水下模擬失重環(huán)境中多維力傳感器設(shè)計(jì).pdf

1、航天員在進(jìn)入太空前，需要進(jìn)行嚴(yán)格的訓(xùn)練。為了模擬太空中的失重環(huán)境，航天員的訓(xùn)練通常是在水下進(jìn)行的。在訓(xùn)練過(guò)程中，出艙是必不可少的訓(xùn)練環(huán)節(jié)。為保證出艙的順利進(jìn)行，同時(shí)為分析航天員在空間站操作力的情況提供依據(jù)，需要測(cè)試扶手/腳限制器的三維力。由于該三維力量程大，且傳感器要求體積小、精度高，本文設(shè)計(jì)了一種一體化的三維力傳感器，用于測(cè)量航天員在水下模擬失重環(huán)境中手臂和腳與環(huán)境三維交互力的大小，并將該信息及時(shí)反饋給航天員，從而保證空間作業(yè)的順利進(jìn)

2、行。
　　在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先確定三維力傳感器敏感元件采用彈性體-基座一體化的結(jié)構(gòu)。通過(guò)ANSYS有限元分析，確定了彈性體的尺寸以及應(yīng)變片在彈性體十字梁上的最佳貼片位置。然后根據(jù)彈性體、放大電路的尺寸以及信號(hào)線和電源線的走向等對(duì)三維力傳感器其他部分如頂蓋、底蓋、受力軸進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。由于測(cè)試試驗(yàn)需要在水下進(jìn)行，為了給三維力傳感器采集系統(tǒng)一個(gè)密閉的環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了一種可有效傳遞三維力的防水裝置。該防水裝置由防水耐壓筒、筒蓋、電纜插頭

3、、防水波紋管以及抱軸裝置組成。
　　在硬件電路設(shè)計(jì)中，由于惠斯通電橋轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)都是毫伏級(jí)的，不影響傳感器的輸出精度，需要將電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理。將放大后的三路電壓信號(hào)作為傳感器的輸出信號(hào)，該信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡NET2801進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。
　　在軟件設(shè)計(jì)中，為了能在上位機(jī)上實(shí)時(shí)的顯示和保存標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集軟件，該采集軟件是基于數(shù)據(jù)采集卡NET2801，采用可視化的集成開(kāi)發(fā)工

4、具C++Builder編寫(xiě)的。
　　對(duì)于多維力傳感器來(lái)說(shuō)，維間耦合干擾的存在嚴(yán)重影響傳感器的精度，為了減少或消除維間耦合，本論文提出了一種基于耦合誤差和分段擬合建模的靜態(tài)解耦算法來(lái)對(duì)傳感器進(jìn)行解耦。
　　最后，為了找出一體化三維力傳感器以及防水測(cè)力系統(tǒng)各路輸出電壓與施加在傳感器受力軸上力大小和方向的關(guān)系，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，本課題設(shè)計(jì)的一體化三維力傳感器具有較高的精度，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。同時(shí)，模擬失重環(huán)境