(49)--第7章 速度、转度、加速度测量.ppt

速度、转速、加速度速度、转速、加速度测量测量速 度 测 量速度测量线速度测量（m/s，km/h)角速度测量(rad/s)转速测量(转/分）Rotary speed：revolutions per minute(r.p.m.)，nAngular Velocity：Linear Velocity：v测量原理分类：1.时间、位移计算测速：根据线速度的定义，可以从物体在一定时间内移动的距离或者从物体移动一定距离所需的时间求得，这种方法只能求某段距离或时间的平均速度。s越小，越接近瞬时速度。u光束切断法u相关法u空间滤波器法3.利用物理参数测量：多普勒效应、流体力学定律、电磁感应原理4.加速度积分法和位移微分法2.角速度和线速度的相互转化。5.陀螺测速法1、光束切断法、光束切断法n n非接触式测量，测量精度较高。非接触式测量，测量精度较高。图1光束切断式速度测量 原理：利用随机过程互相关函数确定运动时间的方法；组成：两个相距为L的相同的传感器，如光电传感器、超声波传感器、电涡流传感器等；检测：表面粗糙度、表面缺陷、表面标记等；处理：在测量条件基本相同的情况下，y(t)的波形和x(t)是相似的，只是时间上推迟了t0(=L/v)，即要求出t0。2、相 关 法图3相关测速原理图其物理含义是其物理含义是x(t)x(t)延迟延迟t to o 后成后成x(tx(tt t0 0)，其波形将和其波形将和y y（t t）几乎重叠，因此互相关值有最大值。几乎重叠，因此互相关值有最大值。3、空间滤波器法、空间滤波器法n n空间滤波器件与被测物体同步运动，测定单位空间内空间滤波器件与被测物体同步运动，测定单位空间内信号的时间频率；信号的时间频率；n n空间滤波器：栅板，在空间长空间滤波器：栅板，在空间长L L内有内有N N个等距栅缝，当个等距栅缝，当栅板的移动速度为栅板的移动速度为v v，移动距离，移动距离L L的时间为的时间为t t0 0n n空间频率：空间频率：（单位空间长度内变化次数）（单位空间长度内变化次数）n n时间频率：时间频率：n n速度：速度：可用于生产过程中的塑料板带、布、钢板带等速度检测。注意测量辊与被测物之间的滑移所造成的测量误差。4、接、接 触触 辊辊 法法 特点：应用最广泛的一种方法。方法：把旋转辊轮（测量辊）接触在行进的物体上，被测物体以速度v行进并带动测量辊转动，由测量辊的转速和周长求得物体的行进速度。5、皮托管测速法、皮托管测速法皮托管是测量流体速度的主要工具之一,广泛用于船舶和飞行体的测速。在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压力pt，而具有静压孔的外管感受静压力ps即可。（一）（一）皮托管的结构皮托管的结构标准皮托管用两根不同内径标准皮托管用两根不同内径管子同心套接而成，内管通管子同心套接而成，内管通直端尾接头，是全压管，外直端尾接头，是全压管，外管通侧接头，是静压管。管通侧接头，是静压管。，（二）皮托管测速原理（二）皮托管测速原理动压（动压（Pv）静压（静压（Ps）全压全压（Pt)修正后的流速公式：修正后的流速公式：为皮托管系数，由实验标定。一般在0.991.01之间。（三）（三）测量误差分析测量误差分析总压孔直径：总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：静压孔直径：d1=0.12D静压孔距端部距离：静压孔距端部距离：34D静压孔离支杆距离：静压孔离支杆距离：810D 皮托管头部和支杆对流场的影响皮托管头部和支杆对流场的影响1、皮托管的形状影响、皮托管的形状影响 2、皮托管偏离特性的影响、皮托管偏离特性的影响结论：结论：皮托管方皮托管方向要正对向要正对流体流向流体流向。6、多普勒测速n n光学多普勒效应：光学多普勒效应：当光源和反射体或散射体之间存当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率之间存在正比于物体运动速度的频率偏移，这种现之间存在正比于物体运动速度的频率偏移，这种现象叫光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于象叫光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于18421842年发现的。