微重力狀態(tài)下的體重測量設(shè)計報告(共27頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上設(shè)計報告題目：航天員在失重狀態(tài)下體重測量系統(tǒng)班級：12測控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 歐陽玉平 陽欣怡 目錄專心-專注-專業(yè)1前言上世紀(jì)60年代在蘇聯(lián)成功實現(xiàn)載人環(huán)游后，載人航天事業(yè)就在各國迅速發(fā)展起來。隨著我國成功實現(xiàn)載人航天飛行后，航天員在太空逗留的次數(shù)和時間也將會越來越長。而長期的載人飛行需要對航天員的生理狀況進(jìn)行有效監(jiān)測，身體質(zhì)量測量就顯得尤為重要，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)量測量并不如地面測量那么輕松，利用靜力學(xué)方法無法測得質(zhì)量值。同時，對于測量儀器也提出了更高的要求，飛船空間

2、有限，測量儀器在質(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)境下的測量問題，就有必要使用新的測量方法，并努力提高測量精度。2方案選擇微重力環(huán)境下質(zhì)量測量方法的基本思路是：使被測物體運(yùn)動，通過測量與物體質(zhì)量相關(guān)的物理量，如振動頻率、加速度、驅(qū)動力、動量等，并運(yùn)用相關(guān)公式計算出物體質(zhì)量。目前，基于太空的微重力環(huán)境，主要有三種方法來解決質(zhì)量測量問題，即：振動原理、牛頓第二定律、動量守恒定理。通過這些方法所制成的測量儀器也已取得了成功，并在太空中進(jìn)行了在軌驗證，取得了比較好的實驗效果。2.1 振動原理由這種原理所設(shè)計出的儀器可以看成是一種無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。通過測量振蕩的頻率f或周期T，被測物的質(zhì)量就可以通過與一個已知頻率的參考質(zhì)量進(jìn)行對比的方法或者通過公式：m=kT 22 (2-1)測出。如圖2.1所示，美國所設(shè)計的人體質(zhì)量測量裝置（BMMD）是最早的一款測量航天員體重的儀器。該裝置測量時，將人體固定在專用座椅上，座椅質(zhì)量為m，通過施加激振力，使人和座椅一起做機(jī)械振蕩，通過測量振蕩周期T可以算出宇航員的質(zhì)量： M=kT 22-m (2-2)同時，俄羅斯也基于振動原理研發(fā)出了一個可以同時適用于人體質(zhì)量測量以及小質(zhì)量測量的裝置（見圖2.2）。它將被測物與頂端振蕩部件固結(jié)，通過裝配不同的附件，可以測量人體，也可以測量較小的實驗品，總的測量時間

4、比較短。圖2.1 人體質(zhì)量測量裝置圖2.2 人體質(zhì)量測量及小質(zhì)量測量裝置所以，利用振動原理測量的好處在于它提供了一個短的測量時間。但是這種方法還存在以下問題：（1）當(dāng)加速度既不勻速也不恒定時，被測物體的密度和速度也要考慮進(jìn)去。因此，它對一些非剛性體如人體、液體、粉末、彈性體的測量就顯得比較困難，精度會有所降低。（2）實際測量過程中的振動系統(tǒng)并不能完美地滿足實驗需要，系統(tǒng)一定會存在非線性和阻尼等情況。實驗時要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，減少阻尼等的影響，并通過大量實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗證。（3）對于活體待測質(zhì)量，在振動過程中可能帶來不適的感覺。（4）儀器設(shè)備要定時檢驗、校正，對由于元件老化而出現(xiàn)的漂移問題

