運動參量的測量1

1、第 章 運動參量的測量本章所述運動參量的測量是指描述物體運功狀態(tài)的三個基本參量，即位移、速度、加速度的測量。在研究機(jī)器零部件的運動規(guī)律、力能關(guān)系及工藝參數(shù)等情況時，都要涉及到運動參量的測量。此外，其他物理量如力參量，物位，溫度，流量等的測量，也是不同程度的以運動參量的測量為基礎(chǔ)的。因而運動參量的測量廣泛應(yīng)用于工藝參數(shù)的自動檢測、控制和生產(chǎn)設(shè)備的自動化方面。第1節(jié) 位移的測量位移測量是線位移和角位移測量的統(tǒng)稱。位移測量在工程中應(yīng)用很廣泛，這不僅在工程中經(jīng)常要求精確地測量零部件的位移和位置，而且力、壓力、扭矩、速度、加速的、流量等許多參數(shù)的測量，也是以位移測量為基礎(chǔ)的。位移是向量，出了確定其大小之

2、外，還應(yīng)確定其方向。一般情況下，應(yīng)使測量方向與位移方向重合，這樣才能真實的測量出位移的大小。測量位移時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的測量對象，選擇恰當(dāng)?shù)臏y量點、測量方向和測量系統(tǒng)。位移測量系統(tǒng)由位移傳感器、相應(yīng)的測量放大電路和終端顯示裝置組成。針對位移測量的場合，可采用不通用途的位移傳感器。表（）中列出了較常見的位移傳感器的主要特點和使用性能。 由于在不同的場合下對位移測量的精度要求不同，位移參量本身的量值特征、頻率特征的不同，自然地形成了多種多樣的位移傳感器及其相應(yīng)的測量電路或系統(tǒng)。以下將按照傳感器類型的不同介紹幾種常見的測量方法。 一、光圖象位移傳感器 圖6-1所示的位移傳感器是用來跟蹤垂直于視線的平面

3、內(nèi)的運動目標(biāo)的。通常在運動物體上固定一個由黑白兩區(qū)組成的目標(biāo)，其黑白分界線與運動方向垂直。目標(biāo)1由透鏡2聚焦在析象管3的光陰極4上而成象5。光陰極的后表面依據(jù)其前表面上的目標(biāo)象的照度，成比例發(fā)射電子。析象管的電子光學(xué)系統(tǒng)的電場(未畫出)使其在析象管中加速，并聚焦在具有，一個中心小孔7的圓盤6上。這個“電子象”只有一小部分通過小孔而到達(dá)電子倍增器8,并使電子倍增器產(chǎn)生與該小部分強(qiáng)度成比例的輸出電流。當(dāng)電子象的白區(qū)進(jìn)人電子倍增器時，將產(chǎn)生最大輸出；反之，黑區(qū)進(jìn)人電子倍增器時，將產(chǎn)生最小的輸出;當(dāng)分界線處于小孔之內(nèi)時，將產(chǎn)生與小孔內(nèi)黑白比例相當(dāng)?shù)妮敵?。設(shè)小孔內(nèi)電子象的黑白各半，即目標(biāo)分界線位于小孔中

4、央時的輸出為。在其他任何情況卜，若從電子倍增器的輸出減去，可得到跟蹤信號，它將與分界線對中心位置的偏移量成比，其正號或負(fù)號表示孔中白區(qū)較大或黑區(qū)較大。析象管有一個偏轉(zhuǎn)線圈9,可控制電子象的位置。當(dāng)跟蹤信號經(jīng)放大后送人該線圈，并能在黑區(qū)過大時，驅(qū)動電子象朝加大白區(qū)的方向運動。從而構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)，以保持分界線永遠(yuǎn)處于小孔中央，同時放大器的輸出也與被測目標(biāo)的位移成正比。如果要求系統(tǒng)有較高的精確度和跟蹤速度時，則要求回路有足夠大的增益。這種伺服系統(tǒng)中。沒有機(jī)械運動元件，其滯遲甚小，因而既易于滿足上述要求，又不損害系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若需測量物體平面運動的兩互相垂直方向的位移，則需對該系統(tǒng)進(jìn)行一些改進(jìn)。 這

