安装采集加速度计输出+S 5[并记录$根据加速度计输出关系)&$0#?0%D>!%"!!将上述正向*负向代入关系式!%"得到)+S [$0#?0%D [!""+S #[$0##0%.[!$"!!根据式!""和式!$"得到0#与0%系数%0#$+S [?+S #["!+"0%$+S [#+S #["!,"!!将加速度计输入轴指向离心机旋转轴安装!如图,"%图,!正向半径测量图调整离心机转速并使离心机稳定在%个[加速度下&!投稿网址 S S S!0Q 01K R3U !1H <Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#%""!#记录当前加速度输出值S [[)>$S [?#J #J %!*"!!当前理论加速度[$T #D '"!&"!!实际加速度[9$T D '"!'"!!其中)T #为结构工装加速度计到离心机中心理论半径&[9j >[%按式!&"*!'"计算被测加速度计正向质心所处半径)记录T [j >g T #$即)T [j S [[5J #J %g T #$同样$将加速度计的输入轴背向离心机旋转轴反向安装&调整离心机转速并使离心机稳定在%个[加速度下&记录当前加速度输出值S [5&>$S [##J #J %!("!!记录T 5j>g T #$即)T 5j S [55J #J %g T #$其中T #为结构工装加速度计到离心机中心理论半径'&%#(%$;%;"!加速度计非线性度参数自动测量方法实现$;%;";%!量程设置量程设置为B 个N !B j %##*&#*,#*$#..等"&#N 至B 个N 之间可以设置不低于*个离心输入加速度%比如)#N *%N *,N *%#N *"#N ..&#N %$;%;";"!数据采集产品数据%`U 采样数据进行输出&记录加速度计S %..S 4的加速度计输出数据+S B &每个位置稳定后&测试输出4个数取平均+S B 平均$!4为变量&默认%#"$$;%;";$!二次项计算实际工作中我们所遇到的问题都是比较复杂的非线性问题&对于非线模型的确定是一个比较复杂的过程%这里我们通需要做的是先确定函数模型&在求解模型参数&这里如果拟合模型已经给出&则我们只需要进一步确定其参数即可&若未给出拟合模型&分别试用对数函数模型*指数函数模型&多项式函数模型及其他混合函数模型等进行拟合&比较他们拟合的度&最后选择拟合度较高的函数模型做为拟合模型%根据加速度输出+S B 平均与离心输入加速度&用最小二乘法'%%%$(进行系数分离0#*0%*0"*0$$正向*负向分别计算&0"最大值为二阶非线性系数%加速度计输出模型方程如下式所示%+S $0%!0#?>?0">"?0$>$"!%#"$;%;";+!标度因数非线性模型计算标度因数是指加速度计输出量与对应输入量的比值%一般有三大误差)一是表示正反向输入加速度的差值与平均值之比的不对称性$二是表示最大偏差值与最大输入量之比的非线性$三是表示同等测试条件下最大差值与平均值之比的重复性%在我们国家&由于环境和气候多变使得环境温度的变化引起的标度因数误差十分明显&因此减小环境温度变化导致的标度因数误差变得极其重要'%+%*(%这些参数对加速度计内部器件进行深入分析提供良好的数据支撑&能够更好的提高加速度计标度因数稳定性%首先&计算各输入加速度相应标度因数&J %!3["j !+S !3["5+S !#[""+!3[5#["$数据取5B 个[至[B 个[之间数据%然后&根据J %!3["与输入加速度&用最小二乘法进行拟合&计算各系数和残差&拟合残差定义为标度因数非线性%标度因数非线性模型如式!%%"所示%J %$J :?J <.>?J +.>"!%%"$;%;";,!数据存储%"加速度计原始测试数据及%#Q 平均数据进行存储$""测试结果进行存储&包括二次项计算结果和标度因数非线性模型计算结果%上述方法中&具体测量步骤包括)半径测量*模拟加速度*采集数据和参数计算%半径测量)步骤%&将加速度计的/:轴垂直向上安装&采集加速度计输出+S [并记录$步骤"&将加速度计的/:轴垂直向下安装&采集加速度计输出+S 5[并记录$步骤$&将加速度计输入轴指向离心机旋转轴安装&调整离心机转速为%N 并观察记录加速度计输出+S [并记录$按上述内容中相应公式计算出正向半径$步骤+&将加速度计输入轴背向离心机旋转轴安装&调整离心机转速为%N 并观察记录加速度计输出+S 5[并记录$按上述内容中相应公式计算出负向半径%模拟加速度)根据角速率与加速度关系计算出#N 至B 个N 之间的角速率'$根据半径测量中计算的实际半径计算出每个加速度计实际感受的加速度#N t 至B 个N t$采集加速度计)待当前离心机转速稳定&记录每个加速度计的输出秒采样值&并将多个秒采样值做均值处理$依次记录#N 至B 个N 之间的加速度输出秒平均值$参数计算)将正*负向加速度点数据分别进行拟合处理&用最小二乘法进行系数分离0#*0%*0"*0$$正向*负向分别计算&0"最大值为二阶非线性系数$将正负向所有加速度点数据进行拟合处理&计算非线性模型中各系数残差&拟合残差定义为标度因数非线性'%&%'(%D C B !