微重力状态下的体重测量设计报告(共27页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上设计报告题目：航天员在失重状态下体重测量系统班级：12测控03班小组成员：汪其香 罗雨海 樊文清 李卓桓 郭琛琛 林志浩 张全瑞 欧阳玉平 阳欣怡 目录专心-专注-专业1前言上世纪60年代在苏联成功实现载人环游后，载人航天事业就在各国迅速发展起来。随着我国成功实现载人航天飞行后，航天员在太空逗留的次数和时间也将会越来越长。而长期的载人飞行需要对航天员的生理状况进行有效监测，身体质量测量就显得尤为重要，必要性也日益突出。然而在太空失重环境下，重力作用几乎为零，身体质量测量并不如地面测量那么轻松，利用静力学方法无法测得质量值。同时，对于测量仪器也提出了更高的要求，飞船空间

2、有限，测量仪器在质量、尺寸、功耗上均受到严格限制。在这种情况下，要解决失重环境下的测量问题，就有必要使用新的测量方法，并努力提高测量精度。2方案选择微重力环境下质量测量方法的基本思路是：使被测物体运动，通过测量与物体质量相关的物理量，如振动频率、加速度、驱动力、动量等，并运用相关公式计算出物体质量。目前，基于太空的微重力环境，主要有三种方法来解决质量测量问题，即：振动原理、牛顿第二定律、动量守恒定理。通过这些方法所制成的测量仪器也已取得了成功，并在太空中进行了在轨验证，取得了比较好的实验效果。2.1 振动原理由这种原理所设计出的仪器可以看成是一种无阻尼的弹簧振子系统，如质量弹簧、质量梁、质量杆

3、系统等。通过测量振荡的频率f或周期T，被测物的质量就可以通过与一个已知频率的参考质量进行对比的方法或者通过公式：m=kT 22 (2-1)测出。如图2.1所示，美国所设计的人体质量测量装置（BMMD）是最早的一款测量航天员体重的仪器。该装置测量时，将人体固定在专用座椅上，座椅质量为m，通过施加激振力，使人和座椅一起做机械振荡，通过测量振荡周期T可以算出宇航员的质量： M=kT 22-m (2-2)同时，俄罗斯也基于振动原理研发出了一个可以同时适用于人体质量测量以及小质量测量的装置（见图2.2）。它将被测物与顶端振荡部件固结，通过装配不同的附件，可以测量人体，也可以测量较小的实验品，总的测量时间

4、比较短。图2.1 人体质量测量装置图2.2 人体质量测量及小质量测量装置所以，利用振动原理测量的好处在于它提供了一个短的测量时间。但是这种方法还存在以下问题：（1）当加速度既不匀速也不恒定时，被测物体的密度和速度也要考虑进去。因此，它对一些非刚性体如人体、液体、粉末、弹性体的测量就显得比较困难，精度会有所降低。（2）实际测量过程中的振动系统并不能完美地满足实验需要，系统一定会存在非线性和阻尼等情况。实验时要根据具体结构加以改进，减少阻尼等的影响，并通过大量实验数据进行拟合验证。（3）对于活体待测质量，在振动过程中可能带来不适的感觉。（4）仪器设备要定时检验、校正，对由于元件老化而出现的漂移问题

5、要及时处理，提高测量准确度。2.2 牛顿第二定律根据牛顿第二定律我们知道，物体的加速度a等于物体所受的外力F与质量m的比值，即F=ma。若要测量质量，则只需要产生加速度，测出加速度和力即可得到被测物的质量值。通常，在太空测量中，有两种测量方法，一是运用离心力来测量，二是通过线性加速度法测质量。2.2.1 离心力法离心力法是在物体做匀速圆周运动时，通过离心力与质量的关系：F=mr2(2-3)测出圆盘转动的角度和驱动物体运动的力F来测得物体质量的。2.2.2 线性加速度法这种方法是令物体做匀加速直线运动。根据公式：F=ma(2-4)在F固定(或a)的情况下,测出a(或F), 即可算出质量m。比如日