5、類系統(tǒng)滿刻度位移在0.05mm到幾米之間(取決于目標(biāo)的距離和所用的光學(xué)系統(tǒng))，線性誤差低于1%，單向跟蹤工作頻率可超過100，近程的分辨力可達(dá)百分之幾微米。二、應(yīng)變片式位移傳感器它的測定原理是利用一彈性元件把位移量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量，而后用應(yīng)變片、應(yīng)變儀等測量記錄。用以測量位移的彈性元件和應(yīng)變片等組件，稱應(yīng)變片式位移傳感器。它的種類也有多種，其區(qū)別點就在于彈性元件的結(jié)構(gòu)形式。常用的彈性元件有懸臂梁、圓環(huán)和半圓環(huán)等。如圖7-2所示的懸臂梁彈性元件，若在其自由端有的位移作用，則梁表面會產(chǎn)生彎曲應(yīng)變，其值與成正比。通過如圖的貼片測出應(yīng)變，就可測得位移量。位移與應(yīng)變間的關(guān)系，隨梁的結(jié)構(gòu)形式不同而異。 圖6-

6、2應(yīng)變片式位移傳感器對于等斷面梁，貼片處的應(yīng)變與位移或撓度間的關(guān)系為或 式中l(wèi), h梁的長度、厚度; x從自由端到貼片處距離。 若按圖6-2所示的方法貼片和接橋，則位移與應(yīng)變儀讀數(shù)的關(guān)系為 （6-1）對于等強(qiáng)度梁，則有 （6-2） 這種測量方法一般只用于小位移< 250m的情況下。其主要特點是結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定、可靠，有較高的測量精度和良好的線性關(guān)系，與之配用的測量電路和儀器也較為成熟。 懸臂梁一般用彈簧鋼或磷銅片制成。梁的尺寸應(yīng)該按所測的位移來選擇。給定(一般取5001000)，根據(jù)所測位移量，就可由式(6-1)或式(6-2)選擇合適的l與h。為了盡量減小對被測對象的影響，設(shè)計彈性梁時

7、，應(yīng)根據(jù)具體情況將變形梁的剛度限制在一定的程度。圖6-3 圓環(huán)式彈性元件及其貼片和接橋 圖6-3所示的圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件，當(dāng)它在被測位移的作用時，會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和應(yīng)變，其應(yīng)變值與位移成正比。圓環(huán)的貼片和接橋如圖6-3 a, b所示。半圓環(huán)的貼片、接橋如圖6-3 c , d所示。由于這種方法直接測量的位移量較小，為了擴(kuò)大其量程，可通過一些裝置將小位移進(jìn)行變換。圖6-4所示就是用一斜面將小位移變換成大位移的裝置。 圖 6-4 擴(kuò)大位移量程裝置圖6-5 差動變壓器的組成和接線三 干涉式位移測最裝置 光波的干涉現(xiàn)象是現(xiàn)代長度和位移測量的重要基礎(chǔ)。激光的良好單色性使它在此領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。邁克耳遜

8、干涉儀(圖6一6)是最為典型的，并成為眾多干涉儀發(fā)展的基礎(chǔ)。單色光在分束器處分為兩束光，一束在其表面反射，一束透過分束器。前者經(jīng)固定反射鏡的反射并透過分束器而到達(dá)觀察處;后一束光經(jīng)可動反射鏡和分束器的反射，也到達(dá)觀察處，兩者發(fā)生干涉。可動反射鏡的移動改變著后一束光的光程，從而改變著兩光束的光程差，使得干涉狀態(tài)產(chǎn)生變化。在可動反射鏡的移動過程中，兩束光的干涉隨之成交替增強(qiáng)和消弱的變化，觀察者看到一系列交替出現(xiàn)的明、暗條紋。當(dāng)可動反射鏡移動半個波比的距離，光程差為一個波長，光的干涉完成由明到暗再到明的一個變化過程。只要數(shù)出這種變化過程的次數(shù)，就可以得知移動的距離。這種簡單的干涉儀對外界條件變化很敏

