陀螺儀工作原理

關(guān)于陀螺儀工作原理速度測量速度測量線速度測量（m/s，km/h)

角速度測量(rad/s)（轉(zhuǎn)速測量(轉(zhuǎn)/分）Rotaryspeed：revolutionsperminute(r.p.m.)AngularVelocityLinearVelocity第2頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

測量原理：

1.物體運動的線速度可以從物體在一定時間內(nèi)移動的距離或者從物體移動一定距離所需的時間求得，這種方法只能求某段距離或時間的平均速度。越越小，越接近瞬時速度。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)測量：多普勒效應、流體力學定律、電磁感應原理4.加速度積分法和位移微分法第3頁,共57頁，2024年2月25日，星期天光束切斷法

光束切斷法檢測速度適合于定尺寸材料的速度檢測。這是一種非接觸式測量，測量精度較高。圖2所示它是由兩個固定距離為L的檢測器實現(xiàn)速度檢測的。檢測器由光源和光接收元件構(gòu)成。被測物體以速度v行進時，它的前端在通過第一個檢測器的時刻，由于物體遮斷光線而產(chǎn)生輸出信號，由這信號驅(qū)動脈沖計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)至物體到達第二個檢測器時刻．檢測器發(fā)出停止脈沖計數(shù)。由檢測器間距L和計數(shù)脈沖的周期T、個數(shù)N，可求出物體的行進速度。

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圖2光束切斷式速度測量第5頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

相關(guān)法檢測線速度，是利用隨機過程互相關(guān)函數(shù)的方法進行的，其原理如圖3所示。被測物體以速度V行進，在靠近行進物體處安裝兩個相距L相同的傳感器（如光電傳感器、超聲波傳感器等）。傳感器檢測易于從被測物體上檢測到的參量(如表面粗糙度、表面缺陷等），例如對被測物體發(fā)射光，由于被測物表面的差異及傳感器等受隨機因素的影響．傳感器得到的反射光信號是經(jīng)隨機噪聲調(diào)制過的。圖中傳感器2得到的信號x（t）是由于物體A點進入傳感器2的檢測區(qū)得到的。當物體A點運動到傳感器1的檢測區(qū)．得到信號y（t）。當隨機過程是平穩(wěn)隨機過程時，y(t)的波形和x（t)是相似的，只是時間上推遲了t0(=L/v)，即相關(guān)法第6頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

圖3相關(guān)測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。第7頁,共57頁，2024年2月25日，星期天可用于生產(chǎn)過程中的塑料板帶、布、鋼板帶等速度檢測。注意測量輥與被測物之間的滑移所造成的測量誤差。

圖1接觸輥式速度測量接觸輥法

接觸輥式速度檢測法是應用最廣泛的一種方法。如圖1所示把旋轉(zhuǎn)輥輪（測量輥）接觸在行進的物體上，被測物體以速度v行進并帶動測量輥轉(zhuǎn)動．由測量輥的轉(zhuǎn)速和周長求得物體的行進速度。第8頁,共57頁，2024年2月25日，星期天皮托管測速法第9頁,共57頁，2024年2月25日，星期天理想不可壓縮流體在重力場中作定常流動時，具有三種形式的能量：位勢能、壓力勢能和動能，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為動壓強V2,p2z1z2V1,p1動壓(Pv)＋靜止壓(Ps)＝

全壓（Pt)流體伯努力方程：(Benoulli’sEquation)第10頁,共57頁，2024年2月25日，星期天皮托管：皮托管是測量流體速度的主要工具之一,廣泛用于船舶和飛行體的測速。圖6為皮托管測流速原理圖，圖中所示從滯止點一直到壓力表液面上的空間是一個內(nèi)管，在它的外面包著外管，且與壓力表的另一個液面上的空間相通，外管的壁上開有小孔，就是靜壓孔。在測量時，只要把皮托管對準流體流動的方向，使內(nèi)管頂端（滯止點）能感受全壓力pt，而具有靜壓孔的外管感受靜壓力ps。第11頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

