现代检测技术(第4章运动量检测技术)09-10(2)课件

上一页下一页返回第4章运动量检测技术4.1位移检测4.2速度检测4.3加速度检测4.4惯性测量上一页下一页返回4.1位移检测

4.1.1位移检测方法

（1）积分法

测量运动体的速度或加速度，经过积分或二次积分求得运动体的位移。

（2）相关测距法

向某被测物发射信号，将发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得时延τ，若发射信号的速度已知，则可求得发射点与被测物间的距离。

（3）回波法

利用介质分界面对波的反射原理测位移。上一页下一页返回

（4）线位移和角位移相互转换

若测角位移方便，则通过测角位移再换算成线位移；

若被测是角位移，也可先测线位移再进行转换。

（5）位移传感器法

通过位移传感器将被测位移的变化转换成电量、流量、光通量、磁通量等的变化，间接测位移。上一页下一页返回

常用角位移传感器有：滑线变阻式、变阻器、差动变压器式、应变计式等。

4.1.2常用的位移传感器

常用线位移传感器有：变阻式、电阻应变式、电感式、电容式、霍尔式等。上一页下一页返回

相位差检测的载体是光波或电磁波，称为载波。

4.1.3相位差法检测振幅角频率初相位

光的调制：利用某种人为的信息（称为调制信号）对光的发射进行控制的过程。

设调制信号为角频率为ω的正弦信号，它能使光的振幅A也发生正弦变化，即未调制时光的振幅振幅变化的最大值上一页下一页返回=A0cosΩt=ΔA/A0称为调制度

从物理光学中可知，光的强度与其振幅的平方成正比，且又表现为原子振荡周期内的平均值，即光强上一页下一页返回

将光波信号和调制信号经过调制器便可得已调信号（请参阅《高频电子线路》）。

已调波振幅的连线称为包络线，其形状与调制信号相同，其幅度的大小表示了光强明暗的有规律变化。

强度恒定的光信号经调制后变成了明暗有规律的已调制光信号。

波在传播过程中所产生的相位移与传播路程的关系是相位移传播路程波的速度传播时间波的频率上一页下一页返回

设测距仪从A点发射调制光波，到达B点反射器又反射回测距仪，经历了2D的路程，所需时间为t，则

调制光波经2D有N个整周期的波和不足一个周期的波ΔN，所以相位移可表示为λ=c/f为波长上一页下一页返回

令u=c/2f=λ/2，称为测尺长，简称测尺，也称为测尺频率。

相位法测距就象我们拿着一把一定长度的测尺，一尺一尺地丈量距离一样，只要测得整尺数N和尾尺数ΔN，便可由上式计算出所测的距离D。上一页下一页返回4.2速度检测

4.2.1速度检测方法

（1）微积分法

对运动体的加速度进行积分运算或将运动体的位移进行微分运算便可得到运动体的速度。

（2）线速度和角速度相互转换测速法

线速度和角速度在同一个运动体上是有固定关系的，测量时可采取互换的方法测量。

（3）速度传感器

利用各种速度传感器，将速度信号变换为容易测量的电信号、光信号等。上一页下一页返回

（4）时间、位移计算测速法

通过测量距离L和走过该距离的时间t，然后求得平均速度v。

L越小，求得的速度越接近运动体的瞬时速度。

4.2.2常用的速度测量传感器

测量线速度的有：磁电式，空间滤波器等。

测量转速的有：交流测速发电机，直流测速发电机，离心式转速表，频闪式转速表，光电式，激光式，汽车发动机转速表等。

测量角速度的有：转子陀螺，光纤陀螺，激光陀螺，静电陀螺，半球谐振陀螺，压电陀螺等。上一页下一页返回

4.2.3弹丸飞行速度的测量

1、时间位移计算测速法

时间位移计算测速法是测出弹道上某一段距离x1，2，再测出弹丸飞行这一段距离所需要的时间t1，2

需在弹道上的Ⅰ和Ⅱ位置上各设一个区域装置，称为靶。

两个靶之间的距离就是x1，2；弹道经过这两个靶的时间间隔为t1，2。

弹道经过这两个靶时各产生一个信号，作为测时仪的开启和停止信号，这样即可测出时间t1，2。上一页下一页返回

（1）区域装置—靶

①接触型靶

是利用导体的通或断来产生电信号的装置。

当弹丸与这种靶接触时，使构成靶的金属材料从原来的接通状态变为断开状态；或是从原来的断开状态变为接通状态。

当弹丸通过时，将导线打断，从而使电路突然中断，产生一个电脉冲，启动或停止测时仪。

②非接触型靶

这一类靶与飞行的弹丸不发生机械接触，而是利用光线的遮挡、电磁场的变化及波的传播等原理工作。上一页下一页返回

a、线圈靶

弹丸从线圈靶内穿过时，磁通量发生变化，从而使线圈产生感应电动势，该电动势可作为测时仪的启动或停止信号。

将弹丸预先进行磁化处理，使弹丸周围有一个磁场。当它飞过线圈时，使线圈内产生感应电动势。

在线圈内另加一个通以直流电流的励磁线圈，从而使线圈周围形成一个磁场。

当弹丸通过时，线圈内磁通量发生变化，从而使感应线圈中产生感应电动势。上一页下一页返回

b、声靶

用超音速飞行的弹丸的弹头波扫过作为靶的高频话筒，产生电信号，用以启动或停止测量仪器。

c、光电靶

