第6章速度和轉(zhuǎn)速的測(cè)試

1、第六章速度和轉(zhuǎn)速的測(cè)試速 度 測(cè)試速度測(cè)試線速度測(cè)試（m/s，km/h) 角速度測(cè)試(rad/s) 轉(zhuǎn)速測(cè)試(轉(zhuǎn)/分）速度測(cè)試的方法： 1.時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法例：光束切斷法 相關(guān)法2. 角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化。svtvr3. 利用物理參數(shù)測(cè)試：多普勒效應(yīng) 電磁感應(yīng)原理4. 加速度積分法和位移微分法接 觸 輥 法 把旋轉(zhuǎn)輥輪接觸在行進(jìn)的物體上，被測(cè)物體以速度v行進(jìn)并帶動(dòng)測(cè)試輥轉(zhuǎn)動(dòng)vr光束切斷法 光束切斷法檢測(cè)速度適合于定尺寸物體的速度檢測(cè)。 這是一種非接觸式測(cè)試，測(cè)試精度較高。 LvNTL-兩個(gè)檢測(cè)器的間距T-計(jì)數(shù)脈沖的周期N-脈沖個(gè)數(shù)非接觸測(cè)試可以克服由于機(jī)械磨損和打滑造成的測(cè)試誤差。 相

2、 關(guān) 法原理原理：利用隨機(jī)過程互相關(guān)函數(shù)的方：利用隨機(jī)過程互相關(guān)函數(shù)的方法進(jìn)行的。法進(jìn)行的。 互相關(guān)函數(shù)：兩個(gè)信號(hào)互相關(guān)函數(shù)：兩個(gè)信號(hào)x(t)與與y(t)之間的之間的依賴程度，定義為依賴程度，定義為TTxydttytxTR0)()(1lim)(互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)：互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)：兩信號(hào)錯(cuò)開一個(gè)時(shí)間間隔兩信號(hào)錯(cuò)開一個(gè)時(shí)間間隔 處，相關(guān)程度有可能處，相關(guān)程度有可能最高，它反映兩信號(hào)最高，它反映兩信號(hào)x(tx(t) )、y(ty(t) )之間主傳輸通之間主傳輸通道的滯后時(shí)間。道的滯后時(shí)間。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的相似性很大時(shí)，其互相關(guān)函數(shù)的當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的相似性很大時(shí)，其互相關(guān)函數(shù)的峰值會(huì)很大，反之很??；峰值會(huì)很大

3、，反之很小； 當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全不相關(guān)，即完全不相似，其相當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全不相關(guān)，即完全不相似，其相關(guān)函數(shù)可能為關(guān)函數(shù)可能為0 0。地下輸油管道漏損位置的探測(cè)地下輸油管道漏損位置的探測(cè)漏損處k為向兩側(cè)傳播聲響的聲源。漏油的音響傳至兩傳感器有時(shí)差t0，在互相關(guān)圖上=t0處，Rx1x2()有最大值。 S= (v*t0)/2 S-兩傳感器的中點(diǎn)至漏損處的距離； V-通過管道的傳播速度。地震位置測(cè)試地震位置測(cè)試相關(guān)測(cè)速：相關(guān)測(cè)速：測(cè)試時(shí)在固定間距為s的兩處安置兩個(gè)特性相同的傳感器，分別接收所在位置物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的隨機(jī)信號(hào)。將所測(cè)得的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，確定互相關(guān)函數(shù)最大值時(shí)的0 0值，即可計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體的速度

