現(xiàn)代檢測技術(shù)(第4章運動量檢測技術(shù))09-10(2)課件

上一頁下一頁返回第4章運動量檢測技術(shù)4.1位移檢測4.2速度檢測4.3加速度檢測4.4慣性測量上一頁下一頁返回4.1位移檢測

4.1.1位移檢測方法

（1）積分法

測量運動體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運動體的位移。

（2）相關(guān)測距法

向某被測物發(fā)射信號，將發(fā)射信號與經(jīng)被測物反射的返回信號作相關(guān)處理，求得時延τ，若發(fā)射信號的速度已知，則可求得發(fā)射點與被測物間的距離。

（3）回波法

利用介質(zhì)分界面對波的反射原理測位移。上一頁下一頁返回

（4）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換

若測角位移方便，則通過測角位移再換算成線位移；

若被測是角位移，也可先測線位移再進行轉(zhuǎn)換。

（5）位移傳感器法

通過位移傳感器將被測位移的變化轉(zhuǎn)換成電量、流量、光通量、磁通量等的變化，間接測位移。上一頁下一頁返回

常用角位移傳感器有：滑線變阻式、變阻器、差動變壓器式、應(yīng)變計式等。

4.1.2常用的位移傳感器

常用線位移傳感器有：變阻式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、霍爾式等。上一頁下一頁返回

相位差檢測的載體是光波或電磁波，稱為載波。

4.1.3相位差法檢測振幅角頻率初相位

光的調(diào)制：利用某種人為的信息（稱為調(diào)制信號）對光的發(fā)射進行控制的過程。

設(shè)調(diào)制信號為角頻率為ω的正弦信號，它能使光的振幅A也發(fā)生正弦變化，即未調(diào)制時光的振幅振幅變化的最大值上一頁下一頁返回=A0cosΩt=ΔA/A0稱為調(diào)制度

從物理光學(xué)中可知，光的強度與其振幅的平方成正比，且又表現(xiàn)為原子振蕩周期內(nèi)的平均值，即光強上一頁下一頁返回

將光波信號和調(diào)制信號經(jīng)過調(diào)制器便可得已調(diào)信號（請參閱《高頻電子線路》）。

已調(diào)波振幅的連線稱為包絡(luò)線，其形狀與調(diào)制信號相同，其幅度的大小表示了光強明暗的有規(guī)律變化。

強度恒定的光信號經(jīng)調(diào)制后變成了明暗有規(guī)律的已調(diào)制光信號。

波在傳播過程中所產(chǎn)生的相位移與傳播路程的關(guān)系是相位移傳播路程波的速度傳播時間波的頻率上一頁下一頁返回

設(shè)測距儀從A點發(fā)射調(diào)制光波，到達B點反射器又反射回測距儀，經(jīng)歷了2D的路程，所需時間為t，則

調(diào)制光波經(jīng)2D有N個整周期的波和不足一個周期的波ΔN，所以相位移可表示為λ=c/f為波長上一頁下一頁返回

令u=c/2f=λ/2，稱為測尺長，簡稱測尺，也稱為測尺頻率。

相位法測距就象我們拿著一把一定長度的測尺，一尺一尺地丈量距離一樣，只要測得整尺數(shù)N和尾尺數(shù)ΔN，便可由上式計算出所測的距離D。上一頁下一頁返回4.2速度檢測

4.2.1速度檢測方法

（1）微積分法

對運動體的加速度進行積分運算或?qū)⑦\動體的位移進行微分運算便可得到運動體的速度。

（2）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固定關(guān)系的，測量時可采取互換的方法測量。

（3）速度傳感器

利用各種速度傳感器，將速度信號變換為容易測量的電信號、光信號等。上一頁下一頁返回

（4）時間、位移計算測速法

通過測量距離L和走過該距離的時間t，然后求得平均速度v。

L越小，求得的速度越接近運動體的瞬時速度。

4.2.2常用的速度測量傳感器

測量線速度的有：磁電式，空間濾波器等。

測量轉(zhuǎn)速的有：交流測速發(fā)電機，直流測速發(fā)電機，離心式轉(zhuǎn)速表，頻閃式轉(zhuǎn)速表，光電式，激光式，汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速表等。

