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：绝对速度测量，相对速度测量从数值特征分：平均速度

2、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)()(0ttxty000011( )lim( ) ()lim() ()()TTyxxTTRy t x tdtx ttx tdtRtTT相关测速法相关测速法抗干扰能力更强，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、

3、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。/0fNfNtLvLvNL 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、压力势能和动能，在流线上任何一处三者能量之和保持恒定。v2,p2z1z2v1,p1212pgzv 常量皮托管测速原理2/2vpppstv/ )(2st

4、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，

5、稳定可靠。多普勒效应多普勒速度测量icf/0iPvcf1cos2cossPcvf2121(cos)(cos)(coscos)siicvcvfccvisdvfff)cos(cos120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O10131(coscos)dOf vfc对于光束O20232(coscos)dOf vfc21012(coscos)sin22ddOdOffff vcv)2/sin(2/0dfv 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

6、，提高信噪比。后向散射多普勒速度测量00sin/sin/dfvf vc )sin/(0fcfvd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

7、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ykH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

8、光电式频闪式22rcFmrkksFk x离心式转速表具有测量结果显示直观、成本低、运行可靠、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ztNn60zfn60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

9、或在旋转轴上涂以黑白点)，并调节闪光频率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1212n nnnnMEMS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：防撞气

10、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；特别适宜火箭、导弹、飞机、轮船的惯性导航系统。伺服式加速度计2222dtxdmiSKzdtdzcdtzdmF222222dtxdzdtdzdtzdnnmkSSSFsdn/ )(2mkSSScFsd/ )(2当系统处于加速度计工作状态时，有n 。)/(11200FsdFLnaSSSkSmRzUaUS选用刚度小的弹簧，使得kSdSsSFBlmRSmRSLFLa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