【正文】 （22314 0GybFb??????測5） （21234 0xaa???????測6）由式（24 ） 、 （25 ）和（26 ）解得： （2341212FxaG????板7） （21234ybF??板8）在理想情況下，當(dāng)測試板上有被測物時(shí)，可以通過式（27）和（28）計(jì)算出被測物體的坐標(biāo)值。在安裝測試板時(shí)，很難保證測試平臺(tái)完全處于一個(gè)水平面，這就會(huì)導(dǎo)致測試板的重心會(huì)和它的尺寸中心不在同一點(diǎn)，也就是說會(huì)存在 、 方向的坐標(biāo)偏移，這時(shí)計(jì)算xy被測物坐標(biāo)時(shí)就要考慮測試板的重量和偏移坐標(biāo)值。39。39。39。39。39。39。 重心測試系統(tǒng)組成人體重心測試平臺(tái)系統(tǒng)如圖 所示，主要由重心測試平臺(tái)、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。接著傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大和信號(hào)濾波處理，去除掉高頻噪聲的影響并得到適合采集卡輸入的電壓范圍。通過 LabVIEW 軟件編寫的采集模塊來控制采樣通道、采集頻率、采樣開始與結(jié)束等，通過數(shù)據(jù)處理模塊將輸入的電壓值轉(zhuǎn)換成重心坐標(biāo)值，測試人員可以通過人機(jī)交互界面可以觀察到重心位置的變化情況，并且可以將測得的數(shù)據(jù)保存起來。 重心測試臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)依據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)要完成人體重心測試任務(wù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對人體步態(tài)的研究。第 2 章 系統(tǒng)總體方案15 機(jī)械結(jié)構(gòu)1外框架，2 內(nèi)框架，3 壓力傳感器，4可移動(dòng)框架，5實(shí)驗(yàn)板，6懸吊結(jié)構(gòu)，7支撐架圖 重心測試臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖重心測試臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示，總體結(jié)構(gòu)由外框架、內(nèi)框架、懸吊結(jié)構(gòu)等七部分構(gòu)成。懸吊結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示，在設(shè)計(jì)中為了保證上下方向兩個(gè)軸承安裝塊的同軸度，同時(shí)也為了避免傳感器受到側(cè)向力影響，懸吊結(jié)構(gòu)中選用了調(diào)心球軸承。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文161調(diào)心球軸承，2 耳型連接座，3軸承安裝塊，4拉力傳感器，5軸圖 懸吊機(jī)構(gòu)簡圖 傳感器選擇傳感器是測試平臺(tái)的重要部件，測試系統(tǒng)的作用力測量都是由它完成的。壓力傳感器的種類繁多 [32]，如應(yīng)變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器、藍(lán)寶石壓力傳感器、壓電壓力傳感器等。測試平臺(tái)采用了八個(gè)傳感器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和綜合考慮選用了兩種電阻應(yīng)變片式傳感器，其具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種，而金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜；而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。通常將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力第 2 章 系統(tǒng)總體方案17發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片就會(huì)一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。壓力傳感器中常配有電橋轉(zhuǎn)換電路，它可以將電阻、電感等參數(shù)變化轉(zhuǎn)化成為電壓的輸出。 圖 CFBLSM 拉力傳感器 圖 CFBHZH 組合式荷重傳感器垂直方向上采用了 CFBLSM 拉力傳感器，如圖 所示，其具有較強(qiáng)的抗扭、抗側(cè)和抗偏載能力，密封等級(jí)達(dá)到 IP65，能在高濕度的環(huán)境中工作；在水平方向采用了CFBHZH 組合式荷重傳感器，如圖 所示，其具有精度高、滯后小、通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)精巧等特點(diǎn)?？紤]到以后試驗(yàn)研究中有可能存在較大的水平?jīng)_擊力，因此選擇了量程比較大的型號(hào)，量程為 200kg。表 傳感器技術(shù)參數(shù)傳感器參數(shù) 單位 CFBLSM 拉力傳感器 CFBHZH 組合式荷重傳感器靈敏度 mV/V 非線性 ≤%F S? 滯后 ≤%F S 零點(diǎn)輸出 mV 重復(fù)性 ≤%F S? 蠕變 ≤%F S/30min 工作溫度范圍 ℃ 20℃60 ℃ 20℃60 ℃推薦激勵(lì)電壓 V 10V 10V傳感器的輸出電壓值與載荷對應(yīng)關(guān)系如表 所示，從表中可以看出傳感器的線性度良好，當(dāng)通過采集系統(tǒng)測得傳感器輸出電壓值后，就可以根據(jù)此對應(yīng)關(guān)系求出各個(gè)哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文18傳感器的受力大小。表 傳感器輸出與載荷對應(yīng)關(guān)系CFBLSM 拉力傳感器 CFBHZH 組合式荷重傳感器載荷(kg) 加 載 值（mV） 卸載值 （mV） 載荷(kg) 加 載 值（mV） 卸載值 （mV）0 0 0 0 0 020 40 40 80 60 120 80 160 100 —— 200 —— 受力分析與校核試驗(yàn)臺(tái)的載荷主要包括內(nèi)框架、實(shí)驗(yàn)板和被測試者的重量。