(完成版)质心测量方案报告

《振动筛偏心块质心位置测量》

——测量方案报告

系别：机电工程系

专业：测控技术与仪器

班级：082911

小组：第五组

指导老师：王平周先辉

引言

在机械工程领域, 质心测量是一个应用十分广泛的测量项目, 如通用汽车的动力总成、汽车总装质心高度的测量,装甲车辆和车体上武器系统的质心分布, 火箭、飞机等各类飞行器的质心测量, 振动筛偏心块质心位置测量等，都属于质心测量的范畴。

根据测量原理的不同，质量质心测量方法通常分为三类：悬挂法、复摆测量法和质量反应法。悬挂法是利用自由悬挂时质心必然通过悬挂点垂直面的原理来确定质心位置的方法，该方法只适用于小型设备且精度不高；复摆测量法是利用复摆摆动原理进行测量的方法，通过两次不同摆幅的摆动测量计算出高度方向质心坐标，该方法只能进行装备高度方向的质心坐标测量，且试验过程复杂，试验操作步骤多，误差影响环节较多，安全性较差；质量反应法是利用力矩平衡的原理进行质心测量的方法，该方法试验过程相对简单，普及率较高。

三点支撑法是质量反应法的一种，是目前应用比较广泛的一种质心测量方法，它通过3个称重传感器支承测试台，通过力矩平衡原理可同时对弹丸的质量、质心和偏心进行测量。该方法结构简单，测量方便，测量效率、测量精度高，本次实训同样采用三点支撑法来测量振动筛偏心块质心位置。

1 三点支承法测量原理

3个称重传感器支承点以及偏心块在测试平台上的投影如图1 所示，建立坐标系(坐标原点为测试平台中心) 。3个传感器支承点的坐

标位置如图，分别为

()

111

,

s x y

，

()

222

,

s x y，()

333

,

s x y。偏心块质

心在o x y中的投影坐标为

()

,

c c

c x y

。

图1：俯视图

图2：主视图

( 1 ) 测质量

根据传感器测得的值可得弹体的重量为：

()

123f f f G

M g g ++==

①

式中：123,,f f f —— 传感器值除去测试台重量的净值；

g —— 重力加速度。

( 2) x 向质心位置

测量装置在oxy 平面中，根据力矩平衡原理得：

②

( 3 ) y 向质心位置

测量装置在oxy 平面中，根据力矩平衡得：

112233()

c f y f y f y y G

++=

③

2 测试系统设计

系统结构图：

2.1 压力传感器电路设计

2.1.1称重传感器介绍

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器茵先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。

分类：称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化

放 置 偏 心 块

压力 传 感 器

电 压 信 号

数 据 采 集

计算机 数据处理

显示称重 质心位置

并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。

电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。

2.1.2称重传感器选择

偏心块的质量在100kg左右，工作台设计重量为50kg，共重150kg。设计中共使用三个称重传感器，每个传感器载重约为50kg。由此可选用电阻式传感器型号ZEMIC L6E-80KG

2.2 数据采集及分析

2.2.1 数据采集

数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析、处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB 、PXI 、PCI 、PCI Express 、火线(1394)、PCMCIA 、ISA 、Compact Flash 、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。

2.2.1 数据处理

电压信号经数据采集卡，进行A/D 转换，再将所测数据经过串口送入上位机（计算机）。用计算机对接收数据转换可得到三个传感器测得的力的大小f1、f2、f3，然后通过计算公式可计算出质心位置

()

,c c c x y ，并显示输出。

电

压

信 号

3 误差分析与补偿

以上分析可知，质量误差主要来自传感器测量误差；质心误差主要来自传感器重量测量误差、传感器的定位误差。

传感器的测量误差可通过采用高精度传感器来提高测量精度；传感器的定位误差主要有传感器的安装误差、传感器顶点的不确定，其最终都会使传感器顶点位置坐标产生位置误差，可通过测量方法的改进进行补偿，抵消一定的误差。文中分析某单一误差时都是在假设其他误差为零的情况下进行的。 3.1质量误差

根据随机误差传递公式得重量误差为：

2

22

3

12

G f

f f

σσσ

σ=

++

3.2质心误差

设传感器综合极限误差

1

2

3

f f f σ

σ

σ

σ

===。

( 1 )由传感器测量误差引起的x 的质心误差为：

( 2 ) 由定位误差引起的x 的质心误差为：

112233()

c f x f x f x x G ??+??+???=

式中：

1

x ?、

2

x ?、

3

x ?分别为位置误差。

( 3 ) 由传感器测量误差引起的c y 的误差为：

[][][]

222

2123131223231312322

()()()()()()c

x f x x f x x f x x f x x f x x f x x G

σ

σ=

-+-+-+-+-+-[][][]

222

2123131223231312322

()()()()()()c

y f y y f y y f y y f y y f y y f y y G

σ

σ=

-+-+-+-+-+-

( 4 ) 由定位误差引起的c y 误差为：

112233()

c f y f y f y y G ??+??+???=

式中： 1

y ?、

2

y ?、

3

y ? 分别为位置误差。

4 结 论

综合以上公式推导以及误差分析可知：提高传感器的测量精度可减小各参数的误差；通过测量方法补偿可大大减小各参数的误差；通过机械结构的改进减小了人为操作引起的误差。通过合理选择传感器，改进机械结构，使用合理补偿方法可提高质量、质心的测量精度。

附录： 组长：董胜飞

成员：董胜飞 孙康 高彪彪 杨铭 王少波

王茜 程文丽