4、= =s/ 0 。鋼帶鋼帶可調(diào)延遲可調(diào)延遲相關(guān)器相關(guān)器速度速度透鏡透鏡光電池光電池鋼帶的直線速度鋼帶的直線速度v = s/s 利用相關(guān)測(cè)速的原理，在汽車前后軸上放置傳感器，可以測(cè)試汽車在冰面上行駛時(shí)，車輪滑動(dòng)加滾動(dòng)的車速； 在船體底部前后一定距離，安裝 兩套向水底發(fā)射、接受聲納的裝置，可以測(cè)試航船的速度； 在高爐輸送煤粉的管道中，在相距一定距離安裝兩套電容式相關(guān)測(cè)速裝置，可以測(cè)試煤粉的流動(dòng)速度和單位時(shí)間內(nèi)的輸煤量。 相關(guān)法測(cè)速的特點(diǎn)：相關(guān)法測(cè)速的特點(diǎn)： 非接觸測(cè)試，可連續(xù)對(duì)大行程物體進(jìn)行測(cè)速，不易受外界如氣流的影響，安裝調(diào)試?yán)щy。 多普勒測(cè)速 當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的

5、光波頻率與入射光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年發(fā)現(xiàn)的。 多普勒測(cè)速 當(dāng)單色光束入射到運(yùn)動(dòng)體上某點(diǎn)時(shí)，光波在該點(diǎn)被運(yùn)動(dòng)體散射，散射光頻率與入射光頻率相比，產(chǎn)生了正比于物體運(yùn)動(dòng)速度的頻率偏移，稱為多普勒頻移。 由于物體反射表面的運(yùn)由于物體反射表面的運(yùn)動(dòng)速度動(dòng)速度 v,使光束使光束A,B的光程的光程較原來物體表面靜止時(shí)的光較原來物體表面靜止時(shí)的光束束 A , B 的光程縮短的光程縮短 dL由此引起的頻率偏移由此引起的頻率偏移2cosdLN OO Mvdt12 cosddLvfdt式中式中 - -光線入射角光線入射角 - -光源波長(zhǎng)光源波長(zhǎng)當(dāng)光源波當(dāng)光源波長(zhǎng)和入

6、射方向一定時(shí)，頻率偏移與速度成正比。長(zhǎng)和入射方向一定時(shí)，頻率偏移與速度成正比。如果入射光線垂直于如果入射光線垂直于反射表面，則有反射表面，則有2dvf激光多普勒測(cè)速的方法是：激光多普勒測(cè)速的方法是： 激光作為光源照射運(yùn)動(dòng)物體，由于激光作為光源照射運(yùn)動(dòng)物體，由于多普勒效應(yīng)，被物體反射或散射的光的多普勒效應(yīng)，被物體反射或散射的光的頻率發(fā)生變化。頻率發(fā)生變化。 把頻率發(fā)生變化的光與原光把頻率發(fā)生變化的光與原光拍頻拍頻(求求頻率差的絕對(duì)值頻率差的絕對(duì)值)，得到頻率偏移，此信，得到頻率偏移，此信號(hào)經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換，即可得到與物體運(yùn)號(hào)經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換，即可得到與物體運(yùn)動(dòng)速度成正比的電信號(hào)。動(dòng)速度成正比的電信號(hào)

7、。多普勒效應(yīng)的另一種解釋 輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相光源和觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。 在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高 (藍(lán)移)。 在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 (紅移)。 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(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。 當(dāng)一個(gè)發(fā)出固定頻率的波的物體，相對(duì)于觀察地點(diǎn)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在觀察地點(diǎn)收到的頻率隨著它們的相對(duì)速度而變化。 通過頻率的變化就能計(jì)算出衛(wèi)星的高度、速度和方位。 若用此法連續(xù)測(cè)試，就可得到精確的衛(wèi)星實(shí)際軌道數(shù)據(jù)。 衛(wèi)星跟蹤測(cè)軌系統(tǒng)衛(wèi)星跟蹤測(cè)軌系統(tǒng) 利用多普

