第六章轉(zhuǎn)速加速度測量

1、速度測量速度測量速速 度度 測測 量量速度速度測量測量線速度測量線速度測量（m/sm/s，km/h)km/h) 角速度測量角速度測量(rad/s) (rad/s) （轉(zhuǎn)速測量（轉(zhuǎn)速測量( (轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分）分）2 nRotary speed：revolutions per minute (r.p.m.)Angular VelocityLinear Velocity常用的速度測量方法：常用的速度測量方法： 微積分法微積分法 線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法 速度傳感器法速度傳感器法 時間、位移計算測速法時間、位移計算測速法（1）微積分法）微積分法 對運動體的加速度信號對運動

2、體的加速度信號a進行積分運算，進行積分運算，得到運動體的運動速度，或者將運動體的位得到運動體的運動速度，或者將運動體的位移信號進行微分也可以得到運動體的速度移信號進行微分也可以得到運動體的速度 例如在振動測量時，應(yīng)用加速度計測得例如在振動測量時，應(yīng)用加速度計測得振動體的振動信號，或應(yīng)用振幅計測得振動振動體的振動信號，或應(yīng)用振幅計測得振動體的位移信號，再經(jīng)過電路進行積分或微分體的位移信號，再經(jīng)過電路進行積分或微分運算而得到振動速度。運算而得到振動速度。（2 2）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法 線速度和角速度在同一個運動體上是有線速度和角速度在同一個運動體上是有固定關(guān)系

3、的，這和線位移和角位移在同一運固定關(guān)系的，這和線位移和角位移在同一運動體上有固定關(guān)系一樣。動體上有固定關(guān)系一樣。在測量時可采取互在測量時可采取互換的方法測量。換的方法測量。 例如測火車行駛速度時，直接測線速度例如測火車行駛速度時，直接測線速度不方便，可通過測量車輪的轉(zhuǎn)速，換算出火不方便，可通過測量車輪的轉(zhuǎn)速，換算出火車的行駛速度。車的行駛速度。（3）速度傳感器法）速度傳感器法 利用各種速度傳感器，將速度信號變換利用各種速度傳感器，將速度信號變換為電信號、光信號等易測信號。為電信號、光信號等易測信號。 速度傳感器法是最常用的一種方法。速度傳感器法是最常用的一種方法。（4 4）時間、位移計算測速法

4、）時間、位移計算測速法 根據(jù)速度的定義測量速度，即根據(jù)速度的定義測量速度，即通過測量距通過測量距離離L和走過該距離的時間和走過該距離的時間t，求得，求得平均速度平均速度。 L取得越小，則求得速度越接近運動體取得越小，則求得速度越接近運動體的瞬時速度。的瞬時速度。 如子彈速度的測量，運動員百米速度如子彈速度的測量，運動員百米速度的測量等。的測量等。 根據(jù)這種測量原理，在固定的距離內(nèi)根據(jù)這種測量原理，在固定的距離內(nèi)利用數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件又延伸出很多測利用數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件又延伸出很多測速方法，如速方法，如相關(guān)測速法相關(guān)測速法、空間濾波器測速空間濾波器測速法法。一一.機械離心式轉(zhuǎn)速計測轉(zhuǎn)速機械離心式

5、轉(zhuǎn)速計測轉(zhuǎn)速二二.光電傳感器測轉(zhuǎn)速光電傳感器測轉(zhuǎn)速三三.磁電式轉(zhuǎn)速傳感器磁電式轉(zhuǎn)速傳感器四四.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器速速 度度 傳傳 感感 器器 法法 測測 量量 速度速度五五 .紅外測速紅外測速一、機械離心式轉(zhuǎn)速計測轉(zhuǎn)速一、機械離心式轉(zhuǎn)速計測轉(zhuǎn)速 質(zhì)量為質(zhì)量為m的重錘在離心力的重錘在離心力 m r2作用作用下使下部的軸套上升或下降，下使下部的軸套上升或下降，轉(zhuǎn)速不同離轉(zhuǎn)速不同離心力不同軸套位置不同通過齒輪機械轉(zhuǎn)心力不同軸套位置不同通過齒輪機械轉(zhuǎn)動指針，顯示轉(zhuǎn)速。動指針，顯示轉(zhuǎn)速。是接觸式測量，分固是接觸式測量，分固定式和手持式，手持式轉(zhuǎn)速表就是這種轉(zhuǎn)定式和手持式，手持式轉(zhuǎn)速表就是這種轉(zhuǎn)