6、本科学家提出并设计了一种名叫“空间平衡（Space Balance）”的仪器。它的测量原理如下图2.3，航天员质量为mo，通过手棒将自己固定在舱壁上。仪器重量为mM，它通过皮带将航天员水平托起，并将航天员与另一侧固定在舱壁上的目标件连接。测试时，航天员松开手棒，在力的作用下沿着目标件运动，作用力通过力传感器测得，加速度通过光学干涉仪测出。在航天员运动时，传感器上测得的力F等于航天员质量mo和仪器质量mM之和与加速度a的乘积，航天员质量通过公式： mo=Fa-mM(2-5)得到。图2.3空间平衡（Space Balance）仪器原理基于牛顿第二定律的方法使被测物体做直线运动，相比于振动方法，物体

7、的非刚性的影响较小，容易得到更高的精度。而且它还有一个恒定的加速场。但是其不足在于：（1）为了尽可能地实现恒定的加速度，仪器对运动精密控制提出了较高的要求，也就需要较大的仪器尺寸和较长的测试时间。（2）确定非刚性体重心的位置也是很困难的问题，因为物体的非刚性，不均匀的加速度和物体形状密度的不均匀性将会导致物体出现质量测量的偏差，这对仪器精度有一定的影响。牛顿第二定律法具有较好的前景，是目前主要的研究方向，基于线性加速度的方法也已经在国际空间站上经过在轨验证。2.3 动量守恒定理动量守恒定理测量质量的方法有两种形式，一种是基于动量定理p=-F(t)dt。让物体运动，与力传感器碰撞，测量出物体碰撞

8、前后的速度，根据力传感器的测量结果进行积分，则可根据上述公式计算出物体的质量。另一种测量是通过物体动量前后守恒来实现的，即没有外力作用的情况下，动量为零的系统的动量始终为零。对于动量方法，目前没有经过在轨验证，太空测量还不得而知。且这种方法的困难在于：（1）运用动量法在碰撞过程对被测物可能有损害，而且非刚体可能使物体发生不规则运动，很难保证两个物体碰撞后各自的运动方向在同一条直线上，即影响速度测量，对测力也不利。（2）连接两个物体的弹簧的释放需要对运动和摩擦进行更严格的控制，实现起来有较大难度。（3）力传感器在测量过程中是个误差源，会产生一定的误差。2.4 综合比较根据这三种方法在国外的应用程

9、度可以看出，振动方法对于非刚体则要固定装置，复杂且效果不好。对于较大质量需要较大的固定装置，且功耗很大。牛顿第二定律法一般只需要测量一个物理量力或加速度，对非刚体的适应性比振动方法好，但是对于运动需要进行较为精密的控制，对机械部分要求较高。动量方法也没有很好解决非刚体问题，在测量过程中往往还需要同时测量力和速度，使得仪器设备的设计更为复杂，对测量设备的控制也有更高的要求。总体来说，这三种方法都存在在非刚性情况下测量误差的问题，但牛顿第二定律相对来说，方法较为简单直观，实现起来容易，控制精度比较高，非刚性误差也较其他二者小，是具有良好的发展前景。3系统设计基于牛顿第二定律的特点，我们选取线性加速

10、度法设计了一套航天员在微重力情况下的体重测量系统，系统的原理图如图3.1，原理框图见图3.2。它由4个部分组成：恒力机构、运动导向机构、人体支架和测量显示系统。它的工作原理是通过皮带轮改变弹簧作用于转轴的力臂，使整个轮系在旋转时始终产生恒定的力矩，则线缆将输出一个恒定拉力F，这个恒力F将通过力传感器测出，并传到微控制器中。航天员被固定在支架上，在这个恒力的驱动下前进，利用与轴系固结的光电编码盘测出运动的加速度a，并将加速度信号进行处理后，就可以通过微控制器计算出航天员质量为：m=Fa-me(3-1)其中me为外围运动部件的等效质量。图3.1体重测量系统原理图图3.2体重测量系统原理框图4系统组

