（机械工程专业论文）小型潜器纵向运动阻力试验方法和装置研究.pdf

目录 摘要 随着海洋开发的深入，近海海底浅层的机械物理性能的基本数据日益显出其 重要作用，测量方法也在不断改进。利用潜器携带相关仪器进行现场测量，已经 成为可能。但海底沉积层的主要成份分为淤泥、粉砂、细砂、砾石等，海底还常 有礁石，为避免潜器陷进淤泥或碰撞硬底和礁石，需要使潜器“软着陆”。本文研 究的内容来源于项技术合作项目。为了满足用潜器检测海底基础数据时，潜器 软着陆的要求，开展潜器纵向运动所受阻力的检测方法和相应的装置。 本文首先通过分析借鉴船模静水阻力试验，确定本课题的试验方案。进而确 定通过改变速度的不同水平来测试对应阻力的方法，然后设计测试装置及卷扬机 构( 牵引装置) 。进而说明单片机的模块结构和主要功能，编写实验程序，进行实 验仪器、设备的选用。然后用合作方提供的模拟潜器进行检测试验，获得大量数 据，用最小二乘原理进行回归分析，得到回归方程( 经验公式) ，经过显著性检验、 经验类比和方差计算，验证回归方程具有很高的可依赖性，从而证明本文设计的 潜器纵向运动阻力试验的试验方法及试验装置技术可靠，具有实际应用价值。 关键词：潜器纵向运动卷扬机构 查三些查兰三兰堡圭兰堡丝兰 a b s t r a c t o p e nu po c e a ni sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ；t h ed a t ao fm e c h a n i c a la n dp h v s i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa lt h eb o t t o mo ft h es e ai sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l el o d a y b e c a u s eo f t h em e a no fm e a s u r e m e n ti sb e i n gi m p r o v e d i ti sp o s s i b l et ou s eas u b m e r s i b l eb o d v t om e a s u r et h eb o t t o mo ft h es e an e a rc o a s t w en e e dc oa v o i dc a u s i n gt h es u b m e r s i b l eb o d yc o l l i d e so nt h eb o t t o mo ft h es e aa t ah i g hs p e e d w ew a n tt ok n o wh o wt os l o wd o w nt h es p e e dw h e nt h es u b m e r s i b l e b o d yr e a c h e st h eb o t t o mo ft h es e a i ti sac o o p e r a t i v et a r g e tw i t ha ne n t e r p r i s e w e n e e dt or e s e a r c hr e s i s t a n c ea c t i n go nt h es u b m e r s i b l eb o d yw h e ni tm o v e sc ot h e b o t t o m i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n gw h yt od ot h er e s e a r c hw o r ka f e d i s c u s s e d ic o n s u l tt h er e s i s t a n c et e s to fs h i pm o d e li nt h ec a l ma n dt r a n q u i lw a t e r ， w eh a v ed e f i n e dt h ew a yo ft e s t ，t h a ti ss u b m e r s i b l eb o d yi sp u l l e db yas t e pm o t o ri n aa r t i f i c i a lp o o la n dt h e nid e f i n et h a tc h a n g ev e l o c i t yt ot e s tr e s i s t a n c e ih a v e s e l e c t e ds a m p l i n gf r e q u e n c y b a s eo nt h em e a ni nt h ec h a p t e r2 ，p a r t so fs e n s o rh a v e b e e nd e s i g n e d s u p p o r t i n gf o r m o fs p r i n gp a r ti sd e f i n e d s t e p m o t o rl i f t i