第八章 速度、轉(zhuǎn)速與加速度測量

1、王 鵬wang_汽車、火車、輪船、飛機(jī)等行駛速度、加速度的測量，行駛姿態(tài)的測量發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等輸出軸轉(zhuǎn)速的測量軋制板材、帶材、棒材、管材等產(chǎn)品速度的測量大型設(shè)備、工程中振動(dòng)的測量在慣性導(dǎo)航中的應(yīng)用速度(Velocity)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的位移量，m/s加速度(Acceleration)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的速度增量，m/s2 轉(zhuǎn)速(Rotational Velocity)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min角速度(Angular Velocity)：物體單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度，rad/s從運(yùn)動(dòng)形式分：線速度測量，角速度測量從參考基準(zhǔn)分：絕對速度測量，相對速度測量從數(shù)值特征分：平均速度

2、測量，瞬時(shí)速度測量從獲取方式分：直接速度測量，間接速度測量時(shí)間、長度計(jì)算測速法利用速度的定義：v=L/t加速度積分和位移微分測速法在振動(dòng)測量中，通過測量振動(dòng)體的加速度，積分得到振動(dòng)速度、振幅等利用物理參數(shù)進(jìn)行速度測量利用速度大小與某些物理量間的已知關(guān)系，如E=BLv的原理測量導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法陀螺測速法光束切斷法相關(guān)測速法)()(0ttxty000011( )lim( ) ()lim() ()()TTyxxTTRy t x tdtx tt x tdtRtTT相關(guān)測速法相關(guān)測速法抗干擾能力更強(qiáng)，能在復(fù)雜的干擾條件下準(zhǔn)確測量。相關(guān)測速在現(xiàn)代有著多方面的應(yīng)用：飛機(jī)、船舶、汽車

3、、軋機(jī)鋼帶等速度。從原理上講，任何在物體運(yùn)動(dòng)方向上一定距離處布置的兩個(gè)傳感器，只要它們能夠檢測到標(biāo)記物體的某種信號(hào)（一般為隨機(jī)信號(hào)），那么，物體的運(yùn)動(dòng)速度都可以用互相關(guān)的原理加以測定。 空間濾波器測速法利用可選擇一定空間頻率的空間濾波器件與被測物體同步運(yùn)動(dòng)，然后在單位空間內(nèi)測得相應(yīng)的時(shí)間頻率f，求得運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度。/0fNfNtLvLvNL fNt0 理想不可壓縮流體的伯努利方程理想不可壓縮流體在重力場中作定常流動(dòng)時(shí)，具有三種形式的能量：位勢能、壓力勢能和動(dòng)能，在流線上任何一處三者能量之和保持恒定。v2,p2z1z2v1,p1212pgzv 常量皮托管測速原理2/2vpppstv/ )(2s

4、tppv誤差來源：誤差來源：皮托管的方向與流體方向不對準(zhǔn)；皮托管直徑不為零，靜壓孔實(shí)際靜壓力降低；流體受皮托管的滯止，使滯止點(diǎn)上游的靜壓力增大。 全靜壓管靜壓孔距前端不小于8倍管徑，可減小頭部激波對靜壓的影響；靜壓孔上部4個(gè)，下部6個(gè)，兩側(cè)沒有，可在大仰角飛行時(shí)減小靜壓誤差；裝有加溫裝置，防止在高空飛行時(shí)結(jié)冰飛機(jī)空速表開口膜盒（指示空速）真空膜盒（真空速）標(biāo)實(shí)真實(shí)TTvv當(dāng)外界氣溫T實(shí)與該氣層標(biāo)準(zhǔn)氣溫T標(biāo)不等時(shí)，應(yīng)按下式進(jìn)行修正：皮托管測速裝置利用了流體速度和流體動(dòng)壓力之間的關(guān)系；在測量時(shí)直接測量的是壓力，然后再計(jì)算出速度，屬于間接測量；測量了運(yùn)動(dòng)物體和流體的相對速度。皮托管裝置的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用

5、，穩(wěn)定可靠。多普勒效應(yīng)多普勒速度測量icf/0iPvcf1cos2cossPcvf2121(cos)(cos)(coscos)siicvcvfccvisdvfff)cos(cos120多普勒測速的優(yōu)點(diǎn)：用光的波長作基準(zhǔn)，精度高；光電探測器輸出頻率信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。 差分多普勒速度測量對于光束O10131(coscos)dOf vfc對于光束O20232(coscos)dOf vfc21012(coscos)sin22ddOdOffff vcv)2/sin(2/0dfv 頻差與光電探測器的方向無關(guān)。使用時(shí)不受現(xiàn)場條件的限制，可在任意方向測量。可使用大口徑的接收透鏡，使粒子散射的光能量極大地被利

6、用，提高信噪比。后向散射多普勒速度測量00sin/sin/dfvf vc )sin/(0fcfvd光源與光電探測器放置于運(yùn)動(dòng)物體的一側(cè)，儀器設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊后向散射差分多普勒速度測量 衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)電磁波多普勒效應(yīng)激光光纖Doppler血液流速測量 探頭體積小，便于調(diào)整測量位置，可以深入到難以測量的角落；抗干擾能力強(qiáng)，可在高電壓、強(qiáng)電磁感應(yīng)等環(huán)境中使用。密封型的光纖探頭可直接放入液體中使用。陀螺儀的結(jié)構(gòu)二自由度陀螺單自由度陀螺陀螺儀的支撐方式液浮陀螺儀氣動(dòng)陀螺儀靜電陀螺儀撓性陀螺儀陀螺儀的基本特性定軸性：當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果不受任何外加力矩的作用，其主軸將穩(wěn)定地保持在慣性空間初始方向上，

