第五章機(jī)械參量的測(cè)試-2

1、5-2 5-2 速度測(cè)量速度測(cè)量 物體的運(yùn)動(dòng)速度分為物體的運(yùn)動(dòng)速度分為線速度線速度和和角速度角速度(轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速)。 速度是位移對(duì)時(shí)間的微分，對(duì)加速度的積分速度是位移對(duì)時(shí)間的微分，對(duì)加速度的積分，可通過位移傳感器的輸出電信號(hào)通過微分電路可通過位移傳感器的輸出電信號(hào)通過微分電路進(jìn)行微分，或者把加速度傳感器的輸出電信號(hào)進(jìn)行微分，或者把加速度傳感器的輸出電信號(hào)通過積分電路進(jìn)行積分，就可以得到速度隨時(shí)通過積分電路進(jìn)行積分，就可以得到速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。間的變化關(guān)系。 存在的問題：存在的問題： 1) 微分處理微分處理 2) 積分處理積分處理 因此，速度測(cè)量最好采用直接測(cè)量法。因此，速度測(cè)量最好采用直接測(cè)量

2、法。速 度 測(cè) 量速度測(cè)量線速度測(cè)量（m/s，km/h) 角速度測(cè)量(rad/s) （轉(zhuǎn)速測(cè)量(轉(zhuǎn)/分） 測(cè)量原理 1. 物體運(yùn)動(dòng)的線速度可以從物體在一定時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離或者從物體移動(dòng)一定距離所需的時(shí)間求得，這種方法只能求某段距離或時(shí)間的平均速度。越越小，越接近瞬時(shí)速度。2. 角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化。svtvr3. 利用物理參數(shù)測(cè)量：多普勒效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理4. 加速度積分法和位移微分法5. 相關(guān)法 平均速度法常采用的裝置是平均速度法常采用的裝置是區(qū)截裝置習(xí)慣上把區(qū)截裝置叫作靶靶。按其作用方式，大體上可分為接觸和非接觸兩種類型 。測(cè)試方法測(cè)試方法一、平均速度法平均速度法 平均速度法平均速度法

3、適用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)的物適用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)的物體的速度。體的速度。 通過已知的位移通過已知的位移x x和相應(yīng)的時(shí)間間隔和相應(yīng)的時(shí)間間隔t t來測(cè)量平均速度來測(cè)量平均速度 。tx常用的區(qū)截裝置有：常用的區(qū)截裝置有：p 網(wǎng)靶網(wǎng)靶p 鋁箔靶鋁箔靶p 鋼板靶鋼板靶非接觸型非接觸型接觸型接觸型p 聲靶聲靶p 線圈靶線圈靶p 光幕靶光幕靶p 天幕靶天幕靶(一)、接觸型靶 如網(wǎng)靶銅絲、錫箔網(wǎng)靶錫箔(二)、非接觸型靶 利用光線的遮擋，電磁場(chǎng)的變化及波的傳播等原理利用光線的遮擋，電磁場(chǎng)的變化及波的傳播等原理工作的。工作的。1線圈靶 運(yùn)動(dòng)體從線圈靶內(nèi)穿過時(shí)，磁通量發(fā)生變化，從而使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)可以

4、作為測(cè)時(shí)儀器的啟動(dòng)或停止信號(hào)。線圈靶的類型線圈靶的類型 感應(yīng)線圈靶感應(yīng)線圈靶 感應(yīng)線圈靶：要求被測(cè)物體帶有磁性感應(yīng)線圈靶：要求被測(cè)物體帶有磁性 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：僅有一組感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：僅有一組感應(yīng)線圈 勵(lì)磁線圈靶勵(lì)磁線圈靶 勵(lì)磁線圈靶：要求運(yùn)動(dòng)體是磁導(dǎo)體。勵(lì)磁線圈靶：要求運(yùn)動(dòng)體是磁導(dǎo)體。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩組線圈，外層為感應(yīng)線圈，內(nèi)層為勵(lì)磁線圈。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩組線圈，外層為感應(yīng)線圈，內(nèi)層為勵(lì)磁線圈。勵(lì)磁線圈靶工作原理圖感應(yīng)線圈靶工作原理圖把彈丸預(yù)先進(jìn)行磁化處理在線圈內(nèi)另加一個(gè)通以直流電流的勵(lì)磁線圈，從而使線圈周圍形成一個(gè)磁場(chǎng)xx20m73apneem為感應(yīng)電勢(shì)的峰值為感應(yīng)電勢(shì)的峰值p為點(diǎn)磁偶極子的磁矩為點(diǎn)