11、成4.1 恒力机构根据实际需求，我们设计了一种基于弹簧凸轮的恒力机构，它由凸轮、弹簧、转轮、钢丝绳等组成。实质是一个恒力矩机构，利用弹簧凸轮在转轴上产生恒定力矩，这个恒力矩通过与凸轮同轴的圆形转轮（圆形转轮力臂是半径，半径不变），加载在钢丝绳上向外输出恒定拉力。整个机构包括生成恒力矩的弹簧凸轮部分和输出恒力的转轮部分，结构如图4.1所示。图4.1 弹簧凸轮的恒力机构弹簧凸轮部分如图4.2所示。2个刚度系数相同的弹簧，连接在与转轴固结的凸轮上，轴转动时，作用在轴上的拉力也不断改变，弹簧的伸长量不断改变，利用凸轮廓线的设计，设计不同的曲率半径，令力臂不断改变，以达到力矩基本恒定。恒力机构满足力矩恒

12、定条件，即：kf-xiri=const(4-1)式中：k为弹簧刚度系数，N/mm；f为弹簧的初始伸长量，mm； xi为初始位置到凸轮转过一定角度后对应的弧长，mm； ri为初始位置转过一定角度后，凸轮的曲率半径，mm。采用2根弹簧的设计，可以使凸轮和转轴的受力均衡，有利于提高长时间使用的寿命和稳定性。钢丝绳绕过定滑轮连接到凸轮，使得整个结构体积更紧凑。转轮与凸轮安装在同一转轴上，转轮端面盘绕钢丝绳，钢丝绳另一端连接被测物体牵引其运动。因为转轮是圆形，可认为力臂R不变，为与恒力矩M机构实现力矩平衡，钢丝输出的力是恒定拉力F。最终通过弹簧凸轮转轮机构，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)图4.2 弹簧凸轮部分结构图4.2 测量显示系统测量显示系统是整个系统中核心的一部分，它主要将恒力信号和加速度信号测量出来，并通过微控制器分析处理，由数码管等显示装置显示质量测量结果。它由力传感器、光电编码器、信号放大处理电路、微控制器及数码管显示等组成。4.2.1 力传感器力传感器是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置。在航天员质量测量过程中，我们选用电阻应变式力传感器来测量力的变化。它使用两个拉力传递部分传力，在其结构中含有力敏器件和两个拉力传递部分，通过两个拉力传递部分的两端固定在一起，用两端之间的横向作用面将力敏器件夹紧，夹紧

14、后，通过力敏元件的参数变化来测量力的变化。拉力传感器的原理是利用弹性钢丝绳在下产生，使粘贴在其表面的（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。4.2.2 光电编码器光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，主要由光码盘和编码器组件构成，具体结构如下图4.3所示。光电码盘上面有一定数量透光的光栅刻线，它通过转轴固定在转轮上。转轴转动时，光码盘跟着转动，由光码盘正下方的光源发出一束光，经透镜形成平行光通过光码盘，再经透镜汇聚于接收装置

15、上。光电接收装置接收到刻线透过的光后，将其装换成电信号，并通过信号处理电路处理、整形后，形成脉冲信号，进行后续分析处理。图4.3 光电编码器结构图4.2.3 信号放大处理电路（1）力传感器测量处理电路下图4.4是处理电路的原理框图，该电路由全桥电路、放大电路、整流电路、滤波电路组成。利用全桥电路将电阻阻值的变化转化成电压的变化，并通过这个电路实现信号调制，减少噪声的干扰，提高信号的信噪比。信号输出后，幅值小，需要放大电路放大，并进行屏蔽处理。放大后的信号经整流滤波后输出，滤除高频噪声的影响，得到一个较好的电压信号，送入微控制器中。图4.4 处理电路的原理框图（2）编码器处理电路下图4.5是编码

