第八章速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量

1、王 鵬wang_汽車、火車、輪船、飛機(jī)等行駛速度、加速度的測(cè)量，行駛姿態(tài)的測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等輸出軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量軋制板材、帶材、棒材、管材等產(chǎn)品速度的測(cè)量大型設(shè)備、工程中振動(dòng)的測(cè)量在慣性導(dǎo)航中的應(yīng)用速度(Velocity)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的位移量，m/s加速度(Acceleration)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的速度增量，m/s2 轉(zhuǎn)速(Rotational Velocity)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min角速度(Angular Velocity)：物體單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，rad/s從運(yùn)動(dòng)形式分：線速度測(cè)量，角速度測(cè)量從參考基準(zhǔn)分：絕對(duì)速度測(cè)量，相對(duì)速度測(cè)量從數(shù)值特征分：平均速度

2、測(cè)量，瞬時(shí)速度測(cè)量從獲取方式分：直接速度測(cè)量，間接速度測(cè)量時(shí)間、長(zhǎng)度計(jì)算測(cè)速法利用速度的定義：v=L/t加速度積分和位移微分測(cè)速法在振動(dòng)測(cè)量中，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)體的加速度，積分得到振動(dòng)速度、振幅等利用物理參數(shù)進(jìn)行速度測(cè)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(cè)量導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法陀螺測(cè)速法光束切斷法相關(guān)測(cè)速法)()(0ttxty000011( )lim( ) ()lim() ()()TTyxxTTRy t x tdtx ttx tdtRtTT相關(guān)測(cè)速法相關(guān)測(cè)速法抗干擾能力更強(qiáng)，能在復(fù)雜的干擾條件下準(zhǔn)確測(cè)量。相關(guān)測(cè)速在現(xiàn)代有著多方面的應(yīng)用：飛機(jī)、船舶、汽車、

3、軋機(jī)鋼帶等速度。從原理上講，任何在物體運(yùn)動(dòng)方向上一定距離處布置的兩個(gè)傳感器，只要它們能夠檢測(cè)到標(biāo)記物體的某種信號(hào)（一般為隨機(jī)信號(hào)），那么，物體的運(yùn)動(dòng)速度都可以用互相關(guān)的原理加以測(cè)定。 空間濾波器測(cè)速法利用可選擇一定空間頻率的空間濾波器件與被測(cè)物體同步運(yùn)動(dòng)，然后在單位空間內(nèi)測(cè)得相應(yīng)的時(shí)間頻率f，求得運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度。/0fNfNtLvLvNL 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(chǎng)中作定常流動(dòng)時(shí)，具有三種形式的能量：位勢(shì)能、壓力勢(shì)能和動(dòng)能，在流線上任何一處三者能量之和保持恒定。v2,p2z1z2v1,p1212pgzv 常量皮托管測(cè)速原理2/2vpppstv/ )(2st

4、ppv誤差來(lái)源：誤差來(lái)源：皮托管的方向與流體方向不對(duì)準(zhǔn)；皮托管直徑不為零，靜壓孔實(shí)際靜壓力降低；流體受皮托管的滯止，使滯止點(diǎn)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(duì)靜壓的影響；靜壓孔上部4個(gè)，下部6個(gè)，兩側(cè)沒(méi)有，可在大仰角飛行時(shí)減小靜壓誤差；裝有加溫裝置，防止在高空飛行時(shí)結(jié)冰飛機(jī)空速表開(kāi)口膜盒（指示空速）真空膜盒（真空速）標(biāo)實(shí)真實(shí)TTvv當(dāng)外界氣溫T實(shí)與該氣層標(biāo)準(zhǔn)氣溫T標(biāo)不等時(shí)，應(yīng)按下式進(jìn)行修正：皮托管測(cè)速裝置利用了流體速度和流體動(dòng)壓力之間的關(guān)系；在測(cè)量時(shí)直接測(cè)量的是壓力，然后再計(jì)算出速度，屬于間接測(cè)量；測(cè)量了運(yùn)動(dòng)物體和流體的相對(duì)速度。皮托管裝置的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，

5、穩(wěn)定可靠。多普勒效應(yīng)多普勒速度測(cè)量icf/0iPvcf1cos2cossPcvf2121(cos)(cos)(coscos)siicvcvfccvisdvfff)cos(cos120多普勒測(cè)速的優(yōu)點(diǎn)：用光的波長(zhǎng)作基準(zhǔn)，精度高；光電探測(cè)器輸出頻率信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。 差分多普勒速度測(cè)量對(duì)于光束O10131(coscos)dOf vfc對(duì)于光束O20232(coscos)dOf vfc21012(coscos)sin22ddOdOffff vcv)2/sin(2/0dfv 頻差與光電探測(cè)器的方向無(wú)關(guān)。使用時(shí)不受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，可在任意方向測(cè)量?？墒褂么罂趶降慕邮胀哥R，使粒子散射的光能量極大地被利用

