速度、转速、加速度测量

速度、转速、加速度

测量速度测量速度测量线速度测量（m/s，km/h)

角速度测量(rad/s)转速测量（转/分）Rotaryspeed：revolutionsperminute(r.p.m.)，nAngularVelocity：ωLinearVelocity：v测量原理分类：

时间、位移计算测速：根据线速度的定义只能求某段距离或时间的平均速度。s越小，越接近瞬时速度。具体测量方法：光束切断法相关法空间滤波器法3.利用物理效应测量多普勒效应、电磁感应原理流体力学定律（皮托管法）4.加速度积分法和位移微分法2.角速度和线速度的相互转化5.陀螺测速法火车行使速度测量：转速－线速度1、光束切断法非接触式测量，测量精度较高。

图1光束切断式速度测量原理：利用随机过程互相关函数确定运动时间的方法；

组成：两个相距为L的相同的传感器，获得运动物体特征信号

光电传感器、超声波传感器、电涡流传感器等；

检测：表面粗糙度、表面缺陷、表面标记等；

处理：在测量条件相同的情况下，y(t)的波形和x(t)

是相似的，只是时间上延迟了t0(=L/v)2、相关法其物理含义是x(t)、y（t）的互相关值在t0点取得最大值3、空间滤波器法原理：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，求出速度；空间滤波器：栅板，在空间长L内有N个等距栅缝，当栅板的移动速度为v，移动距离L的时间为t0空间频率：（单位空间长度内周期性变化次数）时间频率：速度：，可测线速度、角速度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、接触辊法

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v行进并带动测量辊转动，由测量辊的转速和半径求得物体的行进速度。5、皮托管测速法皮托管（Pitottube）是测量流体速度的主要工具,广泛用于船舶和飞行体的测速。（一）皮托管的结构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，外管通侧接头，是静压管。，测量时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pt，而具有静压孔的外管感受静压力ps即可。根据流体力学原理：动压（Pv）+静压（Ps）=全压（Pt)修正后的流速公式：

为皮托管系数，由实验标定。一般在0.99～1.01之间。说明：1、误差主要来源是静压力和动压力测量误差。2、由于空气具有压缩性，飞机空速表要根据飞机空速与所在高度下的音速之比（马赫数）对动压表达式进行修正。

（三）测量误差分析总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：d1=0.12D静压孔距端部距离：3~4D静压孔离支杆距离：8~10D

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直径与被测管道直径比，不大于0.02。适当选择静压孔的位置

2、皮托管偏离特性的影响结论：皮托管方向要正对流体流向

6、多普勒测速光学多普勒效应：当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，散射光频率与入射光频率相比，会产生正比于运动速度的频率偏移；多普勒频移奥地利学者多普勒于1842年发现的；P静止时，入射光频率为：对P点来说入射光的视在频率为：光电探测器所接收到的散射光频率为：则接收到的散射光与原始光之间的频移为：后向散射型多普勒测速原理后向散射：接收散射光束的光电检测器与光源在同侧。

多普勒频移为：v2电磁波的传播同样有多普勒特性。当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察点有相对运动时，在观察点收到的频率随着它们的相对速度而变化。当物体向着观察点接近时，波长变短，频率变高；而远离观察点时，波长变长，频率变低。这样通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位。若用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。

2、思考：超声多普勒法是怎样测量血液流动的?多普勒测速仪应用实例1、卫星跟踪测轨系统激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、医学诊断等。7、陀螺仪测角速度（gyroscope）利用陀螺效应制成的仪表称为陀螺仪。陀螺仪的基本功能是敏感角位移和角速度。在航空、航海、航天、军事领域，有着广泛的应用。二自由度陀螺仪陀螺：绕一个支点高速旋转的刚体主轴：转子轴

二自由度陀螺示意图H：陀螺绕主轴转动角动量Js：陀螺转子的转动惯量：陀螺转子的转速一般为12000－24000r/min（1）当二自由度陀螺底座绕垂直于X轴，且与Z轴成角的轴以角速度旋转时，则将有陀螺力矩Mg作用于框架上，陀螺力矩Mg为：二自由度陀螺特性：（3）如果外加力矩M绕X轴作用在陀螺上，则陀螺框架将绕X轴转动，其角加速度满足：（2）二自由度陀螺底座绕Z轴或X轴旋转，不会产生陀螺力矩；

(2)微分陀螺仪测角速度作用原理

微分陀螺仪原理图(1)陀螺力矩Mg(2)弹性力矩My(3)阻尼力矩Md(4)

惯性力矩Mj(5)摩擦力矩Mf，假设为常数。框架的运动方程式为：运动达到平衡时，结构简图第二节转速测量一、数字式转速表应用最为广泛的精密测量转速方法之一

特点：量程宽、准确度高、输出数字信息（1）测量原理（构成）数字式转速传感器＋电子计数电路

数字式转速传感器：把被测转速转变成电脉冲信号电子计数电路：测量转速

中高速采用频率法

低速采用周期法转

速

测

量交流测速发电机400~4000r/min<1%满量程示值误差在小范围内可调整预扭弹簧转角直流测速发电机1400r/min1.5%有电刷压降形成不灵敏区，电刷及整流子磨损影响转速表精度离心式转速表30~24000r/min±1%结构简单，价格便宜，不受电磁干扰，精度较低频闪式转速表0~1.5×105r/min1%体积小，量程宽，使用简便，精度高，是非接触测量光电式反射式转速表30~4800r/min±1脉冲非接触测量，要求被测轴径大于3mm直射式转速表1000r/min

在被测轴上装有测速圆盘激光式测频法转速仪几万~几十万r/min±1脉冲/s适合高转速测量，低转速测量误差大测周法转速仪1000r/min

适合低转速测量汽车发动机转速表70-9999r/min0.1%n±1r/min(n≤4000r/min)0.2%n±1r/min(n>4000r/min)利用汽车发动机点火时，线圈高压放电，感应出脉冲信号，实现对发动机不剖体测量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，被测量的转速n为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）。

1）频率法测转速2）周期法测转速计数时间：对被测信号进行分频来提供；计数信号：晶体振荡器的输出脉冲；被测量的转速n为：k为周期倍乘数1，10，100….

