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1、第七章 速度、转速和加速度测量,第七章 速度、转速和加速度测量,第一节 概 述 第二节 速度的测量 第三节 转速的测量 第四节 加速度的测量,第一节 概 述,速度、转速和加速度是物体机械运动的重要参数。物体运动时单位时间内的位移增量就是速度，单位是m/s。当物体运动的速度不变时称为等速运动。如果物体运动的速度是变化的，则单位时间内速度的增量就是加速度，单位是m/s2。加速度不变的运动称为等加速运动。实际上，大多数物体的运动都不是完全等速的或完全等加速的。,第二节 速度的测量,1.速度的测量方法 .皮托管测速装置 .多普勒测速 4.陀螺测量角速度,1.速度的测量方法,(1)时间、位移计算测速法
2、这种方法是根据速度的定义测量速度，即通过测量距离L和走过该距离的时间t，然后求得平均速度v。 (2)加速度积分法和位移微分测速法 测量到运动体的加速度信号a=l/d，并对时间t积分，就可得到运动体的速度。 (3)利用物理参数测量速度 利用速度大小与某些物理量间的已知关系间接地测量物体运动的速度。 (4)线速度与角速度相互转换测速法 对同一运动物体，可以采用线速度与角速度互相转换的方法达到方便测量的目的。 (5)陀螺测速法 利用陀螺器件的陀螺效应可以制成测量角速度的陀螺仪表，它已经广泛地应用于航空、航天及航海等部门之中。,(1)时间、位移计算测速法 这种方法是根据速度的定义测量速度，即通过测量距
3、离L和走过该距离的时间t，然后求得平均速度v。,图7-1 相关测速原理,(2)加速度积分法和位移微分测速法,测量到运动体的加速度信号a=l/d ，并对时间t积分，就可得到运动体的速度。测量运动体的位移信号，并将其对时间微分，也可以得到速度v=dl/dt。这两种方法是完全雷同的。 这种方法的典型实例是在振动测量中，可应用加速度计测得振动体的加速度信号经电路积分获得振动速度或应用振幅计测得振动体位移信号再进行微分得到振动的速度。,(3)利用物理参数测量速度,利用速度大小与某些物理量间的已知关系间接地测量物体运动的速度。例如，在固定磁感应强度B的磁场中，导线有效长度L以速度v移动时，因切割磁力线而产
4、生感生电动势E，即E=BLv获得运动体的速度测量。,(4)线速度与角速度相互转换测速法,对同一运动物体，可以采用线速度与角速度互相转换的方法达到方便测量的目的。,(5)陀螺测速法 利用陀螺器件的陀螺效应可以制成测量角速度的陀螺仪表，它已经广泛地应用于航空、航天及航海等部门之中。,表7-1 各种形式的速度传感器的主要技术性能,.皮托管测速装置,()皮托管测速原理 皮托管是测量流体运动速度的主要工具。 (2)全静压管原理 图-2b为一种飞机上使用的全静压管。 (3)飞机空速表工作原理 飞机相对于空气的速度叫空速。,()皮托管测速原理 皮托管是测量流体运动速度的主要工具。,图7-2 皮托管测速原理,
5、(2)全静压管原理,图-2b为一种飞机上使用的全静压管。超音速飞机全静压管的静压孔距离前端不小于8倍管径。这样可以减小全静压头部激波对静压的影响。静压孔上部有4个，下部有6个，两侧没有。这是因为飞机作大仰角飞行时，管子上部气流速度大，压力低，而下部气流速度小，压力大。静压孔不均匀分布可在大仰角飞行时减小静压误差。高空飞行时，由于气温低全静压管将会结冰，因此装有加温装置。,(3)飞机空速表工作原理 飞机相对于空气的速度叫空速。,飞机相对于空气的速度叫空速。飞机用空速表测量空速时就是利用式(-2)中空速与动压力的关系测量的。该式是假定空气未经压缩时其密度不变的情况下得出的。当空速小于111ms (