n g m e c h a n i s mh a sb e e nm a d e c o n t r 0 1 l i n gp a r t so ft e s ts y s t e ma r ed e s i g n e d ，a n dt h e n c o m p i l ep r o g r a m s ，a n dt h e nt h er e s ti n s t r u m e n tw i l lb eu s e di nt h et e s ta r ep r e p a r e d n o ws t a r tt h ew o r kt ot e s tr e s i s t a n c el o n g i t u d i n a lf o r c e t h o u s a n d so fd a c ah a v e b e e n t a k e nf o ra n a l y s i so fr e g r e s s i o n n o to n l vi s r e g r e s s i o ne q u a t i o na c h i e v e d ，b u ta l s oi ti sc o r r o b o r a t e df i g h t ，t h a ti sp r a c t i c a b l et e s t p l a ni se s t a b l i s h e d i tc a nb eu s e df o rt e s tr e s i s t a n c ep e r p e n d i c u l a rf o r c e k e yw o r d s ： su b m e r s i b l ei m p l e m e n t ；p e r p e n d i c u l a rm o v e ；w i n d l a s sm e c h a n i s m 第一章绪论 1 1 本课题研究的来源 第一章绪论 随着海洋开发的深入，近海海底浅层的机械物理性能的基本数据日益显出其 重要作用，测量方法也在不断改进。利用小型潜器( 以下简称潜器) 携带相关仪 器进行现场测量，已经成为可能。由于海底沉积层的主要成份分为淤泥、粉砂、 细砂、砾石等，海底还常有礁石，为避免潜器坐底时陷进淤泥或碰撞硬底和礁石， 需要使潜器“软着陆”。 如图1 1 所示，潜器从海面母船上释放后，主要靠自重下潜。潜器坐底时的 速度大小对潜器是否能“软着陆”有很大影响。 1 潜器；2 母船i3 海底 圈1 i 潜器释放简图 1 s u b m e r s i b l eb 0 d y ；2 s h i p ；b o t t o mo ft h es e a f i g 1 1r c l e a s es u b m e r s i b l eb o d y 图1 2 所示是潜器受力简图，根据机械能守恒定律，有 如g 一瓦) 日= rf r 扭+ 告m v 2 式中：研潜器质量 只一一流体阻力 广东工业大学工学硕士学位论文 e 一浮力 v 一一坐底时的速度 图1 2 潜器受力简图 f i g 1 2f o r c ee x e r to nt h es u b e r s i b l eb o d y 因此，要控制坐底速度，一方面要合理设计潜器的平均密度并在潜器下潜时 加以控制，另一方面需要掌握潜器沿重力方向( 即纵向) 运动时所受的流体阻力。 本研究的内容来源于一项技术合作项目，为了满足用潜器检测海底基础数据时， 潜器软着陆的要求，开展潜器纵向运动所受阻力的检测方法和相应装置的研究工 作。 1 2 潜器纵向运动阻力检测方法和装置的国内外相关研究 1 2 1 近期的研究 水上航行器的应用已有相当长的历史，随着应用领域的不断扩大，对航行器 的阻力测量有各方面的研究，近期的研究，综合如下： 水下仿生机器鱼的研究进展i 一水动力学实验研究，建立了一套比较系统完 整的机器鱼水动力学定性观察，定量测量的实验环境，并进行了速度功率参数影 响测定实验、鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验“。采用二维、三维计 算程序对流体动力学和结构动力学问题进行数值模拟，为产品设计和改进提供依 据。数值模拟可以提供动力学过程非常详细的信息，通过改变几何形状、材料、 力学作用方式、初始边界条件等来分析各种因素对产品设计效果的影响”1 。其它 2 第一章绪论 文献研究了潜器的神经网络运动控制”，和研究了水下物体在波浪力作用下的受 力分析，运动方程”3 ；通过数值计算研究物体在波浪力作用下的运动特性”1 。 其它方面的研究有水下自航器的航行性能、建模和辨识“1 ，带水平双胸鳍的 鱼形机器人研究其水力特性和驱动特性”1 ，带中央翼的船摇晃阻尼特性。1 。 1 2 2 典型方法 1 、船模静水阻力试验。1船模静水阻力试验分为水上及水下船模阻力试验。 ( 1 ) 水上船模阻力试验图1 3 是典型的水上船模阻力试验装置，将调节好浮态 的水上船模置于拖车下，将导航架与领先装于船首及尾部的导航架底座连接。连 接点必须在船模的纵向中心剖面内，且两点连线应与拖车前进方向一致。导航架 的作用是防止船舶偏航，但不应影响船舶的纵向运动和阻力测量。