陀螺儀工作原理1(00002)課件

速度、轉(zhuǎn)速、加速度測(cè)量速度測(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）Rotaryspeed：revolutionsperminute(r.p.m.)AngularVelocityLinearVelocity

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。相關(guān)法;空間濾波器法2.角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化。3.利用物理參數(shù)測(cè)量：多普勒效應(yīng)、流體力學(xué)定律、電磁感應(yīng)原理4.加速度積分法和位移微分法

圖2光束切斷式速度測(cè)量

相關(guān)法檢測(cè)線速度，是利用隨機(jī)過(guò)程互相關(guān)函數(shù)的方法進(jìn)行的，其原理如圖3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(guò)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(guò)程是平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)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)，即相關(guān)法

圖3相關(guān)測(cè)速原理圖其物理含義是x(t)延遲to后成x(t－t0)，其波形將和y（t）幾乎重疊，因此互相關(guān)值有最大值。皮托管測(cè)速法理想不可壓縮流體在重力場(chǎng)中作定常流動(dòng)時(shí)，具有三種形式的能量：位勢(shì)能、壓力勢(shì)能和動(dòng)能，在流線上任何一處三者能量之和保持恒定。1.potentialenergy:mgz1,mgz2Permass:gz1,gz22.Kineticenergy:Permass:3.pressureenergy:Workdone＝force×distance=Permass:p為動(dòng)壓強(qiáng)V2,p2z1z2V1,p1動(dòng)壓(Pv)＋靜止壓(Ps)＝

全壓（Pt)流體伯努力方程：(Benoulli’sEquation)皮托管：皮托管是測(cè)量流體速度的主要工具之一,廣泛用于船舶和飛行體的測(cè)速。圖6為皮托管測(cè)流速原理圖，圖中所示從滯止點(diǎn)一直到壓力表液面上的空間是一個(gè)內(nèi)管，在它的外面包著外管，且與壓力表的另一個(gè)液面上的空間相通，外管的壁上開(kāi)有小孔，就是靜壓孔。在測(cè)量時(shí)，只要把皮托管對(duì)準(zhǔn)流體流動(dòng)的方向，使內(nèi)管頂端（滯止點(diǎn)）能感受全壓力pt，而具有靜壓孔的外管感受靜壓力ps。

圖4多普勒效應(yīng)原理kiksP(Apparentfrequency)

圖4多普勒效應(yīng)原理kiksP12后向散射型多普勒測(cè)速原理

從入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束的光電檢測(cè)器位于被測(cè)物體后面，即與光源在同一側(cè)。激光器S發(fā)出光束垂直人射到運(yùn)動(dòng)體，并在P點(diǎn)散射，散射光由光電檢測(cè)器R接收。根據(jù)多普勒效應(yīng)檢測(cè)多普勒頻移，如果人射光與散射光的夾角為，則多普勒頻移為：2v

多普勒測(cè)速儀的工作原理是利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體頻率的變化。電磁波的傳播同樣有多普勒特性。當(dāng)一個(gè)發(fā)出固定頻率的波的物體，相對(duì)于觀察地點(diǎn)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在觀察地點(diǎn)收到的頻率隨著它們的相對(duì)速度而變化即當(dāng)物體向著觀察點(diǎn)接近時(shí)，波長(zhǎng)就變短，頻率就變高；而遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)時(shí)，波長(zhǎng)就變長(zhǎng)，頻率就變低,這樣通過(guò)頻率的變化就能計(jì)算出衛(wèi)星的高度、速度和方位。若用此法連續(xù)測(cè)量，就可得到精確的衛(wèi)星實(shí)際軌道數(shù)據(jù)。

2、超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)的?多普勒測(cè)速儀應(yīng)用實(shí)例1、衛(wèi)星跟蹤測(cè)軌系統(tǒng)

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。陀螺儀測(cè)角速度（gyroscope）

陀螺儀的基本功能是敏感角位移和角速度。在航空、航海、航天、兵器以及其它一些領(lǐng)域中，有著十分廣泛和重要的應(yīng)用。在航空上，陀螺儀用來(lái)測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角、航向角)和角速度，成為飛行駕駛的重要儀表。飛行控制系統(tǒng)如自動(dòng)駕駛儀和自動(dòng)穩(wěn)定器，則是在測(cè)量出這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的自動(dòng)控制或穩(wěn)定，因而陀螺儀又是飛行控制系統(tǒng)的重要部件。Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量當(dāng)二自由度陀螺底座繞垂直于X軸與Z軸成角的軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)．則將有陀螺力矩Mg作用于框架上，陀螺力矩Mg為：三自由度陀螺結(jié)構(gòu)原理如圖所示。三自由度陀螺具有以下主要特性：

