失重状态下质量测量仪的制作方法
本实用新型涉及航天计量技术领域。具体地说是失重状态下质量测量仪。
背景技术：
由于没有重力的存在，在太空失重环境下测量宇航员人体质量与地面上存在很大的不同，不能用一般的体重秤进行测量。在失重环境下进行质量测量的思路都是使物体运动起来，测量物体运动时与质量有关的物理量参数实现质量测量。目前国内外研究的主要方法可以分为三类：弹簧振子原理，牛顿第二定律，动量定理。
利用牛顿第二定律的方法测量质量，相比较于振动原理测质量的方法，在物体的非刚性影响方面较小，容易得到较高的精度，但是对于匀加速直线运动，运动的行程比较短，需要控制装置稳定的运动并且准确测量加速度难度较高。如果采用圆周运动，所需空间比较大，不适合空间站、飞船等狭小空间。
应用动量定理测量质量，使物体运动跟力传感器产生碰撞，测量物体碰撞前后的速度，再根据力传感器测量得到的力进行时间积分，可以计算出待测的质量。动量定理测质量的方法目前还停留在概念阶段，还没有经过在轨验证，该方法还是存在很多困难：①一般需要同时测量力和速度两个量，对测量提出了更高的要求。②一般会产生碰撞，对于人体测量可能会产生不适，并且碰撞会导致非刚体产生不规则运动，影响速度和力的测量。③碰撞过程需要对运动和摩擦进行严格的控制，实现起来有一定的难度。
技术实现要素：
为此，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种失重状态下质量测量仪。
为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：
失重状态下质量测量仪，包括测量仪主机(100)、承重支架和底座安装架(1)；所述测量仪主机(100)具有振动自由端和安装固定端；所述安装固定端与所述底座安装架(1)固定连接，所述振动自由端与所述承重支架活动连接，所述承重支架与所述振动自由端的相对位置沿所述振动自由端的振动方向固定不变，所述承重支架与所述振动自由端的相对位置沿垂直于所述振动自由端的振动方向可变。
上述失重状态下质量测量仪，所述承重支架包括支架主干，所述振动自由端上安装有连接轴承座(11)和防转动销(14)；所述支架主干穿过所述连接轴承座(11)上的上下浮动孔(13)，并且所述支架主干的外表面上开设有沿所述支架主干轴线方向的上下浮动滑槽(12)，所述防转动销(14)的一端穿过所述连接轴承座(11)上的销孔并伸入到所述上下浮动滑槽(12)内，所述防转动销(14)与所述连接轴承座(11)之间螺纹连接。
上述失重状态下质量测量仪，所述测量仪主机(100)包括底座(01)、支架(09)、固定圈(06)、弹簧振动机构、转动限位机构和周期计算机构；所述支架(09)的两端分别与所述底座(01)和所述固定圈(06)固定连接，所述弹簧振动机构的底部固定安装在所述底座(01)上，所述弹簧振动机构的顶部穿过固定圈(06)，所述转动限位机构包括固定限位部件和移动导向部件，所述移动导向部件固定安装在所述弹簧振动机构上，所述固定限位部件固定安装在所述支架(09)上；所述周期计算机构包括固定部件和移动部件，所述周期计算机构的固定部件安装在所述支架(09)上，所述周期计算机构的移动部件安装在所述弹簧振动机构上。
上述失重状态下质量测量仪，所述弹簧振动机构包括弹簧(02)、法兰(03)、直线光轴(04)和直线法兰轴承(05)；所述弹簧(02)的底部固定安装在所述底座(01)上，所述弹簧(02)的顶部固定安装在所述法兰(03)的下底面上，所述直线光轴(04)的底部固定安装在所述法兰(03)的上表面上；所述直线法兰轴承(05)的法兰部分与所述固定圈(06)通过螺栓固定连接，所述直线法兰轴承(05)的轴承部分位于所述底座(01)与所述固定圈(06)之间，所述直线光轴(04)的顶部穿过所述直线法兰轴承(05)的轴孔并向着远离所述直线法兰轴承(05)的轴承部分的方向伸出，所述法兰(03)和所述弹簧(02)位于所述底座(01)和所述直线法兰轴承(05)的轴承部分之间。
上述失重状态下质量测量仪，所述底座(01)和所述法兰(03)上分别开设有一个环形安装槽(01-1)，所述环形安装槽(01-1)的外径等于所述弹簧(02)的外径，所述环形安装槽(01-1)的内径等于所述弹簧(02)的内径，所述弹簧(02)的底端固定安装在所述环形安装槽(01-1)内。
上述失重状态下质量测量仪，所述底座(01)和所述法兰(03)上分别安装有四个横跨环形安装槽(01-1)的一字型夹片(01-2)，并且四个所述一字型夹片(01-2)沿所述环形安装槽(01-1)的周向等间距分布。