因而，导航架 处于随遇平衡状态。 图l ，3 水面船模阻力测量系统。1 f i 9 1 3f r i c t i o nt e s ts y s t e mt os h i pm o d e lo nt h ew a t e r 由于阻力作用的形式不同，阻力仪与船模的具体连接方式也不相同。例如，机 械式阻力仪是通过一根钢丝将船模与阻力仪连接，船模所受阻力通过钢丝传递到 阻力仪上。船模上的拖力点位置通常设在水线面附近，从拖力点引出的钢丝应与 水平面平行。见图1 3 。1 ( 2 ) 水下船模阻力试验图1 4 是典型的水下船模阻力试验装置，拖索的拖 力点不直接作用在船模上，而是作用在悬挂式的钢架上。水下船模的首与尾部用 两根金属杆与钢架相连。为使金属杆在运动时，不致对船模阻力有显著干扰，金 广东工业大学工学硕士学位论文 属杆应做成流线型，并使它的绝大部分在导流罩内工作。导流罩固定在拖车上， 与测力的悬挂式钢架不相连接。 试验前，用假模代替船模，按照试验要求速度和沉深进行试验。此时，假模 与金属杆并没有连接，而仅仅相对位置与试验时相同。用这种方法测出金属杆及 金属杆端部与船模相互作用的阻力。在正式船模试验时，必须从测得的阻力中扣 除金属杆的阻力。 图1 4 水下船模阻力测量系统”1 f i g1 4f r i c t i o nt e s ts y s t e mt os h i pm o d e lu n d c rw a t e r 纵上所述，国内外对潜器阻力的研究，主要在水平方向。可见对航行器包括 潜器的阻力测试方法主要针对水平运动为主要对像，对以纵向运动为主要对像的 阻力测试，有必要结合潜器的工况对纵向运动阻力的测试方法和装置进行研究。 1 3 论文的主要工作 为解决合作方提出的技术问题，开展潜器纵向运动阻力参数的试验方法及试 验装置的研究。拟定试验方案，确定试验方法。设计制造试验装置，编写试验控 制程序，在水池进行模拟试验。，分析处理潜器纵向运动的速度一阻力特性数据。 4 第一章绪沦 论文要完成的主要工作如下： ( 1 ) 对研究内容进行调研，搜集国内外相关资料，进行试验方法讨论。 ( 2 ) 拟定小型潜器纵向运动阻力参数的测试方法。 ( 3 ) 研制试验装置及编写相关软件。 ( 4 ) 进行模拟试验。 ( 5 ) 对实验数据进行分析、处理及提供有效数据。 5 广东工业大学衅硕士学位论文 第二章试验方案与方法拟定 2 1 试验方案的确定 为了获取潜器纵向运动的速度一阻力特性数据，需要开展测试方法及与之对 应的测试装置的研究。因此，首先应选择合适的试验方案，然后确定实验方法。与 本课题相似的阻力试验方案主要有船模静水阻力试验。 船模静水阻力试验分为水上及水下船模阻力试验。图2 1 是典型的水上船模 阻力试验装置，试验时将调节好浮态的水上船模置于拖车下，将导航架与领先装 于船首及尾部的导航架底座连接。连接点必须在船模的纵向中心剖面内，且两点 连线与拖车前进方向一致。导航架的作用是防止船舶偏航，但不应影响船舶的纵 向运动和阻力测量。因而，导航架处于随遇平衡状态。 图2 1 水上船舶阻力测量系统 f i 9 2 1f r i c d o nt e s ts y s t e mt os h i pm o d e lo nt h ew a t c r 第二章潜体外机融结构与外形轮廓 图2 2 。1 典型的水下船模阻力试验装置，试验时，水下船模阻力试验拖索的拖 力点不直接作用在船模上，而是作用在悬挂式的钢架上。水下船模的首与尾部用 两相金属汗与钢架相连。 试验前，用假模代替船模，按照试验要求速度和沉深进行试验，此时，假 模与金属杆并没有连接，而仅位相对位置与试验时相同。用这种方法测出金属杆 及金属杆端部与船模相互作用的阻力。在正式船模试验时，必须从测得的阻力中 扣除金属杆的阻力。 图2 2 水下船舶阻力测量系统9 f i 9 2 2f i i c t i o nt e s ts y s t c mt os h i pm o d e lu n d e fw a t e r 从以上分析可以看出，船模静水阻力试验不管是水上还是水下试验，其测试 的都是水平方向运动为主的船模所受的阻力，用小车牵引船模完成有关试验。而 本课题的主要内容是检测小型潜体纵向运动阻力。由于工况不同，本文参照上述 装置，拟定本研究的测试方案。其测试装置的组成及工作原理见图2 3 。 广东工业大学卫学硕士学位论文 图2 3 试验原理图 f i 9 2 3t b s tp r i n d p l c 图中m 是潜器、c 是传感器、d 是电机、j 是卷筒、l 是连轴器、1 和2 是固 定在池底的滑轮、3 和4 是固定在梁上的滑轮。电机通过连轴器带动卷筒转动， 卷筒卷绕细线牵引潜器，试验时应注意细线直径对潜器速度的影响。传感器悬吊 在滑轮2 和3 之间，这样可避免滑轮3 和滑轮4 以及卷扬部分的摩擦力对测试的 影响。在潜器下潜过程中，传感器检测出阻力，然后由计算机采集、存储和处理 数据。 2 2 试验方法的确定 一般来说，潜器受到的液体阻力有粘性阻力、形状阻力、压差阻力。