16、器的处理电路，主要由2个反向放大电路和整形电路构成。光电接收器接收到光信号后，将其转换成电信号，这个电信号幅值比较小且波形不规整，经过两级放大，再经整形电路整形后，就可以得到比较好的脉冲信号输出，并送入微控制器进行脉冲计数。图4.5 编码器处理电路图4.2.4 微控制器及显示微控制器的作用有两个，一个是对输入信号分析处理，得到相应的航天员质量；另一个是通过数码管，将质量输出显示出来。微控制器的选择有多种，即可以选择单片机，又可以选择FPGA等可编程逻辑器件，在这里我们选择简单的51单片机作为处理核心。51单片机由8位CPU组成，4KB程序存储器及128B的数据存储器，具有111条指令、21个专

17、用和两个可编程定时/计数器。它还具有体积小、低功耗、控制能力强、扩展灵活、微型化使用方便等优点，完全可以满足整个系统的要求。处理过程：单片机对输入的信号处理分两步。首先，对电压信号处理，通过相关公式得到输出电压与驱动力之间的关系，计算出驱动力大小；其次，对脉冲进行计数，得到速度，速度对时间T积分，得到恒力作用下的位移S，通过N个数据点联立，可以得到以下方程组：C0N+C11NTi+C21NTi2=1NSiC01NTi+C11NTi2+C21NTi3=1NSiTiC01NTi2+C11NTi3+C21NTi4=1NSiTi2(4-4)其中C0 、C1 分别对应初始位置、初始速度， C2则对应加速

18、度的一半。用高斯消元法求解，根据牛顿第二定律，得到质量公式：M=F2C2-M0(4-5)其中M表示人体质量，M0是运动部件质量。4.3 人体支架人体支架（见图4.6）是由高密度的合金钢构成，它具有很好的硬度、强度和优良的物理机械性能。人体支架的作用是使航天员合理地固定在上面，在恒力的作用下与支架保持一致的运动，尽量减少航天员非刚性对质量测量造成的影响。图4.6 人体支架结构图5误差分析与修正5.1 恒力机构恒力机构的性能取决于弹簧刚度的匹配、初始伸长量的准确、凸轮轮廓线的设计和加工精度。（1）弹簧刚度系数：弹簧刚度必须精确达到设计值，并且两根弹簧的刚度应当一致（在误差范围内）。弹簧制造精度由于

19、多种因素控制，很难恰好等于设计刚度，因此要设计弹簧刚度系数的调整结构。调整结构：将弹簧视作内螺纹，加工一个堵头并加工外螺纹，根部倒圆。将堵头旋入弹簧可以锁定部分簧丝，实现刚度系数的微调，如图5.1所示。通过批次筛选和个体微调，可以实现弹簧刚度系数的精确匹配。图5.1 弹簧调节结构图（2）弹簧的初伸长量：通过精确计算钢丝绳长度保证。弹簧堵头在中心打通孔，钢丝绳穿过通孔铅封固定，可以保证凸轮和弹簧之间的钢丝绳长度准确符合计算值。弹簧另一端设计微调螺纹，铅封及测量产生的微小误差通过该螺旋进行调整。（3）凸轮的廓线设计采用数值方法，将廓线分为25段，逐段计算曲率半径。相关计算参数，如基圆半径、弹簧刚度

20、、初始伸长量等，结合设计恒力值、转轮半径、可加工性等进行初选，然后迭代优化。补偿结果：在拉伸起始段，由于钢丝绳和凸轮轮廓线配合不好，拉力输出不稳定。在后续拉伸段上，拉力输出比较平稳，波动在20 g以内，相对误差小于1%（设计值23.5 N），说明恒力的恒定性较高。5.2 测量显示系统5.2.1 力传感器误差及补偿（1）横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅电阻发生变化，应变片的这种既受到轴向应变影响，又受到横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。通过计算，可以得到横向效应系数H，即：H=(n-1)r2n

