速度、轉(zhuǎn)速、加速度測量

速度、轉(zhuǎn)速、加速度

測量速度測量速度測量線速度測量（m/s，km/h)

角速度測量(rad/s)轉(zhuǎn)速測量（轉(zhuǎn)/分）Rotaryspeed：revolutionsperminute(r.p.m.)，nAngularVelocity：ωLinearVelocity：v測量原理分類：

時間、位移計算測速：根據(jù)線速度的定義只能求某段距離或時間的平均速度。s越小，越接近瞬時速度。具體測量方法：光束切斷法相關(guān)法空間濾波器法3.利用物理效應(yīng)測量多普勒效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理流體力學(xué)定律（皮托管法）4.加速度積分法和位移微分法2.角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化5.陀螺測速法火車行使速度測量：轉(zhuǎn)速－線速度1、光束切斷法非接觸式測量，測量精度較高。

圖1光束切斷式速度測量原理：利用隨機過程互相關(guān)函數(shù)確定運動時間的方法；

組成：兩個相距為L的相同的傳感器，獲得運動物體特征信號

光電傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器等；

檢測：表面粗糙度、表面缺陷、表面標(biāo)記等；

處理：在測量條件相同的情況下，y(t)的波形和x(t)

是相似的，只是時間上延遲了t0(=L/v)2、相關(guān)法其物理含義是x(t)、y（t）的互相關(guān)值在t0點取得最大值3、空間濾波器法原理：空間濾波器件與被測物體同步運動，測定單位空間內(nèi)信號的時間頻率，求出速度；空間濾波器：柵板，在空間長L內(nèi)有N個等距柵縫，當(dāng)柵板的移動速度為v，移動距離L的時間為t0空間頻率：（單位空間長度內(nèi)周期性變化次數(shù)）時間頻率：速度：，可測線速度、角速度可用于生產(chǎn)過程中的塑料板帶、布、鋼板帶等速度檢測。注意測量輥與被測物之間的滑移所造成的測量誤差。4、接觸輥法

方法：把旋轉(zhuǎn)輥輪（測量輥）接觸在行進的物體上，被測物體以速度v行進并帶動測量輥轉(zhuǎn)動，由測量輥的轉(zhuǎn)速和半徑求得物體的行進速度。5、皮托管測速法皮托管（Pitottube）是測量流體速度的主要工具,廣泛用于船舶和飛行體的測速。（一）皮托管的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)皮托管用兩根不同內(nèi)徑管子同心套接而成，內(nèi)管通直端尾接頭，是全壓管，外管通側(cè)接頭，是靜壓管。，測量時把皮托管對準(zhǔn)流體流動的方向，使內(nèi)管頂端（滯止點）能感受全壓力pt，而具有靜壓孔的外管感受靜壓力ps即可。根據(jù)流體力學(xué)原理：動壓（Pv）+靜壓（Ps）=全壓（Pt)修正后的流速公式：

為皮托管系數(shù)，由實驗標(biāo)定。一般在0.99～1.01之間。說明：1、誤差主要來源是靜壓力和動壓力測量誤差。2、由于空氣具有壓縮性，飛機空速表要根據(jù)飛機空速與所在高度下的音速之比（馬赫數(shù)）對動壓表達式進行修正。

（三）測量誤差分析總壓孔直徑：d=0.5D靜壓孔直徑：d1=0.12D靜壓孔距端部距離：3~4D靜壓孔離支桿距離：8~10D

皮托管頭部和支桿對流場的影響1、皮托管的形狀影響皮托管直徑與被測管道直徑比，不大于0.02。適當(dāng)選擇靜壓孔的位置

2、皮托管偏離特性的影響結(jié)論：皮托管方向要正對流體流向

6、多普勒測速光學(xué)多普勒效應(yīng)：當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對運動時，散射光頻率與入射光頻率相比，會產(chǎn)生正比于運動速度的頻率偏移；多普勒頻移奧地利學(xué)者多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的；P靜止時，入射光頻率為：對P點來說入射光的視在頻率為：光電探測器所接收到的散射光頻率為：則接收到的散射光與原始光之間的頻移為：后向散射型多普勒測速原理后向散射：接收散射光束的光電檢測器與光源在同側(cè)。

多普勒頻移為：v2電磁波的傳播同樣有多普勒特性。當(dāng)一個發(fā)出固定頻率的波的物體，相對于觀察點有相對運動時，在觀察點收到的頻率隨著它們的相對速度而變化。當(dāng)物體向著觀察點接近時，波長變短，頻率變高；而遠離觀察點時，波長變長，頻率變低。這樣通過頻率的變化就能計算出衛(wèi)星的高度、速度和方位。若用此法連續(xù)測量，就可得到精確的衛(wèi)星實際軌道數(shù)據(jù)。