內(nèi)框架和實(shí)驗(yàn)板重量總和大約為 50kg，而一個(gè)正常成年人的重量也在 100kg 以內(nèi)，因此選用四個(gè)量程為 100kg 的傳感器能夠充分滿足測力平臺(tái)的要求。軸的受力簡圖如圖 所示，軸的直徑 為 15mm，軸在豎直方向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。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 軸的受力簡圖經(jīng)過分析，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。支撐架的受力簡圖如圖 所示，所受拉力 最大為 1kN，支撐架的截面為長方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 支撐架的受力簡圖經(jīng)過分析，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 。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。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。首先介紹了測試平臺(tái)的工作原理，給定了測試平臺(tái)重心位置測量的理論依據(jù)；其次介紹了測試系統(tǒng)的組成，簡單說明了測試系統(tǒng)的工作流程；最后介紹了測試臺(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，并對主要部分進(jìn)行了強(qiáng)度分析和校核。測試平臺(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。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。 傳感器信號(hào)處理電路測力傳感器的輸出信號(hào)為弱電壓信號(hào)，信號(hào)必須經(jīng)過信號(hào)處理電路才能夠使用。 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 解 決 供 電 問 題 。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。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)。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。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。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。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。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。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。AD627 差動(dòng)模式的增益額定值為 5，其總增益大小是通過調(diào)節(jié)電阻 來設(shè)定的，增益 的計(jì)算公式如下：GRG （3205??4）通過調(diào)節(jié)電阻 使得第一級(jí)放大電路放大倍數(shù)為 250 倍。其廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密絕對值電路、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。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。通過調(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。濾波器可以用電阻、電容、電感等一些無源元件組成，也可以用無源和有源元件組合而成。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。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)，不僅沒有峰值出現(xiàn)，而且其截至頻率 與固有頻率 相等。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應(yīng)范圍，選取 =1 ， = 。42R4345R7W A/D 轉(zhuǎn)換重心測試系統(tǒng)最終要通過計(jì)算機(jī)對測試信號(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)，對測試信號(hào)進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D 轉(zhuǎn)換） 。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多路選通開關(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完成多通道采樣。卡上帶有一個(gè) FIFO 緩沖器，它能存儲(chǔ) 4K 的采樣值。對于 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)。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。 測試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重心測試平臺(tái)所要采用的測試軟件要求能夠?qū)崿F(xiàn)測試系統(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 是一種編程語言，與其他常見的編程語言相比，最大的特點(diǎn)就在與它是一種圖形化編程語言 [36]。LabVIEW 的編程效率之高也是其他文本編程語言無法比擬的，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，尤其是針對測控、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。在測試測量領(lǐng)域，經(jīng)過多年的發(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試測量領(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 LabV