微重力狀態(tài)下的體重測(cè)量設(shè)計(jì)報(bào)告(共27頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上設(shè)計(jì)報(bào)告題目：航天員在失重狀態(tài)下體重測(cè)量系統(tǒng)班級(jí)：12測(cè)控03班小組成員：汪其香 羅雨海 樊文清 李卓桓 郭琛琛 林志浩 張全瑞 歐陽(yáng)玉平 陽(yáng)欣怡 目錄專心-專注-專業(yè)1前言上世紀(jì)60年代在蘇聯(lián)成功實(shí)現(xiàn)載人環(huán)游后，載人航天事業(yè)就在各國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)。隨著我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)載人航天飛行后，航天員在太空逗留的次數(shù)和時(shí)間也將會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。而長(zhǎng)期的載人飛行需要對(duì)航天員的生理狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，身體質(zhì)量測(cè)量就顯得尤為重要，必要性也日益突出。然而在太空失重環(huán)境下，重力作用幾乎為零，身體質(zhì)量測(cè)量并不如地面測(cè)量那么輕松，利用靜力學(xué)方法無(wú)法測(cè)得質(zhì)量值。同時(shí)，對(duì)于測(cè)量?jī)x器也提出了更高的要求，飛船空間

2、有限，測(cè)量?jī)x器在質(zhì)量、尺寸、功耗上均受到嚴(yán)格限制。在這種情況下，要解決失重環(huán)境下的測(cè)量問(wèn)題，就有必要使用新的測(cè)量方法，并努力提高測(cè)量精度。2方案選擇微重力環(huán)境下質(zhì)量測(cè)量方法的基本思路是：使被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量與物體質(zhì)量相關(guān)的物理量，如振動(dòng)頻率、加速度、驅(qū)動(dòng)力、動(dòng)量等，并運(yùn)用相關(guān)公式計(jì)算出物體質(zhì)量。目前，基于太空的微重力環(huán)境，主要有三種方法來(lái)解決質(zhì)量測(cè)量問(wèn)題，即：振動(dòng)原理、牛頓第二定律、動(dòng)量守恒定理。通過(guò)這些方法所制成的測(cè)量?jī)x器也已取得了成功，并在太空中進(jìn)行了在軌驗(yàn)證，取得了比較好的實(shí)驗(yàn)效果。2.1 振動(dòng)原理由這種原理所設(shè)計(jì)出的儀器可以看成是一種無(wú)阻尼的彈簧振子系統(tǒng)，如質(zhì)量彈簧、質(zhì)量梁、質(zhì)量桿

3、系統(tǒng)等。通過(guò)測(cè)量振蕩的頻率f或周期T，被測(cè)物的質(zhì)量就可以通過(guò)與一個(gè)已知頻率的參考質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比的方法或者通過(guò)公式：m=kT 22 (2-1)測(cè)出。如圖2.1所示，美國(guó)所設(shè)計(jì)的人體質(zhì)量測(cè)量裝置（BMMD）是最早的一款測(cè)量航天員體重的儀器。該裝置測(cè)量時(shí)，將人體固定在專用座椅上，座椅質(zhì)量為m，通過(guò)施加激振力，使人和座椅一起做機(jī)械振蕩，通過(guò)測(cè)量振蕩周期T可以算出宇航員的質(zhì)量： M=kT 22-m (2-2)同時(shí)，俄羅斯也基于振動(dòng)原理研發(fā)出了一個(gè)可以同時(shí)適用于人體質(zhì)量測(cè)量以及小質(zhì)量測(cè)量的裝置（見圖2.2）。它將被測(cè)物與頂端振蕩部件固結(jié)，通過(guò)裝配不同的附件，可以測(cè)量人體，也可以測(cè)量較小的實(shí)驗(yàn)品，總的測(cè)量時(shí)間

