第6章 速度、转度、加速度测量

1、第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 速度、转速和加速度的测量在工业、农业、国防中应用较速度、转速和加速度的测量在工业、农业、国防中应用较多多 如汽车、火车、轮船及飞机等行驶速度和加速度的测量；如汽车、火车、轮船及飞机等行驶速度和加速度的测量；发动机、柴油机、风力发电机等输出轴的转速测量；钢铁工发动机、柴油机、风力发电机等输出轴的转速测量；钢铁工业轧制板带材、棒管材等产品速度的测量；气象部门对大自业轧制板带材、棒管材等产品速度的测量；气象部门对大自然风速的测量；工业部门对大型设备和工程中振动加速度的然风速的测量；工业部门对大型设备和工程中振动加速度的测量等。测量等。 机

2、车各方向振动加速度是评价机车行车安全性能和乘坐舒适机车各方向振动加速度是评价机车行车安全性能和乘坐舒适感的重要动力学性能指标感的重要动力学性能指标, ,每种新研制机车在正式上线运行前每种新研制机车在正式上线运行前, ,都要进行动力学性能试验和测试都要进行动力学性能试验和测试, ,并按照相应的标准进行评价并按照相应的标准进行评价, ,这其中就包括了振动加速度的测试和评价。这其中就包括了振动加速度的测试和评价。第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 6.1 6.1 速速 度度 测测 量量速度速度测量测量线速度测量（线速度测量（m/sm/s，km/h)km/h) 角速度测量角速

3、度测量(rad/s) (rad/s) 转速测量转速测量( (转转/ /分）分）2 nRotary speed：revolutions per minute (r.p.m.)，nAngular Velocity：Linear Velocity：v第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 一、测量方法一、测量方法 1. 时间、位移计算测速：根据线速度的定义，可以根据物时间、位移计算测速：根据线速度的定义，可以根据物体在一定时间内移动的距离或者根据物体移动一定距体在一定时间内移动的距离或者根据物体移动一定距离所需的时间求得，这种方法只能求某段距离或时间离所需的时间求得，这种方法只

4、能求某段距离或时间的平均速度。的平均速度。s越小，越接近瞬时速度。越小，越接近瞬时速度。u 光束切断法光束切断法u 相关法相关法u 空间滤波器法空间滤波器法svt第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 vr3. 3. 利用物理参数测量：多普勒效应、流体力学定律、利用物理参数测量：多普勒效应、流体力学定律、 电磁感应原理电磁感应原理4. 4. 加速度积分法和位移微分法加速度积分法和位移微分法2.2.角速度和线速度的相互转化。角速度和线速度的相互转化。5. 5. 陀螺测速法陀螺测速法二、测量原理二、测量原理第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 1、光束

5、切断法、光束切断法 光束切断法检测速度适合于定尺寸材料的速度检测。光束切断法检测速度适合于定尺寸材料的速度检测。 非接触式测量，测量精度较高。非接触式测量，测量精度较高。 LvNT第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 原理：原理：利用随机过程互相关函数确定运动时间的方法；利用随机过程互相关函数确定运动时间的方法； 组成：组成：两个相距为两个相距为L L的相同的传感器，如光电传感器、超声的相同的传感器，如光电传感器、超声波传感器、电涡流传感器等；波传感器、电涡流传感器等； 检测：检测：表面粗糙度、表面缺陷、表面标记等；表面粗糙度、表面缺陷、表面标记等； 处理：处理：在测量

6、条件基本相同的情况下，在测量条件基本相同的情况下，y(t)y(t)的波形和的波形和x(t)x(t)是是相似的，只是时间上推迟了相似的，只是时间上推迟了t t0 0(=L/v)(=L/v)，即要求出，即要求出t t0 0。2、相、相 关关 法法第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 图3 相关测速原理图 其物理含义是其物理含义是x(t)x(t)延迟延迟t to o 后成后成x(tx(tt t0 0) )，其波形将和，其波形将和y y（t t）几乎重叠，因此互相关值有最大值。几乎重叠，因此互相关值有最大值。00000( )()11( )lim() ( )lim() ()()T

