第八章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量

1、王 鵬 wang_ 汽車(chē)、火車(chē)、輪船、飛機(jī) 等行駛速度、加速度的測(cè) 量，行駛姿態(tài)的測(cè)量 發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等輸出軸 轉(zhuǎn)速的測(cè)量 軋制板材、帶材、棒材、 管材等產(chǎn)品速度的測(cè)量 大型設(shè)備、工程中振動(dòng)的 測(cè)量 在慣性導(dǎo)航中的應(yīng)用 速度(Velocity)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的位移 量，m/s 加速度(Acceleration)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi) 的速度增量，m/s2 轉(zhuǎn)速(Rotational Velocity)：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位時(shí)間 內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min 角速度(Angular Velocity)：物體單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn) 過(guò)的角度，rad/s 從運(yùn)動(dòng)形式分：線(xiàn)速度測(cè)量，角速度測(cè)量 從參考基準(zhǔn)分：絕對(duì)速度

2、測(cè)量，相對(duì)速度測(cè)量 從數(shù)值特征分：平均速度測(cè)量，瞬時(shí)速度測(cè)量 從獲取方式分：直接速度測(cè)量，間接速度測(cè)量 時(shí)間、長(zhǎng)度計(jì)算測(cè)速法 利用速度的定義：v=L/t 加速度積分和位移微分測(cè)速法 在振動(dòng)測(cè)量中，通過(guò)測(cè)量振動(dòng)體的加速度，積分得 到振動(dòng)速度、振幅等 利用物理參數(shù)進(jìn)行速度測(cè)量 利用速度大小與某些物理量間的已知關(guān)系，如 E=BLv的原理測(cè)量導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度 線(xiàn)速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法 陀螺測(cè)速法 光束切斷法 相關(guān)測(cè)速法 )()( 0 ttxty 00 00 11 ( )lim( ) ()lim() ()() TT yxx TT Ry t x tdtx ttx tdtRt TT 相關(guān)測(cè)速法 相關(guān)測(cè)速法

3、抗干擾能力更強(qiáng)， 能在復(fù)雜的干擾條件下準(zhǔn)確測(cè) 量。 相關(guān)測(cè)速在現(xiàn)代有著多方面的 應(yīng)用：飛機(jī)、船舶、汽車(chē)、軋 機(jī)鋼帶等速度。 從原理上講，任何在物體運(yùn)動(dòng) 方向上一定距離處布置的兩個(gè) 傳感器，只要它們能夠檢測(cè)到 標(biāo)記物體的某種信號(hào)（一般為 隨機(jī)信號(hào)），那么，物體的運(yùn) 動(dòng)速度都可以用互相關(guān)的原理 加以測(cè)定。 空間濾波器測(cè)速法 利用可選擇一定空間頻率的空間濾波器件與被測(cè)物 體同步運(yùn)動(dòng)，然后在單位空間內(nèi)測(cè)得相應(yīng)的時(shí)間頻 率f，求得運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度。 / 0 fNfNtLv L v NL fNt0 理想不可壓縮流體的伯努利方程 理想不可壓縮流體在重力場(chǎng)中作定常流動(dòng)時(shí)， 具有三種形式的能量：位勢(shì)能、壓力勢(shì)能

4、和動(dòng)能 ，在流線(xiàn)上任何一處三者能量之和保持恒定。 v2,p2 z1 z2 v1,p1 2 1 2 pgzv 常量 皮托管測(cè)速原理 2/ 2 vppp stv / )(2 st ppv 誤差來(lái)源：誤差來(lái)源： 皮托管的方向與流體方向不對(duì)準(zhǔn)； 皮托管直徑不為零，靜壓孔實(shí)際靜壓力降 低； 流體受皮托管的滯止，使滯止點(diǎn)上游的靜 壓力增大。 全靜壓管 靜壓孔距前端不小于8倍管徑，可減小頭部激波對(duì)靜 壓的影響； 靜壓孔上部4個(gè)，下部6個(gè)，兩側(cè)沒(méi)有，可在大仰角 飛行時(shí)減小靜壓誤差； 裝有加溫裝置，防止在高空飛行時(shí)結(jié)冰 飛機(jī)空速表 開(kāi)口膜盒（指示空速） 真空膜盒（真空速） 標(biāo)實(shí)真實(shí) TTvv 當(dāng)外界氣溫T實(shí)與該