4、比較短。圖2.1 人體質(zhì)量測(cè)量裝置圖2.2 人體質(zhì)量測(cè)量及小質(zhì)量測(cè)量裝置所以，利用振動(dòng)原理測(cè)量的好處在于它提供了一個(gè)短的測(cè)量時(shí)間。但是這種方法還存在以下問(wèn)題：（1）當(dāng)加速度既不勻速也不恒定時(shí)，被測(cè)物體的密度和速度也要考慮進(jìn)去。因此，它對(duì)一些非剛性體如人體、液體、粉末、彈性體的測(cè)量就顯得比較困難，精度會(huì)有所降低。（2）實(shí)際測(cè)量過(guò)程中的振動(dòng)系統(tǒng)并不能完美地滿足實(shí)驗(yàn)需要，系統(tǒng)一定會(huì)存在非線性和阻尼等情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，減少阻尼等的影響，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證。（3）對(duì)于活體待測(cè)質(zhì)量，在振動(dòng)過(guò)程中可能帶來(lái)不適的感覺(jué)。（4）儀器設(shè)備要定時(shí)檢驗(yàn)、校正，對(duì)由于元件老化而出現(xiàn)的漂移問(wèn)題

5、要及時(shí)處理，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。2.2 牛頓第二定律根據(jù)牛頓第二定律我們知道，物體的加速度a等于物體所受的外力F與質(zhì)量m的比值，即F=ma。若要測(cè)量質(zhì)量，則只需要產(chǎn)生加速度，測(cè)出加速度和力即可得到被測(cè)物的質(zhì)量值。通常，在太空測(cè)量中，有兩種測(cè)量方法，一是運(yùn)用離心力來(lái)測(cè)量，二是通過(guò)線性加速度法測(cè)質(zhì)量。2.2.1 離心力法離心力法是在物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)離心力與質(zhì)量的關(guān)系：F=mr2(2-3)測(cè)出圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的力F來(lái)測(cè)得物體質(zhì)量的。2.2.2 線性加速度法這種方法是令物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)公式：F=ma(2-4)在F固定(或a)的情況下,測(cè)出a(或F), 即可算出質(zhì)量m。比如日

6、本科學(xué)家提出并設(shè)計(jì)了一種名叫“空間平衡（Space Balance）”的儀器。它的測(cè)量原理如下圖2.3，航天員質(zhì)量為mo，通過(guò)手棒將自己固定在艙壁上。儀器重量為mM，它通過(guò)皮帶將航天員水平托起，并將航天員與另一側(cè)固定在艙壁上的目標(biāo)件連接。測(cè)試時(shí)，航天員松開手棒，在力的作用下沿著目標(biāo)件運(yùn)動(dòng)，作用力通過(guò)力傳感器測(cè)得，加速度通過(guò)光學(xué)干涉儀測(cè)出。在航天員運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器上測(cè)得的力F等于航天員質(zhì)量mo和儀器質(zhì)量mM之和與加速度a的乘積，航天員質(zhì)量通過(guò)公式： mo=Fa-mM(2-5)得到。圖2.3空間平衡（Space Balance）儀器原理基于牛頓第二定律的方法使被測(cè)物體做直線運(yùn)動(dòng)，相比于振動(dòng)方法，物體

7、的非剛性的影響較小，容易得到更高的精度。而且它還有一個(gè)恒定的加速場(chǎng)。但是其不足在于：（1）為了盡可能地實(shí)現(xiàn)恒定的加速度，儀器對(duì)運(yùn)動(dòng)精密控制提出了較高的要求，也就需要較大的儀器尺寸和較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間。（2）確定非剛性體重心的位置也是很困難的問(wèn)題，因?yàn)槲矬w的非剛性，不均勻的加速度和物體形狀密度的不均勻性將會(huì)導(dǎo)致物體出現(xiàn)質(zhì)量測(cè)量的偏差，這對(duì)儀器精度有一定的影響。牛頓第二定律法具有較好的前景，是目前主要的研究方向，基于線性加速度的方法也已經(jīng)在國(guó)際空間站上經(jīng)過(guò)在軌驗(yàn)證。2.3 動(dòng)量守恒定理動(dòng)量守恒定理測(cè)量質(zhì)量的方法有兩種形式，一種是基于動(dòng)量定理p=-F(t)dt。讓物體運(yùn)動(dòng)，與力傳感器碰撞，測(cè)量出物體碰撞