測量角速度的有：轉(zhuǎn)子陀螺，光纖陀螺，激光陀螺，靜電陀螺，半球諧振陀螺，壓電陀螺等。上一頁下一頁返回

4.2.3彈丸飛行速度的測量

1、時間位移計算測速法

時間位移計算測速法是測出彈道上某一段距離x1，2，再測出彈丸飛行這一段距離所需要的時間t1，2

需在彈道上的Ⅰ和Ⅱ位置上各設(shè)一個區(qū)域裝置，稱為靶。

兩個靶之間的距離就是x1，2；彈道經(jīng)過這兩個靶的時間間隔為t1，2。

彈道經(jīng)過這兩個靶時各產(chǎn)生一個信號，作為測時儀的開啟和停止信號，這樣即可測出時間t1，2。上一頁下一頁返回

（1）區(qū)域裝置—靶

①接觸型靶

是利用導(dǎo)體的通或斷來產(chǎn)生電信號的裝置。

當(dāng)彈丸與這種靶接觸時，使構(gòu)成靶的金屬材料從原來的接通狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)；或是從原來的斷開狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)。

當(dāng)彈丸通過時，將導(dǎo)線打斷，從而使電路突然中斷，產(chǎn)生一個電脈沖，啟動或停止測時儀。

②非接觸型靶

這一類靶與飛行的彈丸不發(fā)生機械接觸，而是利用光線的遮擋、電磁場的變化及波的傳播等原理工作。上一頁下一頁返回

a、線圈靶

彈丸從線圈靶內(nèi)穿過時，磁通量發(fā)生變化，從而使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢可作為測時儀的啟動或停止信號。

將彈丸預(yù)先進行磁化處理，使彈丸周圍有一個磁場。當(dāng)它飛過線圈時，使線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

在線圈內(nèi)另加一個通以直流電流的勵磁線圈，從而使線圈周圍形成一個磁場。

當(dāng)彈丸通過時，線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化，從而使感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。上一頁下一頁返回

b、聲靶

用超音速飛行的彈丸的彈頭波掃過作為靶的高頻話筒，產(chǎn)生電信號，用以啟動或停止測量儀器。

c、光電靶

當(dāng)光通量改變時，光電元件能夠產(chǎn)生變化的電信號。

從一個光源發(fā)出的光束，照射到光電元件上。

當(dāng)彈丸通過這一光束時，由于把光路擋住，使光電元件產(chǎn)生一個變化的電信號，用以啟動或停止測時儀器。

（2）電子測時儀

與周期的測量原理相同。上一頁下一頁返回

2、利用多普勒雷達測量彈丸飛行速度

（1）基本原理

若發(fā)射機與接收機之間的距離發(fā)生變化，則發(fā)射機發(fā)射信號的頻率與接收機收到信號的頻率就不同的現(xiàn)象就稱為多普勒效應(yīng)。

如果發(fā)射機和接收機在同一地點，兩者無相對運動，而被測物體以速度v向發(fā)射機和接收機運動，這時可以把被測物體對信號的反射現(xiàn)象看成是一個發(fā)射機。這樣接收機與被測物體之間因有相對運動，所以就產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)。

發(fā)射機發(fā)射出頻率為f0的電磁波向被測物體輻射，被測物體以速度v運動。上一頁下一頁返回

被測物體作為接收機接收到的信號頻率為發(fā)射機發(fā)射信號頻率=c/f0，信號波長

如果把f1做為反射波向接收機發(fā)射信號，接收機接收到的信號頻率為

f1對應(yīng)的波長

由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，上一頁下一頁返回

（2）系統(tǒng)組成及作用

它包括發(fā)射機、接收機、天線系統(tǒng)、終端設(shè)備及跟蹤濾波器和紅外啟動器等部分。

發(fā)射機的振蕩源是一個磁控管振蕩器，產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩頻率f0。

振蕩信號的大部分能量經(jīng)過隔離器送到發(fā)射天線，少量送到接收機的混頻器。

接收機由混頻器、前置放大器、濾波器和限幅放大器等組成。

接收天線接收到從彈丸反射的回波信號，在混頻器中混頻，獲得多普勒頻率Fd，即Fd=f2-f0。

經(jīng)過放大和濾波以后，送到跟蹤濾波器。上一頁下一頁返回

Fd信號在跟蹤濾波器中濾波，以提高信噪比，從而提高系統(tǒng)的靈敏度。并把信號進行6倍頻后送到終端設(shè)備。

終端設(shè)備將送來的信號進行處理和計數(shù)，獲得所需要的彈丸飛行速度，并用數(shù)碼管顯示出來。

終端設(shè)備的工作由紅外啟動器控制。當(dāng)火炮發(fā)射時，炮口焰的作用使紅外啟動器產(chǎn)生同步信號，控制終端設(shè)備的工作。上一頁下一頁返回

