第6章速度和转速的测试

1、第六章速度和转速的测试速 度 测试速度测试线速度测试（m/s，km/h) 角速度测试(rad/s) 转速测试(转/分）速度测试的方法： 1.时间、位移计算测速法例：光束切断法 相关法2. 角速度和线速度的相互转化。svtvr3. 利用物理参数测试：多普勒效应 电磁感应原理4. 加速度积分法和位移微分法接 触 辊 法 把旋转辊轮接触在行进的物体上，被测物体以速度v行进并带动测试辊转动vr光束切断法 光束切断法检测速度适合于定尺寸物体的速度检测。 这是一种非接触式测试，测试精度较高。 LvNTL-两个检测器的间距T-计数脉冲的周期N-脉冲个数非接触测试可以克服由于机械磨损和打滑造成的测试误差。 相

2、 关 法原理原理：利用随机过程互相关函数的方：利用随机过程互相关函数的方法进行的。法进行的。 互相关函数：两个信号互相关函数：两个信号x(t)与与y(t)之间的之间的依赖程度，定义为依赖程度，定义为TTxydttytxTR0)()(1lim)(互相关函数的性质：互相关函数的性质：两信号错开一个时间间隔两信号错开一个时间间隔 处，相关程度有可能处，相关程度有可能最高，它反映两信号最高，它反映两信号x(tx(t) )、y(ty(t) )之间主传输通之间主传输通道的滞后时间。道的滞后时间。当两个信号的相似性很大时，其互相关函数的当两个信号的相似性很大时，其互相关函数的峰值会很大，反之很小；峰值会很大

3、，反之很小； 当两个信号完全不相关，即完全不相似，其相当两个信号完全不相关，即完全不相似，其相关函数可能为关函数可能为0 0。地下输油管道漏损位置的探测地下输油管道漏损位置的探测漏损处k为向两侧传播声响的声源。漏油的音响传至两传感器有时差t0，在互相关图上=t0处，Rx1x2()有最大值。 S= (v*t0)/2 S-两传感器的中点至漏损处的距离； V-通过管道的传播速度。地震位置测试地震位置测试相关测速：相关测速：测试时在固定间距为s的两处安置两个特性相同的传感器，分别接收所在位置物体运动时的随机信号。将所测得的两个信号进行相关分析，确定互相关函数最大值时的0 0值，即可计算出运动物体的速度

4、= =s/ 0 。钢带钢带可调延迟可调延迟相关器相关器速度速度透镜透镜光电池光电池钢带的直线速度钢带的直线速度v = s/s 利用相关测速的原理，在汽车前后轴上放置传感器，可以测试汽车在冰面上行驶时，车轮滑动加滚动的车速； 在船体底部前后一定距离，安装 两套向水底发射、接受声纳的装置，可以测试航船的速度； 在高炉输送煤粉的管道中，在相距一定距离安装两套电容式相关测速装置，可以测试煤粉的流动速度和单位时间内的输煤量。 相关法测速的特点：相关法测速的特点： 非接触测试，可连续对大行程物体进行测速，不易受外界如气流的影响，安装调试困难。 多普勒测速 当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的

5、光波频率与入射光波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。 多普勒测速 当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。 由于物体反射表面的运由于物体反射表面的运动速度动速度 v,使光束使光束A,B的光程的光程较原来物体表面静止时的光较原来物体表面静止时的光束束 A , B 的光程缩短的光程缩短 dL由此引起的频率偏移由此引起的频率偏移2cosdLN OO Mvdt12 cosddLvfdt式中式中 - -光线入射角光线入射角 - -光源波长光源波长当光源波当光源波长和入

6、射方向一定时，频率偏移与速度成正比。长和入射方向一定时，频率偏移与速度成正比。如果入射光线垂直于如果入射光线垂直于反射表面，则有反射表面，则有2dvf激光多普勒测速的方法是：激光多普勒测速的方法是： 激光作为光源照射运动物体，由于激光作为光源照射运动物体，由于多普勒效应，被物体反射或散射的光的多普勒效应，被物体反射或散射的光的频率发生变化。频率发生变化。 把频率发生变化的光与原光把频率发生变化的光与原光拍频拍频(求求频率差的绝对值频率差的绝对值)，得到频率偏移，此信，得到频率偏移，此信号经光电器件转换，即可得到与物体运号经光电器件转换，即可得到与物体运动速度成正比的电信号。动速度成正比的电信号