7、TxyTTxy tx t tRx ty t dtx t t x tdtTTRt第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 3、空间滤波器法、空间滤波器法 空间滤波器件与被测物体同步运动，测定单位空间内空间滤波器件与被测物体同步运动，测定单位空间内信号的时间频率；信号的时间频率； 空间滤波器：栅板，在空间长空间滤波器：栅板，在空间长L内有内有N个等距栅缝，当个等距栅缝，当栅板的移动速度为栅板的移动速度为v，移动距离，移动距离L的时间为的时间为t0 空间频率：空间频率： （单位空间长度内变化次数）（单位空间长度内变化次数） 时间频率：时间频率： 速度：速度：NL0Nft0LNff

8、vtN第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 可用于生产过程中的塑料板带、布、钢板带等速度检测。注意测量辊与被测物之间的滑移所造成的测量误差。4、接、接 触触 辊辊 法法 特点：应用最广泛的一种方法。特点：应用最广泛的一种方法。 方法：把旋转辊轮（测量辊）接触在行进的物体上，被测物方法：把旋转辊轮（测量辊）接触在行进的物体上，被测物体以速度体以速度v行进并带动测量辊转动，由测量辊的转速和周长求行进并带动测量辊转动，由测量辊的转速和周长求得物体的行进速度。得物体的行进速度。vr第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 5、皮托管测速法、皮托管测速法皮托管

9、是测量流体速度的主要工具之一皮托管是测量流体速度的主要工具之一, ,广泛用于船舶广泛用于船舶和飞行体的测速。和飞行体的测速。在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压力顶端（滞止点）能感受全压力p pt t，而具有静压孔的外管感，而具有静压孔的外管感受静压力受静压力p ps s即可。即可。第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 （一）（一） 皮托管的结构皮托管的结构标准皮托管用两根不同内径管子同心套接标准皮托管用两根不同内径管子同心套接而成，内管通直端尾接头，是全压管，外而成，内管通直端尾接头，

10、是全压管，外管通侧接头，是静压管。管通侧接头，是静压管。第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 （二）皮托管测速原理（二）皮托管测速原理222()vtsvpppvvtstsvpppppp全压静压动压动压（动压（Pv）静压（静压（Ps）全压全压（Pt)第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 修正后的流速公式：修正后的流速公式：2()tsvpp 为皮托管系数，由实验标定。 一般在0.991.01之间。第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 （三）（三） 测量误差分析测量误差分析总压孔直径：总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：静压孔直

11、径：d1=0.12D静压孔距端部距离：静压孔距端部距离：34D静压孔离支杆距离：静压孔离支杆距离：810D 皮托管头部和支杆对流场的影响皮托管头部和支杆对流场的影响1、皮托管的形状影响、皮托管的形状影响第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 2、皮托管偏离特性的影响、皮托管偏离特性的影响结论：结论：皮托管方皮托管方向要正对向要正对流体流向流体流向。第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 多普勒（奥地利）物理学家及数学家 （1803 -1853 -1853 ） 奥地利的物理学家克里斯琴奥地利的物理学家克里斯琴约约翰翰多普勒多普勒(C.J.Dopple)

12、(C.J.Dopple)最早描述了最早描述了这个现象这个现象, ,于是就称为多普勒效应。于是就称为多普勒效应。它虽然最初是由声源发现的它虽然最初是由声源发现的, ,但对但对于其他的波动于其他的波动, ,比如电磁波和光波比如电磁波和光波也同样存在也同样存在, ,并且有着重要的应用。并且有着重要的应用。6、多普勒测速、多普勒测速第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 光学多普勒效应：光学多普勒效应：当光源和反射体或散射体之间存在相对运当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的光波频率与入射光波频率之间存在正比于物动时，接收到的光波频率与入射光波频率之间存在正比于物体运

13、动速度的频率偏移，这种现象叫光学多普勒效应。体运动速度的频率偏移，这种现象叫光学多普勒效应。 散射光频率和入射光频率偏移叫多普勒频移；散射光频率和入射光频率偏移叫多普勒频移；第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 图图4 4多普勒效应原理多普勒效应原理P静止时，入射光频率为：,ic为光速， 为入射光波波长。0 0i if f = =c c/ /P入射波相对于 点的速度， f =(c-v k )/ f =(c-v k )/c-v kc-v kp piiiiii(Apparent frequency)若P点以速度 远离光源，则对P点来说入射光的视在频率为：iv k isK 表