6、400kmh)时，这个公式还可以使用。当空速大于400kmh时，公式中的v与pv关系将发生变化。这是因为空气具有压缩性，而且其密度也将随着升降程度的不同而变化。因此必须根据流体力学、分子物理学和热力学关系对式(7-2)进行修正。,.多普勒测速,()多普勒效应 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频移，称为多普勒频移。 (2)多普勒测量速度方法的应用 利用激光作光源的多普勒测速装置，具有单色性强，波长稳定，而且容易在一个很小区域内聚焦成强光的优点。,()多普勒效应,图7-3 谐振筒压力传感器示意图 1内管接口 2外管接
7、口 3外筒 4内筒 5电 磁激励头 6立柱 7底板,()多普勒效应,图7-4 多普勒效应原理,()多普勒效应,图7-5 差分多普勒测速原理,(2)多普勒测量速度方法的应用,利用激光作光源的多普勒测速装置，具有单色性强，波长稳定，而且容易在一个很小区域内聚焦成强光的优点。同时它是一种非接触式测量，因而被广泛地应用于流体速度的测量，轧制钢板、铝材的速度测量。,4.陀螺测量角速度,(1)陀螺原理概述 利用陀螺效应作为敏感元件制成的仪表称为陀螺仪表，简称陀螺仪。 (2)微分陀螺仪作用原理 它是一个二自由度陀螺组成的测量角速度的仪表，见图7-7a。 (3)基于萨古纳克效应的光纤测量角速度 所谓萨古纳克(
8、Sagnac)效应是同一光源同一光路，两束对向传播光之间的光程差或相位差与其光学系统相对惯性空间旋转的角速度成正比的现象。,(1)陀螺原理概述,利用陀螺效应作为敏感元件制成的仪表称为陀螺仪表，简称陀螺仪。它在航空、航海和宇航中起着重要作用。随着现代科学技术的发展，在其他行业中也逐渐有了更多的应用。陀螺仪可以分为两种基本类型，即二自由度陀螺仪和三自由度陀螺仪。它是根据陀螺力学推导出的结论而组成的测量仪表。,(1)陀螺原理概述,图7-6 二自由度和三自由度陀螺作用原理,(2)微分陀螺仪作用原理 它是一个二自由度陀螺组成的测量角速度的仪表，见图7-7a。,图7-7 微分陀螺仪,(3)基于萨古纳克效应
9、的光纤测量角速度,图7-8 萨古纳克效应示意图,(3)基于萨古纳克效应的光纤测量角速度,图7-9 光纤陀螺原理示意图 a)干涉型光纤陀螺简单原理结构 b)集成光器件光纤陀螺示意图,(3)基于萨古纳克效应的光纤测量角速度,图7-9 光纤陀螺原理示意图(续) c)EDFA光纤陀螺原理示意图,第三节 转速的测量,表7-2 转速的测量方法及特点,1.电子数字式转速表 这是应用最广泛的精密测量转速的方法之一。 2.频闪式转速表,第三节 转速的测量,1.电子数字式转速表 这是应用最广泛的精密测量转速的方法之一。,(1)测量原理 电子数字式转速表由数字式转速传感器和电子计数电路组成。 (2)测速传感器 其功
10、能是将被测旋转体的转速变换成电脉冲信号，并且能够推动计数器计数。,(1)测量原理 电子数字式转速表由数字式转速传感器和电子计数电路组成。,电子数字式转速表由数字式转速传感器和电子计数电路组成。传感器将转轴的速度转换为电脉冲信号，经电路放大、整形后送电子计数器显示相应的被测转速值。一般对中、高转速采用频率法，对低转速采用周期法测量。可参见本书第四章频率测量一节。,(2)测速传感器,其功能是将被测旋转体的转速变换成电脉冲信号，并且能够推动计数器计数。常用的测速传感器按其作用原理可以分为光电式、磁电式、电容式、霍尔元件式、电涡流式等等。它们的特点是采用非接触方式将旋转轴的角位移变换为电脉冲信号。测量
11、时旋转方向的判别，多采用位置相差90的两支传感器。按相位关系，经电路判别其旋转方向，并控制计数器的加减计数。,2.频闪式转速表,(1)频闪效应 物体在人的视野中消失后，人眼视网膜上在一段时间内保持视觉印象，即视后暂留现象。 (2)频闪法测量转速的原理 频闪测速法是利用频闪效应测量转速的。 (3)电子数字式频闪测速仪 SSC1型数字式频闪测量仪是根据频闪测速原理制成频率可调的闪光灯装置来测量频闪盘转速，仪器采用单结晶体管作振荡器。,(1)频闪效应,物体在人的视野中消失后，人眼视网膜上在一段时间内保持视觉印象，即视后暂留现象。其维持时间，在物体平均亮度条件下，约为(1/51/20)s的范围。,(2
