速度轉(zhuǎn)度加速度測(cè)量

速度轉(zhuǎn)度加速度測(cè)量速度測(cè)量速度測(cè)量線速度測(cè)量（m/s，km/h)

角速度測(cè)量(rad/s)轉(zhuǎn)速測(cè)量(轉(zhuǎn)/分）Rotaryspeed：revolutionsperminute(r.p.m.)，nAngularVelocity：ωLinearVelocity：v第2頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天測(cè)量原理分類：

1.時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速：根據(jù)線速度的定義，可以從物體在一定時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離或者從物體移動(dòng)一定距離所需的時(shí)間求得，這種方法只能求某段距離或時(shí)間的平均速度。s越小，越接近瞬時(shí)速度。光束切斷法相關(guān)法空間濾波器法第3頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.利用物理參數(shù)測(cè)量：多普勒效應(yīng)、流體力學(xué)定律、電磁感應(yīng)原理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(cè)速法第4頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、光束切斷法非接觸式測(cè)量，測(cè)量精度較高。

圖1光束切斷式速度測(cè)量第5頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天原理：利用隨機(jī)過(guò)程互相關(guān)函數(shù)確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法；

組成：兩個(gè)相距為L(zhǎng)的相同的傳感器，如光電傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器等；

檢測(cè)：表面粗糙度、表面缺陷、表面標(biāo)記等；

處理：在測(cè)量條件基本相同的情況下，y(t)的波形和x(t)是相似的，只是時(shí)間上推遲了t0(=L/v)，即要求出t0。2、相關(guān)法第6頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖3相關(guān)測(cè)速原理圖其物理含義是x(t)延遲to后成x(t－t0)，其波形將和y（t）幾乎重疊，因此互相關(guān)值有最大值。第7頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、空間濾波器法空間濾波器件與被測(cè)物體同步運(yùn)動(dòng)，測(cè)定單位空間內(nèi)信號(hào)的時(shí)間頻率；空間濾波器：柵板，在空間長(zhǎng)L內(nèi)有N個(gè)等距柵縫，當(dāng)柵板的移動(dòng)速度為v，移動(dòng)距離L的時(shí)間為t0空間頻率：（單位空間長(zhǎng)度內(nèi)變化次數(shù)）時(shí)間頻率：速度：第8頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天可用于生產(chǎn)過(guò)程中的塑料板帶、布、鋼板帶等速度檢測(cè)。注意測(cè)量輥與被測(cè)物之間的滑移所造成的測(cè)量誤差。4、接觸輥法

特點(diǎn)：應(yīng)用最廣泛的一種方法。

方法：把旋轉(zhuǎn)輥輪（測(cè)量輥）接觸在行進(jìn)的物體上，被測(cè)物體以速度v行進(jìn)并帶動(dòng)測(cè)量輥轉(zhuǎn)動(dòng)，由測(cè)量輥的轉(zhuǎn)速和周長(zhǎng)求得物體的行進(jìn)速度。第9頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、皮托管測(cè)速法皮托管是測(cè)量流體速度的主要工具之一,廣泛用于船舶和飛行體的測(cè)速。在測(cè)量時(shí)，只要把皮托管對(duì)準(zhǔn)流體流動(dòng)的方向，使內(nèi)管頂端（滯止點(diǎn)）能感受全壓力pt，而具有靜壓孔的外管感受靜壓力ps即可。第10頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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。第11頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第12頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天（二）皮托管測(cè)速原理動(dòng)壓（Pv）＋靜壓（Ps）＝全壓（Pt)第13頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天修正后的流速公式：

為皮托管系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。

一般在0.99～1.01之間。第14頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（三）測(cè)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(duì)流場(chǎng)的影響1、皮托管的形狀影響第15頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、皮托管偏離特性的影響結(jié)論：皮托管方向要正對(duì)流體流向。第16頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第17頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

6、多普勒測(cè)速多普勒效應(yīng)：當(dāng)波源和反射體或散射體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的反射波頻率與入射波頻率之間存在正比于物體運(yùn)動(dòng)速度的頻率偏移，這種現(xiàn)象叫光學(xué)多普勒效應(yīng)，是奧地利學(xué)者多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的。多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，也適用于光波和電磁波。反射波頻率和入射波頻率偏移叫多普勒頻移；第18頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天P靜止時(shí)，入射光頻率為：(Apparentfrequency)若P點(diǎn)以速度v遠(yuǎn)離光源，光源與P之間的相對(duì)速度為對(duì)光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，P點(diǎn)速度為則對(duì)P點(diǎn)來(lái)說(shuō)入射光的視在頻率為：散射光的頻率為：第19頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天后向散射型多普勒測(cè)速原理

