專利名稱：一種絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及時(shí)間測(cè)量裝置，尤其是涉及一種絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
地球表面上任意一點(diǎn)的絕對(duì)重力值,是該點(diǎn)單位質(zhì)量的物體受到整個(gè)地球質(zhì)量的引力與地球自轉(zhuǎn)在該點(diǎn)所產(chǎn)生的慣性離心力的合力，它等于該點(diǎn)的重力加速度值。絕對(duì)重力儀是目前國際上研制用來直接測(cè)量重力加速度值的主要精密計(jì)量?jī)x器，在地球物理環(huán)境、地震、石油勘探、測(cè)量等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，常見絕對(duì)重力儀的基本原理是利用邁克爾遜激光干涉儀方法在高真空條件下測(cè)量物體(落體棱鏡)在垂直方向自由運(yùn)動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間和距離，由邁克爾遜激光干涉儀原理可知，落體棱鏡下落距離等于1/2ηλ，其中η為激光 干涉條紋數(shù)，λ為激光器波長。對(duì)激光干涉條紋計(jì)數(shù)的同時(shí)測(cè)定落體下落時(shí)間，根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算重力值。因此，時(shí)間測(cè)量裝置是絕對(duì)重力儀的重要部件之一。美國MiciO-G公司生產(chǎn)的FG5是一種進(jìn)入商品化的絕對(duì)重力儀，絕對(duì)重力儀測(cè)量的相對(duì)不確定度可達(dá)到2Χ10_9，其早期版本的測(cè)時(shí)系統(tǒng)采用SR620通用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，后期版本采用通用時(shí)間采集PCI接口卡，其不足之處在于通用時(shí)間測(cè)量裝置體積大，價(jià)格昂貴。電子計(jì)數(shù)法是一種簡(jiǎn)單的時(shí)間測(cè)量方法，已經(jīng)在許多領(lǐng)域獲得了實(shí)際應(yīng)用，其測(cè)量原理是時(shí)間測(cè)量裝置啟動(dòng)后計(jì)數(shù)器開始對(duì)量化時(shí)鐘計(jì)數(shù)，設(shè)量化時(shí)鐘頻率為fo，對(duì)應(yīng)的周期Ttl = l/f0,當(dāng)某一事件到來時(shí)計(jì)數(shù)器的讀書N，剛被測(cè)時(shí)刻測(cè)量值Tx = N*!；。測(cè)量量化誤差最大值為一個(gè)量化時(shí)鐘周期Ttl，產(chǎn)生的原因是待測(cè)脈沖上升沿與量化時(shí)鐘上升沿的不一致，該誤差稱為電子計(jì)數(shù)法的原理誤差，即電子計(jì)數(shù)法的±1問題。除了原理誤差之外，電子計(jì)數(shù)法還存在時(shí)標(biāo)誤差，時(shí)標(biāo)誤差可以采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘來克服，比如銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。提高量化時(shí)鐘的頻率可有效降低原理誤差，但這帶來的問題是時(shí)鐘頻率越高對(duì)電路的要求越高，并且相應(yīng)的芯片也很難選擇。例如，當(dāng)要求Ins的測(cè)量精度時(shí)，時(shí)鐘頻率需要提高到1GHz，此時(shí)一般的計(jì)數(shù)器芯片很難正常工作，同時(shí)也會(huì)帶來電路板的布線、材料選擇以及加工等諸多問題。提高電子計(jì)數(shù)法的測(cè)量精度的做法通常是對(duì)小于一個(gè)量化時(shí)鐘周期Ttl的量化誤差t進(jìn)行高精度測(cè)量，對(duì)微小時(shí)間間隔測(cè)量已有商用專用芯片出售，如德國Acam公司的TDC-GPX芯片，該芯片最高精度模式能夠達(dá)到2通道IOps分辨率，峰峰誤差70ps的高精度測(cè)量，但測(cè)量范圍只IOus左右，量程太小不能滿足絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量的要求。