8、前后的速度，根據(jù)力傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行積分，則可根據(jù)上述公式計(jì)算出物體的質(zhì)量。另一種測(cè)量是通過(guò)物體動(dòng)量前后守恒來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即沒(méi)有外力作用的情況下，動(dòng)量為零的系統(tǒng)的動(dòng)量始終為零。對(duì)于動(dòng)量方法，目前沒(méi)有經(jīng)過(guò)在軌驗(yàn)證，太空測(cè)量還不得而知。且這種方法的困難在于：（1）運(yùn)用動(dòng)量法在碰撞過(guò)程對(duì)被測(cè)物可能有損害，而且非剛體可能使物體發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，很難保證兩個(gè)物體碰撞后各自的運(yùn)動(dòng)方向在同一條直線上，即影響速度測(cè)量，對(duì)測(cè)力也不利。（2）連接兩個(gè)物體的彈簧的釋放需要對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦進(jìn)行更嚴(yán)格的控制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大難度。（3）力傳感器在測(cè)量過(guò)程中是個(gè)誤差源，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。2.4 綜合比較根據(jù)這三種方法在國(guó)外的應(yīng)用程

9、度可以看出，振動(dòng)方法對(duì)于非剛體則要固定裝置，復(fù)雜且效果不好。對(duì)于較大質(zhì)量需要較大的固定裝置，且功耗很大。牛頓第二定律法一般只需要測(cè)量一個(gè)物理量力或加速度，對(duì)非剛體的適應(yīng)性比振動(dòng)方法好，但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)行較為精密的控制，對(duì)機(jī)械部分要求較高。動(dòng)量方法也沒(méi)有很好解決非剛體問(wèn)題，在測(cè)量過(guò)程中往往還需要同時(shí)測(cè)量力和速度，使得儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，對(duì)測(cè)量設(shè)備的控制也有更高的要求?？傮w來(lái)說(shuō)，這三種方法都存在在非剛性情況下測(cè)量誤差的問(wèn)題，但牛頓第二定律相對(duì)來(lái)說(shuō)，方法較為簡(jiǎn)單直觀，實(shí)現(xiàn)起來(lái)容易，控制精度比較高，非剛性誤差也較其他二者小，是具有良好的發(fā)展前景。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于牛頓第二定律的特點(diǎn)，我們選取線性加速

10、度法設(shè)計(jì)了一套航天員在微重力情況下的體重測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)的原理圖如圖3.1，原理框圖見圖3.2。它由4個(gè)部分組成：恒力機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、人體支架和測(cè)量顯示系統(tǒng)。它的工作原理是通過(guò)皮帶輪改變彈簧作用于轉(zhuǎn)軸的力臂，使整個(gè)輪系在旋轉(zhuǎn)時(shí)始終產(chǎn)生恒定的力矩，則線纜將輸出一個(gè)恒定拉力F，這個(gè)恒力F將通過(guò)力傳感器測(cè)出，并傳到微控制器中。航天員被固定在支架上，在這個(gè)恒力的驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)，利用與軸系固結(jié)的光電編碼盤測(cè)出運(yùn)動(dòng)的加速度a，并將加速度信號(hào)進(jìn)行處理后，就可以通過(guò)微控制器計(jì)算出航天員質(zhì)量為：m=Fa-me(3-1)其中me為外圍運(yùn)動(dòng)部件的等效質(zhì)量。圖3.1體重測(cè)量系統(tǒng)原理圖圖3.2體重測(cè)量系統(tǒng)原理框圖4系統(tǒng)組

