第八章 速度、转速和加速度测量

1、王 鹏 wang_ 汽车、火车、轮船、飞机 等行驶速度、加速度的测 量，行驶姿态的测量 发动机、发电机等输出轴 转速的测量 轧制板材、带材、棒材、 管材等产品速度的测量 大型设备、工程中振动的 测量 在惯性导航中的应用 速度(Velocity)：物体运动时单位时间内的位移 量，m/s 加速度(Acceleration)：物体运动时单位时间内 的速度增量，m/s2 转速(Rotational Velocity)：物体运动时单位时间 内的转数，r/min 角速度(Angular Velocity)：物体单位时间内转过 的角度，rad/s 从运动形式分：线速度测量，角速度测量 从参考基准分：绝对速度

2、测量，相对速度测量 从数值特征分：平均速度测量，瞬时速度测量 从获取方式分：直接速度测量，间接速度测量 时间、长度计算测速法 利用速度的定义：v=L/t 加速度积分和位移微分测速法 在振动测量中，通过测量振动体的加速度，积分得 到振动速度、振幅等 利用物理参数进行速度测量 利用速度大小与某些物理量间的已知关系，如 E=BLv的原理测量导体的运动速度 线速度和角速度相互转换测速法 陀螺测速法 光束切断法 相关测速法 )()( 0 ttxty 00 00 11 ( )lim( ) ()lim() ()() TT yxx TT Ry t x tdtx ttx tdtRt TT 相关测速法 相关测速法

3、抗干扰能力更强， 能在复杂的干扰条件下准确测 量。 相关测速在现代有着多方面的 应用：飞机、船舶、汽车、轧 机钢带等速度。 从原理上讲，任何在物体运动 方向上一定距离处布置的两个 传感器，只要它们能够检测到 标记物体的某种信号（一般为 随机信号），那么，物体的运 动速度都可以用互相关的原理 加以测定。 空间滤波器测速法 利用可选择一定空间频率的空间滤波器件与被测物 体同步运动，然后在单位空间内测得相应的时间频 率f，求得运动体的运动速度。 / 0 fNfNtLv L v NL fNt0 理想不可压缩流体的伯努利方程 理想不可压缩流体在重力场中作定常流动时， 具有三种形式的能量：位势能、压力势能

4、和动能 ，在流线上任何一处三者能量之和保持恒定。 v2,p2 z1 z2 v1,p1 2 1 2 pgzv 常量 皮托管测速原理 2/ 2 vppp stv / )(2 st ppv 误差来源：误差来源： 皮托管的方向与流体方向不对准； 皮托管直径不为零，静压孔实际静压力降 低； 流体受皮托管的滞止，使滞止点上游的静 压力增大。 全静压管 静压孔距前端不小于8倍管径，可减小头部激波对静 压的影响； 静压孔上部4个，下部6个，两侧没有，可在大仰角 飞行时减小静压误差； 装有加温装置，防止在高空飞行时结冰 飞机空速表 开口膜盒（指示空速） 真空膜盒（真空速） 标实真实 TTvv 当外界气温T实与该

5、气层标 准气温T标不等时，应按下 式进行修正： 皮托管测速装置利用了流体速度和流体动压力 之间的关系；在测量时直接测量的是压力，然 后再计算出速度，属于间接测量；测量了运动 物体和流体的相对速度。 皮托管装置的结构坚固耐用，稳定可靠。 多普勒效应 多普勒速度测量 i cf/ 0 i P vc f 1cos 2 cos s P cv f 21 21 (cos)(cos) (coscos) s i i cvcv f c cv i sd v fff )cos(cos 12 0 多普勒测速的优点：用光的 波长作基准，精度高；光电 探测器输出频率信号，抗干 扰能力强。 差分多普勒速度测量 对于光束O1

6、0 131 (coscos) dO f v f c 对于光束O2 0 232 (coscos) dO f v f c 21 0 12 (coscos) sin 2 2 ddOdO fff f v c v )2/sin(2/ 0 d fv 频差与光电探测器的方向无关。 使用时不受现场条件的限制，可 在任意方向测量。 可使用大口径的接收透镜，使粒 子散射的光能量极大地被利用， 提高信噪比。 后向散射多普勒速度测量 00 sin/sin/ d fvf vc )sin/( 0 fcfv d 光源与光电探测器放置于运动物 体的一侧，仪器设计时结构紧凑 后向散射差分多普勒速度测量 卫星跟踪系统 电磁波多普

