速度、转速、加速度测量

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1、速度、转速、加速度测 量速 度 测 量速度 测量线速度测量（m/s，km/h)角速度测量(rad/s) （转速测量(转/分）Rotary speed：revolutions per minute (r.p.m.)Angular VelocityLinear Velocity测量原理：1. 物体运动的线速度可以从物体在一定时间内移动 的距离或者从物体移动一定距离所需的时间求得 ，这种方法只能求某段距离或时间的平均速度。 越越小，越接近瞬时速度。(1) 相关法; (2) 空间滤波器法3. 利用物理参数测量：多普勒效应、流体 力学定律、电磁感应原理4. 加速度积分法和位移微分法2. 角速度和线速度的

2、相互转化。光束切断法光束切断法检测速度适合于定尺寸材料的速度 检测。这是一种非接触式测量，测量精度较高。图2所示它是由两个固定距离为L的检测器实现速 度检测的。检测器由光源和光接收元件构成。被测 物体以速度v行进时，它的前端在通过第一个检测 器的时刻，由于物体遮断光线而产生输出信号，由 这信号驱动脉冲计数器，计数器计数至物体到达第 二个检测器时刻检测器发出停止脉冲计数。由检 测器间距L和计数脉冲的周期T、个数N，可求出物 体的行进速度。 图2 光束切断式速度测量相关法检测线速度，是利用随机过程互相关函 数的方法进行的，其原理如图3所示。被测物 体以速度V行进，在靠近行进物体处安装两个 相距L相

3、同的传感器（如光电传感器、超声波 传感器等）。传感器检测易于从被测物体上检 测到的参量(如表面粗糙度、表面缺陷等）， 当随机过程是平稳随机过程时，y(t)的波形和 x（t)是相似的，只是时间上推迟了t0(=L/v) ，即相 关 法图3 相关测速原理图 其物理含义是x(t)延迟to后成x(tt0)，其波形将和y（ t）几乎重叠，因此互相关值有最大值。可用于生产过程中的塑料板带、布、钢板带等速度检测。 注意测量辊与被测物之间的滑移所造成的测量误差。图1 接触辊式速度测量接 触 辊 法接触辊式速度检测法是应用最广泛的一种方法。如图1所 示把旋转辊轮（测量辊）接触在行进的物体上，被测物体 以速度v行进

4、并带动测量辊转动由测量辊的转速和周长 求得物体的行进速度。皮托管测速法相关概念 我们把没有粘性的流体称为理想流体 理想不可压缩流体的伯努利方程（能量方 程） (Benoullis Equation)理想不可压缩流体在重力场中作定常流动时，具有三 种形式的能量：位势能、压力势能和动能，在流线上 任何一处三者能量之和保持恒定。1.势能（Potential energy）: mgz1, mgz2，Permass: gz1, gz22.动能（Kinetic energy）:Permass:3.压力能（Pressure energy）:Workdoneforcedistance= Permass: V2

5、,p2z1z2V1,p1（二） 皮托管的结构皮托管测速原理图动压(Pv) 静压(Ps) 全压（Pt)修正后的流速公式： 为皮托管系数，由实验标定。 一般在0.991.01之间。皮托管是测量流体速度的主要工具之一,广泛用于 船舶和飞行体的测速。在测量时，只要把皮托管 对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能 感受全压力 pt，而具有静压孔的外管感受静压力 ps。（三） 测量误差分析总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：d1=0.12D静压孔距端部距离：34D静压孔离支杆距离：810D皮托管头部和支杆对流场的影响1、皮托管的形状影响2、皮托管偏离特性的影响结论：皮托管方 向要正对 流体流向 。3、

6、流体压缩性影响空气高速流 动时，如果 不进行压缩 性影响的修 正，将会产 生10%左右 的测量误差 。多普勒测速 当光源和反射体或散射体之间存在相对运 动时，接收到的声波频率与入射声波频率 存在差别的现象称为光学多普勒效应，是 奥地利学者多普勒于1842年发现的。 当单色光束入射到运动体上某点时，光波 在该点被运动体散射，散射光频率与入射 光频率相比，产生了正比于物体运动速度 的频率偏移，称为多普勒频移。图4多普勒效应原理kiks P(Apparent frequency)图4多普勒效应原理kiks P12后向散射型多普勒测速原理从入射光束方向看，后向散射是指接收散射 光束的光电检测器位于被测