参照有 关文献“”“”可表示为 f = 口v + 却2 2 1 式中，只一物体所受的液体阻力 v 一物体的运动速度 a 一压差阻力系数 b 一粘性阻力系数 对不同的潜器，式2 1 中的压差阻力系数和粘性阻力系数是不相同的， 8 第二章潜体外机碱结构与外形轮廓 通过试验来求取式2 1 中a 、b 的值，从试验数据获取的途径看，主有下面两种方 案。 1 、固定浮力法开始前使哦= o 、f 0 。硼g ，即浮力等于重力，试验时固定 一负浮力只，使潜器下潜，测试对应的速度v ，当速度达到恒定时，潜器下潜 的加速度为零，此时潜器下潜所受到的向上阻力等于预加的固定负浮力峨。变 换不同的负浮力峨，测试对应的不同速度v 。图2 4 所示是潜器的受力简图， 其力平衡方程为： f x = ( r b + 皈) + 一m g 2 2 式中，以一x 轴方向即纵向的合力 。一初始浮力 峨一浮力增量 p 一纵向即x 方向的阻力 图2 - 4 潜体受力分析 f i 9 2 4f o r c ee x 豇to n 也es u b m e r s i b l eb o d y 理论上，时间为无穷大，速度才趋于恒定，速度才趋于浮力的增量。由于时 间不可能为无穷大，因此，实际测量时有误差，另外确定对应的v 也有误差。又 假如某次测得的速度为u ，由于任何测量的读数值总避免不了误差，根据文献“2 “1 3 1 “，v ；的试验读数值可表达为 9 广东工业大学卫学硕士学位论文 v f = v i+ 毛 式中： v ；一试验读数值 v t 一试验真值 一随机误差 由式2 1 和式2 3 r = 4 ( v i + 毛) + 6 ( v 。+ 岛) 2 2 3 2 4 根据最小二乘原理，式2 4 很难进行回归分析。 2 、改变速度法确定因素v 的一系列水平，测试对应的液阻只，通过变 换不同的速度v ，测试得到对应的液阻只，如表2 1 所示，图2 5 所示是潜器的受 力简图，其力平衡方程为： 图2 5 方案2 潜体受力分析 f i 9 2 5f o r c ee x c r to nt h e 辄b m e r s i b l eb o d y m d = ，一只一( 瓦一m g ) 式中， 口一加速度 1 0 2 5 第= 章潜体外棚槭结构与外形轮廓 ，_ 牵引力 e 一潜体受到的浮力 m g 一重力 f r 一纵向即x 方向的阻力 若控制潜器沿x 轴方向作匀速直线运动，故有 口= o 即 f + f b m g f ，= q f = m g f b + f ， 对于同一试验环境中的某个潜体而言， 即 m g e = o 2 6 若使潜体的重力及其所受到的浮力相等， f = f -2 7 上式说明，牵引力等于阻力。牵引力可以采用测力传感器测定，所需速度可 用调速电机实现。具体试验计划见表2 1 表2 1 速度一阻力试验衰 t h b l e 2 ，lt e s tt a b i co fs p e e da n df n c t i o n y ( m ，s ) f r ( n ) v 1v 2v 3v iv n 1f rl lf r2 lf r3 lf r i lf rn l 2f r l 2f t2 2f f3 2f r i 2 f tn 2 试3 f r l 3 f r 2 3f r3 3f r i 3f f n 3 验 jf r l j f r2 jf r3 j f r 日 f rn j 次 数 mf r l mf r 2 mf r 3 mf r i m f r m 试验数据处理方法同样由于测量总避免不了误差，所以表中的试验读数 广东工业大学卫学硕士学位论文 值可表达为 f r n m = + 式中： f m n 一试验读数值 fn m 一试验真值 n * 一随机误差 由式2 1 和式2 8 腮+ = 口v + 如2 2 9 2 8 根据最小二乘原理，式2 9 很容易进行回归分析。 通过以上分析，本论文研究采用改变速度法，即确定一系列的速度v ，测试 对应的液阻只。 2 3 小结 本章通过借鉴船模静水阻力试验，确定_ 潜器纵向运动阻力的测试方案，确 定测试装置的组成及工作原理。进而确定了通过改变速度的不同水平来测试对应 的阻力的方法，制订了速度阻力试验表。 1 2 第三章试验方案及试验设备 3 1 试验装置设计 第三章试验装置 3 1 1 测力装置原理及设计 3 1 1 1 应变片工作原理简介及选择1 、应变片工作原理电测法其中之是 以电阻应变片为传感元件，将弹性元件( 弹簧片) 的应变量转变为应变片的电阻 变化量，引起电桥输出端电压的变化，经功率放大后，用数据采集仪采集数据。 图3 1 是电阻应变片阻力测试原理。图中r 3 、r 4 是电阻应变片，当其变形 时阻值变化使电桥失去平衡，于是电桥有输出。电桥输出的信号经放大、检波、 滤波后由上位机进行采集、存储和处理。 一 麓 罗 糖入 士 数 应 字 焦程 变 k 套 襄 i 仪 教赫 图3 1 阻力测试原理 f i 9 3 1 t e s tp d n c i p l co f 衔c d o n 电阻应变片的转换原理基于导体的“应变效应“5 “”，即在一定应变范围 内，导体的电阻改变率墟，月与导体弹性应变占= 出，f 的比值为常量，即 塑坚：置， s 。 式中：瓦一灵敏系数 因此，如将电阻丝粘贴在测力元件的表面上，使其随同测力元件变形，若能 测得电阻丝的电阻改变量r ，即可求得测力元件在粘贴电阻丝处的应变，从而 广东工业大学工学硕士学位论文 求得测力元件所受的力。