12、)频闪法测量转速的原理,频闪测速法是利用频闪效应测量转速的。测量转速时按频闪原理复现的图像称为频闪像。当用一个可调频率的闪光灯照射一个与被测体同步旋转的频闪盘时，在闪光频率与频闪盘转动频率相同时，频闪像在某一位置上灯光正好闪一下，使人眼清晰地看到频闪像，在其他时间频闪像转动形成模糊的圆环。若每一次看到在同一位置静止不动的一个频闪像，则该闪光频率乘以60即为频闪盘每分钟转数，由已知的频闪盘的转速可求得被测物体的转速。 但因为闪光频率与频闪像频率相同或成为其整数倍时都能看到一个不动的频闪像，因此在测速时，要调整闪光灯的频率，找出使频闪像不动时频闪光的最高频率才代表被测真正转速。,(3)电子数字式频
13、闪测速仪,SSC1型数字式频闪测量仪是根据频闪测速原理制成频率可调的闪光灯装置来测量频闪盘转速，仪器采用单结晶体管作振荡器。由频闪测速原理可知振荡器的精度决定了频闪的精度，亦决定了仪器的测量精度。因此采用高稳定度振荡器和均匀变频装置是提高频闪测速精度的主要途径。频闪测速仪的主要优点是非接触测量。最高转速可测到1106r/min。SSC1型闪光测速仪可测量程为100240000r/min，测量误差不大于1%，使用简便。广泛用于纺织、机电、印刷和国防科研等部门。,第四节 加速度的测量,1.压电式加速度计 利用压电效应制成的压电式加速度计应用十分广泛。 2.电阻式加速度传感器 利用某些材料的各种电阻
14、应变效应作为机电变换元件而制成的加速度测量传感器。 3.光纤式加速度传感器 图7-21为某一光纤式传感器原理图。 4.伺服式加速度计 这是一种按力平衡反馈原理构成的闭环测试系统，图7-22为其原理图。 5.微硅加速度计 见图7-23。,1.压电式加速度计 利用压电效应制成的压电式加速度计应用十分广泛。,(1)压电式加速度传感器的原理及结构 (2)压电式加速度传感器的主要特性参数,1.压电式加速度计 利用压电效应制成的压电式加速度计应用十分广泛。,图7-10 压电效应模型,(1)压电式加速度传感器的原理及结构,1)电压灵敏度Sau 2)电荷灵敏度,(1)压电式加速度传感器的原理及结构,图7-11
15、 压电加速度计原理图 弹簧 惯性质量 压电元件 壳体,(1)压电式加速度传感器的原理及结构,图7-12 压电式加速度计和测 量电路连接后的等效电路,图7-13 压电式加速度计的结构形式,(2)压电式加速度传感器的主要特性参数,1)灵敏度 压电式加速度传感器的输出灵敏度可以用电压灵敏度表示，也可以用电荷灵敏度表示，单位分别为mV/g及pC/g，通常以电荷灵敏度表示的居多(g为重力加)。 2)频率响应范围 压电式加速度传感器在出厂时均给出频率响应曲线，其使用段的上限频率受第一阶共振频率的限制。 3)横向灵敏度 压电元件除产生有用的纵向压电效应外，还有有害的横向压电效应。 4)动态范围 动态范围的下
16、限决定于测量系统总噪声的大小。 5)环境的影响 环境温度、基座的变形、固定程度、磁场、声场等都影响加速度传感器的工作。,1)灵敏度,图7-14 常用的固定加速度计的方法,2)频率响应范围 压电式加速度传感器在出厂时均给出频率响应曲线，其使用段的上限频率受第一阶共振频率的限制。,图7-15 加速度传感器的各种安装方式和频响特性,2)频率响应范围 压电式加速度传感器在出厂时均给出频率响应曲线，其使用段的上限频率受第一阶共振频率的限制。,图7-16 电压测量系统的等效电路图,2)频率响应范围 压电式加速度传感器在出厂时均给出频率响应曲线，其使用段的上限频率受第一阶共振频率的限制。,图7-17 电压测量系 统的简化等效电路,2)频率响应范围 压电式加速度传感器在出厂时均给出频率响应曲线，其使用段的上限频率受第一阶共振频率的限制。,图7-18 幅值衰减量随时间常数变化曲线,2)频率响应范围 压电式加速度传感器在出厂时均给出频率响应曲线，其使用段的上限频率受第一阶共振频率的限制。,图7-19 电荷测量系统的等效电路,3)横