多普勒測速當光源和反射體或散射體之間存在相對運動時，接收到的聲波頻率與入射聲波頻率存在差別的現(xiàn)象稱為光學多普勒效應，是奧地利學者多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的。當單色光束人射到運動體上某點時，光波在該點被運動體散射，散射光頻率與人射光頻率相比，產(chǎn)生了正比于物體運動速度的頻率偏移，稱為多普勒頻移。第12頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

圖4多普勒效應原理kiksP(Apparentfrequency)第13頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

圖4多普勒效應原理kiksP

1

2第14頁,共57頁，2024年2月25日，星期天后向散射型多普勒測速原理

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器位于被測物體后面，即與光源在同一側(cè)。激光器S發(fā)出光束垂直人射到運動體，并在P點散射，散射光由光電檢測器R接收。根據(jù)多普勒效應檢測多普勒頻移，如果人射光與散射光的夾角為

，則多普勒頻移為：

2v第15頁,共57頁，2024年2月25日，星期天多普勒效應的另一種解釋

輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高(藍移(blueshift))。在運動的波源后面，產(chǎn)生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低(紅移(redshift))。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應越大。根據(jù)光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。所有波動現(xiàn)象(包括光波)都存在多普勒效應。第16頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

多普勒測速儀的工作原理是利用相對運動的物體頻率的變化。電磁波的傳播同樣有多普勒特性。當一個發(fā)出固定頻率的波的物體，相對于觀察地點有相對運動時，在觀察地點收到的頻率隨著它們的相對速度而變化即當物體向著觀察點接近時，波長就變短，頻率就變高；而遠離觀察點時，波長就變長，頻率就變低,這樣通過頻率的變化就能計算出衛(wèi)星的高度、速度和方位。若用此法連續(xù)測量，就可得到精確的衛(wèi)星實際軌道數(shù)據(jù)。

2、超聲多普勒法是怎樣測量血液流動的?多普勒測速儀應用實例1、衛(wèi)星跟蹤測軌系統(tǒng)第17頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

利用多普勒效應制成的儀器有激光多普勒測量儀、超聲多普勒測量儀等，具有精度高、非接觸、不擾亂流場、響應快、空間分辨率高、使用方便的特點，廣泛用于流速測量、工業(yè)中鋼板、鋁材測量、醫(yī)學中血液循環(huán)監(jiān)測、醫(yī)學診斷等。非接觸測量可以克服由于機械磨損和打滑造成的測量誤差。第18頁,共57頁，2024年2月25日，星期天陀螺儀測角速度（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用。在航空上，陀螺儀用來測量飛機的姿態(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)如自動駕駛儀和自動穩(wěn)定器，則是在測量出這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對飛機的自動控制或穩(wěn)定，因而陀螺儀又是飛行控制系統(tǒng)的重要部件。第19頁,共57頁，2024年2月25日，星期天陀螺儀原理：

高速旋轉(zhuǎn)的剛體稱為陀螺。

二自由度陀螺作用原理：轉(zhuǎn)子1裝在框架2軸承中，并統(tǒng)其軸2以很高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，只一般為12000～24000r／min，甚至更高。這個轉(zhuǎn)速稱為陀螺轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子軸Z叫主軸，其正方與自轉(zhuǎn)角速度矢量方向一致。陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動的角動量以H表示。第20頁,共57頁，2024年2月25日，星期天Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量當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．則將有陀螺力矩Mg作用于框架上，陀螺力矩Mg為：第21頁,共57頁，2024年2月25日，星期天三自由度陀螺結(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)進動性

3)無慣性

第22頁,共57頁，2024年2月25日，星期天(2)微分陀螺儀作用原理圖中標注直角坐標系Oxyz，X軸沿框架軸旋轉(zhuǎn)方向。Y軸稱為陀螺儀的輸入軸。因為微分陀螺儀就是測量它的殼體繞Y軸轉(zhuǎn)動的角速度