8、勒效應(yīng)制成的儀器有激光多普勒測(cè)試儀、超聲波多普勒測(cè)試儀等； 具有精度高、非接觸、響應(yīng)快、使用方便的特點(diǎn)； 廣泛用于流速測(cè)試、工業(yè)中鋼板、鋁材測(cè)試、醫(yī)學(xué)中血液循環(huán)監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等。轉(zhuǎn)速測(cè)試轉(zhuǎn)速測(cè)試 數(shù)字式轉(zhuǎn)速表 機(jī)械式轉(zhuǎn)速計(jì) 閃光測(cè)轉(zhuǎn)速法數(shù)字式轉(zhuǎn)速表數(shù)字式轉(zhuǎn)速表 數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(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(hào)，再通過測(cè)試信號(hào)的頻率或周期來計(jì)算轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速傳感器把被測(cè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)?；魻杺鞲衅?光電式轉(zhuǎn)速傳感器 磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器 1879年，人們?cè)诮饘僦邪l(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。 1948年以后，由于半導(dǎo)體技術(shù)迅速發(fā)展，

9、人們找到了霍爾效應(yīng)比較顯著的半導(dǎo)體材料，并制成了砷化鎵、銻化銦、砷化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件。 利用霍爾效應(yīng)制成的傳感器稱為霍爾傳感器，在檢測(cè)微位移、轉(zhuǎn)速、流量、大電流和微弱磁場(chǎng)等方面得到廣泛的應(yīng)用。 在置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體里通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電位差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。 式中，式中，KH為霍爾元件的靈敏度，對(duì)于某一型為霍爾元件的靈敏度，對(duì)于某一型號(hào)的霍爾元件，號(hào)的霍爾元件，KH是常數(shù)。是常數(shù)。 改變改變I和和B的大小和方向，也就改變了的大小和方向，也就改變了UH的大小的大

10、小和方向。和方向。HHUK IBFL洛侖茲力洛侖茲力FE 電場(chǎng)力電場(chǎng)力EH 霍爾電場(chǎng)霍爾電場(chǎng)UH 霍爾電壓霍爾電壓 霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu) 圖6.15 霍爾元件 霍爾元件的符號(hào)霍爾元件的符號(hào)霍爾元件的命名與特性參數(shù)霍爾元件的命名與特性參數(shù) H漢語拼音字母H代表霍爾元件漢語拼音字母代表霍爾元件材料Z代表鍺T代表梯化銦S代表砷化銦阿拉伯?dāng)?shù)字代表產(chǎn)品序號(hào)霍爾元件的命名與特性參數(shù)霍爾元件的命名與特性參數(shù) 霍爾元件特點(diǎn): (1)尺寸小。厚度一般只有0.2mm。 (2)輸出信號(hào)大。如常用的HZ1、HZ2、HZ3等型號(hào)，其輸出霍爾電壓可達(dá)24 mV、18mV、30mV。 (3)輸出電阻小。只有0.51

11、00。 霍爾元件的基本電路: 控制電流由電源E供給，R為可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)控制電流的大小。在磁場(chǎng)與控 制電流的作用下，負(fù)載Rf上有電壓輸出。 機(jī)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)永磁體旋轉(zhuǎn)。 每當(dāng)永磁體經(jīng)過傳感器位置時(shí),霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。 用計(jì)數(shù)器記下脈沖數(shù),便可知轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過多少轉(zhuǎn)。 為提高測(cè)試轉(zhuǎn)速的分辨率,可以適當(dāng)增加永磁體數(shù)。1-霍爾元件霍爾元件 2-被測(cè)物體被測(cè)物體 3-永磁體永磁體 霍爾傳感器測(cè)試轉(zhuǎn)速屬非接觸式測(cè)試,對(duì)被測(cè)件影響很小,輸出電壓信號(hào)幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)。 轉(zhuǎn)速測(cè)試范圍為1 rmin104rmin。光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電器件有發(fā)光器件和光敏器件兩大類。光電器件有發(fā)光器件和光敏器件兩大類。 給發(fā)光器