6、速計。速計。 光電傳感器分類光電傳感器分類 模擬式模擬式光電傳感器按被測量光電傳感器按被測量(檢測檢測目標物體目標物體)方法分：方法分：透射透射(吸收吸收)式、式、漫反射式、遮光式漫反射式、遮光式(光束阻檔光束阻檔)三大三大類。類。二二.光電傳感器測轉(zhuǎn)速光電傳感器測轉(zhuǎn)速（1）透射式透射式是指被測物體放在光是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上，又稱射光投射到光電元件上，又稱吸收式吸收式. (2)漫反射式漫反射式是指恒光源發(fā)出是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測的光投射到被測物上，再從被

7、測物體表面反射后投射到光電元件物體表面反射后投射到光電元件上上(3) 遮光式遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)。在光路位置有關(guān)。光電轉(zhuǎn)速傳感器 思考題：思考題：如輸出信號如輸出信號在在1秒鐘內(nèi)共測得秒鐘內(nèi)共測得700個脈沖個脈沖,求軸上轉(zhuǎn)速。求軸上轉(zhuǎn)速。由裝在軸上由裝在軸上的帶孔或者的帶孔或者縫隙的旋轉(zhuǎn)縫隙的旋轉(zhuǎn)盤、光源、盤、光源、光電器件等光電器件等組成組成min/300014/700*60/*60rZNn旋轉(zhuǎn)盤

8、隨被測軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)盤隨被測軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與孔數(shù)相等的光電器件輸出與孔數(shù)相等的電脈沖電脈沖，由，由脈沖數(shù)脈沖數(shù)N可計算轉(zhuǎn)速?？捎嬎戕D(zhuǎn)速。 光電式轉(zhuǎn)速表 日本株式會社小野測器公司生產(chǎn)的日本株式會社小野測器公司生產(chǎn)的LG-916、LG-930光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器 脈沖積分法（脈沖積分法（M）和脈沖間隔法（）和脈沖間隔法（T）。常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法主要常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法主要:脈沖積分法（脈沖積分法（M） 在一定的時間間隔在一定的時間間隔TS內(nèi)，將來自編碼器內(nèi)，將來自編碼器的脈沖用計數(shù)器累計，然后計算轉(zhuǎn)速：的脈沖用計數(shù)器累計，然后計算轉(zhuǎn)速： n=6

9、0000m/MTSTS :采樣間隔，采樣間隔，msm: TS內(nèi)的脈沖數(shù)內(nèi)的脈沖數(shù)M：碼盤：碼盤(調(diào)制盤調(diào)制盤)每圈的脈沖數(shù)，由碼盤每圈的脈沖數(shù)，由碼盤銘牌得到。銘牌得到。缺點： 低速測量受限制。低速測量受限制。 TS內(nèi)只一脈沖，內(nèi)只一脈沖， m=1，實際轉(zhuǎn)速，實際轉(zhuǎn)速nmin=60r/min。 如要測量更低的轉(zhuǎn)速，只有增大采如要測量更低的轉(zhuǎn)速，只有增大采樣間隔。樣間隔。脈沖間隔法（脈沖間隔法（T） 實現(xiàn)低速測量。實現(xiàn)低速測量。兩個碼盤脈沖間隔兩個碼盤脈沖間隔TW插入已知頻率的高插入已知頻率的高頻脈沖，計數(shù)高頻脈沖的個數(shù)。頻脈沖，計數(shù)高頻脈沖的個數(shù)。 n=60000fc/MNfc: 插入高頻脈沖

10、頻率插入高頻脈沖頻率M: 碼盤每圈的脈沖數(shù)碼盤每圈的脈沖數(shù) N ：TW內(nèi)的高頻脈沖數(shù)內(nèi)的高頻脈沖數(shù)缺點 速度上限受限制速度上限受限制當(dāng)時，當(dāng)時， nmax=300r/min。M1000例：例：M1000，fc=5KHZ, N=255,則則n=60000fc/NM=1.2r/min. 大范圍內(nèi)測量轉(zhuǎn)速，可在同一系統(tǒng)中大范圍內(nèi)測量轉(zhuǎn)速，可在同一系統(tǒng)中分段采用這兩種方法，高速時分段采用這兩種方法，高速時脈沖積脈沖積分法（分法（M），低速時脈沖間隔法），低速時脈沖間隔法（T），又稱），又稱M T 法法 例例1: 某編碼器指標為某編碼器指標為1024個脈沖個脈沖/ r,在在0.4s內(nèi)測得內(nèi)測得4K(1K