，故又稱為測量軸。Z0的方向為主軸起始位置，即當

＝0時，Z軸應與Z0重合。第23頁,共57頁，2024年2月25日，星期天兩根彈簧應調(diào)節(jié)得使主軸在起始位置時，彈簧作用于框架上的力矩為零。X軸稱為輸出軸，因為具有角速度的殼體將引起框架繞X軸轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，殼體以角速度

繞Y軸轉(zhuǎn)動。根據(jù)二自由度陀螺特性，將產(chǎn)生陀螺力矩Mg，使H以最短途徑向運動，從而將使轉(zhuǎn)子軸抬頭向上轉(zhuǎn)動，主軸將偏離起始位置Z0軸。當框架繞X軸轉(zhuǎn)動時，彈簧將產(chǎn)生彈性力矩My反抗陀螺力矩Mg。只有在陀螺力矩和彈性力矩以及框架轉(zhuǎn)動而引起的摩擦力矩Mf相平衡時，框架停止轉(zhuǎn)動。這時框架運動的角

就反映了殼體Y軸轉(zhuǎn)動的角速度

。第24頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3.第25頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)轉(zhuǎn)速測量1.數(shù)字式轉(zhuǎn)速表（1）測量原理：

數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(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，再通過測量信號的頻率或周期來測量轉(zhuǎn)速。第26頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（2）轉(zhuǎn)速傳感器把被測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器

磁電感應式轉(zhuǎn)速傳感器第27頁,共57頁，2024年2月25日，星期天光電式轉(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，它可以是一個其上開有均勻分布的多個縫隙(或小孔)的圓盤，或是直接在被測轉(zhuǎn)軸的某一部位上涂以黑白相間的條紋。當安裝在被測軸上的調(diào)制器隨被測鈾一起旋轉(zhuǎn)時，利用圓盤縫隙(或小孔)的透光性，或黑白條紋對光的吸收或反射性把被測轉(zhuǎn)速調(diào)制成相應的光脈沖。光脈沖照射到光敏元件上時，即產(chǎn)生相應的電脈沖信號，從而把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成了電脈沖信號。第28頁,共57頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就輸出數(shù)目與白條紋數(shù)目相同個電脈沖信號。第29頁,共57頁，2024年2月25日，星期天磁電感應式轉(zhuǎn)速傳感器

當安裝在被測轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導磁體)旋轉(zhuǎn)時，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，從而在線圈上感應出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成此例的交流電壓信號u0。第30頁,共57頁，2024年2月25日，星期天隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，當轉(zhuǎn)速低到一定程度時，電壓幅值將會減小到無法檢測出來的程度。故這種傳成器不適合于低速測量。第31頁,共57頁，2024年2月25日，星期天電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器第32頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（3）數(shù)字化電路

為了讀出被測轉(zhuǎn)速，還需要進一步把傳感器輸出信號的頻率或周期轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于數(shù)字顯示。一般對中、高轉(zhuǎn)速采用頻率法，對低轉(zhuǎn)速采用周期法測量。第33頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

在電子計數(shù)器采樣時間內(nèi)對轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號進行計數(shù)。利用標準時間控制計數(shù)器閘門。當計數(shù)器的顯示值為N時，被測量的轉(zhuǎn)速n為式中，z為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出的電脈沖信號數(shù)；t為采樣時間(s)。

頻率法測轉(zhuǎn)速

第34頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

時基電路的功能是提供時間基準(又稱為時標)，它由晶體振蕩器和分頻器電路組成。振蕩器輸出的標準頻率信號經(jīng)放大整形和分頻后，產(chǎn)生出以脈沖寬度形式表示的時間基準，來控制計數(shù)門(其中fv振蕩器的輸出頻率，n為分頻數(shù)第35頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共57頁，2024年2月25日，星期天周期法測轉(zhuǎn)速

與頻率／數(shù)字轉(zhuǎn)換電路不同，其特點是通過對被測信號進行分頻來提供計數(shù)時間，而計數(shù)器是對晶體振蕩器的輸出信號脈沖進行計數(shù)。這里用被測周期T來控制閘門，填充時間

0進入計數(shù)器計數(shù)N。為了提高周期測量的準確度，通過將周期信號分頻，使被測量的周期得到倍乘。故被測量的轉(zhuǎn)速n為k為周期倍乘數(shù)1，10，100….