2、思考：超聲多普勒法是怎樣測量血液流動的?多普勒測速儀應(yīng)用實例1、衛(wèi)星跟蹤測軌系統(tǒng)激光多普勒測量儀、超聲多普勒測量儀等，具有精度高、非接觸、不擾亂流場、響應(yīng)快、空間分辨率高、使用方便的特點，廣泛用于流速測量、工業(yè)中鋼板、鋁材測量、醫(yī)學(xué)中血液循環(huán)監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等。7、陀螺儀測角速度（gyroscope）利用陀螺效應(yīng)制成的儀表稱為陀螺儀。陀螺儀的基本功能是敏感角位移和角速度。在航空、航海、航天、軍事領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用。二自由度陀螺儀陀螺：繞一個支點高速旋轉(zhuǎn)的剛體主軸：轉(zhuǎn)子軸

二自由度陀螺示意圖H：陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動角動量Js：陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量：陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一般為12000－24000r/min（1）當(dāng)二自由度陀螺底座繞垂直于X軸，且與Z軸成角的軸以角速度旋轉(zhuǎn)時，則將有陀螺力矩Mg作用于框架上，陀螺力矩Mg為：二自由度陀螺特性：（3）如果外加力矩M繞X軸作用在陀螺上，則陀螺框架將繞X軸轉(zhuǎn)動，其角加速度滿足：（2）二自由度陀螺底座繞Z軸或X軸旋轉(zhuǎn)，不會產(chǎn)生陀螺力矩；

(2)微分陀螺儀測角速度作用原理

微分陀螺儀原理圖(1)陀螺力矩Mg(2)彈性力矩My(3)阻尼力矩Md(4)

慣性力矩Mj(5)摩擦力矩Mf，假設(shè)為常數(shù)?？蚣艿倪\動方程式為：運動達到平衡時，結(jié)構(gòu)簡圖第二節(jié)轉(zhuǎn)速測量一、數(shù)字式轉(zhuǎn)速表應(yīng)用最為廣泛的精密測量轉(zhuǎn)速方法之一

特點：量程寬、準(zhǔn)確度高、輸出數(shù)字信息（1）測量原理（構(gòu)成）數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器＋電子計數(shù)電路

數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器：把被測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成電脈沖信號電子計數(shù)電路：測量轉(zhuǎn)速

中高速采用頻率法

低速采用周期法轉(zhuǎn)

速

測

量交流測速發(fā)電機400~4000r/min<1%滿量程示值誤差在小范圍內(nèi)可調(diào)整預(yù)扭彈簧轉(zhuǎn)角直流測速發(fā)電機1400r/min1.5%有電刷壓降形成不靈敏區(qū)，電刷及整流子磨損影響轉(zhuǎn)速表精度離心式轉(zhuǎn)速表30~24000r/min±1%結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，不受電磁干擾，精度較低頻閃式轉(zhuǎn)速表0~1.5×105r/min1%體積小，量程寬，使用簡便，精度高，是非接觸測量光電式反射式轉(zhuǎn)速表30~4800r/min±1脈沖非接觸測量，要求被測軸徑大于3mm直射式轉(zhuǎn)速表1000r/min

在被測軸上裝有測速圓盤激光式測頻法轉(zhuǎn)速儀幾萬~幾十萬r/min±1脈沖/s適合高轉(zhuǎn)速測量，低轉(zhuǎn)速測量誤差大測周法轉(zhuǎn)速儀1000r/min

適合低轉(zhuǎn)速測量汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速表70-9999r/min0.1%n±1r/min(n≤4000r/min)0.2%n±1r/min(n>4000r/min)利用汽車發(fā)動機點火時，線圈高壓放電，感應(yīng)出脈沖信號，實現(xiàn)對發(fā)動機不剖體測量在電子計數(shù)器采樣時間內(nèi)對轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號進行計數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)時間控制計數(shù)器閘門。當(dāng)計數(shù)器的顯示值為N時，被測量的轉(zhuǎn)速n為z：旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出的電脈沖信號數(shù)；t：采樣時間（s）。

1）頻率法測轉(zhuǎn)速2）周期法測轉(zhuǎn)速計數(shù)時間：對被測信號進行分頻來提供；計數(shù)信號：晶體振蕩器的輸出脈沖；被測量的轉(zhuǎn)速n為：k為周期倍乘數(shù)1，10，100….

晶振周期N為計數(shù)器計數(shù)值Z為傳感器細分?jǐn)?shù)（2）轉(zhuǎn)速傳感器把被測物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就輸出數(shù)目與白條紋數(shù)目相同個電脈沖信號。1）光電式轉(zhuǎn)速傳感器2）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(導(dǎo)磁體)旋轉(zhuǎn)時，其齒依次通過永久磁鐵兩磁極間的間隙，使磁路的磁阻和磁通發(fā)生周期性變化，從而在線圈上感應(yīng)出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成比例的交流電壓信號。轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減?。划?dāng)轉(zhuǎn)速過低，電壓幅值會減小到無法檢測出來。這種傳感器不適合于低速測量。3）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器2、閃光測轉(zhuǎn)速法利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象來測量轉(zhuǎn)速。視覺暫留：物體在人的視野中消失后，視網(wǎng)膜上在一段時間內(nèi)（0.05s~0.2s）保持視覺印象。一個閃光目標(biāo)，當(dāng)閃動頻率大于10Hz時（間隔時間小于0.1s），人眼看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。用一個頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標(biāo)記（如齒輪的齒，圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂的黑白點），并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個單定象（同一位置靜止不動像）為止，即達到n=f的條件。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)倍時，即n＝k0f