12、件通以電流給發(fā)光器件通以電流,發(fā)光器件發(fā)出的光發(fā)光器件發(fā)出的光線。線。 照射到光敏器件照射到光敏器件,其輸出電流就會(huì)發(fā)生變其輸出電流就會(huì)發(fā)生變化?；?。 發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)變成光能發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件，簡(jiǎn)稱的半導(dǎo)體器件，簡(jiǎn)稱LED。它是由一個(gè)。它是由一個(gè)PN結(jié)組成。結(jié)組成。 其內(nèi)部所用材料不同，發(fā)出的光線的其內(nèi)部所用材料不同，發(fā)出的光線的頻率范圍就不同，光的顏色也不同。有的頻率范圍就不同，光的顏色也不同。有的為可見的紅光、綠光、黃光，有的發(fā)出不為可見的紅光、綠光、黃光，有的發(fā)出不可見的紅外光?？梢姷募t外光。 發(fā)光二極管光輸出響應(yīng)時(shí)間快，工作發(fā)光二極管光輸出響應(yīng)時(shí)間快

13、，工作頻率高達(dá)頻率高達(dá)100MHz。 光電二極管和光電三極管統(tǒng)稱為光電二極管和光電三極管統(tǒng)稱為光電晶體管，它們的工作原理是基于光電晶體管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。即在光線作用下物體的內(nèi)光電效應(yīng)。即在光線作用下物體的電阻率會(huì)發(fā)生變化。電阻率會(huì)發(fā)生變化。 光電晶體管把接收到的光的變化光電晶體管把接收到的光的變化轉(zhuǎn)換成電流的變化，再經(jīng)放大和處理，轉(zhuǎn)換成電流的變化，再經(jīng)放大和處理，用于各種控制目的。用于各種控制目的。光電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)光電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng) 將發(fā)光二極管與光電晶體管配對(duì)做在同一個(gè)體積很小的塑料殼體中，即構(gòu)成光電開關(guān)。 分透射式和反射式兩種。透射式透射式1-發(fā)光二極管發(fā)光二極

14、管 2-紅外線紅外線 3-光敏元件光敏元件 4-槽槽 5-被測(cè)物被測(cè)物 起到開關(guān)作用。起到開關(guān)作用。反射式反射式1-發(fā)光二極管發(fā)光二極管 2-紅外線紅外線 3-光敏元件光敏元件 5-被測(cè)物被測(cè)物反射式的檢測(cè)距離較小反射式的檢測(cè)距離較小,多用于安裝空間較小的場(chǎng)合。多用于安裝空間較小的場(chǎng)合。圓盤不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤不斷地轉(zhuǎn)動(dòng),輸出脈沖序列輸出脈沖序列 送入計(jì)數(shù)送入計(jì)數(shù)器便可測(cè)出脈沖個(gè)數(shù)器便可測(cè)出脈沖個(gè)數(shù),即圓盤轉(zhuǎn)過的孔數(shù)即圓盤轉(zhuǎn)過的孔數(shù),從而可計(jì)從而可計(jì)算出每分鐘轉(zhuǎn)速。算出每分鐘轉(zhuǎn)速。60NnZtn-被測(cè)軸轉(zhuǎn)速 N-計(jì)數(shù)器讀數(shù) Z-圓盤上孔數(shù) t-記數(shù)時(shí)間透射式光電開關(guān)透射式光電開關(guān)測(cè)試轉(zhuǎn)速測(cè)試轉(zhuǎn)速反射

15、式光電開關(guān)反射式光電開關(guān)測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速假設(shè)此障礙物是旋轉(zhuǎn)軸的軸面。在軸面上粘貼畫有黑白相間的粗線條。軸不斷地旋轉(zhuǎn)，光電開關(guān)輸出脈沖電壓序列 ，由此脈沖序列可以測(cè)得轉(zhuǎn)速。 光電式碼盤 光電式碼盤是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。 黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。 光電式碼盤 工作時(shí)，碼盤每個(gè)數(shù)位都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。 碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號(hào)。 由于光電管安裝誤差的影響,當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過程中,就會(huì)有一些光電管越過分界線,而另一些尚未越過,會(huì)產(chǎn)生無法估計(jì)的很大的數(shù)值誤差,這種誤差