晶振周期N為計數(shù)器計數(shù)值Z為傳感器細分數(shù)第37頁,共57頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)整個測量系統(tǒng)除應包括轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)字化轉(zhuǎn)換電路和顯示器外，由于實際測量總是在一段時間內(nèi)連續(xù)進行的，因此在每個測量循環(huán)開始之前，必須首先對時基電路、計數(shù)器和顯示器進行清零。另外也需要使顯示延長一定的時間，以便觀察測量結(jié)果。故系統(tǒng)中還應沒有完成這些功能的控制邏輯電路。第38頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第39頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

四、閃光測轉(zhuǎn)速法閃光測轉(zhuǎn)速法是利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象來測量轉(zhuǎn)速。一個閃光目標，當閃動頻率大于10Hz時，人眼看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。根據(jù)這一原理，用一個頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標記(如齒輪的齒，圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點)，并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個單定象為止，即達到n=f的條件，這時便可以從電子計數(shù)器或圓刻度盤上讀出被測的轉(zhuǎn)速值。

第40頁,共57頁，2024年2月25日，星期天但是若在連續(xù)兩次閃光的時間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過整數(shù)倍的因數(shù)時，即n＝k0f時，也會出現(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，即當閃光頻率比被測轉(zhuǎn)速高二倍、三將、…、m倍時，則會出現(xiàn)二重象、三重象以至于m重象。f=m×n第41頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共57頁，2024年2月25日，星期天測速發(fā)電機

橫穿導體的磁通發(fā)生變化時，該導體將產(chǎn)生電勢。這一現(xiàn)象稱為電磁感應作用。這樣產(chǎn)生的電壓稱為感應電勢。測速發(fā)電機是利用電磁感應原理制成的一種把轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)換成電信號輸出的裝置，與普通發(fā)電機不同之處是它有較好的測速特性，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。測速發(fā)電機也分為直流和交流兩類。第43頁,共57頁，2024年2月25日，星期天直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機的平均直流輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速N大體上成正比，表達式為第44頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

交流測速發(fā)電機第47頁,共57頁，2024年2月25日，星期天加速度是表征物體在空間運動本質(zhì)的一個基本物理量。因此，可以通過測量加速度來測量物體的運動狀態(tài)。例如，慣性導航系統(tǒng)就是通過飛行器的加速度來測量它的加速度、速度(地速)、位置、已飛過的距離以及相對于預定到達點的方向等。通常還通過測量加速度來判斷運動機械系統(tǒng)所承受的加速度負荷的大小，以便正確設(shè)計其機械強度和按照設(shè)計指標正確控制其運動加速度，以免機件損壞。對于加速度，常用絕對法測量，即把慣性型測量裝置安裝在運動體上進行測量。

第三節(jié)加速度測量第48頁,共57頁，2024年2月25日，星期天當前測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量系統(tǒng)。質(zhì)量塊通過彈簧和阻尼器與傳感器基座相連接。傳感器基座與被測運動體相固連，因而隨運動體一起相對于運動體之外慣性空間的某一參考點作相對運動。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。當慣性力與彈簧反作用力相平衡時，質(zhì)量塊相對于基座的位移與加速度成正比例，故可通過該位移或慣性力來測量加速度。第49頁,共57頁，2024年2月25日，星期天設(shè)傳感器基座相對于慣性空間參考坐標的位移為xb，質(zhì)量塊m相對于慣性空間參考坐標的位移為x，質(zhì)量塊相對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)量塊的相對位移轉(zhuǎn)變成與加速度成比例的電信號，就可構(gòu)成各種類型的位移式加速度傳感器。第50頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（a)是一種變磁阻式加速度傳感器，它是以通過彈簧片與殼體相連的質(zhì)量塊m作為差動變壓器的銜鐵。當質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生相對位移時，差動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，輸出電壓的相位相應地改變180。。位移