上述失重状态下质量测量仪，所述固定限位部件为具有直线型滑槽的滑槽轨道(010)，所述移动导向部件包括滚动轴(011-1)和导向轮(011-2)，所述滚动轴(011-1)的一端通过轴盖(014)固定安装在所述弹簧振动机构上，所述导向轮(011-2)位于所述滑槽轨道(010)的直线型滑槽内，并且所述导向轮(011-2)通过轴承安装在所述滚动轴(011-1)的另一端上；所述滑槽轨道(010)安装在所述支架(09)朝向所述弹簧振动机构的一侧面上，并且所述滑槽轨道(010)上的直线型滑槽与所述弹簧振动机构的往复运动方向平行。
上述失重状态下质量测量仪，所述周期计算机构的固定部件为对射光电传感器(012)，所述周期计算机构的移动部件为遮光板(015)；所述遮光板(015)的一端固定安装在所述弹簧振动机构上，所述遮光板(015)的另一端随着所述弹簧振动机构的运动往复经过所述对射光电传感器(012)的发射端(07)和接收端(08)之间；所述支架(09)为直线型立板，所述直线型立板与所述底座(01)之间以及所述直线型立板与所述固定圈(06)均通过直角连接件(013)固定连接；所述直线型立板为四个，并且沿所述弹簧振动机构的周向等间距分布；所述固定圈(06)包括一个固定环(06-1)和四个固定臂(06-2)，四个所述固定臂(06-2)沿所述固定环(06-1)的周向等间距分布且分别与所述固定环(06-1)固定连接；所述弹簧(02)的刚度为：当称重的总质量m为90kg时，弹簧的振动周期t为1.75-2.25s。
上述失重状态下质量测量仪，所述失重状态下质量测量仪还包括光学平台(2)、气浮平台(3)和气浮块(17)，所述底座安装架(1)和所述气浮平台(3)分别固定安装在所述光学平台(2)上表面上，所述气浮块(17)固定安装在所述承重支架底部；所述承重支架为砝码支架(15)，所述砝码支架(15)包括砝码支架底盘(15-1)、砝码支架主干(15-2)、螺纹杆(15-3)和砝码压盘(15-4)，所述砝码支架主干(15-2)的底端固定安装在所述砝码支架底盘(15-1)上，所述螺纹杆(15-3)的一端与所述砝码支架主干(15-2)螺纹连接，所述螺纹杆(15-3)的另一端与所述砝码压盘(15-4)螺纹连接；所述气浮块(17)固定安装在所述砝码支架底盘(15-1)的下底面上；所述螺纹杆(15-3)包括竖直安装螺纹杆、第一水平安装螺纹杆和第二水平安装螺纹杆，所述竖直安装螺纹杆的下端伸入到所述砝码支架主干(15-2)顶端的轴向中孔内且与所述砝码支架主干(15-2)螺纹连接；所述第一水平安装螺纹杆和所述第二水平安装螺纹杆均与地面平行且同轴位于所述砝码支架主干(15-2)的两侧。
上述失重状态下质量测量仪，所述失重状态下质量测量仪还包括光学平台(2)、气浮平台(3)和气浮块(17)，所述底座安装架(1)和所述气浮平台(3)分别固定安装在所述光学平台(2)上表面上，所述气浮块(17)固定安装在所述承重支架底部；所述承重支架为人体支架(4)，所述人体支架(4)包括人体支架底盘(5)、座位平板(6)、座位杆(7)、人体支架主干(8)、手脚支架(9)和胸部支架(10)，所述人体支架主干(8)的底端和所述座位杆(7)的底端分别固定安装在所述人体支架底盘(5)的上表面上，所述座位平板(6)固定安装在所述座位杆(7)的顶端，所述手脚支架(9)和所述胸部支架(10)分别固定安装在所述人体支架主干(8)上，所述气浮块(17)固定安装在所述人体支架底盘(5)的下底面上；所述气浮块(17)由第一气浮块、第二气浮块和第三气浮块组成，所述第一气浮块、所述第二气浮块和所述第三气浮块沿同一圆周等间距固定安装在所述人体支架底盘(5)的下底面上；所述手脚支架(9)由上手脚支架、中手脚支架和下手脚支架组成，所述上手脚支架固定安装在所述人体支架主干(8)的上端，所述下手脚支架固定安装在所述人体支架主干(8)的下端，所述中手脚支架固定安装在所述上手脚支架与所述下手脚支架之间的所述人体支架主干(8)上，所述胸部支架(10)固定安装在所述中手脚支架与所述下手脚支架之间的所述人体支架主干(8)上；所述底座安装架(1)包括第一纵向铝型材、第二纵向铝型材、第三纵向铝型材、第四纵向铝型材、第一横向铝型材和第二横向铝型材，所述第一纵向铝型材、所述第二纵向铝型材、所述第三纵向铝型材和所述第四纵向铝型材分别固定安装在所述光学平台(2)的上表面上，并且所述第一纵向铝型材底端的四个侧面、所述第二纵向铝型材底端的四个侧面、所述第三纵向铝型材底端的四个侧面和所述第四纵向铝型材底端的四个侧面分别通过铝型材角件与所述光学平台(2)固定连接；所述第一横向铝型材的两端分别通过铝型材角件与所述第一纵向铝型材和所述第二纵向铝型材固定连接，所述第二横向铝型材的两端分别通过铝型材角件与所述第三纵向铝型材和所述第四纵向铝型材固定连接；所述上手脚支架、所述中手脚支架和所述下手脚支架均穿过所述人体支架主干(8)上的安装孔，且所述上手脚支架、所述中手脚支架和所述下手脚支架相互平行；所述胸部支架(10)一端穿过所述人体支架主干(8)上的安装孔并且向着所述座位平板(6)的正上方延伸，所述胸部支架(10)垂直于所述上手脚支架。