5、磁偶極子的磁矩n為線圈靶的有效圈數(shù)為線圈靶的有效圈數(shù)0運(yùn)動(dòng)體的磁導(dǎo)率運(yùn)動(dòng)體的磁導(dǎo)率a為線圈的有效半徑為線圈的有效半徑特征點(diǎn)：特征點(diǎn)：1)類似于正弦的區(qū)截信號(hào)對(duì)類似于正弦的區(qū)截信號(hào)對(duì)應(yīng)于線圈靶的中性平面應(yīng)于線圈靶的中性平面;2) em為信號(hào)的峰值點(diǎn)電勢(shì)。為信號(hào)的峰值點(diǎn)電勢(shì)。使用中：使用中：線圈中心應(yīng)與運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)行方向盡量重合。線圈中心應(yīng)與運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)行方向盡量重合。2聲靶聲靶 利用超聲速彈丸的激波利用超聲速彈丸的激波 原理：原理：用超音速飛行的彈丸的彈頭波掃過作為用超音速飛行的彈丸的彈頭波掃過作為靶的高頻話筒，產(chǎn)生電信號(hào)，用以啟動(dòng)或停止測(cè)時(shí)靶的高頻話筒，產(chǎn)生電信號(hào)，用以啟動(dòng)或停止測(cè)時(shí)儀器。這是一種

6、較新的測(cè)速方法，使用較為方便，儀器。這是一種較新的測(cè)速方法，使用較為方便，但對(duì)于低于音速飛行的彈丸無法測(cè)量。但對(duì)于低于音速飛行的彈丸無法測(cè)量。3光電靶光電靶p光束切斷法p天幕靶光電靶光束切斷法 光束切斷法檢測(cè)速度適合于定尺寸材料的速度檢測(cè)。這是一種非接觸式測(cè)量，測(cè)量精度較高。 如圖所示是由兩個(gè)固定距離為L(zhǎng)的檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)速度檢測(cè)的。檢測(cè)器由光源和光接收元件構(gòu)成。被測(cè)物體以速度v行進(jìn)時(shí)，它的前端在通過第一個(gè)檢測(cè)器的時(shí)刻，由于物體遮斷光線而產(chǎn)生輸出信號(hào)，由這信號(hào)驅(qū)動(dòng)脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至物體到達(dá)第二個(gè)檢測(cè)器時(shí)刻檢測(cè)器發(fā)出停止脈沖計(jì)數(shù)。由檢測(cè)器間距L和計(jì)數(shù)脈沖的周期T、個(gè)數(shù)N，可求出物體的行進(jìn)速度。

7、LvNT光束切斷式速度測(cè)量 天幕靶天幕靶是一種光電靶，利用太陽光在大是一種光電靶，利用太陽光在大氣中散射而形成的自然光為光源。也可以使氣中散射而形成的自然光為光源。也可以使用直流光源。用直流光源。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：對(duì)運(yùn)動(dòng)體材料沒有特殊要求，對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)體材料沒有特殊要求，對(duì)運(yùn)動(dòng)體飛行沒有干擾。運(yùn)動(dòng)體飛行沒有干擾。光電靶天幕靶天幕靶側(cè)向天幕靶側(cè)向天幕靶正向天幕靶正向天幕靶天幕靶的工作原理天幕靶的工作原理badccdba 根據(jù)透鏡成象原理，根據(jù)透鏡成象原理，發(fā)光體發(fā)光體ab所成的象為所成的象為ab。如在象前裝一個(gè)光闌，則如在象前裝一個(gè)光闌，則只有光闌上狹縫所允許通只有光闌上狹縫所允許通過的光才能成象于過的

8、光才能成象于cd。 如對(duì)準(zhǔn)如對(duì)準(zhǔn)cd安裝一個(gè)光敏元件，它所接收的只安裝一個(gè)光敏元件，它所接收的只是垂直于紙面方向是垂直于紙面方向(與光闌狹縫平行與光闌狹縫平行)，寬度為，寬度為cd的的一條光幕的光。當(dāng)彈丸飛過該光幕時(shí)，彈丸的影像一條光幕的光。當(dāng)彈丸飛過該光幕時(shí)，彈丸的影像將使照射到光敏元件上的光通量發(fā)生變化，使光敏將使照射到光敏元件上的光通量發(fā)生變化，使光敏元件產(chǎn)生的電信號(hào)發(fā)生變化，發(fā)出區(qū)截信號(hào)。元件產(chǎn)生的電信號(hào)發(fā)生變化，發(fā)出區(qū)截信號(hào)。 相關(guān)法檢測(cè)線速度，是利用隨機(jī)過程互相關(guān)函數(shù)的方法進(jìn)行的，其原理如圖所示。被測(cè)物體以速度V行進(jìn)，在靠近行進(jìn)物體處安裝兩個(gè)相距L相同的傳感器（如光電傳感器、超聲波

9、傳感器等）。傳感器檢測(cè)易于從被測(cè)物體上檢測(cè)到的參量(如表面粗糙度、表面缺陷等），例如對(duì)被測(cè)物體發(fā)射光，由于被測(cè)物表面的差異及傳感器等受隨機(jī)因素的影響。傳感器得到的反射光信號(hào)是經(jīng)隨機(jī)噪聲調(diào)制過的。圖中傳感器2得到的信號(hào)x（t）是由于物體A點(diǎn)進(jìn)入傳感器2的檢測(cè)區(qū)得到的。當(dāng)物體A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到傳感器1的檢測(cè)區(qū)得到信號(hào)y（t）。當(dāng)隨機(jī)過程是平穩(wěn)隨機(jī)過程時(shí)，y(t)的波形和x（t)是相似的，只是時(shí)間上推遲了t0(=L/v)，即二、相 關(guān) 法 相關(guān)測(cè)速原理圖 其物理含義是x(t)延遲to后成x(tt0)，其波形將和y（t）幾乎重疊，因此互相關(guān)值有最大值。00000( )()11( )lim() ( )lim()