11、=1024)個脈沖個脈沖,求轉(zhuǎn)速求轉(zhuǎn)速 n=60000m/MTS =60000*1024*4/(1024*0.4*1000) =600r/min例例2:某編碼器指標為某編碼器指標為1024個脈沖個脈沖/ r,已知標已知標準頻率時鐘準頻率時鐘fc=1MHZ,測得編碼器輸測得編碼器輸出的兩個相鄰脈沖上升沿之間能填出的兩個相鄰脈沖上升沿之間能填充的標準時鐘數(shù)為充的標準時鐘數(shù)為1000脈沖脈沖, 求轉(zhuǎn)速求轉(zhuǎn)速.n=60000fc/NM=60000*1000/(1000*1024) =58.6r/min三、磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器三、磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)安裝在被測轉(zhuǎn)軸上的齒輪當(dāng)安裝在被測轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導(dǎo)

12、磁體導(dǎo)磁體)旋轉(zhuǎn)時，其齒依次通過永久磁鐵兩磁極間旋轉(zhuǎn)時，其齒依次通過永久磁鐵兩磁極間的間隙，使的間隙，使磁路的磁阻和磁通發(fā)生周期性磁路的磁阻和磁通發(fā)生周期性變化變化，線圈中輸出電壓周期性變化，從而，線圈中輸出電壓周期性變化，從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成此例的此例的交流電壓信號交流電壓信號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。故這種傳感器程度。故這種傳感器不適合于低速測量不適合于低速測量。 外配檢測齒輪型外配

13、檢測齒輪型電磁式轉(zhuǎn)速傳感器。電磁式轉(zhuǎn)速傳感器。傳感器頭靠近安裝在旋轉(zhuǎn)軸上檢測齒輪的傳感器頭靠近安裝在旋轉(zhuǎn)軸上檢測齒輪的齒頂端，齒頂端，旋轉(zhuǎn)軸帶著齒輪旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸帶著齒輪旋轉(zhuǎn)時，傳感器時，傳感器會會感應(yīng)出與轉(zhuǎn)速成比例的頻率信號感應(yīng)出與轉(zhuǎn)速成比例的頻率信號。傳感。傳感器由永久磁鐵、線圈和器由永久磁鐵、線圈和U型磁鋼組成，磁型磁鋼組成，磁性物體靠近性物體靠近 U 型磁鋼時，線圈內(nèi)的磁通量型磁鋼時，線圈內(nèi)的磁通量會發(fā)生變化，在線圈兩端建立起一個其頻會發(fā)生變化，在線圈兩端建立起一個其頻率與磁通量成比例變化的率與磁通量成比例變化的誘導(dǎo)電壓誘導(dǎo)電壓。 磁通量隨頻率磁通量隨頻率 f = 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速(r/min)齒

14、數(shù)齒數(shù)60(Hz) 波動，作波動，作為傳感器的轉(zhuǎn)速信號被輸出出來。為傳感器的轉(zhuǎn)速信號被輸出出來。 特點：構(gòu)造簡單；不要電源；體積小、特點：構(gòu)造簡單；不要電源；體積小、不占地方；不需維修保養(yǎng)，可靠性高，不占地方；不需維修保養(yǎng)，可靠性高，大量應(yīng)用在各種工業(yè)場所。大量應(yīng)用在各種工業(yè)場所。 構(gòu)造簡單、剛性好、耐環(huán)境好、不受振動、構(gòu)造簡單、剛性好、耐環(huán)境好、不受振動、溫度、油灰塵等影響。溫度、油灰塵等影響。 由于是非接觸式地檢測信號，對旋轉(zhuǎn)體不加由于是非接觸式地檢測信號，對旋轉(zhuǎn)體不加負荷，可以安全測量。負荷，可以安全測量。 由于是自身發(fā)電型，不要電源，最適于設(shè)置由于是自身發(fā)電型，不要電源，最適于設(shè)置在現(xiàn)

15、場。在現(xiàn)場?；魻栃?yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖 霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)：四四 . 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器物理現(xiàn)象觀察霍爾效應(yīng) UH =RH 霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強度霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應(yīng)強度,其其靈敏度與霍爾常數(shù)靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度成正比而與霍爾片厚度d成成反比。反比。 為了提高靈敏度為了提高靈敏度, 霍爾元件常制成薄片形狀?；魻栐Ｖ瞥杀∑螤睢?IBKdIBH 霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)：霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu) 圖圖c 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用霍爾效應(yīng)，采用霍爾效應(yīng)，當(dāng)金屬齒經(jīng)過霍爾傳感器前端時，當(dāng)金屬齒經(jīng)過霍爾傳感器前端時，引起引起磁場變