本实用新型的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1、直线光轴和直线法兰轴承的配合设计，确保直线光轴能够非常平稳地运行、提高测量准确性和精确度，并且在测量时噪音极小。
2、直线法兰轴承通过其一端的法兰能够与固定圈非常方便地固定安装在一起，确保直线法兰轴承与固定圈之间稳固地安装在一起，更好地为直线光轴提供往复运动的轨道。
3、通过在底座和法兰上分别设置环形安装槽，以及通过一字型夹片将弹簧一端固定在环形安装槽内；确保弹簧两端连接稳固，在测量的时候只会沿轴向拉伸或压缩，不会发生横向偏移，确保测量结果的可靠性和精确度，在弹簧刚度发生改变的时候方便更换不同的弹簧，而且这种安装方式有利于主机的快速拆卸及安装。
4、滑槽轨道、滚动轴以及导向轮的配合使用，能够很好地确保弹簧与直线光轴一起做往复直线运动，并且可以消除直线光轴与直线法兰轴承长期使用状态下可能对弹簧造成的径向轻微偏移。
5、对射光电传感器与遮光板配合可以方便地检测弹簧振子的振动，从而计算弹簧振子的周期。
6、底座、支架、固定圈组成固定框架，弹簧两端分别固定在底座和直线光轴一端，采用直线轴承与直线光轴配合的方式，使得弹簧振子系统沿直线光轴轴向做直线运动，弹簧振子系统运动平稳、噪声小。该装置结构设计紧凑、重量轻、工作可靠，可实现失重情况下人体质量的准确测量。
7、可以在地面上模拟太空失重环境，用于失重状态下质量测量仪应用可靠性和准确性的检验，辅助用于失重状态下质量测量仪的设计制造，从而加快实际应用的研发进度。
8、在对质量测量仪进行检验的时候，受试者可以坐在座位平板上面，胸部抵靠在胸部支架上面，双臂分别从人体支架主干两侧的上手脚支架下方向上环绕上手脚支架、使双手分别置于下巴两侧；双腿分别从人体支架主干两侧的中手脚支架上方向下环绕中手脚支架，并且脚面抵靠在下手脚支架上，肘部置于双腿上；人体支架的结构设计使得受试者能够保持相对比较稳固的姿态进行质量测试，减少检验过程中由于受试者重心变化而导致的误差。
9、底座安装架的结构简单、易于组装成型，所用部件可以直接从市场上购买，降低测试平台的制造成本，并且稳定可靠。
10、连接轴承座、防转动销和上下浮动滑槽的设计可以使得人体支架能够上下浮动(人体支架主干与上下浮动孔之间为间隙配合)，上下浮动滑槽以及防转动销可以使得人体支架始终保持竖直往复运动，不会在上下浮动过程中发生转动或偏移，从而很好地适应不同质量的受试者的测量。
附图说明
图1本实用新型失重状态下质量测量仪的主机结构示意图；
图2图1所示本实用新型失重状态下质量测量仪的主机另一个方向结构示意图；
图3本实用新型失重状态下质量测量仪的主机结构示意图(直线法兰轴承和固定圈均未示出)；
图4图3所示本实用新型失重状态下质量测量仪的主机另一个方向结构示意图(直线法兰轴承和固定圈均未示出)；
图5本实用新型失重状态下质量测量仪的主机另一种形式结构示意图(固定圈结构不同)；
图6本实用新型用于失重状态下质量测量仪的结构示意图；
图7本实用新型用于失重状态下质量测量仪的中防转动销的结构示意图；
图8本实用新型用于失重状态下质量测量仪的中连接轴承座的结构示意图；
图9本实用新型用于失重状态下质量测量仪的结构示意图(光学平台和气浮平台均未示出)；
图10本实用新型用于失重状态下质量测量仪的砝码支架的结构示意图；
图11砝码质量测量绝对误差；
图12砝码质量测量相对误差。
图中附图标记表示为：01-底座；01-1-环形安装槽；01-2-一字型夹片；02-弹簧；03-法兰；04-直线光轴；05-直线法兰轴承；06-固定圈；06-1-固定环；06-2-固定臂；07-发射端；08-接收端；09-支架；010-滑槽轨道；011-1-滚动轴；011-2-导向轮；012-对射光电传感器；014-轴盖；013-直角连接件；015-遮光板；016-安装盘。
具体实施方式
本实施例失重状态下质量测量仪包括测量仪主机100、光学平台2、气浮平台3、气浮块17、承重支架和底座安装架1；所述底座安装架1和所述气浮平台3分别固定安装在所述光学平台2上表面上，所述气浮块17固定安装在所述承重支架底部；所述测量仪主机100具有振动自由端和安装固定端；所述安装固定端与所述底座安装架1固定连接，所述振动自由端与所述承重支架活动连接，所述承重支架与所述振动自由端的相对位置沿所述振动自由端的振动方向固定不变，所述承重支架与所述振动自由端的相对位置沿垂直于所述振动自由端的振动方向可变。所述承重支架包括支架主干，所述振动自由端上安装有连接轴承座11和防转动销14；所述支架主干穿过所述连接轴承座11上的上下浮动孔13，并且所述支架主干的外表面上开设有沿所述支架主干轴线方向的上下浮动滑槽12，所述防转动销14的一端穿过所述连接轴承座11上的销孔并伸入到所述上下浮动滑槽12内，所述防转动销14与所述连接轴承座11之间螺纹连接。