年发现的。n散射光频率和入射光频率偏移叫多普勒频移；图图4 4多普勒效应原理多普勒效应原理kiksPP静止时，入射光频率为：(Apparentfrequency)若P点以速度 远离光源，则对P点来说入射光的视在频率为：对光电探测器来说，散射光的视在波长和频率分别为：kiksP12则散射光与原始光之间的频移为：由于vc，则后向散射型多普勒测速原理后向散射型多普勒测速原理 从入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束的光电检测器位于被测物体后面。多普勒频移为：v2电磁波的传播同样有多普勒特性。当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察点有相对运动时，在观察点收到的频率随着它们的相对速度而变化。当当物物体体向向着着观观察察点点接接近近时时，波波长长变变短短，频频率率变变高高；而而远远离离观观察察点点时时，波波长长变变长长，频频率率变变低低。这样通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位。若用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。2、思考：、思考：超声多普勒法是怎样测量血液流动的超声多普勒法是怎样测量血液流动的?多普勒测速仪应用实例多普勒测速仪应用实例1 1、卫星跟踪测轨系统、卫星跟踪测轨系统 利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、医学诊断等。非接触测量可以克服由于机械磨损和打滑造成的测量误差。7、陀螺仪测角速度、陀螺仪测角速度（gyroscope）陀陀螺螺仪仪的的基基本本功功能能 是是 敏敏 感感 角角 位位移移 和和 角角 速速 度度。在在航航空空、航航海海、航航 天天、军军 事事 以以及及 其其 它它 一一 些些 领领域域 中中，有有 着着 十十分广泛的应用。分广泛的应用。二自由度陀螺仪二自由度陀螺仪陀螺陀螺陀螺陀螺陀螺仪陀螺仪陀螺仪陀螺仪主轴主轴主轴主轴二自由度陀螺作用原理二自由度陀螺作用原理H陀螺绕主轴转动角动量Js陀螺转子的转动惯量陀螺转子的转速一般为120001200024000r/min24000r/min（1）当二自由度陀螺底座绕垂直于X轴，且与Z轴成角的轴以角速度旋转时，则将有陀螺力矩Mg作用于框架上，陀螺力矩Mg为：二二自由度陀螺特性：自由度陀螺特性：（3）如果外加力矩M绕X轴作用在陀螺上，则陀螺框架将绕X轴转动，其角加速度满足：（2）二自由度陀螺底座绕Z轴或X轴旋转，不会产生陀螺力矩；(2)微分陀螺仪测角速度作用原理微分陀螺仪测角速度作用原理 微分陀螺仪原理图微分陀螺仪原理图(1)(1)陀螺力矩陀螺力矩MMg g(2)(2)弹性力矩弹性力矩MMy y(3)(3)阻尼力矩阻尼力矩MMd d(4)惯性力矩Mjn n(5)(5)摩擦力矩摩擦力矩MfMf，假设为常数。，假设为常数。运动达到平衡时，运动达到平衡时，结构简图结构简图第二节第二节 转速测量转速测量1 1.数字式转速表：应用最为广泛的精密测量转速方法之一数字式转速表：应用最为广泛的精密测量转速方法之一数字式转速表：应用最为广泛的精密测量转速方法之一数字式转速表：应用最为广泛的精密测量转速方法之一 特点：特点：特点：特点：量程宽、准确度高、便于携带，输出数字信息量程宽、准确度高、便于携带，输出数字信息量程宽、准确度高、便于携带，输出数字信息量程宽、准确度高、便于携带，输出数字信息（1 1）测量原理（构成）测量原理（构成）测量原理（构成）测量原理（构成）数字式转速传感器：数字式转速传感器：数字式转速传感器：数字式转速传感器：把被测转速转变成电脉冲信号把被测转速转变成电脉冲信号把被测转速转变成电脉冲信号把被测转速转变成电脉冲信号 电子计数电路：电子计数电路：电子计数电路：电子计数电路：测量转速测量转速测量转速测量转速 中高速采用频率法中高速采用频率法中高速采用频率法中高速采用频率法 低速采用周期法低速采用周期法低速采用周期法低速采用周期法n n在电子计数器采样时间内对转速传感器输出的电脉冲在电子计数器采样时间内对转速传感器输出的电脉冲信号进行计数。信号进行计数。n n利用标准时间控制计数器闸门。利用标准时间控制计数器闸门。