【正文】 在豎直方向d受到拉力 和支撐力 、 作用，支撐力到拉力作用點(diǎn)距離 大小為 35mm。按傳感1F23Fa器的最大量程計(jì)算，軸所受最大拉力為 1kN。最大應(yīng)力 計(jì)算公式如下 [34]：mx? （2axmaxZMW??17）式中： —— 最大彎矩，maxMN? —— 抗彎矩模量，ZW3首先要計(jì)算軸的抗彎截面模量 ：Z （232dW??第 2 章 系統(tǒng)總體方案1918）圖 軸的受力簡(jiǎn)圖經(jīng)過(guò)分析，最大彎矩發(fā)生在拉力作用處，其值大小為 35 ，將最大彎矩和抗彎Nm?矩模量代入式（217）得最大應(yīng)力為 45MPa。在設(shè)計(jì)中軸的材料為 45 號(hào)鋼并經(jīng)調(diào)制處理，其彎曲疲勞極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算所得的最大應(yīng)力，所以軸的強(qiáng)度滿足要求。支撐架的受力簡(jiǎn)圖如圖 所示，所受拉力 最大為 1kN，支撐架的截面為長(zhǎng)方2F形，寬 為 60mm，高 為 20mm，首先計(jì)算支撐架的抗彎截面模量 ：bh ZW （26ZbhW?19）圖 支撐架的受力簡(jiǎn)圖經(jīng)過(guò)分析，最大彎矩發(fā)生在拉力作用處，其值大小為 85 ，將最大彎矩和抗彎Nm?矩模量代入式（217）得最大應(yīng)力為 。設(shè)計(jì)中的材料為碳素鋼 Q235，其彎曲疲勞極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算所得最大應(yīng)力，所以支撐板的強(qiáng)度滿足要求。在設(shè)計(jì)中選擇了調(diào)心球軸承，調(diào)心球軸承主要承受徑向載荷，同時(shí)也能承受少量的軸向載荷。因?yàn)檩S承外圈滾道表面是以軸承中點(diǎn)為中心的球面，所以具有調(diào)心功能，調(diào)心球軸承的允許偏轉(zhuǎn)角為 2o 到 3o，調(diào)心球軸承的允許偏轉(zhuǎn)角是在保證軸承能夠正常工作條件下內(nèi)、外圈軸線間的最大夾角。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選擇了 1202 型號(hào)的調(diào)心球軸承，其參數(shù)如下：軸承公稱內(nèi)徑： =15mm；d軸承公稱外徑： =30mm；D哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文20軸承公稱寬度： =11mm；B計(jì)算系數(shù)： =， =， =， =；e1Y20Y基本額定載荷：額定動(dòng)載荷 =；額定靜載荷 =；rC0rC根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)工作情況可知，軸承所受徑向力 大于軸向力 ，此時(shí)最大動(dòng)載荷rFa和最大靜載荷 的計(jì)算公式為：rP0rP （2r1aPY???20） （20raF?21）經(jīng)計(jì)算最大動(dòng)載荷大小為 ，最大靜載荷大小為 ，當(dāng)量靜載荷和動(dòng)載荷都小于額定載荷值，所以所選軸承強(qiáng)度滿足試驗(yàn)臺(tái)的要求。 本章小結(jié)本章主要介紹了人體重心測(cè)試系統(tǒng)的總體方案。首先介紹了測(cè)試平臺(tái)的工作原理，給定了測(cè)試平臺(tái)重心位置測(cè)量的理論依據(jù)；其次介紹了測(cè)試系統(tǒng)的組成，簡(jiǎn)單說(shuō)明了測(cè)試系統(tǒng)的工作流程；最后介紹了測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組成，分別闡述了各個(gè)部件的作用，并對(duì)主要部分進(jìn)行了強(qiáng)度分析和校核。第 3 章 測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)21第 3 章 測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 引言除了測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的功能，還需要完成外圍配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)。測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件部分主要是信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，完成信號(hào)的放大、濾波處理；軟件部分主要包括 LabVIEW 軟件的應(yīng)用，完成信號(hào)采集、分析計(jì)算等功能。 測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)被測(cè)量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，例如電阻、電感、電容、電荷等等。