5、要及時處理，提高測量準(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。若要測量質(zhì)量，則只需要產(chǎn)生加速度，測出加速度和力即可得到被測物的質(zhì)量值。通常，在太空測量中，有兩種測量方法，一是運(yùn)用離心力來測量，二是通過線性加速度法測質(zhì)量。2.2.1 離心力法離心力法是在物體做勻速圓周運(yùn)動時，通過離心力與質(zhì)量的關(guān)系：F=mr2(2-3)測出圓盤轉(zhuǎn)動的角度和驅(qū)動物體運(yùn)動的力F來測得物體質(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。根據(jù)公式：F=ma(2-4)在F固定(或a)的情況下,測出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)計了一種名叫“空間平衡（Space Balance）”的儀器。它的測量原理如下圖2.3，航天員質(zhì)量為mo，通過手棒將自己固定在艙壁上。儀器重量為mM，它通過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。測試時，航天員松開手棒，在力的作用下沿著目標(biāo)件運(yùn)動，作用力通過力傳感器測得，加速度通過光學(xué)干涉儀測出。在航天員運(yùn)動時，傳感器上測得的力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物體做直線運(yùn)動，相比于振動方法，物體

7、的非剛性的影響較小，容易得到更高的精度。而且它還有一個恒定的加速場。但是其不足在于：（1）為了盡可能地實現(xiàn)恒定的加速度，儀器對運(yùn)動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的測試時間。（2）確定非剛性體重心的位置也是很困難的問題，因為物體的非剛性，不均勻的加速度和物體形狀密度的不均勻性將會導(dǎo)致物體出現(xiàn)質(zhì)量測量的偏差，這對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)在國際空間站上經(jīng)過在軌驗證。2.3 動量守恒定理動量守恒定理測量質(zhì)量的方法有兩種形式，一種是基于動量定理p=-F(t)dt。讓物體運(yùn)動，與力傳感器碰撞，測量出物體碰撞

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

9、度可以看出，振動方法對于非剛體則要固定裝置，復(fù)雜且效果不好。對于較大質(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量一個物理量力或加速度，對非剛體的適應(yīng)性比振動方法好，但是對于運(yùn)動需要進(jìn)行較為精密的控制，對機(jī)械部分要求較高。動量方法也沒有很好解決非剛體問題，在測量過程中往往還需要同時測量力和速度，使得儀器設(shè)備的設(shè)計更為復(fù)雜，對測量設(shè)備的控制也有更高的要求?？傮w來說，這三種方法都存在在非剛性情況下測量誤差的問題，但牛頓第二定律相對來說，方法較為簡單直觀，實現(xiàn)起來容易，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)計基于牛頓第二定律的特點，我們選取線性加速

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

11、成4.1 恒力機(jī)構(gòu)根據(jù)實際需求，我們設(shè)計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。實質(zhì)是一個恒力矩機(jī)構(gòu)，利用彈簧凸輪在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生恒定力矩，這個恒力矩通過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)動時，作用在軸上的拉力也不斷改變，彈簧的伸長量不斷改變，利用凸輪廓線的設(shè)計，設(shè)計不同的曲率半徑，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為彈簧的初始伸長量，mm； xi為初始位置到凸輪轉(zhuǎn)過一定角度后對應(yīng)的弧長，mm； ri為初始位置轉(zhuǎn)過一定角度后，凸輪的曲率半徑，mm。采用2根彈簧的設(shè)計，可以使凸輪和轉(zhuǎn)軸的受力均衡，有利于提高長時間使用的壽命和穩(wěn)定性。鋼絲繩繞過定滑輪連接到凸輪，使得整個結(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物體牽引其運(yùn)動。因為轉(zhuǎn)輪是圓形，可認(rèn)為力臂R不變，為與恒力矩M機(jī)構(gòu)實現(xiàn)力矩平衡，鋼絲輸出的力是恒定拉力F。最終通過彈簧凸輪轉(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 測量顯示系統(tǒng)測量顯示系統(tǒng)是整個系統(tǒng)中核心的一部分，它主要將恒力信號和加速度信號測量出來，并通過微控制器分析處理，由數(shù)碼管等顯示裝置顯示質(zhì)量測量結(jié)果。它由力傳感器、光電編碼器、信號放大處理電路、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轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。在航天員質(zhì)量測量過程中，我們選用電阻應(yīng)變式力傳感器來測量力的變化。它使用兩個拉力傳遞部分傳力，在其結(jié)構(gòu)中含有力敏器件和兩個拉力傳遞部分，通過兩個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，通過力敏元件的參數(shù)變化來測量力的變化。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（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。4.2.2 光電編碼器光電編碼器是一種通過光電轉(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，它通過轉(zhuǎn)軸固定在轉(zhuǎn)輪上。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，光碼盤跟著轉(zhuǎn)動，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的光后，將其裝換成電信號，并通過信號處理電路處理、整形后，形成脈沖信號，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 信號放大處理電路（1）力傳感器測量處理電路下圖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，并通過這個電路實現(xiàn)信號調(diào)制，減少噪聲的干擾，提高信號的信噪比。信號輸出后，幅值小，需要放大電路放大，并進(jìn)行屏蔽處理。放大后的信號經(jīng)整流濾波后輸出，濾除高頻噪聲的影響，得到一個較好的電壓信號，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后，將其轉(zhuǎn)換成電信號，這個電信號幅值比較小且波形不規(guī)整，經(jīng)過兩級放大，再經(jīng)整形電路整形后，就可以得到比較好的脈沖信號輸出，并送入微控制器進(jìn)行脈沖計數(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，一個是對輸入信號分析處理，得到相應(yīng)的航天員質(zhì)量；另一個是通過數(shù)碼管，將質(zhì)量輸出顯示出來。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程序存儲器及128B的數(shù)據(jù)存儲器，具有111條指令、21個專