如图1至图5所示，本实施例失重状态下质量测量仪的测量仪主机100包括底座01、支架09、固定圈06、弹簧振动机构、转动限位机构和周期计算机构；所述支架09的两端分别与所述底座01和所述固定圈06固定连接，所述弹簧振动机构的底部固定安装在所述底座01上，所述弹簧振动机构的顶部穿过固定圈06，所述转动限位机构包括固定限位部件和移动导向部件，所述移动导向部件固定安装在所述弹簧振动机构上，所述固定限位部件固定安装在所述支架09上；所述周期计算机构包括固定部件和移动部件，所述周期计算机构的固定部件安装在所述支架09上，所述周期计算机构的移动部件安装在所述弹簧振动机构上。
本实施例中，所述弹簧振动机构包括弹簧02、法兰03、直线光轴04和直线法兰轴承05；所述弹簧02的底部固定安装在所述底座01上，所述弹簧02的顶部固定安装在所述法兰03的下底面上，所述直线光轴04的底部固定安装在所述法兰03的上表面上；所述直线法兰轴承05的法兰部分与所述固定圈06通过螺栓固定连接，所述直线法兰轴承05的轴承部分位于所述底座01与所述固定圈06之间，所述直线光轴04的顶部穿过所述直线法兰轴承05的轴孔并向着远离所述直线法兰轴承05的轴承部分的方向伸出，所述法兰03和所述弹簧02位于所述底座01和所述直线法兰轴承05的轴承部分之间。
所述底座01和所述法兰03上分别开设有一个环形安装槽01-1，所述环形安装槽01-1的外径等于所述弹簧02的外径，所述环形安装槽01-1的内径等于所述弹簧02的内径，所述弹簧02的底端固定安装在所述环形安装槽01-1内。并且所述底座01和所述法兰03上分别安装有四个横跨环形安装槽01-1的一字型夹片01-2，四个所述一字型夹片01-2沿所述环形安装槽01-1的周向等间距分布。
所述固定限位部件为具有直线型滑槽的滑槽轨道010，所述移动导向部件包括滚动轴011-1和导向轮011-2，所述滚动轴011-1的一端通过轴盖014固定安装在所述弹簧振动机构上，所述导向轮011-2位于所述滑槽轨道010的直线型滑槽内，并且所述导向轮011-2通过轴承安装在所述滚动轴011-1的另一端上。所述滑槽轨道010安装在所述支架09朝向所述弹簧振动机构的一侧面上，并且所述滑槽轨道010上的直线型滑槽与所述弹簧振动机构的往复运动方向平行。所述周期计算机构的固定部件为对射光电传感器012，所述周期计算机构的移动部件为遮光板015；所述遮光板015的一端固定安装在所述弹簧振动机构上，所述遮光板015的另一端随着所述弹簧振动机构的运动往复经过所述对射光电传感器012的发射端07和接收端08之间。所述支架09为直线型立板，所述直线型立板与所述底座01之间以及所述直线型立板与所述固定圈06均通过直角连接件013固定连接。所述直线型立板为四个，并且沿所述弹簧振动机构的周向等间距分布。所述弹簧02的刚度为：当称重的总质量m为90kg时，弹簧的振动周期t为1.75-2.25s。
如图6至图10所示，在对人体或其他物体质量进行测量之前，首先采用标准砝码对质量测量仪进行检验。如图10所示，所述承重支架为专门用于标准砝码测量的砝码支架15，所述砝码支架15包括砝码支架底盘15-1、砝码支架主干15-2、螺纹杆15-3和砝码压盘15-4，所述砝码支架主干15-2的底端固定安装在所述砝码支架底盘15-1上，所述螺纹杆15-3的一端与所述砝码支架主干15-2螺纹连接，所述螺纹杆15-3的另一端与所述砝码压盘15-4螺纹连接；所述气浮块17固定安装在所述砝码支架底盘15-1的下底面上。所述螺纹杆15-3包括竖直安装螺纹杆、第一水平安装螺纹杆和第二水平安装螺纹杆，所述竖直安装螺纹杆的下端伸入到所述砝码支架主干15-2顶端的轴向中孔内且与所述砝码支架主干15-2螺纹连接；所述第一水平安装螺纹杆和所述第二水平安装螺纹杆均与地面平行且同轴位于所述砝码支架主干15-2的两侧。在使用标准砝码对质量测量仪进行检验的时候，将所述砝码压盘15-4从所述螺纹杆15-3上拆卸下来，将具有中心孔的标准砝码套在所述螺纹杆15-3上面，然后再装上所述砝码压盘15-4，拧紧后将标准砝码压紧在砝码支架主干15-2上，这样可以确保标准砝码位置稳定。所述第一水平安装螺纹杆、所述第二水平安装螺纹杆和所述竖直安装螺纹杆的设置可以测量重心在所述砝码支架主干15-2轴线或偏离所述砝码支架主干15-2轴线的物体质量测量。