7、勒效应 激光光纤Doppler血液流速测量 探头体积小，便于调整测量位置，可以深入到难以测量 的角落；抗干扰能力强，可在高电压、强电磁感应等环 境中使用。密封型的光纤探头可直接放入液体中使用。 陀螺仪的结构 二自由度陀螺 单自由度陀螺 陀螺仪的支撑方式 液浮陀螺仪 气动陀螺仪 静电陀螺仪 挠性陀螺仪 陀螺仪的基本特性 定轴性：当陀螺仪的转子高速 旋转时，如果不受任何外加力 矩的作用，其主轴将稳定地保 持在惯性空间初始方向上，这 种特性称为陀螺仪定轴性或者 稳定性。 角动量H越大，摩擦力矩越小 ，则主轴方向越稳定。 HJ 陀螺仪的基本特性 进动性：当陀螺仪的转子高速 旋转时，如果外加力矩M作用

8、在陀螺仪的某一框架旋转轴上 ，迫使主铀绕另一框架的轴旋 转，主轴以最短的途径向外力 矩的方向靠拢。 在实际使用中如果内框架和外 框架重合，陀螺仪将会失去了 一个自由度，这种情况被称为 “环架自锁”。 陀螺的进动是没有惯性滞后 微分陀螺仪角速度测量 y kH 光纤陀螺 根据萨格纳克效应研制 光纤陀螺对角速度的敏感轴是单轴，常使用三个或 四个光纤陀螺构成惯性测量组合 转速测量方法 以每分钟的转数来表达，即r/min 按测量原理可分为： 模拟法 计数法 同步法 按变换方式可分为： 机械式 电气式 光电式 频闪式 22 rc Fmrk ks Fk x 离心式转速表具有测量结果显示直观、成本低、运 行可

9、靠、坚固耐用等优点，故在生产、维修现场使 用较多。但是离心式转速表的测量原理简单，测量 精度相对较低。 接触式接触式非接触式非接触式 zt N n 60 z f n 60 随着转速下降输出感应电动 势的幅值也随之减小，当转 速低到一定程度时，电压幅 值将会无法检测出来。这种 传感器不适合于低转速测量。 频闪效应 物体在人的视野中消失后，人眼视网膜上能在一段 时间内保持视觉印象，即视后暂留现象。其维持时 间，在物体平均亮度条件下，约为(1/51/20)s的范 围。 频闪测速 用一个频率连续可调的闪光灯照射被测旋转轴上的 某一固定标记(如齿轮的齿，圆盘的辐条或在旋转轴 上涂以黑白点)，并调节闪光频

10、率f，直到旋转轴上出 现一个单定像为止，即达到n=f的条件，这时便可以 从电子计数器或圆刻度盘上读出被测的转速值。 测速方法 被测转速n与闪光频率n0相同，或者n为n0的整数倍 时，都会出现单定像 若已知被测转速的范围是nn，则首先将闪光频率 调到大于n，然后从高频逐渐下降，第一次出现单 定像的闪光频率等于被测转速 若被测转速的频率范围无法估计，则调整闪光 频率，记录下连续出现两次单定像的闪光频率n1 和n2，设n1n2，则 12 12 n n n nn MEMS器件周期运动检测 MEMS器件周期运动检测 通过测量加速度来判断机械系统所承受的加 速度负荷的大小，防止损坏或提供控制指标 汽车：防

11、撞气囊、警报器 笔记本硬盘保护 加速度鼠标 手机 体感游戏 通过测量加速度来测量物体的运动状态，如 惯性导航系统 通过检测质量块与基座之 间的位移可以实现加速度 的测量 质量块通过连接的阻尼器 和弹簧感受到加速度的变 化，质量块会受到与加速 度成比例的惯性力的作用 ，通过检测惯性力可以实 现加速度的测量 磁电感应式加速度计 电容式加速度计 MEMS电容加速度计 霍尔式加速度计 伺服式加速度计 原理：按力平衡反馈原理构成 的闭环测试系统 特点：精度高、稳定性好、线 性好、大信号输出；有静态响 应；等效阻尼和固有频率易调 整；频率范围窄、结构复杂。 应用:冲击、瞬时随机测量和低 频测量；特别适宜火

12、箭、导弹 、飞机、轮船的惯性导航系统 。 伺服式加速度计 2 2 2 2 dt xd miSKz dt dz c dt zd m F 2 2 2 2 2 2 dt xd z dt dz dt zd nn mkSSS Fsdn / )( 2 mkSSS c Fsd / )(2 当系统处于加速度计工作状态 时，有n 。 )/(1 1 2 00 FsdF L n a SSSkS mR z U a U S 选用刚度小的弹簧， 使得kSdSsSF Bl mR S mR S L F L a 石英挠性摆式加速度计 石英饶性摆式加速度计是一种机 械式加速度计，广泛应用于航空、 航天、航海、交通、石油、建筑 等各个领域。这种加速度计具有 结构简单、体积小、精度和灵敏 度高、稳定性好、功耗小、成本 低等优点，在航天领域的导弹、 运载火箭