6、，提高信噪比。后向散射多普勒速度測(cè)量00sin/sin/dfvf vc )sin/(0fcfvd光源與光電探測(cè)器放置于運(yùn)動(dòng)物體的一側(cè)，儀器設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊后向散射差分多普勒速度測(cè)量 衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)電磁波多普勒效應(yīng)激光光纖Doppler血液流速測(cè)量 探頭體積小，便于調(diào)整測(cè)量位置，可以深入到難以測(cè)量的角落；抗干擾能力強(qiáng)，可在高電壓、強(qiáng)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(dòng)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(shí)，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

7、種特性稱為陀螺儀定軸性或者穩(wěn)定性。角動(dòng)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(jìn)動(dòng)性：當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果外加力矩M作用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(shí)際使用中如果內(nèi)框架和外框架重合，陀螺儀將會(huì)失去了一個(gè)自由度，這種情況被稱為“環(huán)架自鎖”。陀螺的進(jìn)動(dòng)是沒(méi)有慣性滯后微分陀螺儀角速度測(cè)量ykH光纖陀螺根據(jù)薩格納克效應(yīng)研制光纖陀螺對(duì)角速度的敏感軸是單軸，常使用三個(gè)或四個(gè)光纖陀螺構(gòu)成慣性測(cè)量組合轉(zhuǎn)速測(cè)量方法以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表達(dá)，即r/min按測(cè)量原理可分為：模擬法計(jì)數(shù)法同步法按變換方式可分為：機(jī)械式電氣式

8、光電式頻閃式22rcFmrkksFk x離心式轉(zhuǎn)速表具有測(cè)量結(jié)果顯示直觀、成本低、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，故在生產(chǎn)、維修現(xiàn)場(chǎng)使用較多。但是離心式轉(zhuǎn)速表的測(cè)量原理簡(jiǎn)單，測(cè)量精度相對(duì)較低。接觸式接觸式非接觸式非接觸式ztNn60磁電式轉(zhuǎn)速表磁電式轉(zhuǎn)速表zfn60隨著轉(zhuǎn)速下降輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值也隨之減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，電壓幅值將會(huì)無(wú)法檢測(cè)出來(lái)。這種傳感器不適合于低轉(zhuǎn)速測(cè)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(shí)間內(nèi)保持視覺(jué)印象，即視后暫留現(xiàn)象。其維持時(shí)間，在物體平均亮度條件下，約為(1/51/20)s的范圍。頻閃測(cè)速用一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標(biāo)記

9、(如齒輪的齒，圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點(diǎn))，并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個(gè)單定像為止，即達(dá)到n=f的條件，這時(shí)便可以從電子計(jì)數(shù)器或圓刻度盤上讀出被測(cè)的轉(zhuǎn)速值。測(cè)速方法被測(cè)轉(zhuǎn)速n與閃光頻率n0相同，或者n為n0的整數(shù)倍時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)單定像若已知被測(cè)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(cè)轉(zhuǎn)速若被測(cè)轉(zhuǎn)速的頻率范圍無(wú)法估計(jì)，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1212n nnnnMEMS器件周期運(yùn)動(dòng)檢測(cè)MEMS器件周期運(yùn)動(dòng)檢測(cè)通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)判斷機(jī)械系統(tǒng)所承受的加速度負(fù)荷的大小，防止損壞或

10、提供控制指標(biāo)汽車：防撞氣囊、警報(bào)器筆記本硬盤保護(hù)加速度鼠標(biāo)手機(jī)體感游戲通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)加速度測(cè)量的基本原理加速度測(cè)量的基本原理通過(guò)檢測(cè)質(zhì)量塊與基座之間的位移可以實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量質(zhì)量塊通過(guò)連接的阻尼器和彈簧感受到加速度的變化，質(zhì)量塊會(huì)受到與加速度成比例的慣性力的作用，通過(guò)檢測(cè)慣性力可以實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量基于位移的加速度測(cè)量基于位移的加速度測(cè)量磁電感應(yīng)式加速度計(jì)電容式加速度計(jì)MEMS電容加速度計(jì)霍爾式加速度計(jì)基于慣性力的加速度測(cè)量基于慣性力的加速度測(cè)量伺服式加速度計(jì)原理：按力平衡反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)：精度高、穩(wěn)定性好、線性好、大信號(hào)輸出；有靜態(tài)響應(yīng)；等效阻

11、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(shí)隨機(jī)測(cè)量和低頻測(cè)量；特別適宜火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、輪船的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。基于慣性力的加速度測(cè)量基于慣性力的加速度測(cè)量伺服式加速度計(jì)2222dtxdmiSKzdtdzcdtzdmF222222dtxdzdtdzdtzdnnmkSSSFsdn/ )(2mkSSScFsd/ )(2當(dāng)系統(tǒng)處于加速度計(jì)工作狀態(tài)時(shí)，有n 。)/(11200FsdFLnaSSSkSmRzUaUS選用剛度小的彈簧，使得kSdSsSFBlmRSmRSLFLa基于慣性力的加速度測(cè)量基于慣性力的加速度測(cè)量石英撓性擺式加速度計(jì)石英饒性擺式加速度計(jì)是一種機(jī)械式加速度計(jì)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、交通、石油、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。這種加速度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，在航天領(lǐng)域的導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭中的應(yīng)用更加普遍。基于慣性力的加速度測(cè)量基于慣性力的加速度測(cè)量電阻應(yīng)變式