從入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束的光電檢測(cè)器位于被測(cè)物體后面。

多普勒頻移為：v

2第20頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天電磁波的傳播同樣有多普勒特性。當(dāng)一個(gè)發(fā)出固定頻率的波的物體，相對(duì)于觀察點(diǎn)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在觀察點(diǎn)收到的頻率隨著它們的相對(duì)速度而變化。當(dāng)物體向著觀察點(diǎn)接近時(shí)，波長(zhǎng)變短，頻率變高；而遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)時(shí)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變低。這樣通過(guò)頻率的變化就能計(jì)算出衛(wèi)星的高度、速度和方位。若用此法連續(xù)測(cè)量，就可得到精確的衛(wèi)星實(shí)際軌道數(shù)據(jù)。

2、思考：超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)的?多普勒測(cè)速儀應(yīng)用實(shí)例1、衛(wèi)星跟蹤測(cè)軌系統(tǒng)第21頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天利用多普勒效應(yīng)制成的儀器有激光多普勒測(cè)量?jī)x、超聲多普勒測(cè)量?jī)x等，具有精度高、非接觸、不擾亂流場(chǎng)、響應(yīng)快、空間分辨率高、使用方便的特點(diǎn)，廣泛用于流速測(cè)量、工業(yè)中鋼板、鋁材測(cè)量、醫(yī)學(xué)中血液循環(huán)監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等。非接觸測(cè)量可以克服由于機(jī)械磨損和打滑造成的測(cè)量誤差。第22頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天7、陀螺儀測(cè)角速度（gyroscope）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、軍事以及其它一些領(lǐng)域中，有著十分廣泛的應(yīng)用。第23頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天二自由度陀螺儀陀螺陀螺儀主軸

二自由度陀螺作用原理H陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角動(dòng)量Js陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一般為12000－24000r/min第24頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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(shí)，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(dòng)，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(huì)產(chǎn)生陀螺力矩；第25頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

(2)微分陀螺儀測(cè)角速度作用原理

微分陀螺儀原理圖第26頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)陀螺力矩Mg(2)彈性力矩My(3)阻尼力矩Md(4)慣性力矩Mj第27頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天(5)摩擦力矩Mf，假設(shè)為常數(shù)。運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)，第28頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天三自由度陀螺儀特性：定軸性進(jìn)動(dòng)性無(wú)慣性第29頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天Sagnac效應(yīng)：將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們?cè)谕粋€(gè)環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會(huì)合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉。條紋移動(dòng)數(shù)與干涉儀的角速度和環(huán)路所圍面積之積成正比。光纖陀螺作為一種新型陀螺儀，其工作原理是基于薩格納克（Sagnac）效應(yīng)第30頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在上圖中，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ω順時(shí)針?lè)较蛐D(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)ω

=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)ω≠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：Vf——光在光纖線圈中的傳播速度；C

——真空中的光速；n——光纖材料的折射率。第31頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

同樣逆時(shí)針光束繞環(huán)形光路的穿越時(shí)間TCCW為:

旋轉(zhuǎn)的光束繞光纖線圈一周的穿越時(shí)間差ΔT為：一般第32頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天 假設(shè)一個(gè)光纖陀螺具有N匝光纖線圈，光學(xué)路徑長(zhǎng)度。與穿越時(shí)間差對(duì)應(yīng)的兩光束相移為：

其中φS稱為Sagnac相移，ω、f分別為光波的角頻率和頻率，λ為光波在真空中的波長(zhǎng)，KS為光纖陀螺的Sagnac刻度系數(shù)?？梢钥闯觯岣叽朔N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。第33頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖陀螺儀誕生于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(zhǎng)，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(cè)量、機(jī)器人和汽車導(dǎo)航等民用領(lǐng)域。第34頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天模擬式計(jì)數(shù)式同步式第二節(jié)轉(zhuǎn)速測(cè)量機(jī)械式電氣式機(jī)械式光電式電氣式機(jī)械式頻閃式第35頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、模擬式1.測(cè)速發(fā)電機(jī)：把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓2.磁性轉(zhuǎn)速表：把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角鋁盤轉(zhuǎn)矩：游絲扭矩：平衡時(shí)第36頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.離心轉(zhuǎn)速表第37頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：量程寬、準(zhǔn)確度高、便于攜帶，輸出數(shù)字信息測(cè)量原理（構(gòu)成）數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器：把被測(cè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成電脈沖信號(hào)