7、。多普勒效应的另一种解释 辐射的波长因为光源和观测者的相光源和观测者的相对运动而产生变化对运动而产生变化。 在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移)。 在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 (红移)。 波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红 /蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。 当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察地点有相对运动时，在观察地点收到的频率随着它们的相对速度而变化。 通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位。 若用此法连续测试，就可得到精确的卫星实际轨道数据。 卫星跟踪测轨系统卫星跟踪测轨系统 利用多普

8、勒效应制成的仪器有激光多普勒测试仪、超声波多普勒测试仪等； 具有精度高、非接触、响应快、使用方便的特点； 广泛用于流速测试、工业中钢板、铝材测试、医学中血液循环监测、医学诊断等。转速测试转速测试 数字式转速表 机械式转速计 闪光测转速法数字式转速表数字式转速表 数字式转速测试系统由频率式转速传感器、数字转换电路和数字显示器等部分组成。 首先由传感器把转速转变成频率信号，再通过测试信号的频率或周期来计算转速。转速传感器把被测转速转换成脉冲信号。霍尔传感器 光电式转速传感器 磁电感应式转速传感器霍尔传感器霍尔传感器 1879年，人们在金属中发现了霍尔效应。 1948年以后，由于半导体技术迅速发展，

9、人们找到了霍尔效应比较显著的半导体材料，并制成了砷化镓、锑化铟、砷化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。 利用霍尔效应制成的传感器称为霍尔传感器，在检测微位移、转速、流量、大电流和微弱磁场等方面得到广泛的应用。 在置于磁场中的导体或半导体里通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电位差，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应霍尔效应半导体薄片称为霍尔元件。半导体薄片称为霍尔元件。 式中，式中，KH为霍尔元件的灵敏度，对于某一型为霍尔元件的灵敏度，对于某一型号的霍尔元件，号的霍尔元件，KH是常数。是常数。 改变改变I和和B的大小和方向，也就改变了的大小和方向，也就改变了UH的大小的大

10、小和方向。和方向。HHUK IBFL洛仑兹力洛仑兹力FE 电场力电场力EH 霍尔电场霍尔电场UH 霍尔电压霍尔电压 霍尔元件的结构霍尔元件的结构 图6.15 霍尔元件 霍尔元件的符号霍尔元件的符号霍尔元件的命名与特性参数霍尔元件的命名与特性参数 H汉语拼音字母H代表霍尔元件汉语拼音字母代表霍尔元件材料Z代表锗T代表梯化铟S代表砷化铟阿拉伯数字代表产品序号霍尔元件的命名与特性参数霍尔元件的命名与特性参数 霍尔元件特点: (1)尺寸小。厚度一般只有0.2mm。 (2)输出信号大。如常用的HZ1、HZ2、HZ3等型号，其输出霍尔电压可达24 mV、18mV、30mV。 (3)输出电阻小。只有0.51

11、00。 霍尔元件的基本电路: 控制电流由电源E供给，R为可调电阻，用于调节控制电流的大小。在磁场与控 制电流的作用下，负载Rf上有电压输出。 机轴旋转带动永磁体旋转。 每当永磁体经过传感器位置时,霍尔传感器便输出一个脉冲。 用计数器记下脉冲数,便可知转轴转过多少转。 为提高测试转速的分辨率,可以适当增加永磁体数。1-霍尔元件霍尔元件 2-被测物体被测物体 3-永磁体永磁体 霍尔传感器测试转速属非接触式测试,对被测件影响很小,输出电压信号幅值与转速无关。 转速测试范围为1 rmin104rmin。光电式转速传感器 光电器件有发光器件和光敏器件两大类。光电器件有发光器件和光敏器件两大类。 给发光器

12、件通以电流给发光器件通以电流,发光器件发出的光发光器件发出的光线。线。 照射到光敏器件照射到光敏器件,其输出电流就会发生变其输出电流就会发生变化。化。 发光二极管是一种将电能转变成光能发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件，简称的半导体器件，简称LED。它是由一个。它是由一个PN结组成。结组成。 其内部所用材料不同，发出的光线的其内部所用材料不同，发出的光线的频率范围就不同，光的颜色也不同。有的频率范围就不同，光的颜色也不同。有的为可见的红光、绿光、黄光，有的发出不为可见的红光、绿光、黄光，有的发出不可见的红外光。可见的红外光。 发光二极管光输出响应时间快，工作发光二极管光输出响应时间快