這些信號(hào)必須進(jìn)一步變換才能夠送給輸出設(shè)備，由輸出設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的現(xiàn)實(shí)、記錄以及控制等等。信號(hào)變換包括將無(wú)能量的參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成有能量的電壓電流信號(hào)，還包括信號(hào)的放大，調(diào)制解調(diào)、濾波等等，是測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分 [35]。 傳感器信號(hào)處理電路測(cè)力傳感器的輸出信號(hào)為弱電壓信號(hào)，信號(hào)必須經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路才能夠使用。信號(hào)處理電路主要包括電平轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路等。 電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路由 于 電 路 板 供 電 電 壓 為 12V， 而 傳 感 器 的 激 勵(lì) 電 壓 為 10V， 所 以 需 要 設(shè) 計(jì) 電壓 轉(zhuǎn) 換 電 路 來(lái) 解 決 供 電 問(wèn) 題 。 電 壓 轉(zhuǎn) 換 電 路 采 用 LM317 芯 片 ， LM317 作 為 輸 出電 壓 可 變 的 集 成 三 端 穩(wěn) 壓 塊 ， 是 一 種 使 用 方 便 、 應(yīng) 用 廣 泛 的 集 成 穩(wěn) 壓 塊 。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖 所示，因?yàn)檩敵龆说碾娢桓?，電流?jīng)電阻 ， 后流入接5R1W地點(diǎn)，所以決定 LM317 輸出電壓的就是電阻 和滑動(dòng)變阻器 的比值。設(shè) LM317 輸5R1出電流大小為 ，由于其控制端消耗非常少的電流，可忽略不計(jì)，因此控制端 ADJ 的I電位可表示為 ，又因?yàn)?LM317 控制端和輸出端接腳間的電位差為 ，所以輸1W?出電壓 的計(jì)算公式可表示為：outV （???1） （哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文222）將式（32 ）代入式（31 ）得： （ WVR??3）由式（33 ）可知：當(dāng)電阻 阻值固定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器 的阻值就能5R1W夠調(diào)節(jié)輸出電壓 的大小。outV圖 電壓轉(zhuǎn)換電路放大電路由于傳感器輸出的是微小電壓信號(hào)，所以要設(shè)計(jì)放大電路，將信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后再輸出給采集系統(tǒng)。前面已經(jīng)介紹到，傳感器輸出最大電壓為 20mV，而采集卡輸入范圍為177。10V，所以設(shè)計(jì)的放大電路總放大倍數(shù)為 500 倍，采用二級(jí)放大方式。第一級(jí)放大電路主要由放大器 AD627 構(gòu)成。AD627 是一款完整的微功耗儀表放大器，采用單電源或雙電源（+ 至177。18V）供電。AD627 提供出色的交流與直流性能，工作時(shí)的最大功耗僅為 85μA。與其它微功耗儀表放大器不同，當(dāng)采用低電源供電時(shí)，AD627 的性能并沒(méi)有受到影響。AD627 可提供低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移、低增益誤差，以及低增益漂移，從而能將系統(tǒng)誤差減到最小。通過(guò)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)提供出色的共模抑制比性能，AD627還能將整個(gè)頻率范圍內(nèi)的誤差減到最小。這款器件在高達(dá) 200Hz 時(shí)仍能保持高共模抑制比，從而抑制了線路噪聲與諧波。AD627 的基本電路如圖 所示，其中運(yùn)算放大器 A1 與電壓源 V電阻 構(gòu)成5R了第一個(gè)反饋回路，通過(guò)該回路可在 Q1 上得到穩(wěn)定的集電極電流（假設(shè)增益設(shè)定電阻此時(shí)不存在） 。電阻 與 組成的反饋環(huán)可使運(yùn)算放大器 A1 的輸出電壓和反向端電1R2壓相等，通過(guò)運(yùn)算放大器 A2 可形成另一個(gè)幾乎完全相同的反饋環(huán)，它可使 Q2 的電流和 Q1 相等，同時(shí)運(yùn)算放大器 A2 還可提供輸出電壓。