17、用和兩個可編程定時/計數(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，完全可以滿足整個系統(tǒng)的要求。處理過程：單片機(jī)對輸入的信號處理分兩步。首先，對電壓信號處理，通過相關(guān)公式得到輸出電壓與驅(qū)動力之間的關(guān)系，計算出驅(qū)動力大小；其次，對脈沖進(jìn)行計數(shù)，得到速度，速度對時間T積分，得到恒力作用下的位移S，通過N個數(shù)據(jù)點聯(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 分別對應(yīng)初始位置、初始速度， C2則對應(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，盡量減少航天員非剛性對質(zhì)量測量造成的影響。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、初始伸長量的準(zhǔn)確、凸輪輪廓線的設(shè)計和加工精度。（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)計剛度，因此要設(shè)計彈簧剛度系數(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，實現(xiàn)剛度系數(shù)的微調(diào)，如圖5.1所示。通過批次篩選和個體微調(diào)，可以實現(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）彈簧的初伸長量：通過精確計算鋼絲繩長度保證。彈簧堵頭在中心打通孔，鋼絲繩穿過通孔鉛封固定，可以保證凸輪和彈簧之間的鋼絲繩長度準(zhǔn)確符合計算值。彈簧另一端設(shè)計微調(diào)螺紋，鉛封及測量產(chǎn)生的微小誤差通過該螺旋進(jìn)行調(diào)整。（3）凸輪的廓線設(shè)計采用數(shù)值方法，將廓線分為25段，逐段計算曲率半徑。相關(guān)計算參數(shù)，如基圓半徑、彈簧剛度

20、、初始伸長量等，結(jié)合設(shè)計恒力值、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)，波動在20 g以內(nèi)，相對誤差小于1%（設(shè)計值23.5 N），說明恒力的恒定性較高。5.2 測量顯示系統(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，測量應(yīng)變時，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)。通過計算，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。由式可得只有敏感柵越窄，半徑越小，基長越長的應(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)償誤差來源：用作測量應(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時的熱輸出值為零，即：t=K(e-g)(5-3)對于任意一種被測試

22、件，其線膨脹系數(shù)都是確定的。在選擇應(yīng)變片時，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，即可實現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，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，R1、R2對輸出電壓的作用方向相反，利用這個特性就可以實現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償。使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面，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。測量時，當(dāng)被測件不受應(yīng)變，應(yīng)變片處于同一溫度場，調(diào)整電阻參數(shù)使電橋輸出電壓為零。當(dāng)溫度變化時，兩個應(yīng)變片的熱輸出相等，電橋輸出為零。當(dāng)有應(yīng)變時，只會引起工作應(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，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源主