7、這種特性稱為陀螺儀定軸性或者穩(wěn)定性。角動(dòng)量H越大，摩擦力矩越小，則主軸方向越穩(wěn)定。HJ 陀螺儀的基本特性進(jìn)動(dòng)性：當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果外加力矩M作用在陀螺儀的某一框架旋轉(zhuǎn)軸上，迫使主鈾繞另一框架的軸旋轉(zhuǎn)，主軸以最短的途徑向外力矩的方向靠攏。在實(shí)際使用中如果內(nèi)框架和外框架重合，陀螺儀將會(huì)失去了一個(gè)自由度，這種情況被稱為“環(huán)架自鎖”。陀螺的進(jìn)動(dòng)是沒有慣性滯后微分陀螺儀角速度測量ykH光纖陀螺根據(jù)薩格納克效應(yīng)研制光纖陀螺對角速度的敏感軸是單軸，常使用三個(gè)或四個(gè)光纖陀螺構(gòu)成慣性測量組合轉(zhuǎn)速測量方法以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表達(dá)，即r/min按測量原理可分為：模擬法計(jì)數(shù)法同步法按變換方式可分為：機(jī)械式電氣

8、式光電式頻閃式22rcFmrkksFk x離心式轉(zhuǎn)速表具有測量結(jié)果顯示直觀、成本低、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，故在生產(chǎn)、維修現(xiàn)場使用較多。但是離心式轉(zhuǎn)速表的測量原理簡單，測量精度相對較低。接觸式接觸式非接觸式非接觸式ztNn60zfn60隨著轉(zhuǎn)速下降輸出感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值也隨之減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，電壓幅值將會(huì)無法檢測出來。這種傳感器不適合于低轉(zhuǎn)速測量。頻閃效應(yīng)物體在人的視野中消失后，人眼視網(wǎng)膜上能在一段時(shí)間內(nèi)保持視覺印象，即視后暫留現(xiàn)象。其維持時(shí)間，在物體平均亮度條件下，約為(1/51/20)s的范圍。頻閃測速用一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標(biāo)記(如齒輪的齒，圓盤的輻

9、條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點(diǎn))，并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個(gè)單定像為止，即達(dá)到n=f的條件，這時(shí)便可以從電子計(jì)數(shù)器或圓刻度盤上讀出被測的轉(zhuǎn)速值。測速方法被測轉(zhuǎn)速n與閃光頻率n0相同，或者n為n0的整數(shù)倍時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)單定像若已知被測轉(zhuǎn)速的范圍是nn，則首先將閃光頻率調(diào)到大于n，然后從高頻逐漸下降，第一次出現(xiàn)單定像的閃光頻率等于被測轉(zhuǎn)速若被測轉(zhuǎn)速的頻率范圍無法估計(jì)，則調(diào)整閃光頻率，記錄下連續(xù)出現(xiàn)兩次單定像的閃光頻率n1和n2，設(shè)n1n2，則1212n nnnnMEMS器件周期運(yùn)動(dòng)檢測MEMS器件周期運(yùn)動(dòng)檢測通過測量加速度來判斷機(jī)械系統(tǒng)所承受的加速度負(fù)荷的大小，防止損壞或提供控制指標(biāo)汽車：防撞

10、氣囊、警報(bào)器筆記本硬盤保護(hù)加速度鼠標(biāo)手機(jī)體感游戲通過測量加速度來測量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過檢測質(zhì)量塊與基座之間的位移可以實(shí)現(xiàn)加速度的測量質(zhì)量塊通過連接的阻尼器和彈簧感受到加速度的變化，質(zhì)量塊會(huì)受到與加速度成比例的慣性力的作用，通過檢測慣性力可以實(shí)現(xiàn)加速度的測量磁電感應(yīng)式加速度計(jì)電容式加速度計(jì)MEMS電容加速度計(jì)霍爾式加速度計(jì)伺服式加速度計(jì)原理：按力平衡反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)測試系統(tǒng)特點(diǎn)：精度高、穩(wěn)定性好、線性好、大信號(hào)輸出；有靜態(tài)響應(yīng)；等效阻尼和固有頻率易調(diào)整；頻率范圍窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。應(yīng)用:沖擊、瞬時(shí)隨機(jī)測量和低頻測量；特別適宜火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、輪船的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。伺服式加速度計(jì)2222dtxdmiSKzdtdzcdtzdmF222222dtxdzdtdzdtzdnnmkSSSFsdn/ )(2mkSSScFsd/ )(2當(dāng)系統(tǒng)處于加速度計(jì)工作狀態(tài)時(shí)，有n 。)/(11200FsdFLnaSSSkSmRzUaUS選用剛度小的彈簧，使得kSdSsSFBlmRSmRSLFLa石英撓性擺式加速度計(jì)石英饒性擺式加速度計(jì)是一種機(jī)械式加速度計(jì)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、交通、石油、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。這種加速度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度和靈敏度高、穩(wěn)定性好、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域的導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