14、示平行于入射光波矢量的单位矢量； K 表示平行于散射光波矢量的单位矢量对光电探测器来说，散射光的视在波长和频率分别为：P散射波相对于 点的速度s ss sp ps ss sc c( (c c- -v v k k ) )i if f = =s s( (c c- -v v k k ) )s si ic c= =( (c c- -v v k k ) )/ /f f , , c c- -v v k kkiksP12第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 kiksP121:2为物体至光源方向与物体运动方向间的夹角;为物体至观察者方向与物体运动方向间的夹角其中1212i iv (k

15、-k )v (k -k )s si if =f =ddi iv(cosv(cos+cos+cos ) )= =则散射光与原始光之间的频移为：c c- -v v k kc ci i f f = =f f - -f f = =( (- -1 1) )s s0 0d dc c- -v v k ki is s由于v(C+CF)FyCqe K为放大器的开环放大倍数第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 压电加速度计的主要性能指标压电加速度计的主要性能指标 灵敏度灵敏度 压电加速度计灵敏度定义为压电加速度计灵敏度定义为单位加速度单位加速度的电输出的电输出，加速度常以重力加速度，加速度

16、常以重力加速度g g为单为单位。压电加速度计的灵敏度可用电荷灵位。压电加速度计的灵敏度可用电荷灵敏度或电压灵敏度表示，电荷灵敏度的敏度或电压灵敏度表示，电荷灵敏度的单位是单位是q/gq/g：电压灵敏度的单位是：电压灵敏度的单位是V/gV/g，第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 设压电加速度计的电荷灵敏度为设压电加速度计的电荷灵敏度为 则不带并联电容的开路电压灵敏度则不带并联电容的开路电压灵敏度 aqkqpqpuCkCaqauk100第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 如果压电加速度计两端并联了电容如果压电加速度计两端并联了电容CsCs，则开路

17、电压灵敏，则开路电压灵敏度度KuKu为为 加速度计的灵敏度取决于所用压电晶片的压电特性和质加速度计的灵敏度取决于所用压电晶片的压电特性和质量块的质量。对于给定的压电材料，一般而言，加速度量块的质量。对于给定的压电材料，一般而言，加速度越小，灵敏度就越低；另一方面，随着机械尺寸的减小，越小，灵敏度就越低；另一方面，随着机械尺寸的减小，加速度计的固有频率将增大，而使可用频率范围加宽。加速度计的固有频率将增大，而使可用频率范围加宽。 spqspsuCCkCCaqauk1第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 例：例： 图是用压电式加速度传感器与电荷放大器测量某机器的振动。已知，

18、传感器的灵敏度为 100（pC/g），电荷放大器的反馈电容Cf=0.01(F)，测得输出电压的峰值Uom=0.4(V)，振动频率为100(HZ)。 (1) 求机器振动加速度的最大值A(m/s2); (2) 假定振动为正弦波，求振动速度v(t); (3) 求振动幅度的最大值X. 第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 （2）已知 a(t)=Asinwt, w=2f=628(rad/s) （3）（1）振幅 X=0.001(m) 第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 采用正弦运动法进行标定采用正弦运动法进行标定 可分为可分为绝对标定法绝对标定法和和相对标

19、定法（比较标定法）相对标定法（比较标定法）1) 1) 绝对标定法绝对标定法 以振动的位移和频率作为基本量值。以振动的位移和频率作为基本量值。特点：特点：l要记录振动的振幅要记录振动的振幅l振动的频率振动的频率l进行数据处理算出标准加速进行数据处理算出标准加速度值。度值。读数显微镜读数显微镜振动台振动台加速度计加速度计四四 加速度传感器系统的标定方法加速度传感器系统的标定方法第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 2) 2) 比较标定法比较标定法特点：特点：l 有一只标准加速度计有一只标准加速度计（参考加速度计）（参考加速度计）l 由标准加速度计测出振由标准加速度计测出振动体的加速度值动体的加速度值l 根据标准加速度值与被根据标准加速度值与被标加速度计的输出信号标加速度计的输出信号进行换算。进行换算。标准加速度计标准加速度计待标加速度计待标加速度计振动台振动台第第6 6章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 (2) 瞬态