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述不足，本實(shí)用新型提供一種絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置由光電轉(zhuǎn)換器、分頻器、計(jì)數(shù)器鎖存器、微測(cè)時(shí)芯片、時(shí)鐘源、反相器、D觸發(fā)器、微處理器組成，光電轉(zhuǎn)換器與分頻器相連，分頻器與微測(cè)時(shí)芯片的START端口相連，分頻器與觸發(fā)器的D端口相連，時(shí)鐘源與反相器相連，時(shí)鐘源與計(jì)數(shù)器鎖存器的CLK端口相連，時(shí)鐘源與微測(cè)時(shí)芯片的STOP端口相連，反相器與D觸發(fā)器相連，D觸發(fā)器與計(jì)數(shù)器鎖存器的鎖存觸發(fā)端口 RCLK相連，D觸發(fā)器與微處理器相連，計(jì)數(shù)器鎖存器與微處理器相連，微測(cè)時(shí)芯片與微處理器相連，分頻器與微處理器相連。計(jì)數(shù)器鎖存器是帶鎖存功能的計(jì)數(shù)器，或由計(jì)數(shù)器加鎖存器構(gòu)成，可根據(jù)需要由多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)擴(kuò)展數(shù)據(jù)位寬度。激光干涉信號(hào)經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換器輸出方波信號(hào)送給分頻器，設(shè)置分頻器的目的是對(duì)激光干涉信號(hào)計(jì)數(shù)采樣，即一組分頻數(shù)表示的落體下落距離為Ν*1/2ηλ，其中η為激光干涉條紋數(shù)，λ為激光器波長，N為分頻數(shù)，分頻后的信號(hào)占空比降低N倍，變?yōu)椴粚?duì)稱窄脈沖，但脈沖寬度要大于時(shí)鐘源的時(shí)鐘周期。測(cè)量任務(wù)開始后，由微處理器對(duì)計(jì)數(shù)器鎖存器復(fù)位清零，計(jì)數(shù)器鎖存器開始對(duì)時(shí)鐘源輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)，因分頻器與D觸發(fā)器的D端口相連，鐘源輸出的信號(hào)經(jīng)反相器反向后送給D觸發(fā)器作為觸發(fā)信號(hào)，在反相器輸出信號(hào)的上升沿將D觸發(fā)器的D端口狀態(tài)傳送到計(jì)數(shù)器鎖存器的鎖存觸發(fā)端口 RCLK，計(jì)數(shù)器鎖存器鎖存計(jì)數(shù)值，因計(jì)數(shù)器鎖存器的計(jì)數(shù)信號(hào)與鎖存信號(hào)相位相反，保證了計(jì)數(shù)器鎖存器鎖存時(shí)刻不會(huì)發(fā)生計(jì)數(shù)器正在計(jì)數(shù)時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)微處理器檢測(cè)到分頻器的信號(hào)后，立即檢測(cè)D觸發(fā)器輸出的信號(hào)是否有效并記錄，如果D觸發(fā)器輸出的信號(hào)無效，等待D觸發(fā) 器在反相器輸出時(shí)鐘信號(hào)的作用下輸出對(duì)計(jì)數(shù)器鎖存器的鎖存信號(hào)，隨后微處理器讀取計(jì)數(shù)器鎖存器的值和微測(cè)時(shí)芯片的測(cè)量值，因計(jì)數(shù)器鎖存器的速度小于微測(cè)時(shí)芯片的速度，需要判斷微測(cè)時(shí)芯片所采用的停止信號(hào)和計(jì)數(shù)器鎖存器的鎖存信號(hào)是否同一信號(hào)沿，判斷方法是如果微測(cè)時(shí)芯片輸出的數(shù)值小于時(shí)鐘源的周期的50%，且記錄的D觸發(fā)器輸出的信號(hào)是無效的，即當(dāng)微測(cè)時(shí)芯片收到停止信號(hào)后計(jì)數(shù)器鎖存器信號(hào)尚未鎖存，則計(jì)數(shù)器鎖存器的值應(yīng)該減去1，如此了便保證了測(cè)量結(jié)果沒有±1問題。一次測(cè)量的時(shí)間為計(jì)數(shù)器鎖存器所表示的時(shí)間+微測(cè)時(shí)芯片所測(cè)量的時(shí)間。計(jì)數(shù)器鎖存器在鎖存時(shí)計(jì)數(shù)不停止，一次自由落體棱鏡落體下落過程中時(shí)間測(cè)量誤差不會(huì)累計(jì)。本實(shí)用新型的有益效果是，高分辨率小量程測(cè)時(shí)芯片與低分辨率大量程芯片結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高分辨率大量程時(shí)間測(cè)量，能滿足絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量要求且造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，一次落體棱鏡下落過程中時(shí)間測(cè)量誤差不會(huì)累計(jì)。