11、成4.1 恒力機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于彈簧凸輪的恒力機(jī)構(gòu)，它由凸輪、彈簧、轉(zhuǎn)輪、鋼絲繩等組成。實(shí)質(zhì)是一個(gè)恒力矩機(jī)構(gòu)，利用彈簧凸輪在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生恒定力矩，這個(gè)恒力矩通過(guò)與凸輪同軸的圓形轉(zhuǎn)輪（圓形轉(zhuǎn)輪力臂是半徑，半徑不變），加載在鋼絲繩上向外輸出恒定拉力。整個(gè)機(jī)構(gòu)包括生成恒力矩的彈簧凸輪部分和輸出恒力的轉(zhuǎn)輪部分，結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1 彈簧凸輪的恒力機(jī)構(gòu)彈簧凸輪部分如圖4.2所示。2個(gè)剛度系數(shù)相同的彈簧，連接在與轉(zhuǎn)軸固結(jié)的凸輪上，軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作用在軸上的拉力也不斷改變，彈簧的伸長(zhǎng)量不斷改變，利用凸輪廓線的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)不同的曲率半徑，令力臂不斷改變，以達(dá)到力矩基本恒定。恒力機(jī)構(gòu)滿足力矩恒

12、定條件，即：kf-xiri=const(4-1)式中：k為彈簧剛度系數(shù)，N/mm；f為彈簧的初始伸長(zhǎng)量，mm； xi為初始位置到凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，mm； ri為初始位置轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，凸輪的曲率半徑，mm。采用2根彈簧的設(shè)計(jì)，可以使凸輪和轉(zhuǎn)軸的受力均衡，有利于提高長(zhǎng)時(shí)間使用的壽命和穩(wěn)定性。鋼絲繩繞過(guò)定滑輪連接到凸輪，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體積更緊湊。轉(zhuǎn)輪與凸輪安裝在同一轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)輪端面盤繞鋼絲繩，鋼絲繩另一端連接被測(cè)物體牽引其運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)輪是圓形，可認(rèn)為力臂R不變，為與恒力矩M機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力矩平衡，鋼絲輸出的力是恒定拉力F。最終通過(guò)彈簧凸輪轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)，得到以下平衡公式：M=kf-xiri=FR(4

13、-2)求出恒力F：F=k(f-xi)riR(4-3)圖4.2 彈簧凸輪部分結(jié)構(gòu)圖4.2 測(cè)量顯示系統(tǒng)測(cè)量顯示系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中核心的一部分，它主要將恒力信號(hào)和加速度信號(hào)測(cè)量出來(lái)，并通過(guò)微控制器分析處理，由數(shù)碼管等顯示裝置顯示質(zhì)量測(cè)量結(jié)果。它由力傳感器、光電編碼器、信號(hào)放大處理電路、微控制器及數(shù)碼管顯示等組成。4.2.1 力傳感器力傳感器是一種將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置。在航天員質(zhì)量測(cè)量過(guò)程中，我們選用電阻應(yīng)變式力傳感器來(lái)測(cè)量力的變化。它使用兩個(gè)拉力傳遞部分傳力，在其結(jié)構(gòu)中含有力敏器件和兩個(gè)拉力傳遞部分，通過(guò)兩個(gè)拉力傳遞部分的兩端固定在一起，用兩端之間的橫向作用面將力敏器件夾緊，夾緊

14、后，通過(guò)力敏元件的參數(shù)變化來(lái)測(cè)量力的變化。拉力傳感器的原理是利用彈性鋼絲繩在下產(chǎn)生，使粘貼在其表面的（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。4.2.2 光電編碼器光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，主要由光碼盤和編碼器組件構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如下圖4.3所示。光電碼盤上面有一定數(shù)量透光的光柵刻線，它通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在轉(zhuǎn)輪上。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光碼盤跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，由光碼盤正下方的光源發(fā)出一束光，經(jīng)透鏡形成平行光通過(guò)光碼盤，再經(jīng)透鏡匯聚于接收裝置