10、 ()()TTxyTTxy tx t tRx ty t dtx t t x tdtTTRt三、多普勒測(cè)速當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的聲波頻率與入射聲波頻率存在差別的現(xiàn)象稱為光學(xué)多普勒效應(yīng)，是奧地利學(xué)者多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)單色光束人射到運(yùn)動(dòng)體上某點(diǎn)時(shí)，光波在該點(diǎn)被運(yùn)動(dòng)體散射，散(反) 射光頻率與人射光頻率相比，產(chǎn)生了正比于物體運(yùn)動(dòng)速度的頻率偏移，稱為多普勒頻移。利用多普勒雷達(dá)測(cè)量速度 多普勒測(cè)速原理是利用電磁波的反射特性。多普勒測(cè)速原理是利用電磁波的反射特性。當(dāng)發(fā)射波投射到運(yùn)動(dòng)物體上時(shí)，反射波的頻率由當(dāng)發(fā)射波投射到運(yùn)動(dòng)物體上時(shí)，反射波的頻率由于多普勒效應(yīng)而發(fā)生變化。

11、于多普勒效應(yīng)而發(fā)生變化。若將發(fā)射波與反射波混頻，取出頻差，即可測(cè)試出運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度。 當(dāng)發(fā)射源與接受器相對(duì)固定時(shí)，根據(jù)多普勒原理（效應(yīng)），多普勒頻差為 v物體的運(yùn)動(dòng)速度，v電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（在自由空間為光速）， 發(fā)射波與物體運(yùn)動(dòng)方向的夾角。fT電磁波的發(fā)射頻率。 cos)/(2Tdfvvf 利用多普勒效應(yīng)制成的儀器有激光多普勒測(cè)量?jī)x、超聲多普勒測(cè)量?jī)x等，具有精度高、非接觸、不擾亂流場(chǎng)、響應(yīng)快、空間分辨率高、使用方便的特點(diǎn)，廣泛用于流速測(cè)量、工業(yè)中鋼板、鋁材測(cè)量、醫(yī)學(xué)中血液循環(huán)監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等。非接觸測(cè)量可以克服由于機(jī)械磨損和打滑造成的測(cè)量誤差。5-3 5-3 轉(zhuǎn)速測(cè)量1.數(shù)字式轉(zhuǎn)速表

12、（1）測(cè)量原理： 數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由頻率式轉(zhuǎn)速傳數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由頻率式轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示器等感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示器等部分組成。部分組成。首先由傳感器把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)，再通過測(cè)量信號(hào)的頻率或周期來測(cè)量轉(zhuǎn)速。（2）轉(zhuǎn)速傳感器把被測(cè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為反射式和透射式反射式和透射式兩大類，它們都由光源、光路系統(tǒng)、調(diào)制器和光敏元件組成。調(diào)制器的作用是把連續(xù)光調(diào)制成光脈沖信號(hào)，它可以是一個(gè)其上開有均勻分布的多個(gè)縫隙(或小孔)的圓盤，或是直接在被測(cè)轉(zhuǎn)軸的某一部位上涂以黑白相間的條紋。

13、當(dāng)安裝在被測(cè)軸上的調(diào)制器隨被測(cè)鈾一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用圓 盤縫隙(或小孔)的透光性，或黑白條紋對(duì)光的吸收或反射性把被測(cè)轉(zhuǎn)速調(diào)制成相應(yīng)的光脈沖。光脈沖照射到光敏元件上時(shí)，即產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，從而把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成了電脈沖信號(hào)。 放大整形電路 放大整形電路發(fā)光管發(fā)光管 光敏二極管 光敏二極管 轉(zhuǎn)盤 轉(zhuǎn)盤（a）（b）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導(dǎo)磁體)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒依次通過永久磁鐵兩磁極間的間隙，使磁路的磁阻和磁通發(fā)生周期性變化，從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成此例的交流電壓信號(hào)u0。隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，電壓幅值將會(huì)減小到無法檢測(cè)出來的程度。故這種傳成器不適合于低速測(cè)量。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器（3）數(shù)字化電路 為了讀出被測(cè)轉(zhuǎn)速，還需要進(jìn)一步把傳感器輸出信號(hào)的頻率或周期轉(zhuǎn)換成傳感器輸出信號(hào)的頻率或周期轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)字量，以便于數(shù)字顯示。一般對(duì)中、高轉(zhuǎn)速采用頻率法，對(duì)低轉(zhuǎn)速采用周期法測(cè)量。 在電子計(jì)數(shù)器采樣時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間控制計(jì)數(shù)器閘門。當(dāng)計(jì)數(shù)器的顯示值為N時(shí)，被測(cè)量的轉(zhuǎn)速n為60Nnzt式中，z為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出的電脈沖信號(hào)數(shù)；t為采樣時(shí)間(s)。 頻率法