n n当计数器的显示值为当计数器的显示值为N N时，被测量的转速时，被测量的转速n n为为z：旋转体每转一转传感器发出的电脉冲信号数；t：采样时间（s）。1）频率法测转速）频率法测转速2）周期法测转速）周期法测转速n n计数时间：对被测信号进行分频来提供；计数时间：对被测信号进行分频来提供；计数时间：对被测信号进行分频来提供；计数时间：对被测信号进行分频来提供；n n计数信号：晶体振荡器的输出脉冲；计数信号：晶体振荡器的输出脉冲；计数信号：晶体振荡器的输出脉冲；计数信号：晶体振荡器的输出脉冲；n n被测量的转速被测量的转速被测量的转速被测量的转速n n为：为：为：为：k为周期倍乘数1，10，100.晶振周期N为计数器计数值Z为传感器细分数（2）转速传感器）转速传感器 把被测物体的转速转换成电脉冲信号。电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器磁电感应式转速传感器磁电感应式转速传感器光电式转速传感器光电式转速传感器转轴每旋转一周，光敏元件就输出数目与白条纹数目转轴每旋转一周，光敏元件就输出数目与白条纹数目相同个电脉冲信号。相同个电脉冲信号。1）光电式转速传感器）光电式转速传感器2）磁电感应式转速传感器磁电感应式转速传感器 当当当当安安安安装装装装在在在在被被被被测测测测转转转转轴轴轴轴上上上上的的的的齿齿齿齿轮轮轮轮(导导导导磁磁磁磁体体体体)旋旋旋旋转转转转时时时时，其其其其齿齿齿齿依依依依次次次次通通通通过过过过永永永永久久久久磁磁磁磁铁铁铁铁两两两两磁磁磁磁极极极极间间间间的的的的间间间间隙隙隙隙，使使使使磁磁磁磁路路路路的的的的磁磁磁磁阻阻阻阻和和和和磁磁磁磁通通通通发发发发生生生生周周周周期期期期性性性性变变变变化化化化，从从从从而而而而在在在在线线线线圈圈圈圈上上上上感感感感应应应应出出出出频频频频率率率率和和和和幅幅幅幅值值值值均均均均与与与与轴轴轴轴转转转转速速速速成成成成比比比比例的交流电压信号例的交流电压信号例的交流电压信号例的交流电压信号u u u u0 0 0 0。随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值将会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器不适合于低速测量。3）电涡流式转速传感器）电涡流式转速传感器2、闪光测转速法、闪光测转速法n利用人眼的视觉暂留现象（0.05s0.2s）来测量转速。n 视觉暂留：视觉暂留：一个闪光目标，当闪动频率大于10Hz时（间隔时间小于0.1s），人眼看上去就是连续发亮的。n用一个频率连续可调的闪光灯照射被测旋转轴上的某一固定标记（如齿轮的齿，圆盘的辐条或在旋转轴上涂的黑白点），并调节闪光频率f，直到旋转轴上出现一个单定象为止，即达到n=f的条件。p 若在连续两次闪光的时间间隔内，旋转轴转过整数倍若在连续两次闪光的时间间隔内，旋转轴转过整数倍时，即时，即 nk0f 时，也会出现单定象。式中的时，也会出现单定象。式中的k0为单定为单定象停留的次数象停留的次数(1、2、3、)。p 当闪光频率比被测转速高二倍、三倍、当闪光频率比被测转速高二倍、三倍、m倍时，倍时，则会出现二重象、三重象以至于则会出现二重象、三重象以至于m重象。重象。f=mn闪光测速法闪光测速法（1）若已知被测转速范围，则将闪光频率从略大于n的高频逐渐下降，直到第一次出现不动的频闪像，则n=f；（2）若无法预知范围，则从低频上调，直至出现多重像；1.加速度是表征物体运动本质运动本质的一个基本物理量。2.可以通过测量加速度来测量物体的运动状态通过测量加速度来测量物体的运动状态。例如，惯性导航系统就是通过飞行器的加速度来测量它的速度(地速)、位置、已飞过的距离等。3.可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度负荷速度负荷，以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控制其运动加速度，以免机件损坏。4.对于加速度，常用绝对法绝对法测量，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。第三节第三节 加速度测量加速度测量当质量块受力平衡时，质量块当质量块受力平衡时，质量块m相对于基座的位移与加速度相对于基座的位移与加速度成正比，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。