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1、1设计报告设计报告题目：航天员在失重状态下体重测量系统题目：航天员在失重状态下体重测量系统 班级：班级：1212测控测控0303班班 小组成员：汪其香小组成员：汪其香 2012293820122938罗雨海罗雨海 2012291020122910樊文清樊文清 2012291520122915李卓桓李卓桓 2012291620122916郭琛琛郭琛琛 2012291720122917林志浩林志浩 2012291920122919 张全瑞张全瑞 2012292520122925 欧阳玉平欧阳玉平 2012293620122936 阳欣怡阳欣怡 20122937201229372目录目录1前言前言3
2、 2 2方案选择方案选择3 2.1 振动原理振动原理.3 2.2 牛顿第二定律牛顿第二定律 .5 2.2.1 离心力法离心力法 6 2.2.2 线性加速度法线性加速度法 6 2.3 动量守恒定理动量守恒定理 .7 2.4 综合比较综合比较.8 3系统设计系统设计9 4系统组成系统组成10 4.1 恒力机构恒力机构.10 4.2 测量显示系统测量显示系统 .12 4.2.1 力传感器力传感器 12 4.2.2 光电编码器光电编码器 13 4.2.3 信号放大处理电路信号放大处理电路.13 4.2.4 微控制器及显示微控制器及显示 14 4.3 人体支架人体支架.15 5误差分析与修正误差分析与修
3、正16 5.1 恒力机构恒力机构.16 5.2 测量显示系统测量显示系统 .17 5.2.1 力传感器误差及补偿力传感器误差及补偿.17 5.2.2 编码器误差及补偿编码器误差及补偿.20 5.3 人体的非刚性问题人体的非刚性问题 .22 6设计优点设计优点24 7总结总结24 8参考文献参考文献25微重力环境下航天员的质量测量 前言31前言前言上世纪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
4、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 2方案选择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
5、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、质量杆系统等。通过测量振荡微重力环境下航天员的质量测量 前言4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微重力环境下航天员的质量测量 方案选择5进行对比的方法或者通：过公式(2-1) = ( 2)2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，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 可以算出
6、宇航员的质量： = ( 2)2- (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，总的测量时间比较短。图 2.1 人体质量测量装置微重力环境下航天员的质量测量 方案选择6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
7、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要及时处理，提高测量准确度。2.2 牛顿第二定律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，则只需要产生加速图 2.2 人体质量测量及小质量测量装置微重力环境下航天员的质量测量 方案选择7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
8、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：(2-3) = 2 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。比如日本科学家提出并设计了一种名叫“空间平衡（） ”的仪器。它的测量原理如下图，航天员质量为 2.3，通过手棒将自己固定在舱壁上。仪器重量为，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
9、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 等于航天员质量和仪器质量之和与加速度 a 的乘积，航天员质量通过公式：(2-5)= - 得到。微重力环境下航天员的质量测量 方案选择8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
10、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。让物体运动，与力传感器碰撞，测量出物体碰撞 = - ()图 2.3 空间平衡（）仪器原理 微重力环境下航天员的质量测量 方案选择9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
11、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 综合比较综合比较根据这三种方法在国外的应用程度可以看出，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
12、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微重力环境下航天员的质量测量 方案选择10景。3系统设计系统设计基于牛顿第二定律的特点，我们选取线性加速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
13、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：(3-1) = - 其中为外围运动部件的等效质量。图 3.1 体重测量系统原理图微重力环境下航天员的质量测量 系统组成114系统组成系统组成4.1 恒力机构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 3.2 体重测量系统原理框图微重力环境下航天员的质量测量 系统组成12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定条件，即：(4-1)(