電子計(jì)數(shù)電路：

測(cè)量轉(zhuǎn)速中高速采用頻率法低速采用周期法二、計(jì)數(shù)式第38頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1）頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速在電子計(jì)數(shù)器采樣時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。晶體振蕩器輸出的時(shí)鐘頻率為fc，經(jīng)過(guò)分頻器k分頻后，形成寬度為的門控信號(hào)，計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始對(duì)傳感器的輸出脈沖計(jì)數(shù)。在時(shí)間T內(nèi)，計(jì)數(shù)結(jié)果N為m：旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出的電脈沖信號(hào)數(shù)第39頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第40頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）周期法測(cè)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)時(shí)間：對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻來(lái)提供；計(jì)數(shù)信號(hào)：晶體振蕩器的輸出脈沖；傳感器信號(hào)周期為T/m，經(jīng)整形和k分頻后，形成門控信號(hào)，計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始對(duì)晶體振蕩器輸出周期為Tc的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為第41頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天第42頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）轉(zhuǎn)速傳感器把被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。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)速傳感器第43頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天轉(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(gè)電脈沖信號(hào)。1）光電式轉(zhuǎn)速傳感器第44頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天2）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器

當(dāng)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導(dǎo)磁體)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒依次通過(guò)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(hào)u0。第45頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，電壓幅值將會(huì)減小到無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的程度。故這種傳感器不適合于低速測(cè)量。第46頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天3）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器第47頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天4）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器第48頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、閃光測(cè)轉(zhuǎn)速法

利用人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象（0.05s~0.2s）來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。

視覺(jué)暫留：一個(gè)閃光目標(biāo)，當(dāng)閃動(dòng)頻率大于10Hz時(shí)（間隔時(shí)間小于0.1s），人眼看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。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（如齒輪的齒，圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂的黑白點(diǎn)），并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個(gè)單定象為止，即達(dá)到n=f的條件。第49頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天

若在連續(xù)兩次閃光的時(shí)間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)整數(shù)倍時(shí)，即n＝k0f時(shí)，也會(huì)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(cè)轉(zhuǎn)速高二倍、三倍、…、m倍時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)二重象、三重象以至于m重象。

f=m×n第50頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天300第51頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天閃光測(cè)速法（1）若已知被測(cè)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(dòng)的頻閃像，則n=f；（2）若無(wú)法預(yù)知范圍，則從低頻上調(diào)，直至出現(xiàn)多重像；第52頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天加速度是表征物體運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的一個(gè)基本物理量?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過(guò)飛行器的加速度來(lái)測(cè)量它的速度(地速)、位置、已飛過(guò)的距離等?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量加速度來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)所承受的加速度負(fù)荷，以便正確設(shè)計(jì)其機(jī)械強(qiáng)度和按照設(shè)計(jì)指標(biāo)正確控制其運(yùn)動(dòng)加速度，以免機(jī)件損壞。對(duì)于加速度，常用絕對(duì)法測(cè)量，即把慣性型測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量。

第三節(jié)加速度測(cè)量第53頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)質(zhì)量塊受力平衡時(shí)，質(zhì)量塊m相對(duì)于基座的位移與加速度成正比，故可通過(guò)該位移或慣性力來(lái)測(cè)量加速度。第54頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天設(shè)傳感器基座相對(duì)于參考坐標(biāo)的位移為xb，質(zhì)量塊m相對(duì)于參考坐標(biāo)的位移為x，質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移為y：解此線性微分方程，可得：第55頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天如上所述，質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)可以把加速度轉(zhuǎn)換成與之成比例的質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移;位移式加速度傳感器:采用位移傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊的相對(duì)位移，可構(gòu)成各種類型的加速度計(jì)。第56頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(duì)位移時(shí)，差動(dòng)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(shí)，輸出電壓的相位相應(yīng)地改變180。。位移式加速度傳感器第57頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天電容式加速度傳感器以通過(guò)彈簧片支承的質(zhì)量塊作為差動(dòng)電容器的活動(dòng)極板，并利用空氣阻尼。特點(diǎn)：頻率響應(yīng)范圍寬，測(cè)量范圍大。位移式加速度傳感器第58頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(shì)UH。第59頁(yè),共65頁(yè)，2024年2月25日，星期天測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)位移的加速度傳感器靈敏度較低。廣泛采用基于測(cè)量慣性力的加速度傳感器電阻應(yīng)變式、壓阻式和壓電式加速度傳感器。基