成正比，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。设设传传感感器器基基座座相相对对于于参参考考坐坐标标的的位位移移为为xb，质质量量块块m相相对对于于参考坐标的位移为参考坐标的位移为x，质量块相对于传感器基座的位移为质量块相对于传感器基座的位移为y：解此线性微分方程，可得：解此线性微分方程，可得：如上所述，质量如上所述，质量弹簧弹簧阻尼系统可以把阻尼系统可以把加速度转换成加速度转换成与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移;位移式加速度传感器位移式加速度传感器:采用位移传感器检测质量块的相采用位移传感器检测质量块的相对位移，可构成各种类型的加速度计。对位移，可构成各种类型的加速度计。变磁阻式加速度传感器变磁阻式加速度传感器当质量块感受加速度而产生相对位移时，差动变压器就当质量块感受加速度而产生相对位移时，差动变压器就输出与位移输出与位移(也即与加速度也即与加速度)成近似线性关系的电压，加成近似线性关系的电压，加速度方向改变时，输出电压的相位相应地改变速度方向改变时，输出电压的相位相应地改变180180。位移式加速度传感器位移式加速度传感器电容式加速度传感器电容式加速度传感器以通过弹簧片支承的质量块作为差动电容器的活动极板，以通过弹簧片支承的质量块作为差动电容器的活动极板，并利用空气阻尼。并利用空气阻尼。特点：特点：频率响应范围宽，测量范围大。频率响应范围宽，测量范围大。位移式加速度传感器位移式加速度传感器位移式加速度传感器位移式加速度传感器霍尔式加速度传感器霍尔式加速度传感器上下方向的加速度上下方向的加速度 成比例的惯性力成比例的惯性力 梁发生弯曲变形梁发生弯曲变形 自由端产生与加速度成比例的位移自由端产生与加速度成比例的位移 霍尔元件输出与加霍尔元件输出与加速度成比例的霍尔电势速度成比例的霍尔电势UH。n测量质量块相对位移的加速度传感器灵敏度较低。n广泛采用基于测量惯性力的加速度传感器n电阻应变式、压阻式和压电式加速度传感器。基于测量惯性力的加速度传感器基于测量惯性力的加速度传感器n工作原理工作原理:敏感质量块感受加速度；敏感质量块感受加速度；产生与之成正比的惯性力产生与之成正比的惯性力Fma；再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力，或再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力，或通过压电元件把惯性力转变成电荷量；通过压电元件把惯性力转变成电荷量；测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。基于测量惯性力的加速度传感器基于测量惯性力的加速度传感器应变式加速度传感器应变式加速度传感器等强度弹性悬臂梁固定安装在传感器的基座上，梁的自由端固定一质量块m，在梁的根部附近两面上各贴一个(两个)性能相同的应变片，应变片接成对称差动电桥。当质量块感受加速度而产生惯性力Fa时，在力Fa的作用下，悬臂梁发生弯曲变形，其应变为粘贴在梁两面上的应变片分别感受正(拉)应变和负(压)应变而电阻增加和减小，电桥失去平衡而输出与加速度成正比的电压U0，即常用速度传感器性能与特点常用速度传感器性能与特点类型原理测量范围精度特点线速度测量磁电式工作频率10500Hz10%灵敏度高，性能稳定，移动范围（115）mm，尺寸重量较大空间滤波器1.5200km/h0.2%无需两套特性完全相同的传感器附表：附表：转速测量交流测速发电机4004000r/min4000r/min)利用汽车发动机点火时，线圈高压放电，感应出脉冲信号，实现对发动机不剖体测量型式测量范围零偏稳定性分辨力特点压电式5105g10-410-3g10-210-5g固有频率较高，用于冲击及振动测量，大地测量及惯性导航等应变式0.5200g低频响应较好，固有频率低，适用于低频振动测量压阻式20g105g灵敏度较高，便于集成化，耐冲击，易受温度影响微机电式1g105g10-610g10-610-3g尺寸小，重量轻，成本低，适用于汽车安全防护，战术武器制导和惯性导航 加速度测量方法及其性能特点附表：附表：