由于在弹性范围内测力元件的变形很小，因而电阻丝的 电阻改变量姐也就很小，为了提高测量精度，希望增大电阻改变量艘，这需要 增加电阻丝的长度l ，以加大初始电阻r ，但同时又要能反映一点处的应变。因 此通常把电阻丝绕成栅状，如图3 2 所示，这就成为电阻应变片，跟电阻丝一样， 电阻应变片也存在关系式： 竺丛：置 占 式中；k 一电阻应变片灵敏系数 目前常用的电阻应变片有丝绕式应变片，箔式应变片和半导体应变片等。 常用材料为康铜或镍铬丝，箔式电阻应变片则用康铜或镍铬箔利用光刻技术腐蚀 成栅状，然后粘固于塑料基底上制成。 电阻应变片的基本参数为：标距l ，宽度a ，灵敏系数k 及电阻值r 。( 如图 3 2 所示) 需要注意的是，因为构件的变形是通过电阻应变片的电阻变化来测量 的，所以，电阻应变片的粘贴应保证它随同构件变形。并要求应变片与构件之间 有良好的绝缘。 电阻应变片随同被测测力元件变形而引起电阻变化，通常采用四臂电桥( 即 惠斯顿电桥) 的零读数法来测量。 b a u 肛 图3 2 电阻应变片图3 3 惠斯顿电桥“” f i 9 3 1 an a k er e s i s t a n c es 圩a i n f i 9 3 2b r i d g ec i r c u i t 电桥线路的工作原理如图3 _ 3 所示，电桥四个桥臂a b 、b c 、c d 、和 d a 的电阻分别为墨、如、玛、和r 4 。当在对角节点a 、c 上接上电压为u 。 的直流电源时，则另一对角节点b 、d 的输出端电压u 。为 1 4 第三章试验方案及试验设各 u = u 一u = i t k i r 4 扪- = 羔 = 最 冠+ 最 置+ r 。 故得u ”却一c 杀揣 当电桥平衡时，u 。= o ，于是由上式得电桥平衡条件为 蜀玛= 尺：髓 若电桥的四个桥臂为贴在被测构件上的电阻应变片，且其初始电阻均相等，即 蜀= 如= 马= r 。= r 。 如在构件受力前电桥保持平衡( u 。= o ) ，在构件受力后，各电阻应变片产生的电 阻改变量为冠，则可得电桥输出端电压为 吣等等幕赫筹黼 化简上式略去置的高次项，由于从，相对于r 来说很小，在分母中略去r 的 高次项，于是得到 u 。巩。堡些芦 实际上，电阻应变片因弹性变形而产生的电阻改变量从很小，通过指示仪 表的讯号也很弱。一般在指示仪或数据采集仪前面装置半导体放大器，使电桥输 出端的讯号放大几万倍，再由指示仪表显示出来或由数据采集仪进行采集，这样 使仪器的灵敏度和精确度都大为提高。 2 、应变片的选择应变片的种类主要有丝式应变片、箔式应变片、应变花 和半导体应变片。箔式应变片的优点是粘合面积大，粘结情况好。具体较大的散 热能力，因此工作电压大，从而输出也可增大。此外箔式应变片由于头部横向部 位较宽，因而横向效应可以忽略。蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。 综上所述，结合本研究的实际情况及各种应变片的特点，本研究选择箔式应 变片作为敏感元件 3 1 2 弹性元件的结构形式和支承方式 为了使应变具有较纯的变形式( 如纯拉、压、弯等) ，提高测量精度，所以 下文对弹性元件的结构形式和支承方式进行讨论。 广东工业大学工学硕士学位论文 电测方法就是将应变片贴在弹性元件上，在力的作用下，弹性元件发生变形。 引起电阻应变片的电阻值改变，从引起测量电桥输出电流发生变化进行测量的。 因此，弹性元件的结构设计、选材及制造工艺直接影响测量的方便性，准确性和 灵敏度。 1 、弹性元件的结构形式弹性元件在传感器中承受被测载荷产生弹性变形， 这个变形传递给应变片引起电阻变化。根据对传感器的量程、精度、受载方式及 允许尺寸等不同要求，常采用柱式、梁式、环式、膜式、剪切式等结构形式的弹 性体。 柱式弹性元件结构简单、紧凑、加工制造方便。在柱式弹性元件中，拉应变 和压应变的数值不同，因此存在着固有的非线性。这种结构对于横向载荷比较敏 感，在设计时往往采用空心结构或多柱结构，并且装有防止横向载荷干扰的膜片。 柱式传感器可以测量1 0 0 0 n 至数千万n 的力( 载荷) 。 梁式弹性元件受载荷时产生弯曲应变，拉应变和压应变的绝对值相同，因此 线性好，而且贴片容易，灵敏度比较高。梁式弹性体适用于载荷为o n 至2 0 0 0 0 n 的传感器。梁式弹性元件的最大缺点是载荷作用点的变化对输出有很大影响。采 用双梁结构可以大大减少这种影响。 在剪切传感器中，电阻应变片在弹性元件受剪切应变的部位沿着主应力的方 向粘贴，分别感受拉应变和压应变。弹性体中的剪切应变与所受载荷成正比，而 与载荷的作用点无关，因而载荷偏移对输出无影响。剪切式传感的测量范围通常 为几千牛顿至几十万牛顿。常用的剪切式传感器结构有工字形截面悬臂切式结 构，和轮辐式传感器的结构。 影响弹性元件性能的因素，除了应变片粘贴部位的结构和尺寸外，承载的压 头和弹性基座也不能忽视，合理的压头和基座结构能保证将载荷不失真地传递给 弹性体。 弹性元件承受应力大小及其结构形式和几何尺寸，取决于所测参数的性质、 大小、必要的灵敏度以及安装空间的位置等因素。