以下結(jié)合附圖
和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。說明書附圖為本絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中I.光電轉(zhuǎn)換器，2.分頻器，3.計(jì)數(shù)器鎖存器，4.微測(cè)時(shí)芯片，5.時(shí)鐘源，6.反相器，7. D觸發(fā)器。8.微處理器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述根據(jù)附圖可知，一種絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置由本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置由光電轉(zhuǎn)換器(I)、分頻器(2)、計(jì)數(shù)器鎖存器⑶、微測(cè)時(shí)芯片⑷、時(shí)鐘源(5)、反相器(6)、D觸發(fā)器(7)、微處理器⑶組成，光電轉(zhuǎn)換器⑴與分頻器⑵相連，分頻器⑵與微測(cè)時(shí)芯片⑷的START端口相連，分頻器(2)與D觸發(fā)器(7)的D端口相連，時(shí)鐘源(5)與反相器(6)相連，時(shí)鐘源(5)與計(jì)數(shù)器鎖存器
(3)的CLK端口相連，時(shí)鐘源(5)與微測(cè)時(shí)芯片(4)的STOP端口相連，反相器(6)與D觸發(fā)器(7)相連，D觸發(fā)器(7)與計(jì)數(shù)器鎖存器(3)的鎖存觸發(fā)端口 RCLK相連，D觸發(fā)器(7)與微處理器(8)相連，計(jì)數(shù)器鎖存器(3)與微處理器(8)相連，微測(cè)時(shí)芯片(4)與微處理器
(8)相連，分頻器(2)與微處理器(8)相連。計(jì)數(shù)器鎖存器(3)是帶鎖存功能的計(jì)數(shù)器，或由計(jì)數(shù)器加鎖存器構(gòu)成，可根據(jù)需要由多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)擴(kuò)展數(shù)據(jù)位寬度。本實(shí)施方式中，分頻器(2)選高速分頻器，時(shí)鐘源(5)選用銣原子鐘，頻率為lMHz，D觸發(fā)器(7)型號(hào)為74HC74，計(jì)數(shù)器鎖存器(3)為8位帶鎖存功能的74HC590兩片級(jí)聯(lián)為16位計(jì)數(shù)器，微測(cè)時(shí)芯片(4)選用德國Acam公司的TDC-GPX，微處理器(8)選用NXP LPC17661OOMHz ARM CPU。激光干涉信號(hào)經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換器(I)輸出方波信號(hào)送給分頻器(2)，設(shè)置分頻器(2)的目的是對(duì)激光干涉信號(hào)計(jì)數(shù)采樣，即一組分頻數(shù)表示的落體下落距離為Ν*1/2η λ，其中η為激光干涉條紋數(shù)，λ為激光器波長，N為分頻數(shù)，分頻后的信號(hào)占空比降低N倍，變?yōu)椴粚?duì)稱窄脈沖，但脈沖寬度要大于時(shí)鐘源(5)的時(shí)鐘周期。測(cè)量任務(wù)開始后，由微處理器8對(duì)計(jì)數(shù)器鎖存器(3)復(fù)位清零，計(jì)數(shù)器鎖存器(3)開始對(duì)時(shí)鐘源(5)輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，同 時(shí)，因分頻器(2)與D觸發(fā)器(7)的D端口相連，鐘源(5)輸出的信號(hào)經(jīng)反相器6反向后送給D觸發(fā)器(7)作為觸發(fā)信號(hào)，在反相器(6)輸出信號(hào)的上升沿將D觸發(fā)器(7)的D端口狀態(tài)傳送到計(jì)數(shù)器鎖存器(3)的鎖存觸發(fā)端口 