16、化磁場變化，霍爾元件檢測到，霍爾元件檢測到磁場變化，并轉(zhuǎn)換成一個磁場變化，并轉(zhuǎn)換成一個交變電交變電信號信號，傳感器內(nèi)置電路對該信號，傳感器內(nèi)置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號。形脈沖信號。圖圖d 它實際就是利用霍爾開關(guān)與電機它實際就是利用霍爾開關(guān)與電機軸連接的輪片上粘有軸連接的輪片上粘有多對小磁鋼多對小磁鋼（N.S極），小磁鋼越多，分辨率極），小磁鋼越多，分辨率就越高。霍爾開關(guān)固定在小磁鋼就越高。霍爾開關(guān)固定在小磁鋼附近，輪旋轉(zhuǎn)時，附近，輪旋轉(zhuǎn)時，磁鋼經(jīng)過霍爾磁鋼經(jīng)過霍爾開關(guān)集成電路開關(guān)集成電路時，開關(guān)集成器就時，開關(guān)集成器就會會產(chǎn)生一個響應(yīng)的脈沖

17、產(chǎn)生一個響應(yīng)的脈沖，檢測出，檢測出的單位時間的脈沖數(shù)，其長度就的單位時間的脈沖數(shù)，其長度就是輪軸的轉(zhuǎn)動周期是輪軸的轉(zhuǎn)動周期T及其轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)速n。 n=1/T霍爾輪速傳感器優(yōu)點霍爾輪速傳感器優(yōu)點：其一，其一， 輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速影響。輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速影響。其二其二 ，頻率響應(yīng)高。其響應(yīng)頻率高達，頻率響應(yīng)高。其響應(yīng)頻率高達20kHz，相當(dāng)于車速為，相當(dāng)于車速為1000km/h時所檢時所檢測的信號頻率。測的信號頻率。其三，其三， 抗電磁波干擾能力強。抗電磁波干擾能力強。HE-01霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器閃光測轉(zhuǎn)速法：閃光測轉(zhuǎn)速法：利用人眼的利用人眼的視覺暫留視覺暫留現(xiàn)象來測量現(xiàn)象來

18、測量轉(zhuǎn)速。一個閃光目標，當(dāng)閃動頻率大于轉(zhuǎn)速。一個閃光目標，當(dāng)閃動頻率大于10Hz時，時，人眼看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。人眼看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。根據(jù)這一原理，用一個根據(jù)這一原理，用一個頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照照射被測旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標記射被測旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標記(如齒輪的齒，如齒輪的齒，圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點)，并調(diào)節(jié)，并調(diào)節(jié)閃光頻率閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個單定象為止，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個單定象為止，即達到即達到n=f的條件，這時便可以從的條件，這時便可以從電子計數(shù)器或電子計數(shù)器或圓刻度盤圓刻度盤上讀出被測的轉(zhuǎn)速值。上讀出被測

19、的轉(zhuǎn)速值。 四、閃光測轉(zhuǎn)速法四、閃光測轉(zhuǎn)速法但是若在連續(xù)兩次閃光的時間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)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)倍數(shù)時，即軸轉(zhuǎn)過整數(shù)倍數(shù)時，即nk0f時，也會出現(xiàn)時，也會出現(xiàn)單單定象。定象。式中的式中的k0為單定象停留的次數(shù)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、被測轉(zhuǎn)速高二倍、三將、m倍倍時，則會時，則會出現(xiàn)二重象、三重象以至于出現(xiàn)二重象、三重象以至于m重象。重象。f=mn0測速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括紅測速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括紅外外測速傳感器測速傳感器（由紅外發(fā)射與接收電路和齒盤（由紅外發(fā)射與接收電路和齒盤組成）、組成）、信號處理電路、單片機以及數(shù)字顯信號處理電路、單片機以及數(shù)字顯示部分示部分。工作過程：當(dāng)齒盤旋轉(zhuǎn)時，由于輪齒的遮擋，工作過程：當(dāng)齒盤旋轉(zhuǎn)時，由于輪齒的遮擋，紅外發(fā)射管與接收管之間的紅外線光路時斷紅外發(fā)射管與接收管之間的紅外線光路時斷時續(xù)時續(xù)，信號處理電路將此變化的，信號處理電路將此變化的光信號轉(zhuǎn)換光信