16、稱為非單值性誤差。 消除非單值性誤差采用格雷碼盤。格雷碼格雷碼0-00001-00012-00113-00104-01105-01116-01017-01008-11009-110110-111111-111012-101013-101114-100115-1000 格雷碼也是一種二進(jìn)制編碼,只有“0”和“1”兩個(gè)數(shù)。 這種編碼的特點(diǎn)是任意相鄰的兩個(gè)代碼間只有一位代碼有變化,即0變?yōu)?或1變?yōu)?。 在兩數(shù)變換過程中,因光電管安裝不準(zhǔn)等產(chǎn)生的閱讀數(shù)誤差,最多不超過1,只可能讀成相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)。 它是消除非單值性誤差的一種有效方法。 格雷碼盤格雷碼盤帶判位光電裝置的帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)

17、碼盤二進(jìn)制循環(huán)碼盤 碼盤的最外圈再增加一圈信號(hào)位。 最外圈上的信號(hào)位的位置正好與狀態(tài)交線錯(cuò)開,只有當(dāng)信號(hào)位處的光電元件有信號(hào)時(shí)才讀數(shù),這樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值性誤差。 發(fā)光二極管通以恒定電流,其速度不影響光電開關(guān)的速度,速度只取決于光電三極管。 如果光電三極管的翻轉(zhuǎn)時(shí)間按3 s ，保持時(shí)間2 s計(jì)算,則光電開關(guān)測(cè)試脈沖的頻率可達(dá)100kHz。 使用光電傳感器時(shí),應(yīng)注意避免陽光照射到光電三極管。光電傳感器優(yōu)點(diǎn):線性度好 分辨率高 噪聲小 精度高磁電式傳感器測(cè)試轉(zhuǎn)速 數(shù)字化電路 為了讀出被測(cè)轉(zhuǎn)速，還需要進(jìn)一步把傳感器輸出信號(hào)的頻率或周期轉(zhuǎn)換成數(shù)字傳感器輸出信號(hào)的頻率或周期轉(zhuǎn)換成數(shù)字量量，以便于數(shù)字顯示

18、。 一般對(duì)中、高轉(zhuǎn)速采用頻率法，對(duì)低轉(zhuǎn)速采用周期法測(cè)試。計(jì)數(shù)測(cè)頻法：計(jì)數(shù)測(cè)頻法： 在某一選定的時(shí)間間隔T0內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值N除以時(shí)間間隔就得到所測(cè)頻率f=N/T0周期測(cè)頻法：周期測(cè)頻法： 利用測(cè)試周期再求其倒數(shù)的方法來測(cè)試頻率。 若時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的周期為0，計(jì)數(shù)器讀數(shù)為N，則被測(cè)信號(hào)的周期為T=N0，頻率為f=1/T。 在電子計(jì)數(shù)器采樣時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間控制計(jì)數(shù)器閘門。當(dāng)計(jì)數(shù)器的顯示值為N時(shí)，被測(cè)試的每分鐘轉(zhuǎn)速n為60Nnzt式中，z旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出的電脈沖信號(hào)數(shù)； t采樣時(shí)間(s)。 頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速周期法測(cè)轉(zhuǎn)速周期法測(cè)轉(zhuǎn)速 用被測(cè)信號(hào)周期T來控制閘門，對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。 為了提高信號(hào)周期測(cè)試的準(zhǔn)確度，通過將周期信號(hào)分頻，使被測(cè)試的周期得到倍乘。故被測(cè)試的轉(zhuǎn)速n為K周期倍乘數(shù)1，10，100. 晶振周期N計(jì)數(shù)器計(jì)