當(dāng)兩個(gè)反饋環(huán)平衡時(shí)，同向端到第 3 章 測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)23電壓輸出端 OUTPUT 的增益為 5，運(yùn)算放大器 A1 的輸出端到電壓輸出端 OUTPUT 的增益為4 ，運(yùn)算放大器 A1 的反向端增益是 A2 增益的 倍。AD627 差動(dòng)模式的增益額定值為 5，其總增益大小是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻 來(lái)設(shè)定的，增益 的計(jì)算公式如下：GRG （3205??4）通過(guò)調(diào)節(jié)電阻 使得第一級(jí)放大電路放大倍數(shù)為 250 倍。GR圖 AD627 基本電路二級(jí)放大電路采用 OP07 放大器，OP07 高精度運(yùn)算放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓、極低的失調(diào)電壓溫漂、非常低的輸入噪聲電壓幅度及長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)。其廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密絕對(duì)值電路、比較器及微弱信號(hào)的精確放大等電路中，尤其適用于宇航、軍工及要求微型化、高可靠的精密儀器儀表中。二級(jí)放大電路如圖 所示，信號(hào)加在放大器的反向輸入端構(gòu)成反相比例放大電路，根據(jù)理想運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”理論，可以得到放大電路的增益 的計(jì)算公式：K （374235WR???5）由式（35 ）可知，由于電阻 、 和 的阻值固定，因此只要調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻42R34器 的阻值就能改變?cè)鲆娲笮?，二?jí)放大電路增益設(shè)為2。當(dāng)傳感器不受外力作用時(shí)，7W其輸出電壓值應(yīng)該為零，但是由于運(yùn)算放大器存在輸入失調(diào)電壓，在放大、濾波調(diào)節(jié)器中都會(huì)存在一定程度的零偏，所以輸出為理想值和偏差電壓之和。為了補(bǔ)償?shù)綦妷浩睿痔砑恿苏{(diào)零電路。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器 的阻值，使得放大電路在輸入信號(hào)6W為零時(shí)，其輸出電壓值也為零。濾波電路哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文24在傳感器獲得的測(cè)量信號(hào)中，往往含有許多與被測(cè)量無(wú)關(guān)的頻率成分需要通過(guò)信號(hào)濾波器去除。濾波器可以用電阻、電容、電感等一些無(wú)源元件組成，也可以用無(wú)源和有源元件組合而成。前者稱為無(wú)源濾波器，后者稱為有源濾波器。有源濾波器中的有源元件可以用晶體管，也可以用運(yùn)算放大器。圖 OP07 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)電路采用二階有源低通濾波器電路圖如圖 所示，主要由放大器 OP07 和電阻 、 、 、 以及電容 、 組成。其傳遞函數(shù)的一般形式如下：42R3457W71C52 （3??2nKGss????6）阻尼系數(shù) 取不同值時(shí)的幅頻特性曲線不同，當(dāng) 時(shí)及有共振峰值出現(xiàn)，當(dāng)? ?時(shí)，不僅沒(méi)有峰值出現(xiàn)，而且其截至頻率 與固有頻率 相等。截至頻率取1/2?? c?n值 220Hz，增益 取值為 2。把電路中的具體元件代入公式，可得電路的傳遞函數(shù)為：K （34357122 43552453 7271()1[())]()RCGs RsRWC?? ???7）與式（36 ）比較可得： （324357271()nR???8）第 3 章 測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)25 （345714354275221()()2nRCRWC?????9）根據(jù)頻率和電容選取的對(duì)應(yīng)范圍，選取 =1 ， = 。然后求解得到：71μF52=10K， =10K， =10K， =30K。42R4345R7W A/D 轉(zhuǎn)換重心測(cè)試系統(tǒng)最終要通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析和處理，為了使計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別模擬量信號(hào)，對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D 轉(zhuǎn)換） 。