如图6至图9所示，所述承重支架为人体支架4，所述人体支架4包括人体支架底盘5、座位平板6、座位杆7、人体支架主干8、手脚支架9和胸部支架10，所述人体支架主干8的底端和所述座位杆7的底端分别固定安装在所述人体支架底盘5的上表面上，所述座位平板6固定安装在所述座位杆7的顶端，所述手脚支架9和所述胸部支架10分别固定安装在所述人体支架主干8上，所述气浮块17固定安装在所述人体支架底盘5的下底面上。
所述气浮块17由第一气浮块、第二气浮块和第三气浮块组成，所述第一气浮块、所述第二气浮块和所述第三气浮块沿同一圆周等间距固定安装在所述人体支架底盘5的下底面上。高压气体从所述气浮块17一侧的进气口进入所述气浮块17的内部，然后从所述气浮块17的底部喷射到气浮平台3上表面上，利用这个反作用力抵消被测物体或者人体的重力，模拟太空失重环境，进行被测物体或人体质量的测量，从而实现在失重状态下质量测量仪的检验。
所述手脚支架9由上手脚支架、中手脚支架和下手脚支架组成，所述上手脚支架固定安装在所述人体支架主干8的上端，所述下手脚支架固定安装在所述人体支架主干8的下端，所述中手脚支架固定安装在所述上手脚支架与所述下手脚支架之间的所述人体支架主干8上，所述胸部支架10固定安装在所述中手脚支架与所述下手脚支架之间的所述人体支架主干8上。
所述底座安装架1包括第一纵向铝型材1-1、第二纵向铝型材1-2、第三纵向铝型材1-3、第四纵向铝型材1-4、第一横向铝型材1-5和第二横向铝型材1-6，第一纵向铝型材1-1、第二纵向铝型材1-2、第三纵向铝型材1-3、第四纵向铝型材1-4分别固定安装在所述光学平台2的上表面上，并且所述第一纵向铝型材底端的四个侧面、所述第二纵向铝型材底端的四个侧面、所述第三纵向铝型材底端的四个侧面和所述第四纵向铝型材底端的四个侧面分别通过铝型材角件16与所述光学平台2固定连接；所述第一横向铝型材1-5的两端分别通过铝型材角件16与所述第一纵向铝型材顶端和所述第二纵向铝型材顶端固定连接，所述第二横向铝型材1-6的两端分别通过铝型材角件16与所述第三纵向铝型材顶端和所述第四纵向铝型材顶端固定连接。所述底座安装架1采用上述结构形式的铝型材组装，一方面可以为质量测量仪提供稳定的安装固定支架，另一面可以从市场上直接购买对应规格的铝型材进行安装固定，不用单独设计底座安装架，不仅降低成本，而且安装方便，整体重量小。
所述人体支架主干8穿过所述连接轴承座11上的上下浮动孔13，并且所述人体支架主干8的外表面上开设有沿所述人体支架主干8轴线方向的上下浮动滑槽12，所述防转动销14的一端穿过所述连接轴承座11上的销孔并伸入到所述上下浮动滑槽12内，所述防转动销14与所述连接轴承座11之间螺纹连接。
所述上手脚支架、所述中手脚支架和所述下手脚支架均穿过所述人体支架主干8上的安装孔，且所述上手脚支架、所述中手脚支架和所述下手脚支架相互平行且垂直于所述人体支架主干8；所述胸部支架10一端穿过所述人体支架主干8上的安装孔并且向着所述座位平板6的正上方延伸，所述胸部支架10垂直于所述上手脚支架。
在地面对质量测量仪进行检验的时候，受试者坐在座位平板6上面，胸部抵靠在胸部支架10上面，双臂分别从人体支架主干8两侧的上手脚支架下方向上环绕上手脚支架、使双手分别置于下巴两侧；双腿分别从人体支架主干8两侧的中手脚支架上方向下环绕中手脚支架，并且脚面抵靠在下手脚支架上，肘部置于双腿上；人体支架的结构设计使得受试者能够保持相对比较稳固的姿态进行质量测试，减少检验过程中由于受试者重心变化而导致的误差。
连接轴承座11、防转动销14和上下浮动滑槽12的设计可以使得人体支架能够上下浮动(人体支架主干8与上下浮动孔13之间为间隙配合)，上下浮动滑槽12以及防转动销14可以使得人体支架始终保持竖直往复运动，不会在上下浮动过程中发生转动或偏移，从而很好地适应不同质量的受试者的测量。
本实施例的失重状态下质量测量仪在地面进行检验测试的时候，横向安装放置：通过底座011安装在固定架上，弹簧02及直线光轴04与地面保持平行，被测物体通过直线光轴04一端上固定的安装盘016与直线光轴04固定连接，通过气浮装置平衡被测物体的重力(由于重力的存在，地面上测试与太空中失重状态下测试情况不一样，竖直放置时弹簧会被压扁以致不能正常工作，水平放置时必然产生摩擦阻力。为了在达到在地面上对弹簧振子质量测量装置进行性能测试和分析，主机水平放置和运行，可在气浮装置上模拟失重实验平台上进行测试。