7、物体后面，即与 光源在同一侧。激光器S发出光束垂直人射到 运动体，并在P点散射，散射光由光电检测器 R接收。根据多普勒效应检测多普勒频移，如 果人射光与散射光的夹角为，则多普勒频移 为：2v多普勒效应的另一种解释辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而 产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长 变得较短，频率变得较高 (蓝移 (blue shift) 。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变 得较长，频率变得较低 (红移 (red shift)。 波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波 红 /蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向 运动的速度。所有波动现象 (包括光波) 都存在 多普勒效

8、应。多普勒测速仪的工作原理是利用相对运动的物体频率的变化。电磁波的 传播同样有多普勒特性。当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察地点 有相对运动时，在观察地点收到的频率随着它们的相对速度而变化即当物体 向着观察点接近时，波长就变短，频率就变高；而远离观察点时，波长就变 长，频率就变低,这样通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位 。若用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。2、超声多普勒法是怎样测量血液流动的?多普勒测速仪应用实例1、卫星跟踪测轨系统利用多普勒效应制成的仪器有激光多 普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有 精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、 空间分辨率高、使用方

9、便的特点，广泛用 于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医 学中血液循环监测、医学诊断等。非接触测量可以克服由于机械磨 损和打滑造成的测量误差。陀螺仪测角速度（ gyroscope ）陀螺仪的基本功 能是敏感角位移 和角速度。在航 空、航海、航天 、兵器以及其它 一些领域中，有 着十分广泛和重 要的应用。二自由度陀螺仪陀螺 陀螺 仪 主轴二自由度陀螺作用原理H陀螺绕主轴转动角动量 Js为陀螺转子的转动惯量 为陀螺转子的转速（1）当二自由度陀螺底座绕垂直于X轴与Z轴成 角的轴以角速度 旋转时则将有陀螺力矩Mg作用 于框架上，陀螺力矩Mg为：二自由度陀螺特性：（2）外加力矩和角加速度关系：三自由度陀螺

10、主要特性 ：1)定轴性(稳定性） 2)进动性:3)无惯性(2)微分陀螺仪测角速度作用原理 结构简图第二节 转速测量1.数字式转速表 （1）测量原理：数字式转速测量系统由频率式转速传 感器、数字转换电路和数字显示器等 部分组成。首先由传感器把转速转变 成频率信号，再通过测量信号的频率 或周期来测量转速。在电子计数器采样时间内对转速传感器输出的电 脉冲信号进行计数。利用标准时间控制计数器闸 门。当计数器的显示值为N时，被测量的转速n 为式中，z为旋转体每转一转传感器发出的电脉冲信 号数；t为采样时间(s)。1）频率法测转速2）周期法测转速与频率数字转换电路不同，其特点是通过对被测信号 进行分频来提

11、供计数时间，而计数器是对晶体振荡器的 输出信号脉冲进行计数。这里用被测周期T来控制闸门 ，填充时间0进入计数器计数N。为了提高周期测量的 准确度，通过将周期信号分频，使被测量的周期得到倍 乘。故被测量的转速n为k为周期倍乘数1，10，100.晶振周期N为计数器计数值Z为传感器细分数（2）转速传感器把被测转速转换成脉冲信号。电涡流式转速传感器磁电感应式转速传感器光电式转速传感器转轴每旋转一周，光敏元件就输出数目与白条 纹数目相同个电脉冲信号。1）光电式转速传感器2）磁电感应式转速传感器当安装在被测转轴上的齿轮(导磁体) 旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁 极间的间隙，使磁路的磁阻和磁通发 生周期性