1)定軸性

2)進(jìn)動(dòng)性

3)無(wú)慣性

(2)微分陀螺儀作用原理圖中標(biāo)注直角坐標(biāo)系Oxyz，X軸沿框架軸旋轉(zhuǎn)方向。Y軸稱為陀螺儀的輸入軸。因?yàn)槲⒎滞勇輧x就是測(cè)量它的殼體繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，故又稱為測(cè)量軸。Z0的方向?yàn)橹鬏S起始位置，即當(dāng)＝0時(shí)，Z軸應(yīng)與Z0重合。3.第二節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量1.數(shù)字式轉(zhuǎn)速表（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)速傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示器等部分組成。首先由傳感器把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)，再通過(guò)測(cè)量信號(hào)的頻率或周期來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就輸出數(shù)目與白條紋數(shù)目相同個(gè)電脈沖信號(hào)。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(guò)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(wú)法檢測(cè)出來(lái)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)。

頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速

時(shí)基電路的功能是提供時(shí)間基準(zhǔn)(又稱為時(shí)標(biāo))，它由晶體振蕩器和分頻器電路組成。振蕩器輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)經(jīng)放大整形和分頻后，產(chǎn)生出以脈沖寬度形式表示的時(shí)間基準(zhǔn)，來(lái)控制計(jì)數(shù)門(其中fv振蕩器的輸出頻率，n為分頻數(shù)周期法測(cè)轉(zhuǎn)速

與頻率／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路不同，其特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻來(lái)提供計(jì)數(shù)時(shí)間，而計(jì)數(shù)器是對(duì)晶體振蕩器的輸出信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。這里用被測(cè)周期T來(lái)控制閘門，填充時(shí)間0進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)N。為了提高周期測(cè)量的準(zhǔn)確度，通過(guò)將周期信號(hào)分頻，使被測(cè)量的周期得到倍乘。故被測(cè)量的轉(zhuǎn)速n為k為周期倍乘數(shù)1，10，100….

晶振周期N為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值Z為傳感器細(xì)分?jǐn)?shù)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)除應(yīng)包括轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)字化轉(zhuǎn)換電路和顯示器外，由于實(shí)際測(cè)量總是在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的，因此在每個(gè)測(cè)量循環(huán)開(kāi)始之前，必須首先對(duì)時(shí)基電路、計(jì)數(shù)器和顯示器進(jìn)行清零。另外也需要使顯示延長(zhǎng)一定的時(shí)間，以便觀察測(cè)量結(jié)果。故系統(tǒng)中還應(yīng)沒(méi)有完成這些功能的控制邏輯電路。

四、閃光測(cè)轉(zhuǎn)速法閃光測(cè)轉(zhuǎn)速法是利用人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。一個(gè)閃光目標(biāo)，當(dāng)閃動(dòng)頻率大于10Hz時(shí)，人眼看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。根據(jù)這一原理，用一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標(biāo)記(如齒輪的齒，圓盤的輻條或在旋轉(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)單定象為止，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(cè)的轉(zhuǎn)速值。

但是若在連續(xù)兩次閃光的時(shí)間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)整數(shù)倍的因數(shù)時(shí)，即n＝k0f時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)單定象。式中的k0為單定象停留的次數(shù)(1、2、3、…)。還可能出現(xiàn)另一種情況，即當(dāng)閃光頻率比被測(cè)轉(zhuǎn)速高二倍、三將、…、m倍時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)二重象、三重象以至于m重象。f=m×n測(cè)速發(fā)電機(jī)

橫穿導(dǎo)體的磁通發(fā)生變化時(shí)，該導(dǎo)體將產(chǎn)生電勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)作用。這樣產(chǎn)生的電壓稱為感應(yīng)電勢(shì)。測(cè)速發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理制成的一種把轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的裝置，與普通發(fā)電機(jī)不同之處是它有較好的測(cè)速特性，例如輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有較好的線性關(guān)系，較高的靈敏度等。測(cè)速發(fā)電機(jī)也分為直流和交流兩類。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的平均直流輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速N大體上成正比，表達(dá)式為