在被测参数( 如力、位移、加 速度、振幅等) 的作用下，所产生的机械力应与被参数之间保持良好的线性关系， 尤其是要有良好的重复性。因此弹性元件任何截面上的应力o ，均应低于材料的 屈服极限强度盯，并应有足够的余量，但安全系数不应过大，以免降低传感器的 灵敏度，一般应在o 1 5 一o 3 5os 之间为宜。用于动态的传感器的值应小于0 2 以。 2 、弹性元件的性能要求弹性元件的性能是与它的材料、处理状态和结构 1 6 第三章试验方案及试验设备 有关的。对弹性元件的性能要求主要包括：非线性、弹性滞后、弹性后效、弹性 模量的温度系数、刚度和自振频率等。 ( 1 ) 弹性元件的非线性表示弹性元件上某一点( 如粘贴应变片处) 的应 变与载荷之间关系的非直线性程度。通常对传感器进行非线性和滞后测定，而不 单独对弹性元件进行这项测定。 ( 2 ) 弹性滞后在材料的弹性范围内应变一载荷特性曲线的加载线和卸载线 不重合，即同样的载荷加载的方向不同，弹性元件的应变不一样。 ( 3 ) 弹性后效在弹性范围内，当加上一静载荷后，弹性体的应变不是立 即达到静载荷时的应有值，而是略有后延。当载荷卸去后，其应变也不是立即恢 复到零而需要经过一段时间，但最终应无残余应变。 ( 4 ) 弹性模量的温度系数随着温度的变化，弹性模量值也稍有变化。也 就是在同样的载荷下温度不同，应变也不一样，应而会产生误差。 ( 5 ) 弹性元件的刚度和自振频率弹性元件在外力的作用下将产生相应的 变形，如果外力为定值，则弹性元件产生变形的大小与其刚度成正比，通常把产 生弹性元件单位变形所需的力叫做弹性元件的刚度。在动态测量时，对测量的准 确性有较大的影响。 3 、弹性元件材料的选择为使弹性元件受力变形后有较大的输出，宜选用 具有恒定的高回弹模量以及基本上没有滞后、有良好的线性和稳定性的材料。 弹性元件的材料一般多采用机械性能优异的钢材，如：6 5 m n ，4 0 c r n i m o a ， 3 0 c r m n s i 等。要求不高时可以用4 5 钢。本研究要求较高，故选6 5 m n 为弹性元 件的材料 4 、弹性元件的支承方式为了使弹性元件获得较大大的变形和使弹性元件 处于纯弯应力状态，必须选择合适的支承方式，分述如下：( 1 ) 固定悬臂式如 图3 4 ，簧片布置成固定悬臂方式，电阻应变片贴在靠近固定端处。由于悬臂方 式结构，刚性较差。所以在力g 作用下，能获得较大的变形量，因而较灵敏，缺 点是支点必须固定在墙上或其它刚性结构上，被测力g 通过钢丝绳传递给滑轮， 再由滑轮传递给弹簧片，因此，在测量读数值中引入了滑轮结构的摩擦阻力，该 摩擦阻力随g 的变化而变化，是一个未知数，但在实验结果中必须将其分离出来， 要做到这一点十分困难。 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 图3 4 固定悬臂方式 f i 9 3 4f i x e dc a n t i l e v e rb i i d 罟c ( 2 ) 不固定悬臂式如果按图3 5 的非固定悬臂方式安装，则在g 的作用 下，簧片测力装置部分必然会向顺时针方向旋转一个角度，使簧片偏离水平位置， 与标定状态不相符，造成读数偏差较大，此外，由于g 力的变化会引起旋转角度 的变化，造成簧片装置不断摆动，将严重影响测量结果，因此，图3 5 所示的安 装方式虽然消除了摩擦力的影响，但仍然不宜选用。 | | 蝌舻事 鬻季麓i 麓l 瑟i 黧麓萋薹嚣i 图3 5 非固定悬臂方式 f i 9 3 5u f i x e dc a 叫l e v e r b i i d g e l s 第三章试验方案及试验设备 ( 2 ) 简支梁式如图3 6 所示是弹性元件( 簧片) 采用简支梁“”安装的方式， 由于作用力通过装置的中心，因此装置不会产生旋转。保证了标定状态与测量状 态的一致，由于牵引潜体的力的反作用力直接作用在簧片上，因此，消除了滑轮 等其它传动构件( 传动副) 的摩擦力对测量结果的影响，便于数据的分析、处理。 通过以上分析，本实验簧片装置采用图3 6 所示的安装方式。 图3 6 简支梁式 f i 9 3 6 b e a mo f b f i e fs u p p o n 综上所述，简支梁结构具有工稳定，变形大的特点，所以本设计用简支梁结 构作为弹性元件的支承方式。 3 1 3 传感器构件设计 1 、框架框架的主要作用是用来支承弹簧片，框架结构应具有良好的刚性， 足够的强度，方便簧片装拆等，其结构形状及尺寸参数如图3 6 所示。 2 、弹簧片弹簧片作为应变元件，其形状及尺寸参数对测量范围及灵敏度 有直接的影响，故应通过强度、刚度设计来确定。为了使用及安装方便，弹簧的 长度拟定为9 0 m m ，宽度拟定为2 0 m m ，见图3 7 ，厚度按强度条件设计，弹簧片 受力情况见图3 8 。对等截面梁，最大弯曲应力为： 。= 争 。， 式中m 。弹簧片所受最大弯矩 1 9 童三兰奎耋三兰堡圭兰堡篁圣 耽弹簧片最大弯矩处的抗弯截面模量 【仃】许用应力，查表得 【盯】- l o o 1 0 6 m = 长= 孚 卜一梁的有效长度 得盖 1 0 0 1 0 6 6 ：! ! 