12、变化，从而在线圈上感应出 频率和幅值均与轴转速成此例的交流 电压信号u0。随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电 压幅值将会减小到无法检测出来的程度。故这种传成器不适合 于低速测量。3）电涡流式转速传感器（3）数字化电路为了读出被测转速，还需要进一步把传感器 输出信号的频率或周期转换成数字量，以便于 数字显示。一般对中、高转速采用频率法，对 低转速采用周期法测量。时基电路的功能是提供时间基准(又称为时标)，它由晶体振 荡器和分频器电路组成。振荡器输出的标准频率信号经放大 整形和分频后，产生出以脉冲宽度形式表示的时间基准，来控制计数门(其中fv振荡器的输出频率，n为分频数（4）数

13、字式转速测量系统整个测量系统除应包括转速传感器、数字化转换 电路和显示器外，由于实际测量总是在一段时间 内连续进行的，因此在每个测量循环开始之前， 必须首先对时基电路、计数器和显示器进行清零 。另外也需要使显示延长一定的时间，以便观察 测量结果。故系统中还应没有完成这些功能的控 制逻辑电路。四、闪光测转速法闪光测转速法是利用人眼的视觉暂留现象来测量转速。一 个闪光目标，当闪动频率大于10Hz时，人眼看上去就是连续 发亮的。根据这一原理，用一个频率连续可调的闪光灯照射 被测旋转轴上的某一固定标记(如齿轮的齿，圆盘的辐条或在 旋转轴上涂以黑白点)，并调节闪光频率f，直到旋转轴上出 现一个单定象为止

14、，即达到n=f的条件，这时便可以从电子计 数器或圆刻度盘上读出被测的转速值。 但是若在连续两次闪光的时间间隔内，旋转轴转过整数倍的 因数时，即nk0f时，也会出现单定象。式中的k0为单定象 停留的次数(1、2、3、)。还可能出现另一种情况，即当闪光频率比被测转速高二倍 、三倍、m倍时，则会出现二重象、三重象以至于m重 象。f=mn测速发电机 横穿导体的磁通发生变化时，该导体将产 生电势。这一现象称为电磁感应作用。这 样产生的电压称为感应电势。测速发电机 是利用电磁感应原理制成的一种把转动的 机械能转换成电信号输出的装置，与普通 发电机不同之处是它有较好的测速特性， 例如输出电压与转速之间有较好

15、的线性关 系，较高的灵敏度等。测速发电机也分为 直流和交流两类。直流测速发电机直流测速发电机的平均直流输出电压U0与转速N大体上 成正比，表达式为交流测速发电机加速度是表征物体在空间运动本质的一个基本物 理量。因此，可以通过测量加速度来测量物体的 运动状态。例如，惯性导航系统就是通过飞行器 的加速度来测量它的加速度、速度(地速)、位置、 已飞过的距离以及相对于预定到达点的方向等。 通常还通过测量加速度来判断运动机械系统所承 受的加速度负荷的大小，以便正确设计其机械强 度和按照设计指标正确控制其运动加速度，以免 机件损坏。对于加速度，常用绝对法测量，即把 惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。第

16、三节 加速度测量当前测量加速度的传感器基本上都是基于 图所示的基本结构。通常是质量弹簧 阻尼二阶惯性系统。由质量块m、弹簧k 和阻尼器c所组成的惯性型二阶测量系统 。质量块通过弹簧和阻尼器与传感器基座 相连接。传感器基座与被测运动体相固连 ，因而随运动体一起相对于运动体之外惯 性空间的某一参考点作相对运动。由于质量块不与传感器基座相固连，因而在惯性作用 下将与基座之间产生相对位移。质量块感受加速度并 产生与加速度成比例的惯性力，从而使弹簧产生与质 量块相对位移相等的伸缩变形，弹簧变形又产生与变 形量成此例的反作用力。当惯性力与弹簧反作用力相 平衡时，质量块相对于基座的位移与加速度成正比例 ，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。设传感器基座相对于惯性空间参考坐标的位移为xb，质 量块m相对于惯性空间参考坐标的位移为x，质量块相对 于传感器基座的位移为y，则有如上所述，质量弹簧阻尼系统可以把加速度转换成与