東南大學(xué)-交通基礎(chǔ)設(shè)施檢測技術(shù)課件-第4章--運(yùn)動(dòng)量測量技術(shù)..ppt

第4章運(yùn)動(dòng)量測量技術(shù) 4 1位移測量4 2速度測量4 3加速度測量4 4慣性測量 4 1位移測量運(yùn)動(dòng)量是描述物體運(yùn)動(dòng)的量 包括位移 速度和加速度 運(yùn)動(dòng)量是最基本的量 運(yùn)動(dòng)量測量是最基本 最常見的測量 它是許多物理量 如力 壓力 溫度 振動(dòng)等測量的前提 也是慣性導(dǎo)航 制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ) 4 1 1位移測量方法位移測量包括線位移測量和角位移測量 位移測量的方法多種多樣 常用的有下述幾種 1 積分法 2 回波法 3 線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換 4 位移傳感器法 1 積分法測量運(yùn)動(dòng)體的速度或加速度 經(jīng)過積分或二次積分求得運(yùn)動(dòng)體的位移 例如在慣性導(dǎo)航中 就是通過測量載體的加速度 經(jīng)過二次積分而求得載體的位移 2 回波法從測量起始點(diǎn)到被測面是一種介質(zhì) 被測面以后是另一種介質(zhì) 利用介質(zhì)分界面對(duì)波的反射原理測位移 例如激光測距儀 超聲波液位計(jì)都是利用分界面對(duì)激光 超聲波的反射測量位移的 相關(guān)測距則是利用相關(guān)函數(shù)的時(shí)延性質(zhì) 將向某被測物發(fā)射信號(hào)與經(jīng)被測物反射的返回信號(hào)作相關(guān)處理 求得時(shí)延 從而推算出發(fā)射點(diǎn)與被測物之間的距離 3 線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換被測量是線位移時(shí) 若測量角位移更方便 則可用間接測量方法 通過測角位移再換算成線位移 同樣 被測量是角位移時(shí) 也可先測線位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換 例如汽車的里程表 是通過測量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長而得到汽車的里程的 4 位移傳感器法通過位移傳感器 將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成電量 電壓 電流 阻抗等 流量 光通量 磁通量等的變化 位移傳感器法是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法 一般來說 在進(jìn)行位移測量時(shí) 要充分利用被測對(duì)象所在場合和具備的條件來設(shè)計(jì) 選擇測量方法 4 1 2常用的位移傳感器在很多情況下 位移可以通過位移傳感器直接測得 用于線位移測量的傳感器的種類很多 較常見的線位移傳感器的主要特點(diǎn)及使用性能列于表4 1中 表4 1常用線位移傳感器的性能與特點(diǎn) 表4 2部分測量角位移的傳感器的性能及特點(diǎn) 4 2速度測量4 2 1速度測量方法速度測量分為線速度測量和角速度測量 線速度的計(jì)量單位通常用m s 米 秒 來表示 角速度測量分為轉(zhuǎn)速測量和角速率測量 轉(zhuǎn)速的計(jì)量單位常用r min 轉(zhuǎn) 分 來表示 而角速率的計(jì)量單位則常用 s 度 秒 或 h 度 小時(shí) 來表示 常用的速度測量方法有下述幾種 微積分法線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法速度傳感器法時(shí)間 位移計(jì)算測速法 1 微積分法對(duì)運(yùn)動(dòng)體的加速度信號(hào)a進(jìn)行積分運(yùn)算 得到運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度 或者將運(yùn)動(dòng)體的位移信號(hào)進(jìn)行微分也可以得到運(yùn)動(dòng)體的速度例如在振動(dòng)測量時(shí) 應(yīng)用加速度計(jì)測得振動(dòng)體的振動(dòng)信號(hào) 或應(yīng)用振幅計(jì)測得振動(dòng)體的位移信號(hào) 再經(jīng)過電路進(jìn)行積分或微分運(yùn)算而得到振動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)體上是有固定關(guān)系的 