软件实现自动化测试系统的架构设计符合分层设计以及W^L 的思想&系统采用分层的设计方式&把复杂的整体拆分成简单的模块&这样可以大大降低系统各个组成部分之间的耦合程度&提高系统的灵活性*扩展性以及可维护性%测试软件体系结构'%("#(分为三层设计&分别为硬件接口层*中间层*应用层&软件体系结构具体见图*所示%硬件接口层负责处理设备中涉及到的各类硬件的驱动控制&中间层将应用层所提供的服务进行封装&为应用层提供接口%中间层对应用层屏蔽了软件功能的逻辑结构和!投稿网址 S S S!0Q 01K R3U !1H <Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第$期林!渊&等)""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""一种振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置设计与实现#%"$!#图*!软件体系结构图实现细节&降低了软件功能模块之间的耦合程度%由于应用层直接与用户交互&而用户的行为是无法预测和保证的&应用层通过调用中间层所提供的接口来和软件系统的核心服务进行交互和通信&可以限制和规范用户的行为&减少用户不规范操作对软件系统核心服务造成的影响%中间层也大大提高了自动化测试系统的可扩展性&在这一层可以方便的增加或者改变接口&而不需要对软件系统的核心服图&!测试软件功能模块层次规划图务进行改动%中间层主要负责d =+""数据接收*d =+""数据解析及组帧*离心机控制指令交互管理*测试数据处理*模拟量数据处理*故障报警*温箱气源控制信息管理*数据文件管理*配置文件管理*日志写入等&应用层能够为测试人员提供系统所有功能的入口&为测试人员提供和系统交互的界面&使测试人员可以方便的使用自动化测试系统进行测试工作%应用层也可以称为视图层&主要负责系统>/界面的显示以及用户数据的封装和传递等&是直接与用户进行交互的一层%自动化测试系统通过应用层所提供的交互界面&测试人员可以使用系统的所有功能&如正向半径测量*负半径测量*正向量程测量*负向量程测量等%应用层不会包含对任何业务逻辑的处理&这一层所有的数据都是通过调用系统接口层所提供的接口来获得%测试软件功能模块层次规划图如图&所示%测试软件的应用程序实现该软件所有的测试项目%项目管理模块实现用户登录*文件保存管理*公共信息区管理*数字时钟*离心机信息管理%框架模块中主要实现应用程序框架界面的创建&包含测试项目目录的创建*状态栏管理*数据列表管理*绘图管理*提示信息管理*日志管理*实时时钟控制*配置文件解析管理等%解析模块用于测试软件中涉及到的所有的协议解析处理以及数据显示&一方面对测试系统接收到的数据进行协议解析&另一方面对测试系统发送的数据进行协议组帧&如d =T +""串行通讯协议的处理%串口通信虽然简单方便&但实际使用时会发现需要传输的不止%个字节&往往需要传输4个字节组成的数据包&而因为串口通信中字节之间相互独立&在接收数据时面临数据包对齐和防止出错的两大问题%为了解决这两个问题&本文在发送端通过将数据按指定格式打包&在接收端使用状态机解析数据&实现串口通信可靠传输%数据包对齐在也叫数据帧同步&解决方法就是引入帧同步字节&也就是增加帧头*帧尾等&对于固定长度数据帧通信可以只使用帧头帧尾&对于可变长度数据帧通信还需引入描述帧长的字节%利用帧头*帧尾*帧长即可解决%防止数据出错也叫差错控制&在通信原理中&有+种差错控制方法)检错重发*前向纠错*反馈校验*检错删除%+种差错控制方法各有其优缺点&本文采用检错删除的差错控制算法&故只需要考虑如何检错这一个问题&只需要在数据帧中增加校验字节%比较简单的一种校验方式为和校验&即把校验字节前的所以字节求和&最后保留低'位作为校验字节%本文针对较为复杂的一种通信场景进行总结&需要发送变长的数据帧%其他场景可在此基础上进行简化%为了!投稿网址 S S S!0Q 01K R3U !1H <Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#%"+!