21、l+(n-1)r(5-1)式中r为敏感栅圆弧半径，l为敏感栅的基长。由式可得只有敏感栅越窄，半径越小，基长越长的应变片，其横向效应所引起的误差才越小。（2）温度误差及补偿误差来源：用作测量应变的金属应变片，希望阻值不受其他因素影响。然而，实际上应变片的阻值受环境温度的影响很大。阻值变化的两个主要因素：一是应变片的电阻丝有一定的温度系数t；二是电阻丝材料和试件材料的线膨胀系数g、e不同。因此，这样由温度变化所引起的总电阻的相对变化为：RR=tt+K(e-g)t(5-2)补偿方法：a. 单丝自补偿法由上面可知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，即：t=K(e-g)(5-3)对于任意一种被测试

22、件，其线膨胀系数都是确定的。在选择应变片时，若应变片的敏感栅使用单一的合金制成，并使其温度系数和线膨胀系数满足上式条件，即可实现温度自补偿。单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定的线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。b. 电桥补偿法如图5.2，电桥输出电压与桥臂参数关系是：Uo=A(R1R4-R2R3)(5-4)由此可知，当R3、R4为常数时，R1、R2对输出电压的作用方向相反，利用这个特性就可以实现对温度的补偿。使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，如图5.3，称为工作应变片，另一片贴在补偿块上，称为补偿应变片。在工作过程中，补偿应

23、变片不受应变，只随温度发生变形。测量时，当被测件不受应变，应变片处于同一温度场，调整电阻参数使电桥输出电压为零。当温度变化时，两个应变片的热输出相等，电桥输出为零。当有应变时，只会引起工作应变片电阻发生变化，补偿应变片电阻值不变，故可以得到电压输出，温度得到补偿。图5.2 电桥原理图 图5.3 补偿块、工作块安装示意图温度补偿要满足的条件：工作应变片和补偿应变片属于同一批型号，要有相同的温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度和初始的电阻值；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件要材料相同，线膨胀系数要求相等；两应变片要求处于同一温度环境下。5.2.2 编码器误差及补偿（1）量化误差编码器的误差来源主

24、要是有1个脉冲的计数误差。如图5.4所示，在脉冲信号送入单片机进行计数时，外部电路或者单片机需要提供一个一定周期T的参考信号，这个参考信号的上升沿到来之后，闸门开启，单片机计数器才允许接收计数脉冲。但是闸门时间T和被测量f互不相关，由于闸门开启和关闭的时间与被测信号不同步（亦即开门和关门时刻与被测信号出现的时刻是随机的），使得在闸门开始和结束时刻有一部分时间零头没有被计算在内而造成的测量误差。因此对计数脉冲数N不可避免地存在误差：N=±1(5-5)=NN×100%=±1N×100%(5-6)图5.4 编码器的1个脉冲误差图减少误差方法：为了减少1个脉冲的

25、误差，可以采用两种方法进行。一是在光码盘上增加光栅刻线数，使光电接收器在相同的时间内可以接受到更多的脉冲数，或者在信号处理电路上增加一个四细分电路，将一个脉冲细分成四个，增加计数脉冲，提高分辨力；二是在算法上采用多周期同步测频法，增加一个频率更高的时基信号，将被测信号和时基信号求最小公倍数后的时间作为参考信号的周期，这样通过对时基信号计数，再利用公式所求得的被测信号转速，就没有1个脉冲的计数误差了。（2）触发误差（转换误差）输入信号都需放大、整形等，若被测信号叠加有高频干扰信号，则信号的触发点就可能变化，这样造成被测信号的脉冲周期不相等，产生测量误差，这种现象就被称为振铃现象。如图5.5，周期