此时，被测物体的重量为气浮装置的气浮块抵消，被测重物水平运动，摩擦力近似于0，可以对主机的测量范围、测量误差等进行评测)，这样被测物体、直线光轴04、弹簧02就组成了弹簧振子，已知弹簧02的劲度系数，通过测试这个弹簧振子的振动周期即可计算被测物体的质量。对射光电传感器也称槽型光耦，槽的两个管脚(即发射端07和接收端08)分别发射和接收红外光源。工作电压为5v，输出为单路信号输出。当凹槽中没有遮挡时，输出为低电平，当发射的光源被遮光板015挡住无法接收时，输出的信号为高电平。遮光板015跟随弹簧02不断的上下来回运动遮挡光源，通过测得输出的信号就能确定弹簧的振动频率，信号采集用的是niusb-6008数据采集卡。遮光板015每经过一次平衡位置就能产生一个脉冲，从产生第1个脉冲到第9个脉冲之间时间为4个周期，把这段时间除以4作为测量得到的周期t。
技术方案及技术原理
1.1基本原理和主要设计考虑主要因素
根据弹簧振子系统振动周期公式
其中，k为弹簧刚度，t为振动周期。
根据公式(1)，在弹簧刚度一定的情况下，只要测量振动周期就可以进行失重状态下人体或其他物体质量测量。为了达到所开发装置测量准确可靠的目标，并且完成地面上装置性能评测，本实施例的技术方案进行了以下3个方面的考虑：
(1)保持弹簧刚度恒定。公式(1)中假设k不变，而要达到这个要求，需要从弹簧选型和装置结构设计上予以保障。选择符合质量标准的弹簧，结构设计上保证弹簧与底座连接的刚性，保证弹簧直线运动稳定性，避免横向晃动。另外，在实际测试中能够方便地进行弹簧刚度自校。
(2)保证振动周期测量准确。在k不变的情况下，唯一需要测量的就是振动周期t。假设被测质量为40kg，测量精度0.2kg，则误差为0.5％，时间测量精度需要优于0.25％。如果时间测量精度设计目标为0.2％，m＝40kg，测量分辨力0.1kg的情况下，振动周期为1s，振动周期的测量精度应为1ms。
(3)地面条件下装置性能评测。由于重力的存在，地面上测试与太空中失重状态下测试情况不一样，竖直放置时弹簧会被压扁以致不能正常工作，水平放置时必然产生摩擦阻力。如何在地面上进行实验实现对装置质量测量的溯源，并获得装置的测量不确定度？为了在达到在地面上对弹簧振子人体质量测量装置进行性能测试和分析，本专利所开发称重装置可以水平放置和运行，可在气浮模拟失重实验平台上进行测试。此时，被测物体的重量为气浮块抵消，被测重物等水平运动，摩擦力近似于0，可以对装置的测量范围、测量误差等进行评测。
1.2装置设计
称重装置的振动方向为轴向，弹簧02安装在底座01上，并用法兰03连接弹簧02和直线光轴04。用一个直线法兰轴05承来限制直线光轴04只能沿轴向来回振动，并用一个光滑的滑槽轨道010来限制直线光轴04的转动。直线法兰轴承05用四根支架09和一个固定圈06固定在底座01上。直线光轴04一端与承重支架连接，承重支架用于加装砝码或承载人体等。
在支架09上装一个对射光电传感器012，在与直线光轴04连接的法兰03上装一个遮光板015，直线光轴04的振动带动遮光板015每次经过对射光电传感器012时就会产生一次高电平信号，往复振动形成一个方波周期信号，检测此方波信号的周期可得弹簧振子振动周期t，即可由公式(1)计算获得被测质量m。
装置零部件：
①底座01。底座01的材料是一块长宽分别为200mm，厚度为20mm的铝板，所有的零件都是以底座01为基座安装上去的。在底座01上挖了一个中径为φ56mm，宽度为4.5mm，深度为3.8mm的环形安装槽01-1，用来安装弹簧02。在四条边的边缘分别打3个m4螺纹孔用来安装支架09，在底座01的四个角上分别打一个φ7mm的通孔，用来将底座01及整个装置安装在底座安装架1、地面或其他平台上。
②弹簧02：弹簧02是整个系统的关键零件，弹簧02下端固定在底座01上，上端与可以上下运动的直线光轴04连接。对于整个振动系统，弹簧02的刚度选择是至关重要的，经过多试验及装置优化设计，测量质量范围为40-100kg、测量精度为0.2kg、测量分辨力0.1kg时，弹簧刚度设计要求是当称重的总质量m为90kg时，弹簧的振动周期t最佳为2s，由公式：
可以计算得到弹簧的目标刚度为888n/m。对于一般的螺旋式弹簧刚度可由公式(3)计算得到：
其中g为弹簧刚的剪切模量为78gpa，d为弹簧的线径，n为弹簧的圈数，d为弹簧的中径。
③法兰03：法兰03的材料是一块直径为φ90mm，厚度为10mm的铝板。法兰03的作用是连接弹簧02与直线光轴04，在法兰03的其中一面挖一个中径为56mm，宽度为4.5mm，深度为3.8mm的环形安装槽01-1用来固定弹簧02。在法兰03上打4个φ5.5mm的通孔，用螺栓将法兰03与直线光轴04连接在一起。