這和線位移和角位移在同一運(yùn)動(dòng)體上有固定關(guān)系一樣 在測量時(shí)可采取互換的方法測量 例如測火車行駛速度時(shí) 直接測線速度不方便 可通過測量車輪的轉(zhuǎn)速 換算出火車的行駛速度 3 速度傳感器法利用各種速度傳感器 將速度信號(hào)變換為電信號(hào) 光信號(hào)等易測信號(hào) 速度傳感器法是最常用的一種方法 4 時(shí)間 位移計(jì)算測速法這種方法是根據(jù)速度的定義測量速度 即通過測量距離L和走過該距離的時(shí)間t 然后求得平均速度 L取得越小 則求得速度越接近運(yùn)動(dòng)體的瞬時(shí)速度 如子彈速度的測量 運(yùn)動(dòng)員百米速度的測量等 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速方法 如相關(guān)測速法 空間濾波器測速法 4 2 2常用的速度測量傳感器表4 3常用速度傳感器性能與特點(diǎn) 表4 4常用角速率傳感器性能與特點(diǎn) 4 2 3彈丸飛行速度的測量彈丸速度 是槍炮威力性能的重要指標(biāo) 是研究無控火箭密集度的重要參數(shù) 彈丸飛行速度測量目前常采用時(shí)間位移計(jì)算測速法和多卜勒雷達(dá)測速法 1 時(shí)間位移計(jì)算測速法時(shí)間位移計(jì)算測速法是測出彈道上某一段的距離x1 2 見圖4 4 再測出彈丸飛行這一段距離所需要的時(shí)間t1 2 即可計(jì)算出彈丸通過該段中點(diǎn)處的平均速度 c 圖4 4求平均速度 c的方法 為了測量x1 2和t1 2 需在彈道上的I和 位置上各設(shè)一個(gè)區(qū)域裝置 常稱為 靶 第I位置是計(jì)算的起始點(diǎn) 這點(diǎn)上的靶叫做I靶 第 位置是計(jì)算的終點(diǎn) 這點(diǎn)上的靶叫作 靶 這兩個(gè)靶之間的距離就是x1 2 彈丸在通過這兩個(gè)靶時(shí) 各產(chǎn)生一個(gè)信號(hào) 啟動(dòng)或截止測時(shí)儀器 從而獲得彈丸飛過這一距離的時(shí)間間隔t1 2 2 利用多卜勒雷達(dá)測量彈丸飛行速度 1 基本原理測速雷達(dá)是利用多卜勒效應(yīng)對(duì)彈丸飛行速度進(jìn)行測量的 設(shè)有一個(gè)波源 以f0的頻率發(fā)射電磁波 而接受體以速度V相對(duì)于此波源運(yùn)動(dòng) 那么 這一接收體所感受到的波的頻率將不是f0 而是fr 并有如下之關(guān)系 4 14 式中 0 波源發(fā)送的波的波長 fd稱為多卜勒頻率 4 15 如果用一個(gè)雷達(dá)天線作為波源 它所發(fā)射的電磁波遇到以速度 飛行的彈丸后反射回來 彈丸的飛行是沿波束方向遠(yuǎn)離雷達(dá)天線 在這種情況下的多卜勒頻率fd為 此式給出了多卜勒頻率與彈丸飛行速度的關(guān)系 當(dāng)雷達(dá)的發(fā)送頻率已知時(shí) 若能測得 即可求出彈丸的飛行速度 4 16 式中C 當(dāng)?shù)仉姶挪ǖ膫鞑ニ俣?這種基于多卜勒效應(yīng)測量彈丸飛行速度的專用雷達(dá)稱為多卜勒測速雷達(dá) 圖4 13所示為多卜勒測速雷達(dá)的工作原理圖 圖4 13多卜勒測速雷達(dá)工作原理圖 2 系統(tǒng)組成及作用圖4 14所示為640 1型測速雷達(dá)的組成方框圖 它包括發(fā)射機(jī) 接收機(jī) 天線系統(tǒng) 終端設(shè)備及跟蹤濾波器和紅外啟動(dòng)器等部分組成 發(fā)射機(jī)接收機(jī)天線系統(tǒng)終端設(shè)備跟蹤濾波器紅外啟動(dòng)器 圖4 14610 1型測速雷達(dá)組成方框圖 4 2 4光纖陀螺測量角速率陀螺儀是敏感相對(duì)于慣性空間角運(yùn)動(dòng)的裝置 它作為一種重要的慣性敏感器 用于測量運(yùn)載體的姿態(tài)角和角速度 是構(gòu)成慣性制導(dǎo) 慣性導(dǎo)航 慣性測量和慣性穩(wěn)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件 光纖陀螺作為一種新型陀螺儀 其工作原理是基于薩格奈克 Sagnac 效應(yīng) 圖4 15Sagnac效應(yīng) 在圖4 15中 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 順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí) 從環(huán)形光路的P點(diǎn)分別沿順時(shí)針 CW 逆時(shí)針 CCW 發(fā)射兩路光波 當(dāng) 0時(shí) P 