可测上升流的三维海流传感器标定平台的研制

摘要

随着国家海洋战略计划的逐步实施和海洋探索的逐步深入，常规的海流计已无法满足目前海洋测量的要求，研制一种新型可测上升流的三维瞬时海流计已成为一个迫在眉睫的课题。本论文以国家自然科学基金项目“可测上升流的三维瞬时海流传感器的研究”(No.41076061.)为背景，设计一套精密的实验装置来模拟海流运动，进而对三维瞬时海流传感器进行标定。
　　 本论文首先综述了海洋研究的目的与意义，强调了我国开展海洋研究的重要性与必要性。依托国家对海洋战略规划，指出课题研究背景与来源，分析国内外相关科研院所的研究现状，明确论文研究的价值与意义。其次，陈述了可测上升流三维海流传感器标定平台总体设计。根据常用传感器标定方法，分析三维可测上升流新型传感器的工作原理及其标定要求，合理设计传感器标定平台的硬件和软件部分，从标定平台的机械结构设计和电子控制系统两大方面来分别阐述标定平台的总体设计方案。最后，从机械结构设计主线出发分别介绍了标定平台的机构布局的选择、进给系统的设计、主要零部件的科学选用和性能校核等细节问题。另外也从电子控制系统方面依据标定平台的控制任务，合理设计标定平台的控制系统，选择适当的微处理器和驱动元件，设计上下位机的通信与人机交互界面等问题。
　　 标定系统装配完成后，解决了系统在运动过程中遇到的问题。首先对系统进行受力分析，建立简洁、合理的数学模型。从系统动力学的角度出发，分析系统低速爬行的原因，采取提高临界爬行速度措施以解决低速爬行问题;从光栅尺的工作原理、结构与组成等出发，对信号的采集的关键技术进行研究。解决光栅尺信号的干扰问题，为下一步闭环反馈打下良好的基础。
　　 利用加速度传感器和相关采集软件，对标定平台的动态性能进行测试;另外，还测试了系统在低速、微位移的运动状态，测量系统在开环状态下的定位精度和重复定位精度，为下一阶段工作的开展做一些铺垫。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 海洋科学研究的意义与发展趋势

1．2 海流计的概述

1．2．1 常用海流计的工作原理

1．2．2 新型传感器的介绍

1．2．3 新型传感器的标定

1．3 三维标定平台国内外研究概况

1．3．1 国外的研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 课题来源及研究的目的、意义

1．4．1 课题的来源及研究的目的和意义

1．4．2 本文的主要研究内容

第二章 三维标定平台的结构设计

2．1 标定平台的工作要求和技术参数

2．1．1 标定平台的工作要求和技术参数

2．1．2 运动平台的主要技术参数

2．2 标定平台的总体布局

2．2．1 常见三维移动平台的总体布局

2．2．2 本标定平台的结构布局选择

2．3 进给传动系统结构设计

2．4 进给伺服系统控制方式的选择

2．4．1 三种常见的控制系统

2．4．2 选择控制系统

2．5 伺服电机选型

2．6 滚珠丝杠的选择

2．7 支撑导轨的选择

2．8 联轴器的选型计算

2．9 结构装配

2．9．1 Z向垂直轴的配重

2．9．2 限位开关

2．9．3 三维解耦

2．10 本章小结

第三章 三维标定平台的控制系统设计

3．1 控制系统的任务与要求

3．1．1 控制系统的任务与要求

3．1．2 运动控制系统设计

3．2 下位机硬件的选择

3．3 下位机的控制方案

3．3．1 PID控制策略设计

3．3．2 PID算法的实际问题

3．4 运动控制器的加减速控制算法

3．5 运动轨迹的插补算法

3．5．1 二维运动逐点直线插补原理

3．5．2 三维空间轨迹的直线插补

3．5．3 空间运动进给运动计算

3．6 提高进给系统的定位精度方法

3．7 伺服驱动的参数整定

3．7．1 伺服驱动的控制回路

3．7．2 伺服驱动相关参数的设定

3．7．3 参数调整步骤

3．8 基于串口通信的LabVIEW人机界面设计

3．8．1 LabVIEW的介绍

3．8．2 LabVIEW环境中使用串口

3．8．3 串口通信连线

3．8．4 LabVIEW环境下界面的设计

3．9 本章小结

第四章 标定平台的关键问题研究

4．1 低速爬行问题的解决

4．1．1 系统的受力分析

4．1．2 系统的动力学分析

4．1．3 系统的临界爬行速度分析

4．1．4 降低临界爬行速度所采取的措施

4．2 光栅尺接口模块设计

4．2．1 微处理器处理光栅尺信号的问题

4．2．2 光栅尺和微处理器的工作原理及其应用

4．2．3 信号处理问题的解决

4．2．4 信号处理方法的实现

4．3 本章小结

第五章 试验分析

5．1 系统的共振频率测试

5．2 脉冲当量的测量

5．2．1 脉冲当量的理论值计算

5．2．2 脉冲当量的实际测量

5．3 标定平台定位精度和重复定位精度测量

5．3．1 定位精度和重复定位精度的相关规定

5．3．2 定位精度和重复定位精度的测量与分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文