5、氣層標(biāo) 準(zhǔn)氣溫T標(biāo)不等時(shí)，應(yīng)按下 式進(jìn)行修正： 皮托管測(cè)速裝置利用了流體速度和流體動(dòng)壓力 之間的關(guān)系；在測(cè)量時(shí)直接測(cè)量的是壓力，然 后再計(jì)算出速度，屬于間接測(cè)量；測(cè)量了運(yùn)動(dòng) 物體和流體的相對(duì)速度。 皮托管裝置的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，穩(wěn)定可靠。 多普勒效應(yīng) 多普勒速度測(cè)量 i cf/ 0 i P vc f 1cos 2 cos s P cv f 21 21 (cos)(cos) (coscos) s i i cvcv f c cv i sd v fff )cos(cos 12 0 多普勒測(cè)速的優(yōu)點(diǎn)：用光的 波長(zhǎng)作基準(zhǔn)，精度高；光電 探測(cè)器輸出頻率信號(hào)，抗干 擾能力強(qiáng)。 差分多普勒速度測(cè)量 對(duì)于光束O1

6、0 131 (coscos) dO f v f c 對(duì)于光束O2 0 232 (coscos) dO f v f c 21 0 12 (coscos) sin 2 2 ddOdO fff f v c v )2/sin(2/ 0 d fv 頻差與光電探測(cè)器的方向無(wú)關(guān)。 使用時(shí)不受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，可 在任意方向測(cè)量。 可使用大口徑的接收透鏡，使粒 子散射的光能量極大地被利用， 提高信噪比。 后向散射多普勒速度測(cè)量 00 sin/sin/ d fvf vc )sin/( 0 fcfv d 光源與光電探測(cè)器放置于運(yùn)動(dòng)物 體的一側(cè)，儀器設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊 后向散射差分多普勒速度測(cè)量 衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng) 電磁波多普

7、勒效應(yīng) 激光光纖Doppler血液流速測(cè)量 探頭體積小，便于調(diào)整測(cè)量位置，可以深入到難以測(cè)量 的角落；抗干擾能力強(qiáng)，可在高電壓、強(qiáng)電磁感應(yīng)等環(huán) 境中使用。密封型的光纖探頭可直接放入液體中使用。 陀螺儀的結(jié)構(gòu) 二自由度陀螺 單自由度陀螺 陀螺儀的支撐方式 液浮陀螺儀 氣動(dòng)陀螺儀 靜電陀螺儀 撓性陀螺儀 陀螺儀的基本特性 定軸性：當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子高速 旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果不受任何外加力 矩的作用，其主軸將穩(wěn)定地保 持在慣性空間初始方向上，這 種特性稱(chēng)為陀螺儀定軸性或者 穩(wěn)定性。 角動(dòng)量H越大，摩擦力矩越小 ，則主軸方向越穩(wěn)定。 HJ 陀螺儀的基本特性 進(jìn)動(dòng)性：當(dāng)陀螺儀的轉(zhuǎn)子高速 旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果外加力矩M作用

8、在陀螺儀的某一框架旋轉(zhuǎn)軸上 ，迫使主鈾繞另一框架的軸旋 轉(zhuǎn)，主軸以最短的途徑向外力 矩的方向靠攏。 在實(shí)際使用中如果內(nèi)框架和外 框架重合，陀螺儀將會(huì)失去了 一個(gè)自由度，這種情況被稱(chēng)為 “環(huán)架自鎖”。 陀螺的進(jìn)動(dòng)是沒(méi)有慣性滯后 微分陀螺儀角速度測(cè)量 y kH 光纖陀螺 根據(jù)薩格納克效應(yīng)研制 光纖陀螺對(duì)角速度的敏感軸是單軸，常使用三個(gè)或 四個(gè)光纖陀螺構(gòu)成慣性測(cè)量組合 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表達(dá)，即r/min 按測(cè)量原理可分為： 模擬法 計(jì)數(shù)法 同步法 按變換方式可分為： 機(jī)械式 電氣式 光電式 頻閃式 22 rc Fmrk ks Fk x 離心式轉(zhuǎn)速表具有測(cè)量結(jié)果顯示直觀、成本低、運(yùn) 行可

9、靠、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，故在生產(chǎn)、維修現(xiàn)場(chǎng)使 用較多。但是離心式轉(zhuǎn)速表的測(cè)量原理簡(jiǎn)單，測(cè)量 精度相對(duì)較低。 接觸式接觸式非接觸式非接觸式 zt N n 60 磁電式轉(zhuǎn)速表磁電式轉(zhuǎn)速表 z f n 60 隨著轉(zhuǎn)速下降輸出感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)的幅值也隨之減小，當(dāng)轉(zhuǎn) 速低到一定程度時(shí)，電壓幅 值將會(huì)無(wú)法檢測(cè)出來(lái)。這種 傳感器不適合于低轉(zhuǎn)速測(cè)量。 頻閃效應(yīng) 物體在人的視野中消失后，人眼視網(wǎng)膜上能在一段 時(shí)間內(nèi)保持視覺(jué)印象，即視后暫留現(xiàn)象。其維持時(shí) 間，在物體平均亮度條件下，約為(1/51/20)s的范 圍。 頻閃測(cè)速 用一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸上的 某一固定標(biāo)記(如齒輪的齒，圓盤(pán)的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸 上