點(diǎn)和P點(diǎn)重合 兩束光繞環(huán)形光路一周的穿越時(shí)間相同 當(dāng) 0時(shí) 入射點(diǎn)P 和P在空間的位置將不再重合 順時(shí)針光束繞環(huán)形光路的穿越時(shí)間TCW為 4 17 其中是順時(shí)針光束的速度 Vf為光在光纖線圈中的傳播速度 C為真空中的光速 n為光纖材料的折射率 同樣逆時(shí)針光束繞環(huán)形光路的穿越時(shí)間TCCW為 4 18 兩反向旋轉(zhuǎn)的光束繞光纖線圈一周的穿越時(shí)間差 T為 4 19 一般 因此 4 20 假設(shè)一個(gè)光纖陀螺具有N匝光纖線圈 光學(xué)路徑長度 與穿越時(shí)間差對(duì)應(yīng)的兩光束相移為 4 21 其中 S稱為Sagnac相移 v分別為光波的角頻率和頻率 為光波在真空中的波長 KS為光纖陀螺的Sagnac刻度系數(shù) 可以看出 提高此種光纖陀螺儀輸出靈敏度的途徑在于加大D和增加光纖線圈的匝數(shù)N 光纖陀螺儀誕生于1976年 發(fā)展至今已成為當(dāng)今的主流陀螺儀表 由于其輕型的固態(tài)結(jié)構(gòu) 使其具有可靠性高 壽命長 能夠耐沖擊和振動(dòng) 有很寬的動(dòng)態(tài)范圍 帶寬大 瞬時(shí)啟動(dòng) 功耗低等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) 光纖陀螺儀廣泛應(yīng)用于航空 航天 航海和兵器等軍事領(lǐng)域 以及鉆井測量 機(jī)器人和汽車導(dǎo)航等民用領(lǐng)域 4 3加速度測量加速度測量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 是一種全自主的慣性測量 加速度的計(jì)量單位為m s2 米 秒2 在工程應(yīng)用中常用重力加速度g 9 81m s2作計(jì)量單位 4 3 1加速度測量方法測量加速度 目前主要是通過加速度傳感器 俗稱加速度計(jì) 并配以適當(dāng)?shù)臏y量電路進(jìn)行的 依據(jù)對(duì)加速度計(jì)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(jì)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 則可分為懸臂梁式 擺式 折疊梁式 簡支承梁式等 表4 6列出了部分加速度計(jì)的測量方法及其主要性能特點(diǎn) 表4 6加速度測量方法及其性能特點(diǎn) 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) 圖4 16 a 是其工作原理圖 圖4 16 b 是其原理框圖 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 當(dāng)殼體固定在載體上感受被測加速度后 檢測質(zhì)量m相對(duì)殼體作位移z 此位移由位置傳感器檢測并轉(zhuǎn)換成電壓 經(jīng)侗服放大器放大成電流 供給力發(fā)生器產(chǎn)生電恢復(fù)力 使檢測質(zhì)量返回到初始平衡位置 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為 4 22 式中 SF為力發(fā)生器靈敏度 N A 對(duì)于常用的由永久磁鐵和動(dòng)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(qiáng)度 T L為動(dòng)圈導(dǎo)線的有效長度 m 由于電流為 4 23 式中 Sd為位置傳感器的靈敏度 V m Ss為伺服放大器的靈敏度 A V 將式 4 23 代入式 4 22 得關(guān)系式 4 24 式中 系統(tǒng)無阻尼固有圓頻率 4 25 系統(tǒng)阻尼比 4 26 由式 4 25 和式 4 26 可以看出 伺服式加速度計(jì)的 n和 不僅與機(jī)械彈簧剛度和阻尼器阻尼系數(shù)有關(guān) 還與反饋引起的電剛度SdSsSF有關(guān) 因此便可通過選擇和調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié) 具有很大的靈活性 當(dāng)系統(tǒng)處于加速度計(jì)工作狀態(tài)時(shí) 因此 電壓靈敏度Sa為 4 27 如選用剛度小的彈簧 使?jié)M足SdSsSF k 則 即Sa僅決定于m RL B和L等結(jié)構(gòu)參數(shù) 而與位置傳感器 伺服放大器 彈簧等特性無關(guān) 若能采取措施使這些參數(shù)穩(wěn)定和不受溫度等外界環(huán)境的影響 便可達(dá)到很高的性能 伺服加速度測量由于有反饋?zhàn)饔?