第八章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測量

1、王 鵬 wang_ 汽車、火車、輪船、飛機 等行駛速度、加速度的測 量，行駛姿態(tài)的測量 發(fā)動機、發(fā)電機等輸出軸 轉(zhuǎn)速的測量 軋制板材、帶材、棒材、 管材等產(chǎn)品速度的測量 大型設(shè)備、工程中振動的 測量 在慣性導(dǎo)航中的應(yīng)用 速度(Velocity)：物體運動時單位時間內(nèi)的位移 量，m/s 加速度(Acceleration)：物體運動時單位時間內(nèi) 的速度增量，m/s2 轉(zhuǎn)速(Rotational Velocity)：物體運動時單位時間 內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min 角速度(Angular Velocity)：物體單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過 的角度，rad/s 從運動形式分：線速度測量，角速度測量 從參考基準(zhǔn)分：絕對速度

2、測量，相對速度測量 從數(shù)值特征分：平均速度測量，瞬時速度測量 從獲取方式分：直接速度測量，間接速度測量 時間、長度計算測速法 利用速度的定義：v=L/t 加速度積分和位移微分測速法 在振動測量中，通過測量振動體的加速度，積分得 到振動速度、振幅等 利用物理參數(shù)進行速度測量 利用速度大小與某些物理量間的已知關(guān)系，如 E=BLv的原理測量導(dǎo)體的運動速度 線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法 陀螺測速法 光束切斷法 相關(guān)測速法 )()( 0 ttxty 00 00 11 ( )lim( ) ()lim() ()() TT yxx TT Ry t x tdtx ttx tdtRt TT 相關(guān)測速法 相關(guān)測速法

3、抗干擾能力更強， 能在復(fù)雜的干擾條件下準(zhǔn)確測 量。 相關(guān)測速在現(xiàn)代有著多方面的 應(yīng)用：飛機、船舶、汽車、軋 機鋼帶等速度。 從原理上講，任何在物體運動 方向上一定距離處布置的兩個 傳感器，只要它們能夠檢測到 標(biāo)記物體的某種信號（一般為 隨機信號），那么，物體的運 動速度都可以用互相關(guān)的原理 加以測定。 空間濾波器測速法 利用可選擇一定空間頻率的空間濾波器件與被測物 體同步運動，然后在單位空間內(nèi)測得相應(yīng)的時間頻 率f，求得運動體的運動速度。 / 0 fNfNtLv L v NL fNt0 理想不可壓縮流體的伯努利方程 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

4、和動能 ，在流線上任何一處三者能量之和保持恒定。 v2,p2 z1 z2 v1,p1 2 1 2 pgzv 常量 皮托管測速原理 2/ 2 vppp stv / )(2 st ppv 誤差來源：誤差來源： 皮托管的方向與流體方向不對準(zhǔn)； 皮托管直徑不為零，靜壓孔實際靜壓力降 低； 流體受皮托管的滯止，使滯止點上游的靜 壓力增大。 全靜壓管 靜壓孔距前端不小于8倍管徑，可減小頭部激波對靜 壓的影響； 靜壓孔上部4個，下部6個，兩側(cè)沒有，可在大仰角 飛行時減小靜壓誤差； 裝有加溫裝置，防止在高空飛行時結(jié)冰 飛機空速表 開口膜盒（指示空速） 真空膜盒（真空速） 標(biāo)實真實 TTvv 當(dāng)外界氣溫T實與該

5、氣層標(biāo) 準(zhǔn)氣溫T標(biāo)不等時，應(yīng)按下 式進行修正： 皮托管測速裝置利用了流體速度和流體動壓力 之間的關(guān)系；在測量時直接測量的是壓力，然 后再計算出速度，屬于間接測量；測量了運動 物體和流體的相對速度。 皮托管裝置的結(jié)構(gòu)堅固耐用，穩(wěn)定可靠。 多普勒效應(yīng) 多普勒速度測量 i cf/ 0 i P vc f 1cos 2 cos s P cv f 21 21 (cos)(cos) (coscos) s i i cvcv f c cv i sd v fff )cos(cos 12 0 多普勒測速的優(yōu)點：用光的 波長作基準(zhǔn)，精度高；光電 探測器輸出頻率信號，抗干 擾能力強。 差分多普勒速度測量 對于光束O1

6、0 131 (coscos) dO f v f c 對于光束O2 0 232 (coscos) dO f v f c 21 0 12 (coscos) sin 2 2 ddOdO fff f v c v )2/sin(2/ 0 d fv 頻差與光電探測器的方向無關(guān)。 使用時不受現(xiàn)場條件的限制，可 在任意方向測量。 可使用大口徑的接收透鏡，使粒 子散射的光能量極大地被利用， 提高信噪比。 后向散射多普勒速度測量 00 sin/sin/ d fvf vc )sin/( 0 fcfv d 光源與光電探測器放置于運動物 體的一側(cè)，儀器設(shè)計時結(jié)構(gòu)緊湊 后向散射差分多普勒速度測量 衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng) 電磁波多普