時，也會出現(xiàn)單定象。式中的k0為單定象停留的次數(shù)(1、2、3、…)。當(dāng)閃光頻率比被測轉(zhuǎn)速高二倍、三倍、…、m倍時，則會出現(xiàn)二重象、三重象以至于m重象。

f=m×n閃光測速法（1）若已知被測轉(zhuǎn)速范圍，則將閃光頻率從略大于n的高頻逐漸下降，直到第一次出現(xiàn)不動的頻閃像，則n=f；（2）若無法預(yù)知范圍，則從低頻上調(diào)，直至出現(xiàn)多重像；范圍：100-240000r/min

誤差：<1％加速度是表征物體運動本質(zhì)的一個基本物理量。可以通過測量加速度來測量物體的運動狀態(tài)。例如：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過飛行器的加速度來測量它的速度、位置、已飛過的距離等。可以通過測量加速度來判斷運動機械系統(tǒng)所承受的加速度負(fù)荷，以便正確設(shè)計其機械強度和按照設(shè)計指標(biāo)正確控制其運動加速度，以免機件損壞。對于加速度，常用絕對法測量，即把慣性型測量裝置安裝在運動體上進行測量。

第三節(jié)加速度測量設(shè)傳感器基座相對于參考坐標(biāo)的位移為xb，質(zhì)量塊m相對于參考坐標(biāo)的位移為x，質(zhì)量塊相對于傳感器基座的位移為y：解此線性微分方程，可得特解：設(shè)質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)把加速度轉(zhuǎn)換成與之成比例的質(zhì)量塊相對于傳感器基座的位移，可通過該位移來測量加速度。位移式加速度傳感器:采用位移傳感器檢測質(zhì)量塊的相對位移，可構(gòu)成各種類型的加速度計。則有：變磁阻式加速度傳感器當(dāng)質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生相對位移時，差動變壓器就輸出與位移(也即與加速度)成近似線性關(guān)系的電壓，加速度方向改變時，輸出電壓的相位相應(yīng)改變180°。位移式加速度傳感器電容式加速度傳感器以通過彈簧片支承的質(zhì)量塊作為差動電容器的活動極板，并利用空氣阻尼。特點：頻率響應(yīng)范圍寬。位移式加速度傳感器位移式加速度傳感器霍爾式加速度傳感器上下方向的加速度成比例的慣性力梁發(fā)生彎曲變形自由端產(chǎn)生與加速度成比例的位移霍爾元件輸出與加速度成比例的霍爾電勢UH。

測量質(zhì)量塊相對位移的加速度傳感器靈敏度較低。

廣泛采用基于慣性力測量的加速度傳感器；電阻應(yīng)變式、壓阻式、壓電式加速度傳感器基于測量慣性力的加速度傳感器工作原理:

敏感質(zhì)量塊感受加速度；產(chǎn)生與之成正比的慣性力F＝ma；再通過彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過壓電元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量；測量應(yīng)變、應(yīng)力或電荷來間接測量加速度?；跍y量慣性力的加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器等強度彈性懸臂梁固定安裝在傳感器的基座上，梁的自由端固定一質(zhì)量塊m，在梁的根部附近兩面上各貼一個(兩個)性能相同的應(yīng)變片，應(yīng)變片接成對稱差動電橋。當(dāng)質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生慣性力Fa時，在力Fa的作用下，懸臂梁發(fā)生彎曲變形，其應(yīng)變?yōu)檎迟N在梁兩面上的應(yīng)變片分別感受正(拉)應(yīng)變和負(fù)(壓)應(yīng)變而電阻增加和減小，電橋失去平衡而輸出與加速度成正比的電壓U0，即常用速度傳感器性能與特點類型原理測量范圍精度特點線速度測量磁電式工作頻率10~500Hz≤10%靈敏度高，性能穩(wěn)定，移動范圍±（1~15）mm，尺寸重量較大空間濾波器1.5~200km/h±0.2%無需兩套特性完全相同的傳感器附表：轉(zhuǎn)

速

測

量交流測速發(fā)電機400~4000r/min<1%滿量程示值誤差在小范圍內(nèi)可調(diào)整預(yù)扭彈簧轉(zhuǎn)角直流測速發(fā)電機1400r/min1.5%有電刷壓降形成不靈敏區(qū)，電刷及整流子磨損影響轉(zhuǎn)速表精度離心式轉(zhuǎn)速表30~24000r/min±1%結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，不受電磁干擾，精度較低頻閃式轉(zhuǎn)速表0~1.5×105r/min1%體積小，量程寬，使用簡便，精度高，