当光通量改变时，光电元件能够产生变化的电信号。

从一个光源发出的光束，照射到光电元件上。

当弹丸通过这一光束时，由于把光路挡住，使光电元件产生一个变化的电信号，用以启动或停止测时仪器。

（2）电子测时仪

与周期的测量原理相同。上一页下一页返回

2、利用多普勒雷达测量弹丸飞行速度

（1）基本原理

若发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同的现象就称为多普勒效应。

如果发射机和接收机在同一地点，两者无相对运动，而被测物体以速度v向发射机和接收机运动，这时可以把被测物体对信号的反射现象看成是一个发射机。这样接收机与被测物体之间因有相对运动，所以就产生了多普勒效应。

发射机发射出频率为f0的电磁波向被测物体辐射，被测物体以速度v运动。上一页下一页返回

被测物体作为接收机接收到的信号频率为发射机发射信号频率=c/f0，信号波长

如果把f1做为反射波向接收机发射信号，接收机接收到的信号频率为

f1对应的波长

由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，上一页下一页返回

（2）系统组成及作用

它包括发射机、接收机、天线系统、终端设备及跟踪滤波器和红外启动器等部分。

发射机的振荡源是一个磁控管振荡器，产生稳定的振荡频率f0。

振荡信号的大部分能量经过隔离器送到发射天线，少量送到接收机的混频器。

接收机由混频器、前置放大器、滤波器和限幅放大器等组成。

接收天线接收到从弹丸反射的回波信号，在混频器中混频，获得多普勒频率Fd，即Fd=f2-f0。

经过放大和滤波以后，送到跟踪滤波器。上一页下一页返回

Fd信号在跟踪滤波器中滤波，以提高信噪比，从而提高系统的灵敏度。并把信号进行6倍频后送到终端设备。

终端设备将送来的信号进行处理和计数，获得所需要的弹丸飞行速度，并用数码管显示出来。

终端设备的工作由红外启动器控制。当火炮发射时，炮口焰的作用使红外启动器产生同步信号，控制终端设备的工作。上一页下一页返回

4.2.4光纤陀螺测量角速率

由宽带光源提供的光被分成两束，分别沿两个相反方向在光纤线圈中传播。

当两束光在入射点处汇合时将发生光的干涉效应。

设直径为D的单匝光纤线圈绕垂直于自身的轴以角速度ω顺时针方向旋转。

从环形光路的P点分别沿顺时针（CW）和逆时针（CCW）发射两路光波。

当ω=0时，两束光波绕环形光路一周的穿越时间相同。上一页下一页返回

ω≠0时，顺时针光束绕环形光路的穿越时间为静止光纤中的光速真空中的光速光纤的折射率上一页下一页返回4.3加速度检测

4.3.1加速度检测方法

加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量（牛顿第二定律F=ma）。

加速度的测量是通过加速度传感器（称为加速度计），并配以适当的检测电路进行的。

根据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等。

按检测质量的支承方式来分，可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。上一页下一页返回

4.3.2伺服式加速度测量

伺服式加速度测量是一种按力平衡反馈原理构成的闭环测试系统。

它由检测质量m、弹簧k、阻尼器c、位置传感器Sd、伺服放大器Ss、力发生器SF和标准电阻RL等主要部分组成。检测质量m相对壳体作位移z，此位移由位置传感器Sd检测并转换成电压u，经伺服放大器放大成电流i，上一页下一页返回

系统的运动方程是（进行受力分析）

SF为力发生器灵敏度。

对于常用的由永久磁铁和动圈组成的磁电式力发生器，SF=BL（B为磁路气隙的磁感应强度，L为动圈导线的有效长度）。i=SdSsz供给力发生器SF产生电恢复力，使检测质量返回到初始平衡位置。位置传感器的灵敏度伺服放大器灵敏度上一页下一页返回

当系统处于加速度计工作状态时，上一页下一页返回

4.3.3微机电系统加速度计

1、概述

微机电系统加速度计通常是指利用微电子加工手段制作并和微电子测量线路集成在一起的加速度计。

这种加速度计常用硅材料制作。

按检测质量支承方式分，有悬臂梁支承、简支梁支承、方波梁支承、折叠梁支承和挠性轴支承等；

按检测信号拾取方式分，有电容检测、电感检测、隧道电流检测和频率检测等。上一页下一页返回

2、叉指式硅微加速度计

加速度计由中央叉指状活动极板和若干对固定极板组成。

硅制活动极板通过一对支承梁弹簧与基座相连。

支承梁能使活动极板敏感加速度而产生位移。

活动极板上有若干对叉指，每个叉指对应一对固定极板，固定极板固定在基座上。

当加速度计处于静止状态时，叉指正好处于一对固定极板的中央，叉指和与其对应的两个固定极板的间距相等，这时电容量C1=C2。上一页下一页返回

当加速度计敏感加速度时，在惯性力的作用下，活动极板产生位移Δy。