④直线光轴04：选用直线光轴04的目的是利用直线光轴04在直线法兰轴承05中可以沿直线来回运动，并且摩擦力很小。选用轴的尺寸为外径φ40mm，壁厚为8mm，长度为310mm的空心直线光轴，轴的长度是根据直线法兰轴承05的长度和弹簧02的振幅来选择的。在轴两侧的圆环截面上分别打4个m5的螺纹孔，一端用来连接法兰03及跟弹簧02连在一起，另一端连接承重支架，重物可置于承重支架上。
⑤直线法兰轴承05：法兰轴承选用的型号是lmf40luu，该法兰轴承的总长度为154mm，轴承部分内径和外径分别是φ40mm和φ60mm，法兰部分厚度为13mm，外径为φ96mm，内部四个螺栓连接孔位置在φ78mm处，孔的尺寸为9*14*8.6mm(8.6为14mm孔的深度)。直线法兰轴承05的主要作用是给直线光轴04提供一个上下来回振动的轨道。
⑥固定圈06：固定圈06的材料是一块厚度为10mm，内径和外径分别为φ62mm和φ190mm的环形铝板。在铝板的φ78mm处打四个直径为φ9mm的孔，用来跟直线法兰轴承05连接。固定圈06的作用是将直线法兰轴承05固定不动，固定圈06通过四个支架09与底座01固定在一起，支架09与底座01和固定圈06都采用38小号角码连接。
⑦安装盘016：安装盘016是一个直径为φ80mm，厚度为10mm的铝板。在直径为φ32mm处加工四个尺寸为5.5*12*5mm(内孔φ5.5mm贯穿、外孔φ12mm深度5mm)的圆孔，用来跟直线光轴04连接。在安装盘016的正中间加工一个m8的螺纹孔，用来安装m8的固定连接有连接轴承座11的螺纹连接杆。
⑧螺纹杆：螺纹杆的总长度为120mm，带有m8螺纹的部分长度为110mm，头部是一个长度为10mm的长方体，截面为边长为4mm的正方形，便于安装。螺纹杆的作用是固定砝码，将中间带孔的砝码套在螺纹杆上，然后用砝码压盘15-4(可以用螺栓代替)拧上就能使砝码不随便发生移动。
⑨支架09：支架09一共有四根，由长度为503mm的不锈钢空心方管制成，方管的截面长宽分别40mm和10mm，壁厚为1.5mm。支架09的两端分别连接着固定圈06和底座01，使固定圈06固定在底座01上。在其中一根支架09上打4个通孔，用来安装滑槽轨道010，防止直线光轴04的旋转。
⑩滑槽轨道010：滑槽轨道010选用的型号是sgr10e，长度为200mm，足够弹簧02来回的行程，限制直线光轴04的转动。
测量结果在电脑上由labview显示，遮光板每经过一次平衡位置就能产生一个脉冲，从产生第1个脉冲到第9个脉冲之间时间为4个周期，把这段时间除以4作为测量得到的周期t。通过公式(1)计算得到称重的质量，质量可以在界面上直接显示。
实验测试
1.1测试平台
现场实际测量是采用气浮的方式来抵消重力的影响，模拟失重状态。气浮块的工作重量为100kg，压缩空气压力为4个大气压。需要将测量装置水平方向安装，将弹簧振子底座采用螺栓固定在底座安装架1上并用夹具固定。
1.2测试原理
1.2.1自重测量
自重指的是空载情况下直线光轴、气浮块和承重支架等的质量，可以通过标准砝码法测出。参考公式(1)，假设未加载荷时，自重为m0，弹簧振动周期为t0，二者关系为：
加载砝码m1后，振动周期为t1，振动公式为：
由公式(4)和(5)可以推出质量计算公式：
1.2.2弹簧刚度自校
为了保证测量准确，每次测试之前应进行弹簧刚度校准。由公式(4)可得
在自重确定以后，称重测量之前需要进行空载弹簧刚度系数校准测试，记录t0，以便计算弹簧刚度系数k。
1.2.3称重测量
m0、t0确定后，根据公式(8)可得到被测质量m。
1.3测试过程
1.3.1自重测量
选择数据保存位置，选择采样时间。将装置推离平衡位置30-50mm，在点击开始采集一秒后瞬间把手放开，测量采集振动频率。在空载情况下测量得到空载状态下振动周期t0；然后加载20kg和40kg标准砝码，测量振动周期t1，根据公式(6)计算得到自重m0。在操作界面上输入装置自重m0。
1.3.2砝码质量测试
加载砝码的质量定为20-80kg，分别在质量为20kg、30kg、40kg、50kg、60kg、65kg、70kg、75kg、80kg各点进行质量从小到大测量，再进行从大到小测量，每个点测量三次。砝码支架的左右两侧和上部都可以安装固定砝码。
4.3.3测量人体质量
测量人体质量，针对70kg和55kg两个不同体重的人分别进行站立式、下蹲式和坐式三种姿势进行测量，判断姿势对测量结果的影响。针对测量体重时，人体质量的变化都是少量的，在测人体质量的基础上加上一个0.5kg左右的小质量，观察装置能否测量出质量变化，即测量分辨力。注意：人体质量测量之前需要更换成座椅，更换后需要重新测量自重。
1.4测试结果
1.4.1装置自重测量
采用20kg和40kg标准砝码测量装置自重，结果列于表1.