#发送变长数据帧&使用帧头[帧长[命令字节[数据字节[校验字节[帧尾的格式对数据包进行打包&其实帧头和帧长已经足够解决帧对齐问题&帧尾可以去掉&为了适应更复杂的情况&这里保留帧尾%帧头)本文使用#B ,,&#B ::两个字节作为帧头&因为它们对应的二进制位#与%的个数相同&分布均匀不易出错%帧长)根据数据帧实际长度确定帧长字节&这里只使用%个字节&故帧长字节最大为",,&为提高利用率&规定帧长字节描述的是数据字节的长度&故应重新命名为数据长度字节%命令字节)利用命令字节指定数据字节的功能&例如命令字节为%表示传输加表频率&为"表示传输加表温度等&%字节命令[4字节数据是工业中比较常用的一种格式%数据字节)数据字节长度可变&帧长字节为#&表示没有数据&帧长字节为",,&表示有",,字节数据%校验字节)比较简单的一种校验方式为和校验&即把校验字节前的所以字节求和&最后保留低'位作为校验字节%在W.-X >=协议中常用L d L %*循环冗余校验方式&将校验字节前的所以字节加入计算&得到两字节L d L %*校验码&本文采用此方式%帧尾)与帧头相似&这里使用#B Y Y 作为帧尾%测试软件对于底层板卡的驱动控制模块&分别是d =T +""串行通讯板卡控制*离心机通用d Q "$"串口通讯控制%硬件模块一方面包含硬件控制功能&其中主要包括板卡的打开*关闭*配置*读取功能&同时基于帧解析的模块&将需要解析的数据进行协议处理转换成软件功能中要求的数据%在d =T +""串行通讯板卡控制模块的基础上&结合测试系统使用需要&再次封装&形成最终的+""板卡控制模块&供主应用程序调用%离心机控制模块用于对离心机的通讯指令进行管理&并调用通用d Q "$"串口通讯控制模块&进行各指令的发送控制%测试软件测试流程如图'所示%图'!测试软件流程图测试软件开始后&首先进入半径测量选项&半径测量分为正向半径测量和负向半径测量%当加速度计输入轴指向离心机旋转轴安装时&则测试软件走正向半径测量流程%半径测量完成之后依次模拟所有加速度值&待转台转速稳定后&采集并记录加速度计的输出值%当前加速度实验完毕后进入下一个加速度点的测试&直到所有加速度点测试完成后软件进入数据拟合处理流程$数据处理完成后生成报表%同理&当加速度计输入轴背向离心机旋转轴安装时&则测试软件走负向半径测量流程&负向半径测量完成后&后续流程与同向测试流程一样&最后数据处理完成后生成报表%E !实验结果与分析试验步骤和方法)%"同时将*只加速度计装入工装并固定在离心机台面上&连接好测试电缆&启动测试软件&进入测试界面%""点击,开始采集-按钮&系统会弹出编号输入对话框&此时输入需要测试的加速度计编号&正向测试时&加速度计编号前缀标为,9-&负向测试时&前缀标为,?-&是对后期生成数据的区分%$"点击,开始保存-按钮%此时系统开始进行自动化测试&并且按照要求存储数据&在测试的进程中&还可以通过观察测试曲线&来判定测试是否正确&测试的加速度计工作是否正常%+"测试过程中&测试状态的对话框中会显示测试的进行情况&只有离心机转速稳定时&系统才会采集数据%其中>值为离心机的转速%测试结束时&测试状态的对话框中会显示,测试完成-%,"正向测试结束后&将测试项目更改为,量程设置!负"-&同时加速度计前缀更改为,-&进行负向的测试&测试方法同上%*"测试完成后&数据会自动存储&生成数据报告文件%基于上述系统与软件设计&完成了加速度计非线性度参数自动测量装置集成&并对多套振梁加速度计进行测试&通过分析数据&确定本方法精度满足设计要求&同时测试完全自动化&大大提高测量效率%下面通过某支振梁加速度计的测量结果进行分析对比&表%!"分别使用自动测试装置*手动控制离心机人工记录数据测量计算&其中人工记录测量时计算过程中的加速度直接采用理论加速度值%表%是加速度计正向安装时使用自动测量装置与手动测量数据对比%表"是加速度计负向安装时使用自动测量装置与手动测量数据对比%从表%和表"中可以看出&在自动测量和手动测量两种情况下&加速度计的输出基本一致&表明自动测量与手动!投稿网址 S S S!0Q 01K R3U !1H <Copyright ©博看网. 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利用传感器测量重力加速度大小的实验设计
利用传感器测量重力加速度大小的实验设计
1 实验背景
本实验的主要目的是测量重力加速度的大小，可以帮助我们了解
地心引力的大小。
它涉及到理论物理学和实验物理学，综合运用物理
学原理和实验仪器对重力加速度参数进行测量。
2 实验方法
实验所用的主要仪器是传感器。
传感器被用来同时测量重力加速
度大小和其持续时间。
在测量重力加速度大小之前，我们需要系统地
准备实验装置。
实验装置由根据实验要求组合的传感器、电路板、电
脑等组成，它们之间的连接需要按照既定的步骤进行操作。
3 实验结果
实验结束后，我们得到一系列的数据。
我们可以通过数据分析和
比较重力加速度的大小，从而确定地心引力大小。
这些数据还可以用
来衡量物体加速度变化的速度，进而可以用来检测宇宙射线、重力波等。
4 实验安全