15、上。光電接收裝置接收到刻線透過(guò)的光后，將其裝換成電信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)處理電路處理、整形后，形成脈沖信號(hào)，進(jìn)行后續(xù)分析處理。圖4.3 光電編碼器結(jié)構(gòu)圖4.2.3 信號(hào)放大處理電路（1）力傳感器測(cè)量處理電路下圖4.4是處理電路的原理框圖，該電路由全橋電路、放大電路、整流電路、濾波電路組成。利用全橋電路將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，并通過(guò)這個(gè)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制，減少噪聲的干擾，提高信號(hào)的信噪比。信號(hào)輸出后，幅值小，需要放大電路放大，并進(jìn)行屏蔽處理。放大后的信號(hào)經(jīng)整流濾波后輸出，濾除高頻噪聲的影響，得到一個(gè)較好的電壓信號(hào)，送入微控制器中。圖4.4 處理電路的原理框圖（2）編碼器處理電路下圖4.5是編碼

16、器的處理電路，主要由2個(gè)反向放大電路和整形電路構(gòu)成。光電接收器接收到光信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)幅值比較小且波形不規(guī)整，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，再經(jīng)整形電路整形后，就可以得到比較好的脈沖信號(hào)輸出，并送入微控制器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。圖4.5 編碼器處理電路圖4.2.4 微控制器及顯示微控制器的作用有兩個(gè)，一個(gè)是對(duì)輸入信號(hào)分析處理，得到相應(yīng)的航天員質(zhì)量；另一個(gè)是通過(guò)數(shù)碼管，將質(zhì)量輸出顯示出來(lái)。微控制器的選擇有多種，即可以選擇單片機(jī)，又可以選擇FPGA等可編程邏輯器件，在這里我們選擇簡(jiǎn)單的51單片機(jī)作為處理核心。51單片機(jī)由8位CPU組成，4KB程序存儲(chǔ)器及128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有111條指令、21個(gè)專

17、用和兩個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。它還具有體積小、低功耗、控制能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化使用方便等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求。處理過(guò)程：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)輸入的信號(hào)處理分兩步。首先，對(duì)電壓信號(hào)處理，通過(guò)相關(guān)公式得到輸出電壓與驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)力大小；其次，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到速度，速度對(duì)時(shí)間T積分，得到恒力作用下的位移S，通過(guò)N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)聯(lián)立，可以得到以下方程組：C0N+C11NTi+C21NTi2=1NSiC01NTi+C11NTi2+C21NTi3=1NSiTiC01NTi2+C11NTi3+C21NTi4=1NSiTi2(4-4)其中C0 、C1 分別對(duì)應(yīng)初始位置、初始速度， C2則對(duì)應(yīng)加速

18、度的一半。用高斯消元法求解，根據(jù)牛頓第二定律，得到質(zhì)量公式：M=F2C2-M0(4-5)其中M表示人體質(zhì)量，M0是運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量。4.3 人體支架人體支架（見圖4.6）是由高密度的合金鋼構(gòu)成，它具有很好的硬度、強(qiáng)度和優(yōu)良的物理機(jī)械性能。人體支架的作用是使航天員合理地固定在上面，在恒力的作用下與支架保持一致的運(yùn)動(dòng)，盡量減少航天員非剛性對(duì)質(zhì)量測(cè)量造成的影響。圖4.6 人體支架結(jié)構(gòu)圖5誤差分析與修正5.1 恒力機(jī)構(gòu)恒力機(jī)構(gòu)的性能取決于彈簧剛度的匹配、初始伸長(zhǎng)量的準(zhǔn)確、凸輪輪廓線的設(shè)計(jì)和加工精度。（1）彈簧剛度系數(shù)：彈簧剛度必須精確達(dá)到設(shè)計(jì)值，并且兩根彈簧的剛度應(yīng)當(dāng)一致（在誤差范圍內(nèi)）。彈簧制造精度由于