表1自重测量数据表
1.4.2砝码质量测试
测量20-80kg砝码质量，每个质量测量三次取平均值，质量从小到大加载，再由大到小依次减小质量，实验结果分别列于表2和表3。
表2由小到大加载砝码测量结果
表3由大到小依次减少砝码测量结果
砝码质量测量的结果绘制了曲线，如图11和图12所示。图11看出，砝码由小到大加载时，绝对误差在-0.06-0.361kg之间，在质量为20-65kg之间误差都在0.1kg以内，考虑到装置自重约为23kg，测试总质量为43-88kg；70kg、75kg和80kg时，误差超过0.2kg，即70kg以上时质量测量准确度较低；相对误差在砝码质量小于50kg和大于70kg范围内较大；砝码由大到小依次减载时，测量误差较之前增大，且测量值均增大，显然存在系统误差。图12显示，无论是正行程还是逆行程测量，测量相对误差只有一个点超过0.5％。
重复性：从表2和表3的测得质量栏和偏离平均值栏可以看出，对于同一个质量点进行多次测量的偏差均小于0.1kg，重复性较好。
稳定性：从图11可以看出，当测量质量从大到小到65kg及以下的时候，测量的绝对误差比从小到大测量时增加了0.2kg左右的系统误差。
1.4.3人体质量测试实验
(1)站立式姿势测量结果
测量结果列于表4，55kg左右的体重，测量结果误差达到3.085kg，误差很大，同时重复性也较大，重复性误差超过1kg。
表4站立式人体质量测量数据
(2)下蹲式测量结果
人体采用下蹲的姿势，测量结果列于表5。这种方式测量误差比站立式大大减小，但仍达到1.833kg，相对误差达到3.365％。重复性指标好很多，偏差值小于0.3kg。
表5下蹲式人体质量测量数据
(3)团坐式测量结果
人体采用坐姿，尽量缩成一团，辅助支架将人体各关节尽量固定。表6列出测量结果。这种姿势测量重复性进一步得到改善，重复性偏差小于0.2kg，人体质量测量结果有3％左右的误差，且误差均为正，考虑为系统误差。怀疑是自重校准数据有误，采用54.475kg人体质量作为m1进行重新校准，得到m0＝21.687kg(之前数据为22.273kg)，并重新进行测试，结果列于表7，数据有改善，误差小于0.5kg。
表620kg砝码校准坐式人体质量测量(m0＝22.273kg)
表7坐式人体质量测量应用测量(m0＝21.687kg)
姿势选择：对比表4、表5和表6可以看出站立式测量人体质量时，测得质量偏离平均值较大，下蹲式和坐式测量的重复性较好。
准确性：对于站立式由于重心不断变化重复性不好不考虑准确性，对比表6和表7得到，对于不同质量进行校准得到的装置自重对测量准确度有一定影响，需要更精确的确定装置自重。
(4)分辨力和灵敏度测试
在团坐姿势测量的情况下，加上一个0.615kg的小质量，然后进行测试，了解装置的测量分辨力，结果列于表8。
分辨力：两次测量，质量增加了0.596kg和0.549kg，分辨力优于0.1kg。
表8加一个0.615kg小质量(扳手)后人体质量测量结果
灵敏度：在加上一个质量为0.615kg的扳手后，测得的质量分别增加了0.596kg和0.549kg，灵敏度较好。
固定圈06还可以是如图5所示的结构形式：其包括一个固定环06-1和四个固定臂06-2，四个所述固定臂06-2沿所述固定环06-1的周向等间距分布且分别与所述固定环06-1固定连接。这种结构形式的固定圈可以减少整机重量，易于安装。
为了降低成本及提高所述承重支架的通用性，可以将人体支架和砝码支架合二为一，做成一个通用支架。如：包括人体支架底盘5、座位平板6、人体支架主干8、手脚支架9(支干)、螺纹杆15-3和砝码压盘15-4，所述座位平板6通过座位杆7固定安装在所述人体支架底盘5上，所述人体支架主干8的一端固定安装在所述人体支架底盘5上，所述手脚支架9(支干)与所述人体支架主干8可拆卸连接，并且所述人体支架主干8与所述手脚支架9(支干)垂直，所述气浮块17固定安装在所述人体支架底盘5的底部。螺纹杆15-3的一端与人体支架主干8螺纹连接，所述螺纹杆15-3的另一端与所述砝码压盘15-4螺纹连接。
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