錾一：旦姜 1 0 0 1 0 6 o 0 22 1 0 0 2 5 9 8 1 0 一3 ( m ) 因此，取h = 3 m m f i 9 3 7s p r i gf l a k c 2 0 孚删 i | 珊一。 一阢 = 由 丝主塞兰墼蜜童垒苎塞塞重 0 o q l q ，一 【 一 i i 一 m i 仃仆l 。 图3 8 弹簧片受力图 l l f i 9 3 8f o r c ee x e r t e dt ot h es p n n gf l a k c 由以上分析可见，截面为矩形的薄片弹簧为纯弯曲变形，符合本实验的要求， 故选择截面为矩形的薄片弹簧为本实验的弹性元件。 由于弹簧片是传感器的核心部分，因此对其加工要求相当严格。弹簧片的 基本工艺流程1 如下： 材料取样分析一下料一锻造一退火一粗加工一调质处理一精加工一热处 理一探伤一磨削加工一时效处理一疲劳处理一氧化或涂覆处理。 另外还需注意应变仪的选用，常用的应变仪主要有静态电阻应变仪，静、动 态电阻应变仪，动态电阻应变仪等。根据本研究的特点选择动态电阻应变仪，动 态电阻应变仪适合于频率为1 0 0 卜5 0 0 0 h z 应变信号的测量。 2 1 广东工业大学工学硕士学位论文 3 1 4 卷扬机构设计 卷扬机构主要由卷筒、钼丝和滑轮组等组成，为了实现变速及简化装置的制 造，选用低速扭矩性能较好的步进电机。卷扬机构装配情况简图见图3 9 。实物 照片见图3 1 0 厂 l j 2 进电机 翼 蕊 冀 。：k y 划 习侈| j 1 畸 删 1 j l 一 ，醇基萋 ， 惑 艮强闷 爵穗呙爵粼氯。 s氧庄丑甚 p耳 丑瞿丑b吐 阴防钐翻眵升彰绷杉钐钐形钐律彰嬲黝 l lul _ul l川l lul lj jl lj j 图3 9 卷扬机构装配图 f i 9 3 9a s s e m b u n go fl i m n gs t m c t u r e 图3 1 0 步进电机卷扬机构实物照片 f i 9 3 1 0s t e pm o t o ra n du m n gs t m c t u r cp h o t o 第三章试验方案及试验设各 3 1 5 仪器选用 根据实验装置图，应备有4 个滑轮，2 个滑轮支架( 如滑轮没有支架则需另 行设计) 、1 个步进电机( 最大转速n 一= 6 0 0 r ，m i n ，最大扭矩m 。= 4 n m ) 、螺栓、 弹簧片、应变片、应变仪、数据采集卡、合作方提供的模拟潜器、标定法码、电 源、开关、钼丝及计算机等。 3 。2 单片机控制系统主要功能及程序设计 3 。2 1 单片机控制系统主要功麓 如图3 一“所示。单片机控制系统主要功能共分为四大模块：采样模块，通信 模块，步进电机驱动模块，主控模块。 图3 1 l 单片机控制系统电路的各个功能模块 f 堙3 1 l b l o c k so f m c uc o m r o lc i r c u i ti nt e s ts y s t c m ( 1 ) 主控模块实验装置的“大脑”。主要功能是协调以及监控各模块的 工作，选取相应的算法，计算出步进电机的运行步数。其主要器件是 a t 8 9 c 5 1 单片机 ( 2 ) 采样模块采集应变放大器输出的应变信号。应变放大器输出的应变 信号是o 5 v 的电压信号，采样模块把模拟的电压信号转换成数字信号， 即a d 转换。 ( 3 ) 通信模块实验装置利用单片机的串口和上位机通信，两者的串口电 平不一致，需要进行转换。上位机主要监控和记录数据。 ( 4 ) 步进电机驱动模块实验装置利用单片机扩展的并口控制步进电机 驱动器。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 2 2 采样模块 1 、采样芯片a d 5 7 4 a 采样器件是要把应变放大器的模拟电压信号转换成 单片机能识别的数字信号。应变放大器的转换精度比较高，因此必须选择一个精 度较高的采样元器件。a d 5 7 4 a 是一个1 2 位的转换芯片，其分辨率为o 2 4 ， 可以满足硬件系统采样的需要。芯片的转换速度比较快，只要3 5 s ，可以节约硬 件系统的资源，提高采样频率。 a d 5 7 4 a 经过a ，d 转换的数字信号是1 2 位，而8 0 5 1 系列的单片机是却是8 位机，这样就需要总线分两次读取采样的信号，先读低八位数据，后读高四位数 据。芯片的2 8 引脚是转换的状态脚，转换状态是1 ，转换完毕后引脚置o ，这样 系统就可以通过查询或者中断方式来得知a ，d 是否转换完毕。因为a d 5 7 4 a 的转 换速度比较快( 3 5 掣s ) ，所以使用查询方式检测a ，d 的转换状态，节约单片机为 数不多的外部中断输入口。 3 、多路模拟开关c d 4 0 5 l b多路模拟开关主要是用作采样的时候可以进行多通 道的采样。c d 4 0 5 l b 是可控双向八通道芯片，单片机可以通过设置a 、b 、c 三 个引脚输入电平的高低来选择通道，其通道选择是由单片机的p l 口控制。每个 通道可以通过最大2 0 v 的模拟电压信号。其实系统只用到一个通道，但为了便于 日后扩展，使系统能进行多路采样，我们设计硬件系统时还是加上了这个功能。 