微重力状态下的体重测量设计报告

1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20122938罗雨海20122910樊文清20122915李卓桓20122916郭琛琛20122917林志浩20122919张全瑞20122925欧阳玉平20122936阳欣怡201229372目录1．前言............................................................................................................................................32．方案选择....................................................................................................................................32.1振动原理............................................................................................................................32.2牛顿第二定律....................................................................................................................52.2.1离心力法.................................................................................................................62.2.2线性加速度法.........................................................................................................62.3动量守恒定理....................................................................................................................72.4综合比较............................................................................................................................83．系统设计....................................................................................................................................94．系统组成..................................................................................................................................104.1恒力机构..........................................................................................................................104.2测量显示系统..................................................................................................................124.2.1力传感器...............................................................................................................124.2.2光电编码器...........................................................................................................134.2.3信号放大处理电路...............................................................................................134.2.4微控制器及显示...................................................................................................144.3人体支架..........................................................................................................................155．误差分析与修正......................................................................................................................165.1恒力机构..........................................................................................................................165.2测量显示系统..................................................................................................................175.2.1力传感器误差及补偿...........................................................................................175.2.2编码器误差及补偿...............................................................................................205.3人体的非刚性问题..........................................................................................................226．设计优点..................................................................................................................................247．总结..........................................................................................................................................248．参考文献..................................................................................................................................25微重力环境下航天员的质量测量前言31．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微重力环境下航天员的质量测量方案选择4进行对比的方法或者通过公式：m=k(T2π⁄)2(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=k(T2π⁄)2−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5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，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6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：=m2(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。比如日本科学家提出并设计了一种名叫“空间平衡（SpaceBalance）”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。