13、，工作频率高达频率高达100MHz。 光电二极管和光电三极管统称为光电二极管和光电三极管统称为光电晶体管，它们的工作原理是基于光电晶体管，它们的工作原理是基于内光电效应。即在光线作用下物体的内光电效应。即在光线作用下物体的电阻率会发生变化。电阻率会发生变化。 光电晶体管把接收到的光的变化光电晶体管把接收到的光的变化转换成电流的变化，再经放大和处理，转换成电流的变化，再经放大和处理，用于各种控制目的。用于各种控制目的。光电传感器转速测试系统光电传感器转速测试系统 将发光二极管与光电晶体管配对做在同一个体积很小的塑料壳体中，即构成光电开关。 分透射式和反射式两种。透射式透射式1-发光二极管发光二极

14、管 2-红外线红外线 3-光敏元件光敏元件 4-槽槽 5-被测物被测物 起到开关作用。起到开关作用。反射式反射式1-发光二极管发光二极管 2-红外线红外线 3-光敏元件光敏元件 5-被测物被测物反射式的检测距离较小反射式的检测距离较小,多用于安装空间较小的场合。多用于安装空间较小的场合。圆盘不断地转动圆盘不断地转动,输出脉冲序列输出脉冲序列 送入计数送入计数器便可测出脉冲个数器便可测出脉冲个数,即圆盘转过的孔数即圆盘转过的孔数,从而可计从而可计算出每分钟转速。算出每分钟转速。60NnZtn-被测轴转速 N-计数器读数 Z-圆盘上孔数 t-记数时间透射式光电开关透射式光电开关测试转速测试转速反射

15、式光电开关反射式光电开关测转速测转速假设此障碍物是旋转轴的轴面。在轴面上粘贴画有黑白相间的粗线条。轴不断地旋转，光电开关输出脉冲电压序列 ，由此脉冲序列可以测得转速。 光电式码盘 光电式码盘是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。 黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。 光电式码盘 工作时，码盘每个数位都对应有一个光电管及放大、整形电路。 码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。 由于光电管安装误差的影响,当码盘回转在两码段交替过程中,就会有一些光电管越过分界线,而另一些尚未越过,会产生无法估计的很大的数值误差,这种误差

16、称为非单值性误差。 消除非单值性误差采用格雷码盘。格雷码格雷码0-00001-00012-00113-00104-01105-01116-01017-01008-11009-110110-111111-111012-101013-101114-100115-1000 格雷码也是一种二进制编码,只有“0”和“1”两个数。 这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化,即0变为1或1变为0。 在两数变换过程中,因光电管安装不准等产生的阅读数误差,最多不超过1,只可能读成相邻两个数中的一个数。 它是消除非单值性误差的一种有效方法。 格雷码盘格雷码盘带判位光电装置的带判位光电装置的二进制循环

17、码盘二进制循环码盘 码盘的最外圈再增加一圈信号位。 最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开,只有当信号位处的光电元件有信号时才读数,这样就不会产生非单值性误差。 发光二极管通以恒定电流,其速度不影响光电开关的速度,速度只取决于光电三极管。 如果光电三极管的翻转时间按3 s ，保持时间2 s计算,则光电开关测试脉冲的频率可达100kHz。 使用光电传感器时,应注意避免阳光照射到光电三极管。光电传感器优点:线性度好 分辨率高 噪声小 精度高磁电式传感器测试转速 数字化电路 为了读出被测转速，还需要进一步把传感器输出信号的频率或周期转换成数字传感器输出信号的频率或周期转换成数字量量，以便于数字显示

18、。 一般对中、高转速采用频率法，对低转速采用周期法测试。计数测频法：计数测频法： 在某一选定的时间间隔T0内对被测信号计数，将计数值N除以时间间隔就得到所测频率f=N/T0周期测频法：周期测频法： 利用测试周期再求其倒数的方法来测试频率。 若时间基准信号的周期为0，计数器读数为N，则被测信号的周期为T=N0，频率为f=1/T。 在电子计数器采样时间内对转速传感器输出的电脉冲信号进行计数。利用标准时间控制计数器闸门。当计数器的显示值为N时，被测试的每分钟转速n为60Nnzt式中，z旋转体每转一转传感器发出的电脉冲信号数； t采样时间(s)。 频率法测转速频率法测转速周期法测转速周期法测转速 用被测信号周期T来控制闸门，对时间基准脉冲信号计数。 为了提高信号周期测试的准确度，通过将周期信号分频，使被测试的周期得到倍乘。故被测试的转速n为K周期倍乘数1，10，100. 晶振周期N计数器计