4.2.4光纖陀螺測量角速率

由寬帶光源提供的光被分成兩束，分別沿兩個相反方向在光纖線圈中傳播。

當(dāng)兩束光在入射點處匯合時將發(fā)生光的干涉效應(yīng)。

設(shè)直徑為D的單匝光纖線圈繞垂直于自身的軸以角速度ω順時針方向旋轉(zhuǎn)。

從環(huán)形光路的P點分別沿順時針（CW）和逆時針（CCW）發(fā)射兩路光波。

當(dāng)ω=0時，兩束光波繞環(huán)形光路一周的穿越時間相同。上一頁下一頁返回

ω≠0時，順時針光束繞環(huán)形光路的穿越時間為靜止光纖中的光速真空中的光速光纖的折射率上一頁下一頁返回4.3加速度檢測

4.3.1加速度檢測方法

加速度檢測是基于測試儀器檢測質(zhì)量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測量（牛頓第二定律F=ma）。

加速度的測量是通過加速度傳感器（稱為加速度計），并配以適當(dāng)?shù)臋z測電路進行的。

根據(jù)對加速度計內(nèi)檢測質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力的檢測方式來分，加速度計可分為壓電式、壓阻式、應(yīng)變式、電容式、振梁式、磁電感應(yīng)式、隧道電流式、熱電式等。

按檢測質(zhì)量的支承方式來分，可分為懸臂梁式、擺式、折疊梁式、簡支承梁式等。上一頁下一頁返回

4.3.2伺服式加速度測量

伺服式加速度測量是一種按力平衡反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)測試系統(tǒng)。

它由檢測質(zhì)量m、彈簧k、阻尼器c、位置傳感器Sd、伺服放大器Ss、力發(fā)生器SF和標(biāo)準(zhǔn)電阻RL等主要部分組成。檢測質(zhì)量m相對殼體作位移z，此位移由位置傳感器Sd檢測并轉(zhuǎn)換成電壓u，經(jīng)伺服放大器放大成電流i，上一頁下一頁返回

系統(tǒng)的運動方程是（進行受力分析）

SF為力發(fā)生器靈敏度。

對于常用的由永久磁鐵和動圈組成的磁電式力發(fā)生器，SF=BL（B為磁路氣隙的磁感應(yīng)強度，L為動圈導(dǎo)線的有效長度）。i=SdSsz供給力發(fā)生器SF產(chǎn)生電恢復(fù)力，使檢測質(zhì)量返回到初始平衡位置。位置傳感器的靈敏度伺服放大器靈敏度上一頁下一頁返回

當(dāng)系統(tǒng)處于加速度計工作狀態(tài)時，上一頁下一頁返回

4.3.3微機電系統(tǒng)加速度計

1、概述

微機電系統(tǒng)加速度計通常是指利用微電子加工手段制作并和微電子測量線路集成在一起的加速度計。

這種加速度計常用硅材料制作。

按檢測質(zhì)量支承方式分，有懸臂梁支承、簡支梁支承、方波梁支承、折疊梁支承和撓性軸支承等；

按檢測信號拾取方式分，有電容檢測、電感檢測、隧道電流檢測和頻率檢測等。上一頁下一頁返回

2、叉指式硅微加速度計

加速度計由中央叉指狀活動極板和若干對固定極板組成。

硅制活動極板通過一對支承梁彈簧與基座相連。

支承梁能使活動極板敏感加速度而產(chǎn)生位移。

活動極板上有若干對叉指，每個叉指對應(yīng)一對固定極板，固定極板固定在基座上。

當(dāng)加速度計處于靜止?fàn)顟B(tài)時，叉指正好處于一對固定極板的中央，叉指和與其對應(yīng)的兩個固定極板的間距相等，這時電容量C1=C2。上一頁下一頁返回

當(dāng)加速度計敏感加速度時，在慣性力的作用下，活動極板產(chǎn)生位移Δy。