增強(qiáng)了抗干擾能力 提高了測量精度 擴(kuò)大了測量范圍 4 3 3微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)1 概述微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)通常是指利用微電子加工手段加工制作并和微電子測量線路集成在一起的加速度計(jì) 這種加速度計(jì)常用硅材料制作 故又名硅微型加速度計(jì) 硅微型加速度計(jì)型式多種多樣 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(hào)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 表4 7列舉了幾種目前常見的硅微加速度計(jì)的性能及特點(diǎn) 表4 7幾種硅微加速度計(jì)的性能及特點(diǎn) 2 叉指式硅微加速度計(jì)叉指式硅微型加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4 17所示 加速度計(jì)由中央叉指狀活動(dòng)極板與若干對(duì)固定極板組成 硅制活動(dòng)極板通過一對(duì)支承梁彈簧與基座相連 支承梁能使活動(dòng)極板 檢測質(zhì)量 敏感加速度而產(chǎn)生位移 活動(dòng)極板上有若干對(duì)叉指 每個(gè)叉指對(duì)應(yīng)一對(duì)固定電極板 固定電極板固定在基座上 圖4 17叉指式硅微加速度計(jì) a 靜止?fàn)顟B(tài) b 活動(dòng)狀態(tài) 當(dāng)加速度計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí) 叉指正好處于一對(duì)固定電極的中央 即叉指和與其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)固定電極的間距相等 為y0 這時(shí)電容量C1 C2 當(dāng)加速度計(jì)敏感加速度時(shí) 在慣性力作用下 活動(dòng)極板產(chǎn)生位移 如圖4 17 b 這時(shí) 叉指和左右兩固定極板的間距發(fā)生變化 即C1 C2 產(chǎn)生的瞬時(shí)輸出信號(hào)將正比于加速度的大小 運(yùn)動(dòng)方向則通過輸出信號(hào)的相位反映出來 設(shè)活動(dòng)極板的線位移 y使某叉指兩對(duì)極板的間隙分別變?yōu)閥0 y和y0 y 此時(shí)單個(gè)電容量分別為 略去高階小量 其電容差值為 4 28 式中 A1為活動(dòng)極板叉指與固定極板重疊部分的面積 設(shè)加速度計(jì)有n組叉指 則總的電容差值為系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度為 4 29 式 4 29 中 k為支承系統(tǒng)的彈簧剛度 m為活動(dòng)極板質(zhì)量 kv為控制回路增益 kF為反饋力矩系數(shù) 叉指式硅微加速度計(jì)的控制系統(tǒng)框圖如圖4 18所示 系統(tǒng)的固有頻率可由下式近似求得 4 30 式中 k為系統(tǒng)支承總剛度 ms為支承彈簧的總質(zhì)量 圖4 18FMSA控制系統(tǒng)框圖 4 4慣性測量4 4 1概述慣性測量是利用慣性儀表 包括加速度計(jì)和陀螺儀 進(jìn)行的測量 慣性測量在工程測量中得到廣泛應(yīng)用 例如 在工程測量中利用陀螺儀來指示子午線 測量經(jīng)緯度等 在大地測量 石油鉆井定位 地球物理探測 水下電纜鋪設(shè) 隧道和井卷定向 森林保護(hù) 地震等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用 4 4 2慣性測量單元一個(gè)基本的慣性測量單元包括三個(gè)單自由度加速度計(jì)和三個(gè)單自由度陀螺儀或二個(gè)2自由度陀螺儀 這些加速度計(jì)和陀螺儀的輸入軸分別沿空間的三個(gè)互相垂直的坐標(biāo)軸方向 這樣 慣性測量單元就可以敏感空間任意方向的線運(yùn)動(dòng)或角運(yùn)動(dòng) 一個(gè)典型的微慣性測量組合系統(tǒng)如圖4 20所示 該組合系統(tǒng)包括微慣性敏感器組合裝置變換電路的組合微數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)三部分 圖4 20MIMU系統(tǒng)框圖 微慣性敏感器組合裝置由三只真