A/D 轉(zhuǎn)換部分采用了 PCI1713 數(shù)據(jù)采集卡，它是一款 PCI 總線的隔離高速模擬量輸入卡。PCI1713 提供了 32個(gè)模擬量輸入通道，它有一個(gè)自動(dòng)通道/增益掃描電路，在采樣時(shí)這個(gè)電路可以自己完成對(duì)多路選通開(kāi)關(guān)的控制，卡上的靜態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了每個(gè)通道不同的增益值及配置，這種設(shè)計(jì)可以對(duì)于不同通道使用不同的增益，并采用單端和差分輸入的不同組合方式來(lái)完成多通道采樣。PCI1713 的采樣速度非?？?，采樣頻率可達(dá) 100KS/s?？ㄉ蠋в幸粋€(gè) FIFO 緩沖器，它能存儲(chǔ) 4K 的采樣值。當(dāng) FIFO 半滿時(shí)，采集卡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，該特性提供了連續(xù)高速的數(shù)據(jù)傳輸及 Windows 下更可靠的性能。對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換，PCI1713 支持三種觸發(fā)模式：軟件觸發(fā)、內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)。軟件觸發(fā)能允許用戶在需要的時(shí)候可以獲得一個(gè)采樣值；內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)用于連續(xù)、高速的數(shù)據(jù)采集。PCI1713 還可以接受外部觸發(fā)，允許與外部設(shè)備進(jìn)行同步采樣。在重心測(cè)試系統(tǒng)中采用 LabVIEW 程序來(lái)控制采集卡的工作，選用了軟件觸發(fā)方式進(jìn)行信號(hào)采集。 測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重心測(cè)試平臺(tái)所要采用的測(cè)試軟件要求能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的所有功能，包括人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理等，同時(shí)還要求軟件編程簡(jiǎn)易便捷，總和考慮各個(gè)方面，設(shè)計(jì)中選擇了 LabVIEW 軟件。LabVIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司最核心的軟件產(chǎn)品。LabVIEW 是一種編程語(yǔ)言，與其他常見(jiàn)的編程語(yǔ)言相比，最大的特點(diǎn)就在與它是一種圖形化編程語(yǔ)言 [36]。LabVIEW 不但在程序界面設(shè)計(jì)時(shí)采用了與其他高級(jí)語(yǔ)言類似的圖形化方式，更重要的是在編寫程序代碼、實(shí)現(xiàn)程序功能的同時(shí)，使用的也是圖形化的操作方式。LabVIEW 的編程效率之高也是其他文本編程語(yǔ)言無(wú)法比擬的，LabVIEW 擁有豐富的哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文26工具包，尤其是針對(duì)測(cè)控、仿真等領(lǐng)域，這些工具包往往可以為編程者提供其所需的大部分功能。由于 LabVIEW 編程語(yǔ)言具有很多的優(yōu)點(diǎn)，所以其應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣，尤其在某些特定領(lǐng)域，它的優(yōu)勢(shì)更加明顯 [37]。在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展 LabVIEW 獲得了廣泛的支持，至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的 LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序，使用 LabVIEW 可以非常便捷地控制這些硬件設(shè)備，同時(shí)，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的 LabVIEW 工具包；在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，LabVIEW 擁有專門用于控制領(lǐng)域的模塊 DSC，除此之外，工業(yè)控制領(lǐng)域常用的設(shè)備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有響應(yīng)的 LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序，使用 LabVIE