24、要是有1個脈沖的計數(shù)誤差。如圖5.4所示，在脈沖信號送入單片機(jī)進(jìn)行計數(shù)時，外部電路或者單片機(jī)需要提供一個一定周期T的參考信號，這個參考信號的上升沿到來之后，閘門開啟，單片機(jī)計數(shù)器才允許接收計數(shù)脈沖。但是閘門時間T和被測量f互不相關(guān)，由于閘門開啟和關(guān)閉的時間與被測信號不同步（亦即開門和關(guān)門時刻與被測信號出現(xiàn)的時刻是隨機(jī)的），使得在閘門開始和結(jié)束時刻有一部分時間零頭沒有被計算在內(nèi)而造成的測量誤差。因此對計數(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個脈沖誤差圖減少誤差方法：為了減少1個脈沖的

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間內(nèi)可以接受到更多的脈沖數(shù)，或者在信號處理電路上增加一個四細(xì)分電路，將一個脈沖細(xì)分成四個，增加計數(shù)脈沖，提高分辨力；二是在算法上采用多周期同步測頻法，增加一個頻率更高的時基信號，將被測信號和時基信號求最小公倍數(shù)后的時間作為參考信號的周期，這樣通過對時基信號計數(shù)，再利用公式所求得的被測信號轉(zhuǎn)速，就沒有1個脈沖的計數(shù)誤差了。（2）觸發(fā)誤差（轉(zhuǎn)換誤差）輸入信號都需放大、整形等，若被測信號疊加有高頻干擾信號，則信號的觸發(fā)點就可能變化，這樣造成被測信號的脈沖周期不相等，產(chǎn)生測量誤差，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，觸發(fā)電平在A1點，但在A1'點上有干擾信號(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)計的干擾信號，就可以大大提高抗干擾能力，消除振鈴現(xiàn)象。（3）標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差閘門時間由基準(zhǔn)頻率信號產(chǎn)生，它是頻率測量的參考基準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)頻率準(zhǔn)確度和短期穩(wěn)定度將直接影響測量結(jié)果，通常要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測量誤差的一個數(shù)量級。5.3 人體的非剛性問題非剛性體重力中心的位置問題也很難解決，當(dāng)航天員受力加速時，因為航天員身體形狀密度的不均勻性，非剛性的部分將會滯后于剛

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，這將會對質(zhì)量測量造成偏差。如果給了足夠的運(yùn)動時間和位移，這種非剛性所造成的加速度的不同將會大大減少，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）研究這個非剛性部分可以被認(rèn)為是人體的動態(tài)響應(yīng)，我們利用一個彈簧質(zhì)量模型來代表人體，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)量的是一個彈簧和一個阻尼器，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。通過對模型進(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)處理將會減少誤差帶來的影響。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 在測試時，人體是被固定在支架上運(yùn)動的。而實際上，卻只有身體的一部分被固定著，其余部分在測量時會有不同的運(yùn)動姿態(tài)，這樣就會對重心的測量帶來一定的誤差。原方法固定時的問題：僅僅只有膝蓋、手、下巴直接固定在支架上，頭部無固定，可以隨意擺動。加速時，身體的軀干將往后倒，當(dāng)人體感受到加速后，他就會用力使軀干保持原來的初始位置，這樣就會產(chǎn)生低頻振蕩。通過實驗測

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。通過實驗結(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)量測量誤差減少到1%左右。圖5.7 改進(jìn)前實驗結(jié)果圖5.8 改進(jìn)后實驗結(jié)果6設(shè)計優(yōu)點這套航天員微重力環(huán)境下的質(zhì)量測量設(shè)備主要解決了航天員的非剛性問題對質(zhì)量測量造成的影響，提高了測量精度。同時，這套設(shè)備還有以下優(yōu)點：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，設(shè)計受力均衡，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)量測量對長期載人航天任務(wù)具有重要意義，我國在這一領(lǐng)域的研究還剛剛起步，但隨著我國探索宇宙的步伐不斷加快，質(zhì)量測量儀器也一定會有深入研究，一些難以被解決的問題也會得到更好的解決方案。未來，具有高度智能化、便攜式的測量儀器將會逐步被研發(fā)出來，它們也將會在太空質(zhì)量測量中發(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)計與測試. 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