交流測(cè)速發(fā)電機(jī)加速度是表征物體在空間運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的一個(gè)基本物理量。因此，可以通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過(guò)飛行器的加速度來(lái)測(cè)量它的加速度、速度(地速)、位置、已飛過(guò)的距離以及相對(duì)于預(yù)定到達(dá)點(diǎn)的方向等。通常還通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)所承受的加速度負(fù)荷的大小，以便正確設(shè)計(jì)其機(jī)械強(qiáng)度和按照設(shè)計(jì)指標(biāo)正確控制其運(yùn)動(dòng)加速度，以免機(jī)件損壞。對(duì)于加速度，常用絕對(duì)法測(cè)量，即把慣性型測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量。

第三節(jié)加速度測(cè)量當(dāng)前測(cè)量加速度的傳感器基本上都是基于圖所示的基本結(jié)構(gòu)。通常是質(zhì)量－彈簧－阻尼二階慣性系統(tǒng)。由質(zhì)量塊m、彈簧k和阻尼器c所組成的慣性型二階測(cè)量系統(tǒng)。質(zhì)量塊通過(guò)彈簧和阻尼器與傳感器基座相連接。傳感器基座與被測(cè)運(yùn)動(dòng)體相固連，因而隨運(yùn)動(dòng)體一起相對(duì)于運(yùn)動(dòng)體之外慣性空間的某一參考點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于質(zhì)量塊不與傳感器基座相固連，因而在慣性作用下將與基座之間產(chǎn)生相對(duì)位移。質(zhì)量塊感受加速度并產(chǎn)生與加速度成比例的慣性力，從而使彈簧產(chǎn)生與質(zhì)量塊相對(duì)位移相等的伸縮變形，彈簧變形又產(chǎn)生與變形量成此例的反作用力。當(dāng)慣性力與彈簧反作用力相平衡時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)于基座的位移與加速度成正比例，故可通過(guò)該位移或慣性力來(lái)測(cè)量加速度。設(shè)傳感器基座相對(duì)于慣性空間參考坐標(biāo)的位移為xb，質(zhì)量塊m相對(duì)于慣性空間參考坐標(biāo)的位移為x，質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移為y，則有如上所述，質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)可以把加速度轉(zhuǎn)換成與之成比例的質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移，采用位移傳感器作為變換器，把質(zhì)量塊的相對(duì)位移轉(zhuǎn)變成與加速度成比例的電信號(hào)，就可構(gòu)成各種類型的位移式加速度傳感器。（a)是一種變磁阻式加速度傳感器，它是以通過(guò)彈簧片與殼體相連的質(zhì)量塊m作為差動(dòng)變壓器的銜鐵。當(dāng)質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，差動(dòng)變壓器就輸出與位移(也即與加速度)成近似線性關(guān)系的電壓，加速度方向改變時(shí)，輸出電壓的相位相應(yīng)地改變180。。位移式加速度傳感器(b)是電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)，它是以通過(guò)彈簧片支承的質(zhì)量塊作為差動(dòng)電容器的活動(dòng)極板，并利用空氣阻尼。電容式加速度傳感器的特點(diǎn)是頻率響應(yīng)范圍寬，測(cè)量范圍大。圖(c)是霍爾式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是在固定在傳感器殼體上的彈性懸臂梁的中部裝有一感受加速度的質(zhì)量塊m，梁的自由端固定安裝著測(cè)量位移的霍爾元件H。在霍爾元件的上下兩側(cè)，同極性相對(duì)安裝著一對(duì)永久磁鐵，以形成線性磁場(chǎng)。當(dāng)質(zhì)量塊感受上下方向的加速度而產(chǎn)生與之成比例的慣性力使梁發(fā)生彎曲變形時(shí)，自由端就產(chǎn)生與加速度成比例的位移，霍爾元件就輸出與加速度成比例的霍爾電勢(shì)UH。這類基于測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)位移的加速度傳感器一般靈敏度都比較低，所以當(dāng)前廣泛采用基于測(cè)量慣性力的加速度傳感器，例如電阻應(yīng)變式、壓阻式和壓電式加速度傳感器。它們的工作原理是:敏感質(zhì)量塊感受加速度，而產(chǎn)生與之成正比的慣性力F＝ma，再通過(guò)彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過(guò)壓電元件把慣性力轉(zhuǎn)變