7、勒效應(yīng) 激光光纖Doppler血液流速測量 探頭體積小，便于調(diào)整測量位置，可以深入到難以測量 的角落；抗干擾能力強，可在高電壓、強電磁感應(yīng)等環(huán) 境中使用。密封型的光纖探頭可直接放入液體中使用。 陀螺儀的結(jié)構(gòu) 二自由度陀螺 單自由度陀螺 陀螺儀的支撐方式 液浮陀螺儀 氣動陀螺儀 靜電陀螺儀 撓性陀螺儀 陀螺儀的基本特性 定軸性：當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子高速 旋轉(zhuǎn)時，如果不受任何外加力 矩的作用，其主軸將穩(wěn)定地保 持在慣性空間初始方向上，這 種特性稱為陀螺儀定軸性或者 穩(wěn)定性。 角動量H越大，摩擦力矩越小 ，則主軸方向越穩(wěn)定。 HJ 陀螺儀的基本特性 進動性：當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子高速 旋轉(zhuǎn)時，如果外加力矩M作用

8、在陀螺儀的某一框架旋轉(zhuǎn)軸上 ，迫使主鈾繞另一框架的軸旋 轉(zhuǎn)，主軸以最短的途徑向外力 矩的方向靠攏。 在實際使用中如果內(nèi)框架和外 框架重合，陀螺儀將會失去了 一個自由度，這種情況被稱為 “環(huán)架自鎖”。 陀螺的進動是沒有慣性滯后 微分陀螺儀角速度測量 y kH 光纖陀螺 根據(jù)薩格納克效應(yīng)研制 光纖陀螺對角速度的敏感軸是單軸，常使用三個或 四個光纖陀螺構(gòu)成慣性測量組合 轉(zhuǎn)速測量方法 以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表達，即r/min 按測量原理可分為： 模擬法 計數(shù)法 同步法 按變換方式可分為： 機械式 電氣式 光電式 頻閃式 22 rc Fmrk ks Fk x 離心式轉(zhuǎn)速表具有測量結(jié)果顯示直觀、成本低、運 行可

9、靠、堅固耐用等優(yōu)點，故在生產(chǎn)、維修現(xiàn)場使 用較多。但是離心式轉(zhuǎn)速表的測量原理簡單，測量 精度相對較低。 接觸式接觸式非接觸式非接觸式 zt N n 60 z f n 60 隨著轉(zhuǎn)速下降輸出感應(yīng)電動 勢的幅值也隨之減小，當(dāng)轉(zhuǎn) 速低到一定程度時，電壓幅 值將會無法檢測出來。這種 傳感器不適合于低轉(zhuǎn)速測量。 頻閃效應(yīng) 物體在人的視野中消失后，人眼視網(wǎng)膜上能在一段 時間內(nèi)保持視覺印象，即視后暫留現(xiàn)象。其維持時 間，在物體平均亮度條件下，約為(1/51/20)s的范 圍。 頻閃測速 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，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

10、率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出 現(xiàn)一個單定像為止，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。 測速方法 被測轉(zhuǎn)速n與閃光頻率n0相同，或者n為n0的整數(shù)倍 時，都會出現(xiàn)單定像 若已知被測轉(zhuǎn)速的范圍是nn，則首先將閃光頻率 調(diào)到大于n，然后從高頻逐漸下降，第一次出現(xiàn)單 定像的閃光頻率等于被測轉(zhuǎn)速 若被測轉(zhuǎn)速的頻率范圍無法估計，則調(diào)整閃光 頻率，記錄下連續(xù)出現(xiàn)兩次單定像的閃光頻率n1 和n2，設(shè)n1n2，則 12 12 n n n nn MEMS器件周期運動檢測 MEMS器件周期運動檢測 通過測量加速度來判斷機械系統(tǒng)所承受的加 速度負(fù)荷的大小，防止損壞或提供控制指標(biāo) 汽車：防

11、撞氣囊、警報器 筆記本硬盤保護 加速度鼠標(biāo) 手機 體感游戲 通過測量加速度來測量物體的運動狀態(tài)，如 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 通過檢測質(zhì)量塊與基座之 間的位移可以實現(xiàn)加速度 的測量 質(zhì)量塊通過連接的阻尼器 和彈簧感受到加速度的變 化，質(zhì)量塊會受到與加速 度成比例的慣性力的作用 ，通過檢測慣性力可以實 現(xiàn)加速度的測量 磁電感應(yīng)式加速度計 電容式加速度計 MEMS電容加速度計 霍爾式加速度計 伺服式加速度計 原理：按力平衡反饋原理構(gòu)成 的閉環(huán)測試系統(tǒng) 特點：精度高、穩(wěn)定性好、線 性好、大信號輸出；有靜態(tài)響 應(yīng)；等效阻尼和固有頻率易調(diào) 整；頻率范圍窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 應(yīng)用:沖擊、瞬時隨機測量和低 頻測量；特別適宜火

12、箭、導(dǎo)彈 、飛機、輪船的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 。 伺服式加速度計 2 2 2 2 dt xd miSKz dt dz c dt zd m F 2 2 2 2 2 2 dt xd z dt dz dt zd nn mkSSS Fsdn / )( 2 mkSSS c Fsd / )(2 當(dāng)系統(tǒng)處于加速度計工作狀態(tài) 時，有n 。 )/(1 1 2 00 FsdF L n a SSSkS mR z U a U S 選用剛度小的彈簧， 使得kSdSsSF Bl mR S mR S L F L a 石英撓性擺式加速度計 石英饒性擺式加速度計是一種機 械式加速度計，廣泛應(yīng)用于航空、 航天、航海、交通、石油、建筑 等各個領(lǐng)域。這種加速度計具有 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度和靈敏 度高、穩(wěn)定性好、功耗小、成本 低等優(yōu)點，在航天領(lǐng)域的導(dǎo)彈、 運載火箭