19、多種因素控制，很難恰好等于設(shè)計(jì)剛度，因此要設(shè)計(jì)彈簧剛度系數(shù)的調(diào)整結(jié)構(gòu)。調(diào)整結(jié)構(gòu)：將彈簧視作內(nèi)螺紋，加工一個(gè)堵頭并加工外螺紋，根部倒圓。將堵頭旋入彈簧可以鎖定部分簧絲，實(shí)現(xiàn)剛度系數(shù)的微調(diào)，如圖5.1所示。通過(guò)批次篩選和個(gè)體微調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)彈簧剛度系數(shù)的精確匹配。圖5.1 彈簧調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖（2）彈簧的初伸長(zhǎng)量：通過(guò)精確計(jì)算鋼絲繩長(zhǎng)度保證。彈簧堵頭在中心打通孔，鋼絲繩穿過(guò)通孔鉛封固定，可以保證凸輪和彈簧之間的鋼絲繩長(zhǎng)度準(zhǔn)確符合計(jì)算值。彈簧另一端設(shè)計(jì)微調(diào)螺紋，鉛封及測(cè)量產(chǎn)生的微小誤差通過(guò)該螺旋進(jìn)行調(diào)整。（3）凸輪的廓線設(shè)計(jì)采用數(shù)值方法，將廓線分為25段，逐段計(jì)算曲率半徑。相關(guān)計(jì)算參數(shù)，如基圓半徑、彈簧剛度

20、、初始伸長(zhǎng)量等，結(jié)合設(shè)計(jì)恒力值、轉(zhuǎn)輪半徑、可加工性等進(jìn)行初選，然后迭代優(yōu)化。補(bǔ)償結(jié)果：在拉伸起始段，由于鋼絲繩和凸輪輪廓線配合不好，拉力輸出不穩(wěn)定。在后續(xù)拉伸段上，拉力輸出比較平穩(wěn)，波動(dòng)在20 g以內(nèi)，相對(duì)誤差小于1%（設(shè)計(jì)值23.5 N），說(shuō)明恒力的恒定性較高。5.2 測(cè)量顯示系統(tǒng)5.2.1 力傳感器誤差及補(bǔ)償（1）橫向效應(yīng)金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變r(jià)也將使敏感柵電阻發(fā)生變化，應(yīng)變片的這種既受到軸向應(yīng)變影響，又受到橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。通過(guò)計(jì)算，可以得到橫向效應(yīng)系數(shù)H，即：H=(n-1)r2n

21、l+(n-1)r(5-1)式中r為敏感柵圓弧半徑，l為敏感柵的基長(zhǎng)。由式可得只有敏感柵越窄，半徑越小，基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)所引起的誤差才越小。（2）溫度誤差及補(bǔ)償誤差來(lái)源：用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望阻值不受其他因素影響。然而，實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度的影響很大。阻值變化的兩個(gè)主要因素：一是應(yīng)變片的電阻絲有一定的溫度系數(shù)t；二是電阻絲材料和試件材料的線膨脹系數(shù)g、e不同。因此，這樣由溫度變化所引起的總電阻的相對(duì)變化為：RR=tt+K(e-g)t(5-2)補(bǔ)償方法：a. 單絲自補(bǔ)償法由上面可知，若使應(yīng)變片在溫度變化t時(shí)的熱輸出值為零，即：t=K(e-g)(5-3)對(duì)于任意一種被測(cè)試

22、件，其線膨脹系數(shù)都是確定的。在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵使用單一的合金制成，并使其溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)滿足上式條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定的線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹. 電橋補(bǔ)償法如圖5.2，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)關(guān)系是：Uo=A(R1R4-R2R3)(5-4)由此可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，R1、R2對(duì)輸出電壓的作用方向相反，利用這個(gè)特性就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面，如圖5.3，稱為工作應(yīng)變片，另一片貼在補(bǔ)償塊上，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片。在工作過(guò)程中，補(bǔ)償應(yīng)

23、變片不受應(yīng)變，只隨溫度發(fā)生變形。測(cè)量時(shí)，當(dāng)被測(cè)件不受應(yīng)變，應(yīng)變片處于同一溫度場(chǎng)，調(diào)整電阻參數(shù)使電橋輸出電壓為零。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片的熱輸出相等，電橋輸出為零。當(dāng)有應(yīng)變時(shí)，只會(huì)引起工作應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，補(bǔ)償應(yīng)變片電阻值不變，故可以得到電壓輸出，溫度得到補(bǔ)償。圖5.2 電橋原理圖 圖5.3 補(bǔ)償塊、工作塊安裝示意圖溫度補(bǔ)償要滿足的條件：工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片屬于同一批型號(hào)，要有相同的溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏度和初始的電阻值；用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件要材料相同，線膨脹系數(shù)要求相等；兩應(yīng)變片要求處于同一溫度環(huán)境下。5.2.2 編碼器誤差及補(bǔ)償（1）量化誤差編碼器的誤差來(lái)源主