4 、采样保持器l f 3 9 8 采样芯片作a ，d 转换时是需要时间的，而在此期间输入 的模拟信号可能在不断的变化，因此必须有元器件能保持某一时刻的输入的模拟 信号值，使a d 转换的整个过程都是同某一时刻模拟信号比较。采样保持器就是 保持某一时刻的模拟电压的器件。系统选用l f 3 9 8 采样保持器，该芯片捕捉时间 较短，小于1 0 s ，可以满足采样的要求，而且精度很高，达到o 0 0 2 。 5 、采样模块电路图将各个元器件组合起来如图3 1 2 所示。 第三章试验方案及试验设各 图3 1 2a d 采样电路模块 f i g3 1 2b i o c ko fs a m p l i n gd r c u i t 3 2 3 驱动步进电机模块 1 、电机的选择精密控制常用的电机有两种：步进电机和交流伺服电机。交流伺 服电机需要2 2 0 v 或者1 1 0 v 交流电源，潜在较大的不安全性，万一漏电，对实验 人员造成很大生命威胁；步进电机使用4 0 v 左右的直流电源，安全性较好，控制 精度高。经过综合考虑，选用步进电机方案。 2 、可编程接口芯片8 1 5 58 0 5 l 系列单片机只有一个真正的i o 口，就是p 1 。但 驱动步进电机至少要两个独立的i 0 口，一个作为换向控制口，另一个是产生脉 冲的步迸电机步数控制口。因此硬件系统必须进行并口扩展，这就使用到并口扩 展芯片8 1 5 5 。8 1 5 5 芯片可以扩展成p o r t a 、p o r t b 、p o r t c 三个并口，而且 8 1 5 5 是可编程的芯片，可以通过设置命令字来设定三个口各自的工作模式。再者 它还具备了2 0 4 8 字节的r a 】i i 和一个定时器，可以实现数据缓存或者时钟输出，在 驱动步进电机的模块中，这两个功能没有用到。 3 、驱动步进电机模块电路图 广东工业大学工学硕士学位论文 3 2 4 通信模块 图3 1 3 驱动步进电机电路模块 f i g3 1 3b l o c ko fs t e pm o t o rd r i v ec i r c u “ 连接两相步进电机 通信是在微机和单片机之间进行的，因为距离比较远，所以使用串行的通信 方式。a t 8 9 c 5 2 自带串口，很方便地实现串行通信。但单片机串口电平是t t l 电 平，而微机的电平是r s 2 3 2 电平，因此必须要进行电平转换。系统使用一个专用 的转换芯片m a x 2 3 2 。m a x 2 3 2 是一块t t l ，r s 2 3 2 双向转换芯片，既可以把输入 的t t l 电平转换成r s 2 3 2 平输出，又可以把输入的r s 2 3 2 电平转换成t t l 电平 输出。串行通信的连接图如图3 1 4 所示。 p c 机串行口 图3 1 4 串行通信电路模块 f i g3 1 4b l o c ko fs c r i a lc o m m 岫i c 瓶o nc i r c u i t 单片机串行口 第三章试验方案及试验设各 3 2 5 单片机系统总体电路 系统选用a t 8 9 c 5 2 单片机作为系统的核心，它是8 0 5 l 系列中的一种。8 0 5 l 单片机有可靠性很高，结构简单，功能齐全等特点。利用它组成的电路系统十分 紧凑，很适合嵌入到潜式坐标的内部。单片机系统电路原理如图3 一1 5 所示。芯片 m a x 8 1 3 l 是看门狗电路，当电源电压过低或者程序起飞时可以使系统复位。因 为a t 8 9 c 5 2 只有2 5 6 字节的片内内存，所以在系统中加入外部r a m 芯片6 2 2 5 6 。 系统通过g a l l 6 v 8 可编程芯片进行译码选址。整个电路板以及步进电机驱动器 都放置在潜标的内部，实时采集数据以及对潜标进行控制。控制电路整体实物照 片如图3 1 6 所示。 图3 一1 5 单片机系统原理图 f i g3 一1 5c i r c u “d i a g r a mo fm c us y s t c m 图3 1 6 控制电路实物照片 f i 9 3 1 6e l e c t r i cc i r c u i tb l o c kp h o t oo fc o 舡o l l i n g 3 2 6 上位机的主要功能 上位机主要功能是保存、处理数据，以及在控制过程中修改数据。本文选用 了普通的p c 机作为系统的上位机。 3 3 试验程序设计 单片机部分的软件结构分为几个函数，各实现不同的功能。除主体函数u v c 外，还有外部函数：采样函数a d c 、算法函数c a l c l l l c 、通信初始化c o m i n i t 3 c o 主体函数u v c 还包含几个中断响应的内部函数；外部中断1 的中断服务程 序v o i di n t e r e x l ( ) i n t e i t l l p t2u s i n g3 、定时器2 的中断服务程序v o i di n t e r t 2 ( ) i n t e f r u p t5u s i n g2 、定时器o 的中断服务程序v o i di n t e r t o ( ) i n t c i t u p tlu s i n gl 、串 行中断服务程序v o i d i i l t e r s e i u a l i n t 咖