关于实验安全，我们需要注意实验仪器在使用过程中的安全问题。
保持仪器的整洁，避免设备的损坏。
在手持传感器的实验过程中，应
避免传感器处于高压区，做到安全操作。
5 结论
在进行本次实验后，我们能够准确测量重力加速度的变化，从而了解地心引力大小。
对于仪器的使用，我们应尽量做到安全操作，避免损坏仪器。
重力加速度的一种测量方法
ｓ Ｌ ｎｂ
（ ６）
ｓ ｉ ｎＯ
方 向角 ： Ａ Ｋ Ｏ ＝ １ ８ ０ 。 一ｅ
再运 用余 弦定 理 ：
ｃ ｏ ５ＬＡＫ Ｏ＝Ａ ｔ Ｃ ｚ ＋ Ｋ Ｏ ＝ － Ｒ ｚ （ （ ７）
经 查 阅资 料可 知 ：
ａ ６ ３ ７ ８ ． １ ３ ６ ９ ９ ９ ９ ５ ４ ６ ６ ４ ２ ８ ６ ２ ５ ｌ ４ ４ Ｏ ８ ２ ７ ９ ８ ２ ９ ｋ ｍ
近年来 ， 不 同 的研 究 者 利 用 不 同 的测 试 方 法 对 当 地 的重 力加 速度 进 行 了测 试研 究 。主 要 有平 衡法 、单摆 法 、斜 面法 等几 种 测试 重 力加 速度 的方 法 。本 文在 此基 础上 ， 提 出用 改变 摆臂 长 度 的方 法 ， 用 多摆 法 以消 除 单 次测 量 单摆 摆 长 的系统 误 差 ， 达 到较 为 精确 的 测量 重 力 计算 速度 值 的 目的 。 改进 单摆 示意 图 ：
测 定 的重 力加 速度 ｇ为 ， （ ｇ ｌ ＋ ２ ） （ １ ３ ） 理 论 上 ，两 个 不 同 的 改变 摆 长 ，所 测 定 的重 力 加 速 度应 该相 等 ， 通过对 ５ Ｏ次 单摆 计次 的时 间 ， 减小 认 为 的计 时 误差 ， 测 试 数据 偏差 的原 因主 要来 自于 对 摆 长 测量 的误差 ，因为 在此 测 量 系统 中 ，单摆 的周期 可 以通 过 重复 计数 最终 去 平均 值而 减 小误 差 ， 但对 摆 长 的测量 ， 每 一次 都不 能绝 对 的重 复 ， 这是 误差 的 一个 主要 原 因 。
一
Ｆ ＝ ｍ ｒ ｃ ｏ ｓ ｂ
（ ３ ）
（ ４）
Ｆｒ ＝ — Ｇ Ｍｍｃ Ｏ ｓｂ ＝ — Ｆ ￣ ０ ２ ＋ Ｆ
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4.压电材料的主要特性参数 ① 压电常数: 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直 接关系到压电元件输出灵敏度。 ② 弹性常数: 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固 有频率和动态特性。 ③ 介电常数: 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容特 性与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下 限。 ④ 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量 （如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡 量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。 ⑤ 电阻: 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电 传感器的低频特性。 ⑥ 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。
1.石英晶体 石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。 突出的优点是性能非常稳定。石英晶体的主要性能特点： ①压电常数小（d＝2.31×10-12C／N），其时间和温度稳定 性极好，常温下几乎不变，在20~200℃内其温度变化率约为 2.15106 /℃ ； ②强度和品质因数高，许用应力高达（6.8~9.8）×107Pa。且 刚度大，能承受700~1000kg／cm2的压力。固有频率高且十 分稳定，动态特性好； ③居里点高，达到573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均 好。 石英是理想的压电传感器的压电材料。石英晶体大多只在标准 传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在 一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。
加速度测量仪设计制作
1 项目描述 2 相关知识 3传感器的认知 4 项目参考设计方案 5 项目实施与考核