RCLK，計(jì)數(shù)器鎖存器(3)鎖存計(jì)數(shù)值，因計(jì)數(shù)器鎖存器(3)的計(jì)數(shù)信號(hào)與鎖存信號(hào)相位相反，保證了計(jì)數(shù)器鎖存器(3)鎖存時(shí)刻不會(huì)發(fā)生計(jì)數(shù)器正在計(jì)數(shù)時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)微處理器(8)檢測(cè)到分頻器(2)的信號(hào)后，立即檢測(cè)D觸發(fā)器(7)輸出的信號(hào)是否有效并記錄，如果D觸發(fā)器(7)輸出的信號(hào)無效，等待D觸發(fā)器(7)在反相器(6)輸出時(shí)鐘信號(hào)的作用下輸出對(duì)計(jì)數(shù)器鎖存器(3)的鎖存信號(hào)，隨后微處理器(8)讀取計(jì)數(shù)器鎖存器(3)的值和微測(cè)時(shí)芯片(4)的測(cè)量值，因計(jì)數(shù)器鎖存器
(3)的速度小于微測(cè)時(shí)芯片(4)的速度，需要判斷微測(cè)時(shí)芯片(4)所采用的停止信號(hào)和計(jì)數(shù)器鎖存器(3)的鎖存信號(hào)是否同一信號(hào)沿，判斷方法是如果微測(cè)時(shí)芯片(4)輸出的數(shù)值小于時(shí)鐘源(5)的周期的50%，且記錄的D觸發(fā)器(7)輸出的信號(hào)是無效的，即當(dāng)微測(cè)時(shí)芯片
(4)收到停止信號(hào)后計(jì)數(shù)器鎖存器(3)信號(hào)尚未鎖存，則計(jì)數(shù)器鎖存器(3)的值應(yīng)該減去1，如此了便保證了測(cè)量結(jié)果沒有±1問題。一次測(cè)量的時(shí)間為計(jì)數(shù)器鎖存器(3)所表示的時(shí)間+微測(cè)時(shí)芯片(4)所測(cè)量的時(shí)間。計(jì)數(shù)器鎖存器(3)在鎖存時(shí)計(jì)數(shù)不停止，一次自由落體棱鏡落體下落過程中時(shí)間測(cè)量誤差不會(huì)累計(jì)。
權(quán)利要求1.一種絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置，它由光電轉(zhuǎn)換器、分頻器、計(jì)數(shù)器鎖存器、微測(cè)時(shí)芯片、時(shí)鐘源、反相器、D觸發(fā)器、微處理器組成，其特征是光電轉(zhuǎn)換器與分頻器相連，分頻器與微測(cè)時(shí)芯片的START端口相連，分頻器與D觸發(fā)器的D端口相連，時(shí)鐘源與反相器相連，時(shí)鐘源與計(jì)數(shù)器鎖存器的CLK端口相連，時(shí)鐘源與微測(cè)時(shí)芯片的STOP端口相連，反相器與D觸發(fā)器相連，D觸發(fā)器與計(jì)數(shù)器鎖存器的鎖存觸發(fā)端口 RCLK相連，D觸發(fā)器與微處理器相連，計(jì)數(shù)器鎖存器與微處理器相連，微測(cè)時(shí)芯片與微處理器相連，分頻器與微處理器相連。
專利摘要一種絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置，它包括它由光電轉(zhuǎn)換器、分頻器、計(jì)數(shù)器鎖存器、微測(cè)時(shí)芯片、時(shí)鐘源、反相器、D觸發(fā)器、微處理器組成，光電轉(zhuǎn)換器與分頻器相連，分頻器與微測(cè)時(shí)芯片的START端口相連，分頻器與D觸發(fā)器的D端口相連，時(shí)鐘源與反相器相連，時(shí)鐘源與計(jì)數(shù)器鎖存器的CLK端口相連，時(shí)鐘源與微測(cè)時(shí)芯片的STOP端口相連，反相器與D觸發(fā)器相連，D觸發(fā)器與計(jì)數(shù)器鎖存器的鎖存觸發(fā)端口RCLK相連，D觸發(fā)器與微處理器相連，計(jì)數(shù)器鎖存器與微處理器相連，微測(cè)時(shí)芯片與微處理器相連，分頻器與微處理器相連。該絕對(duì)重力儀時(shí)間測(cè)量裝置造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，一次落體棱鏡下落過程中時(shí)間測(cè)量誤差不會(huì)累計(jì)。
文檔編號(hào)G01V7/14GK202548341SQ20112056646
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者張為民, 王勇, 王飛, 薛懷平, 郝曉光, 鐘敏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所