1、速度、轉(zhuǎn)速、加速度測量,速 度 測 量,Rotary speed：revolutions per minute (r.p.m.),Angular Velocity,Linear Velocity,測量原理： 1. 物體運(yùn)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(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,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，

2、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(shí)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(jìn)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(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至物體到達(dá)第二個檢測器時刻檢測器發(fā)出停止脈沖計(jì)數(shù)。由檢測器間距L和計(jì)數(shù)脈沖的周期T、個數(shù)N，可求出物體的行進(jìn)速度。,圖2 光束切斷式速度測量,相關(guān)法檢測線速度，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3所示。被測物體以速度V行進(jìn)，在靠近行進(jìn)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

3、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(jī)因素的影響傳感器得到的反射光信號是經(jīng)隨機(jī)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(diǎn)進(jìn)入傳感器2的檢測區(qū)得到的。當(dāng)物體A點(diǎn)運(yùn)動到傳感器1的檢測區(qū)得到信號y（t）。當(dāng)隨機(jī)過程是平穩(wěn)隨機(jī)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,圖3 相關(guān)測速原理圖,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。,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

4、觸 輥 法 接觸輥式速度檢測法是應(yīng)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(jìn)的物體上，被測物體以速度v行進(jìn)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(jìn)速度。,皮托管測速法,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.potential energy: mgz1, mgz2 Permass: gz1, gz2 2. Kinetic energy: Permass: 3.pressure energy: Workdoneforcedistance= Permass: p為動壓強(qiáng),動壓(Pv)

5、 ,靜止壓(Ps),全壓（Pt),流體伯努力方程： (Benoullis Equation),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(diǎn)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(zhǔn)流體流動的方向，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。,多普勒測速,當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對運(yùn)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(xué)多普勒效應(yīng)，是奧地利學(xué)者多普勒于1842

6、年發(fā)現(xiàn)的。 當(dāng)單色光束人射到運(yùn)動體上某點(diǎn)時，光波在該點(diǎn)被運(yùn)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(yùn)動速度的頻率偏移，稱為多普勒頻移。,(Apparent frequency),1,2,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(yùn)動體，并在P點(diǎn)散射，散射光由光電檢測器R接收。根據(jù)多普勒效應(yīng)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：,2,多普勒效應(yīng)的另一種解釋,輻射的波長因?yàn)楣庠春陀^測者的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 (

7、藍(lán)移 (blue shift)。在運(yùn)動的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低 (紅移 (red shift)。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅 /藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測方向運(yùn)動的速度。所有波動現(xiàn)象 (包括光波) 都存在多普勒效應(yīng)。,多普勒測速儀應(yīng)用實(shí)例,1、衛(wèi)星跟蹤測軌系統(tǒng),利用多普勒效應(yīng)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(yīng)快、空間分辨率高、使用方便的特點(diǎn)，廣泛用于流速測量、工業(yè)中鋼板、鋁材測量、醫(yī)學(xué)中血液循環(huán)監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等。,非接觸測量可以克服由于機(jī)械磨損和打滑造成的測量誤差。,陀螺儀測角速度（gyr

8、oscope ）,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，陀螺儀用來測量飛機(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(shí)現(xiàn)對飛機(jī)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。,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1200024000rmin，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

9、軸轉(zhuǎn)動的角動量以H表示。,Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量,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)動性 3)無慣性,(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?yàn)橹鬏S起始位置，即當(dāng)0時，Z軸應(yīng)與Z0重合。,兩根彈簧應(yīng)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?yàn)榫哂薪撬俣鹊臍んw將引起框架繞X軸

10、轉(zhuǎn)動。 當(dāng)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(yùn)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(dāng)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(yùn)動的角 就反映了殼體Y軸轉(zhuǎn)動的角速度 。,3.,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。,（2）轉(zhuǎn)速傳感器,把被測轉(zhuǎn)速

11、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(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(dāng)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(yīng)的光脈沖。光脈沖照射到光敏元件上時，即產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖信號，從而把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成了電脈沖信號。,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

12、電脈沖信號。,磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器,當(dāng)安裝在被測轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導(dǎo)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(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成此例的交流電壓信號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，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。,電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器,（3）數(shù)字化電路 為了讀出被測轉(zhuǎn)速，還需要進(jìn)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。,在電子計(jì)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(jìn)行計(jì)數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)時間控制計(jì)數(shù)器閘

13、門。當(dāng)計(jì)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,時基電路的功能是提供時間基準(zhǔn)(又稱為時標(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(zhǔn)， 來控制計(jì)數(shù)門(其中fv振蕩器的輸出頻率，n為分頻數(shù),周期法測轉(zhuǎn)速,與頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換電路不同，其特點(diǎn)是通過對被測信號進(jìn)行分頻來提供計(jì)數(shù)時間，而計(jì)數(shù)器是對晶體振蕩器的輸出信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。這里用被測周期T來控制閘門，填充時間0進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)N。為了提高周期測量的準(zhǔn)確度，通過將周期信號分頻，使被測量的周期得到倍乘。故

14、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(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)速測量系統(tǒng),整個測量系統(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)際測量總是在一段時間內(nèi)連續(xù)進(jìn)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(jì)數(shù)器和顯示器進(jìn)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(yīng)沒有完成這些功能的控制邏輯電路。,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(biāo)，當(dāng)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(biāo)記(如齒輪的齒，

15、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)一個單定象為止，即達(dá)到n=f的條件，這時便可以從電子計(jì)數(shù)器或圓刻度盤上讀出被測的轉(zhuǎn)速值。,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nk0f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(dāng)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=mn,測速發(fā)電機(jī),橫穿導(dǎo)體的磁通發(fā)生變化時，該導(dǎo)體將產(chǎn)生電勢。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。測速發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理制成的一種把轉(zhuǎn)動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號輸出的裝置，與

16、普通發(fā)電機(jī)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(jī)也分為直流和交流兩類。,直流測速發(fā)電機(jī),直流測速發(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,交流測速發(fā)電機(jī),加速度是表征物體在空間運(yùn)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(yùn)動狀態(tài)。例如，慣性導(dǎo)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(yù)定到達(dá)點(diǎn)的方向等。通常還通過測量加速度來判斷運(yùn)動機(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)動加速度，以免機(jī)件損壞。對于加速度，常用絕對

17、法測量，即把慣性型測量裝置安裝在運(yùn)動體上進(jìn)行測量。,第三節(jié) 加速度測量,當(dāng)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(yùn)動體相固連，因而隨運(yùn)動體一起相對于運(yùn)動體之外慣性空間的某一參考點(diǎn)作相對運(yùn)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(dāng)慣性力與彈簧反作用力相平衡時，質(zhì)量塊相對

18、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。,設(shè)傳感器基座相對于慣性空間參考坐標(biāo)的位移為xb，質(zhì)量塊m相對于慣性空間參考坐標(biāo)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。,（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(dāng)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(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)，它是以通過彈簧片支承的質(zhì)量塊作為差動電容器的活動極板，并利用空氣阻尼。電容式加