1 项目描述
设计一种加速度测量仪实现对各种振动和冲击进行监测。 1.1 任务要求 1. 以压电传感器为传感元件； 2. 对于加速度的不同能够有明显区别的不同提示，可 酌情加分； 3. 当加速度到达低于或高于一定阈值时能够发出声光 报警，可酌情加分； 4. 鼓励采用单片机为控制单元，可酌情加分； 5. 最终上交调试成功的试验系统—加速度检测仪； 6. 要求有每个步骤的文字材料，包括原理图、使用说 明、元件清单、进程表、调试过程描述等。
式中Q-----为产生的电荷 d——压电常数。 F------为在晶体的弹性限度内施加的外力
2.2压电材料的分类及特性 压电式传感器中的压电元件材料主要有三 类：压电晶体（单晶体）：它包括压电石 英晶体和其它压电单晶；经过极化处理的 压电陶瓷（多晶体），也称为晶半导瓷， 为极化处理的多晶体；新型压电材料：有 压电半导体和有机高分子压电材料两种。
如果在 x 轴方向施加拉力，体沿x方向将产生拉伸变形，正负离子的相 对位置也随之变动。如图6-3（b）所示，此时正负电荷重心不再重合， P1的增加，P2、P3的减小，，在x 轴正向呈负电荷，在x 轴负向呈正电 荷。
x ＋ － y ＋ o P1 － y ＋ － ＋ P2 x Fx x Fy y A ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ P1 － － P2 P3 C ＋ o ＋ － B － － － － Fy A － － － － － － ＋ P1 o － － P3 ＋
1.2 相关知识点分析
本项目单元主要讲述压电传感器的各项知识。 具体知识点如下： 1. 掌握压电传生机理； 4. 理解压电元件的结构形式； 5. 掌握压电传感器的等效电路及测量电路； 6. 了解压电传感器的各种应用； 7. 了解振动的测量及频谱分析；
5.压电效应产生的机理
（a）
（b） （c） 图6-1 石英晶体外形与切片
（d）
为了直观地了解石英晶体的压电效应，将构成石英晶体的硅离 子和氧离子在垂直于z 轴的 x y 平面上投影，则等效为一个正 六边形排列。 矩形晶体上受力与产生电荷的关系是：若沿X轴施加压力Fx， 则在与 x 轴垂直的平面（加压的两表面）上分别出现正负电荷； 若沿Y轴施加压力Fy，则在加压的两表面上不出现电荷，电荷 仍然出现在与 x 轴垂直的平面上，只是电荷符号相反。 若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置与 施加压力时相同，仍然出现在与 x 轴垂直的平面上，但电荷的 符号与施加压力时相反。 当然用切向应力作用时也会产生电荷，此时可用力的分解方法 来考虑。通常把沿电轴 X 方向的力作用下产生电荷的压电效应 称为纵向压电效应；把沿机械轴 Y 方向的力作用下产生电荷的 压电效应称为横向压电效应，沿光轴 Z 方向受力时不产生压电 效应。
2 相关知识
2.1压电式传感器的理论基础 压电效应 某些电介质物体在沿一定方向受到外力的作用而发生变形，其 内部就会产生极化现象，并且在其表面上产生电荷，当外力撤 销后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效 应。简称压电效应。 反之，在电介质的极化方向施加电场或电压时，这些电介质将 产生几何形变，当撤销外加的电场电压后，电介质的形变也随 之消失，这种现象称为逆压电效应。 压电材料的压电特性常用压电方程来描述： Q=dF （6-1）
2.压电陶瓷 压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡压 电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)、铌酸盐系压电陶瓷和铌 镁酸铅压电陶瓷四大类。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大 得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 但介电常数、机械性能不如石英好。 由于它们品种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作各种 不同的压电传感器。而且制造成本较低，因此，目前国内外生 产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。 3.高分子压电材料 高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯 （PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVF2和PVDF的 压电常数最高。