水下模擬失重環(huán)境中多維力傳感器設(shè)計.pdf

1、航天員在進入太空前，需要進行嚴格的訓練。為了模擬太空中的失重環(huán)境，航天員的訓練通常是在水下進行的。在訓練過程中，出艙是必不可少的訓練環(huán)節(jié)。為保證出艙的順利進行，同時為分析航天員在空間站操作力的情況提供依據(jù)，需要測試扶手/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)計了一種一體化的三維力傳感器，用于測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，并將該信息及時反饋給航天員，從而保證空間作業(yè)的順利進

2、行。
　　在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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ANSYS有限元分析，確定了彈性體的尺寸以及應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線和電源線的走向等對三維力傳感器其他部分如頂蓋、底蓋、受力軸進行機械設(shè)計。由于測試試驗需要在水下進行，為了給三維力傳感器采集系統(tǒng)一個密閉的環(huán)境，本文設(shè)計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)計中，由于惠斯通電橋轉(zhuǎn)化的電壓信號都是毫伏級的，不影響傳感器的輸出精度，需要將電壓信號進行濾波、放大處理。將放大后的三路電壓信號作為傳感器的輸出信號，該信號由數(shù)據(jù)采集卡NET2801進行數(shù)據(jù)采集，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C上。
　　在軟件設(shè)計中，為了能在上位機上實時的顯示和保存標定實驗數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了一種數(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發(fā)工

4、具C++Builder編寫的。
　　對于多維力傳感器來說，維間耦合干擾的存在嚴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)解耦算法來對傳感器進行解耦。
　　最后，為了找出一體化三維力傳感器以及防水測力系統(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，需要對其進行標定。通過標定實驗數(shù)據(jù)知，本課題設(shè)計的一體化三維力傳感器具有較高的精度，滿足設(shè)計指標的要求。同時，模擬失重環(huán)境