26、为Tx的输入信号，触发电平在A1点，但在A1'点上有干扰信号(幅度Vn)，提前触发，周期Tx就变成了Tx'。图5.5 振铃现象消除方法：采用滞回比较器电路，可以消除振铃现象。通过电阻调节滞回参考电压，合理选择其大小，使之稍大于预计的干扰信号，就可以大大提高抗干扰能力，消除振铃现象。（3）标准频率误差闸门时间由基准频率信号产生，它是频率测量的参考基准，标准频率准确度和短期稳定度将直接影响测量结果，通常要求标准频率误差小于测量误差的一个数量级。5.3 人体的非刚性问题非刚性体重力中心的位置问题也很难解决，当航天员受力加速时，因为航天员身体形状密度的不均匀性，非刚性的部分将会滞后于刚

27、性的部分，导致不均匀的加速度和航天员身体重心的改变，这将会对质量测量造成偏差。如果给了足够的运动时间和位移，这种非刚性所造成的加速度的不同将会大大减少，但是这在太空中显然是做不到的。所以现在需要找到非刚性的规律，并想出解决办法。（1）非肌骨骼中的非刚体部分（心脏、肝脏、肺等）研究这个非刚性部分可以被认为是人体的动态响应，我们利用一个弹簧质量模型来代表人体，如下图5.6所示。人体可以被视为由20%的非刚性质量和80%的刚性质量构成，连接这两部分质量的是一个弹簧和一个阻尼器，二者的参数可以表示为：k=157.9m(5-7)b=12.6m(5-8)m为人体质量。通过对模型进行加速度曲线（图5.6）模

28、拟得：在作用力20N，质量为80Kg情况下，在调整时间大于0.3s后，刚性质量和非刚性质量的加速度将达到一致。因此，采用稳定后的曲线进行数据处理将会减少误差带来的影响。图5.6 模型示意图及加速度模拟曲线（2）肌骨骼中的非刚体部分（四肢、头部）研究 在测试时，人体是被固定在支架上运动的。而实际上，却只有身体的一部分被固定着，其余部分在测量时会有不同的运动姿态，这样就会对重心的测量带来一定的误差。原方法固定时的问题：仅仅只有膝盖、手、下巴直接固定在支架上，头部无固定，可以随意摆动。加速时，身体的躯干将往后倒，当人体感受到加速后，他就会用力使躯干保持原来的初始位置，这样就会产生低频振荡。通过实验测

29、定，振荡频率在7Hz左右，加速度误差达到25%。改进方法：航天员膝盖、四肢固定在支架上，让腹部和臀部弯曲，四肢保持一定的距离，双手托住头，固定身体不动。通过实验结果可得：改进后（图5.8）的方法和改进前（图5.7）相比，加速度值近似一条直线，质量测量误差减少到1%左右。图5.7 改进前实验结果图5.8 改进后实验结果6设计优点这套航天员微重力环境下的质量测量设备主要解决了航天员的非刚性问题对质量测量造成的影响，提高了测量精度。同时，这套设备还有以下优点：占用空间小，节约飞行器内部空间资源；能耗低，节省太空中有限资源的能耗；使用寿命长，设计受力均衡，采用微机控制，能够保证系统稳定性等。7总结微重

30、力环境中的质量测量对长期载人航天任务具有重要意义，我国在这一领域的研究还刚刚起步，但随着我国探索宇宙的步伐不断加快，质量测量仪器也一定会有深入研究，一些难以被解决的问题也会得到更好的解决方案。未来，具有高度智能化、便携式的测量仪器将会逐步被研发出来，它们也将会在太空质量测量中发挥更大的作用。8参考文献(1) 严辉，郝红伟，李路明. 微重力环境中质量测量方法的研究. 清华大学. 2007(2) 严辉，郝红伟，李路明，胡春华.一种恒力机构的设计与测试. 清华大学. 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