24、要是有1個(gè)脈沖的計(jì)數(shù)誤差。如圖5.4所示，在脈沖信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，外部電路或者單片機(jī)需要提供一個(gè)一定周期T的參考信號(hào)，這個(gè)參考信號(hào)的上升沿到來(lái)之后，閘門開啟，單片機(jī)計(jì)數(shù)器才允許接收計(jì)數(shù)脈沖。但是閘門時(shí)間T和被測(cè)量f互不相關(guān)，由于閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測(cè)信號(hào)不同步（亦即開門和關(guān)門時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻是隨機(jī)的），使得在閘門開始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒(méi)有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測(cè)量誤差。因此對(duì)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)N不可避免地存在誤差：N=±1(5-5)=NN×100%=±1N×100%(5-6)圖5.4 編碼器的1個(gè)脈沖誤差圖減少誤差方法：為了減少1個(gè)脈沖的

25、誤差，可以采用兩種方法進(jìn)行。一是在光碼盤上增加光柵刻線數(shù)，使光電接收器在相同的時(shí)間內(nèi)可以接受到更多的脈沖數(shù)，或者在信號(hào)處理電路上增加一個(gè)四細(xì)分電路，將一個(gè)脈沖細(xì)分成四個(gè)，增加計(jì)數(shù)脈沖，提高分辨力；二是在算法上采用多周期同步測(cè)頻法，增加一個(gè)頻率更高的時(shí)基信號(hào)，將被測(cè)信號(hào)和時(shí)基信號(hào)求最小公倍數(shù)后的時(shí)間作為參考信號(hào)的周期，這樣通過(guò)對(duì)時(shí)基信號(hào)計(jì)數(shù)，再利用公式所求得的被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)速，就沒(méi)有1個(gè)脈沖的計(jì)數(shù)誤差了。（2）觸發(fā)誤差（轉(zhuǎn)換誤差）輸入信號(hào)都需放大、整形等，若被測(cè)信號(hào)疊加有高頻干擾信號(hào)，則信號(hào)的觸發(fā)點(diǎn)就可能變化，這樣造成被測(cè)信號(hào)的脈沖周期不相等，產(chǎn)生測(cè)量誤差，這種現(xiàn)象就被稱為振鈴現(xiàn)象。如圖5.5，周期

26、為Tx的輸入信號(hào)，觸發(fā)電平在A1點(diǎn)，但在A1'點(diǎn)上有干擾信號(hào)(幅度Vn)，提前觸發(fā)，周期Tx就變成了Tx'。圖5.5 振鈴現(xiàn)象消除方法：采用滯回比較器電路，可以消除振鈴現(xiàn)象。通過(guò)電阻調(diào)節(jié)滯回參考電壓，合理選擇其大小，使之稍大于預(yù)計(jì)的干擾信號(hào)，就可以大大提高抗干擾能力，消除振鈴現(xiàn)象。（3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差閘門時(shí)間由基準(zhǔn)頻率信號(hào)產(chǎn)生，它是頻率測(cè)量的參考基準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)頻率準(zhǔn)確度和短期穩(wěn)定度將直接影響測(cè)量結(jié)果，通常要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測(cè)量誤差的一個(gè)數(shù)量級(jí)。5.3 人體的非剛性問(wèn)題非剛性體重力中心的位置問(wèn)題也很難解決，當(dāng)航天員受力加速時(shí)，因?yàn)楹教靻T身體形狀密度的不均勻性，非剛性的部分將會(huì)滯后于剛