晶振周期N为计数器计数值Z为传感器细分数（2）转速传感器把被测物体的转速转换成电脉冲信号。电涡流式转速传感器磁电感应式转速传感器光电式转速传感器转轴每旋转一周，光敏元件就输出数目与白条纹数目相同个电脉冲信号。1）光电式转速传感器2）磁电感应式转速传感器

当安装在被测转轴上的齿轮(导磁体)旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，使磁路的磁阻和磁通发生周期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成比例的交流电压信号。转速下降输出电压幅值减小；当转速过低，电压幅值会减小到无法检测出来。这种传感器不适合于低速测量。3）电涡流式转速传感器2、闪光测转速法利用人眼的视觉暂留现象来测量转速。视觉暂留：物体在人的视野中消失后，视网膜上在一段时间内（0.05s~0.2s）保持视觉印象。一个闪光目标，当闪动频率大于10Hz时（间隔时间小于0.1s），人眼看上去就是连续发亮的。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的黑白点），并调节闪光频率f，直到旋转轴上出现一个单定象（同一位置静止不动像）为止，即达到n=f的条件。若在连续两次闪光的时间间隔内，旋转轴转过整数倍时，即n＝k0f

时，也会出现单定象。式中的k0为单定象停留的次数(1、2、3、…)。当闪光频率比被测转速高二倍、三倍、…、m倍时，则会出现二重象、三重象以至于m重象。

f=m×n闪光测速法（1）若已知被测转速范围，则将闪光频率从略大于n的高频逐渐下降，直到第一次出现不动的频闪像，则n=f；（2）若无法预知范围，则从低频上调，直至出现多重像；范围：100-240000r/min

误差：<1％加速度是表征物体运动本质的一个基本物理量。可以通过测量加速度来测量物体的运动状态。例如：惯性导航系统就是通过飞行器的加速度来测量它的速度、位置、已飞过的距离等。可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度负荷，以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控制其运动加速度，以免机件损坏。对于加速度，常用绝对法测量，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。

第三节加速度测量设传感器基座相对于参考坐标的位移为xb，质量块m相对于参考坐标的位移为x，质量块相对于传感器基座的位移为y：解此线性微分方程，可得特解：设质量—弹簧—阻尼系统把加速度转换成与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移，可通过该位移来测量加速度。位移式加速度传感器:采用位移传感器检测质量块的相对位移，可构成各种类型的加速度计。则有：变磁阻式加速度传感器当质量块感受加速度而产生相对位移时，差动变压器就输出与位移(也即与加速度)成近似线性关系的电压，加速度方向改变时，输出电压的相位相应改变180°。位移式加速度传感器电容式加速度传感器以通过弹簧片支承的质量块作为差动电容器的活动极板，并利用空气阻尼。特点：频率响应范围宽。位移式加速度传感器位移式加速度传感器霍尔式加速度传感器上下方向的加速度成比例的惯性力梁发生弯曲变形自由端产生与加速度成比例的位移霍尔元件输出与加速度成比例的霍尔电势UH。

测量质量块相对位移的加速度传感器灵敏度较低。

广泛采用基于惯性力测量的加速度传感器；电阻应变式、压阻式、压电式加速度传感器基于测量惯性力的加速度传感器工作原理:

敏感质量块感受加速度；产生与之成正比的惯性力F＝ma；再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力，或通过压电元件把惯性力转变成电荷量；测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。基于测量惯性力的加速度传感器应变式加速度传感器等强度弹性悬臂梁固定安装在传感器的基座上，梁的自由端固定一质量块m，在梁的根部附近两面上各贴一个(两个)性能相同的应变片，应变片接成对称差动电桥。当质量块感受加速度而产生惯性力Fa时，在力Fa的作用下，悬臂梁发生弯曲变形，其应变为粘贴在梁两面上的应变片分别感受正(拉)应变和负(压)应变而电阻增加和减小，电桥失去平衡而输出与加速度成正比的电压U0，即常用速度传感器性能与特点类型原理测量范围精度特点线速度测量磁电式工作频率10~500Hz≤10%灵敏度高，性能稳定，移动范围±（1~15）mm，尺寸重量较大空间滤波器1.5~200km/h±0.2%无需两套特性完全相同的传感器附表：转

速

测

量交流测速发电机400~4000r/min<1%满量程示值误差在小范围内可调整预扭弹簧转角直流测速发电机1400r/min1.5%有电刷压降形成不灵敏区，电刷及整流子磨损影响转速表精度离心式转速表30~24000r/min±1%结构简单，价格便宜，不受电磁干扰，精度较低频闪式转速表0~1.5×105r/min1%体积小，量程宽，使用简便，精度高，