10、涂以黑白點(diǎn))，并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出 現(xiàn)一個(gè)單定像為止，即達(dá)到n=f的條件，這時(shí)便可以 從電子計(jì)數(shù)器或圓刻度盤(pán)上讀出被測(cè)的轉(zhuǎn)速值。 測(cè)速方法 被測(cè)轉(zhuǎn)速n與閃光頻率n0相同，或者n為n0的整數(shù)倍 時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)單定像 若已知被測(cè)轉(zhuǎn)速的范圍是nn，則首先將閃光頻率 調(diào)到大于n，然后從高頻逐漸下降，第一次出現(xiàn)單 定像的閃光頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速 若被測(cè)轉(zhuǎn)速的頻率范圍無(wú)法估計(jì)，則調(diào)整閃光 頻率，記錄下連續(xù)出現(xiàn)兩次單定像的閃光頻率n1 和n2，設(shè)n1n2，則 12 12 n n n nn MEMS器件周期運(yùn)動(dòng)檢測(cè) MEMS器件周期運(yùn)動(dòng)檢測(cè) 通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)判斷機(jī)械系統(tǒng)所承受的加 速度負(fù)荷的大小，防止損

11、壞或提供控制指標(biāo) 汽車(chē)：防撞氣囊、警報(bào)器 筆記本硬盤(pán)保護(hù) 加速度鼠標(biāo) 手機(jī) 體感游戲 通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 加速度測(cè)量的基本原理加速度測(cè)量的基本原理 通過(guò)檢測(cè)質(zhì)量塊與基座之 間的位移可以實(shí)現(xiàn)加速度 的測(cè)量 質(zhì)量塊通過(guò)連接的阻尼器 和彈簧感受到加速度的變 化，質(zhì)量塊會(huì)受到與加速 度成比例的慣性力的作用 ，通過(guò)檢測(cè)慣性力可以實(shí) 現(xiàn)加速度的測(cè)量 基于位移的加速度測(cè)量基于位移的加速度測(cè)量 磁電感應(yīng)式加速度計(jì) 電容式加速度計(jì) MEMS電容加速度計(jì) 霍爾式加速度計(jì) 基于慣性力的加速度測(cè)量基于慣性力的加速度測(cè)量 伺服式加速度計(jì) 原理：按力平衡反饋原理構(gòu)成 的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng) 特點(diǎn)

12、：精度高、穩(wěn)定性好、線(xiàn) 性好、大信號(hào)輸出；有靜態(tài)響 應(yīng)；等效阻尼和固有頻率易調(diào) 整；頻率范圍窄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 應(yīng)用:沖擊、瞬時(shí)隨機(jī)測(cè)量和低 頻測(cè)量；特別適宜火箭、導(dǎo)彈 、飛機(jī)、輪船的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 。 基于慣性力的加速度測(cè)量基于慣性力的加速度測(cè)量 伺服式加速度計(jì) 2 2 2 2 dt xd miSKz dt dz c dt zd m F 2 2 2 2 2 2 dt xd z dt dz dt zd nn mkSSS Fsdn / )( 2 mkSSS c Fsd / )(2 當(dāng)系統(tǒng)處于加速度計(jì)工作狀態(tài) 時(shí)，有n 。 )/(1 1 2 00 FsdF L n a SSSkS mR z U a U S 選用剛度小的彈簧， 使得kSdSsSF Bl mR S mR S L F L a 基于慣性力的加速度測(cè)量基于慣性力的加速度測(cè)量 石英撓性擺式加速度計(jì) 石英饒性擺式加速度計(jì)是一種機(jī) 械式加速度計(jì)，廣泛應(yīng)用于航空、 航天、航海、交通、石油、建筑 等各個(gè)領(lǐng)域。這種加速度計(jì)具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度和靈敏 度高、穩(wěn)定性好、功耗小、成本 低等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域的導(dǎo)彈、 運(yùn)載火箭中的應(yīng)用更加普遍。 基于慣性力的加速度測(cè)量基于慣性力的加速度測(cè)量 電阻應(yīng)