27、性的部分，導(dǎo)致不均勻的加速度和航天員身體重心的改變，這將會(huì)對(duì)質(zhì)量測(cè)量造成偏差。如果給了足夠的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和位移，這種非剛性所造成的加速度的不同將會(huì)大大減少，但是這在太空中顯然是做不到的。所以現(xiàn)在需要找到非剛性的規(guī)律，并想出解決辦法。（1）非肌骨骼中的非剛體部分（心臟、肝臟、肺等）研究這個(gè)非剛性部分可以被認(rèn)為是人體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，我們利用一個(gè)彈簧質(zhì)量模型來(lái)代表人體，如下圖5.6所示。人體可以被視為由20%的非剛性質(zhì)量和80%的剛性質(zhì)量構(gòu)成，連接這兩部分質(zhì)量的是一個(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器，二者的參數(shù)可以表示為：k=157.9m(5-7)b=12.6m(5-8)m為人體質(zhì)量。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行加速度曲線（圖5.6）模

28、擬得：在作用力20N，質(zhì)量為80Kg情況下，在調(diào)整時(shí)間大于0.3s后，剛性質(zhì)量和非剛性質(zhì)量的加速度將達(dá)到一致。因此，采用穩(wěn)定后的曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理將會(huì)減少誤差帶來(lái)的影響。圖5.6 模型示意圖及加速度模擬曲線（2）肌骨骼中的非剛體部分（四肢、頭部）研究 在測(cè)試時(shí)，人體是被固定在支架上運(yùn)動(dòng)的。而實(shí)際上，卻只有身體的一部分被固定著，其余部分在測(cè)量時(shí)會(huì)有不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，這樣就會(huì)對(duì)重心的測(cè)量帶來(lái)一定的誤差。原方法固定時(shí)的問(wèn)題：僅僅只有膝蓋、手、下巴直接固定在支架上，頭部無(wú)固定，可以隨意擺動(dòng)。加速時(shí)，身體的軀干將往后倒，當(dāng)人體感受到加速后，他就會(huì)用力使軀干保持原來(lái)的初始位置，這樣就會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)

29、定，振蕩頻率在7Hz左右，加速度誤差達(dá)到25%。改進(jìn)方法：航天員膝蓋、四肢固定在支架上，讓腹部和臀部彎曲，四肢保持一定的距離，雙手托住頭，固定身體不動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：改進(jìn)后（圖5.8）的方法和改進(jìn)前（圖5.7）相比，加速度值近似一條直線，質(zhì)量測(cè)量誤差減少到1%左右。圖5.7 改進(jìn)前實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5.8 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)結(jié)果6設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)這套航天員微重力環(huán)境下的質(zhì)量測(cè)量設(shè)備主要解決了航天員的非剛性問(wèn)題對(duì)質(zhì)量測(cè)量造成的影響，提高了測(cè)量精度。同時(shí)，這套設(shè)備還有以下優(yōu)點(diǎn)：占用空間小，節(jié)約飛行器內(nèi)部空間資源；能耗低，節(jié)省太空中有限資源的能耗；使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)受力均衡，采用微機(jī)控制，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定性等。7總結(jié)微重

30、力環(huán)境中的質(zhì)量測(cè)量對(duì)長(zhǎng)期載人航天任務(wù)具有重要意義，我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究還剛剛起步，但隨著我國(guó)探索宇宙的步伐不斷加快，質(zhì)量測(cè)量?jī)x器也一定會(huì)有深入研究，一些難以被解決的問(wèn)題也會(huì)得到更好的解決方案。未來(lái)，具有高度智能化、便攜式的測(cè)量?jī)x器將會(huì)逐步被研發(fā)出來(lái)，它們也將會(huì)在太空質(zhì)量測(cè)量中發(fā)揮更大的作用。8參考文獻(xiàn)(1) 嚴(yán)輝，郝紅偉，李路明. 微重力環(huán)境中質(zhì)量測(cè)量方法的研究. 清華大學(xué). 2007(2) 嚴(yán)輝，郝紅偉，李路明，胡春華.一種恒力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與測(cè)試. 清華大學(xué). 2009(3) Kazuhito Shimada, Yusaku Fujii: Issues with body mass measurement on the Internatinal Space Station(ISS). Applied Mechanics and Materials Vol. 36 (2010) pp 9-20(4) D