9、感，因而只適于在實驗室內(nèi)使用。近年來已有多種經(jīng)過改進(jìn)的更實用的干涉儀問世。 圖 6-6 邁克耳遜干涉儀原理圖 1-固定反射鏡2-可動反射鏡3一半反射半透射分束器 4一單色光源5一觀察者四 光電脈沖式位移傳感器光電脈沖式位移傳感器實際上是一個位移一數(shù)字編碼器，工作時可將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成一定數(shù)量的電脈沖信號輸出。其工作原理如圖6-7所示。 圖6-7a是測量角位移的透射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器。圓盤1上開有均布的孔或槽，以透射光線。當(dāng)圓盤i與被測軸2一起轉(zhuǎn)動時，照射到光電管4上的光線就會時通時斷，通過光電管的光電效應(yīng)以及測量電路的變換就輸出電脈沖;電脈沖的數(shù)目與光線的通斷次數(shù)成正比，即與軸的轉(zhuǎn)角成正比。根據(jù)電

10、脈沖的數(shù)目就可測出被測軸的轉(zhuǎn)角。圖6-7b是測量線位移的反射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器。工作原理與透射式的基本相同，不同點僅在于照射光電管的光是靠反射光。在平板5上劃有黑白相間的等矩反光條帶，當(dāng)平板與被測件一起運動時，反射到光電管4上的光線就會時有時無，同理就可輸出電脈沖信號，其電脈沖數(shù)目與線位移成正比。光電脈沖式位移傳感器的后續(xù)測量電路和顯示記錄裝置如圖6-8的框圖所示。輸出的電脈沖信號可用示波器直接記錄或用計數(shù)器計數(shù)和數(shù)字打印機(jī)打印。 圖 6-7 光電脈沖式位移傳感器的組成 a)透射式 b）反射式 1一轉(zhuǎn)動圓盤 z一被測軸 3一光源 4一光電管 5一移動平板 圖 6-8 測量電路及其系統(tǒng)組成上述方法

11、，無法判斷位移的正負(fù)方向。在需要判斷方向的場合，需要多加一個光電管和一套測量電路。兩光電管的裝設(shè)位置如圖6-9所示。采用兩個光電管后，當(dāng)圓盤順時針轉(zhuǎn)動時，光電管2比1先感光;當(dāng)逆時針轉(zhuǎn)動時，光電管1比2先感光;我們可通過光電管感光先后次序的不同，來判斷其轉(zhuǎn)動方向。所以它的測量電路有兩路，經(jīng)邏輯電路對兩路信號作出比較判斷后給出方向信號，其測量線路框圖如圖6-10所示。 圖6-9 光電管位置示意圖 圖 6-10 判斷位移方向的電路框圖 其輸出信號有方向信號與脈沖信號。當(dāng)用示波器記錄時，可用兩個或三個振子分別記錄方向信號和脈沖信號，處理數(shù)據(jù)時進(jìn)行加減處理，才得真實位移。用計數(shù)器計數(shù)時，要用可逆計數(shù)器

12、，方向信號(+)、(一)控制計數(shù)器的“加”“減”法運算，脈沖信號作計數(shù)器的計數(shù)脈沖，計數(shù)器所計的脈沖數(shù)就與實際位移成正比。如再增加脈沖數(shù)一位移轉(zhuǎn)換電路，則可制成各種數(shù)字式儀表，在LED等顯示器上直接讀出待測位移量。 這種測量方法的兩個顯著特征是測量的非接觸和信號的數(shù)字化。由此而派生出來的優(yōu)點是不影響被測對象、易于信號的傳輸和處理、測量裝置的安裝，使用方便、測量范圍大，長度可達(dá)數(shù)米，角度可在范圍內(nèi)進(jìn)行測量等。當(dāng)采用普通光源和器件時，分辨率較低因此這種測量方法常用于精度要求一般的大位移測量和簡易數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)中。五 光柵式數(shù)字位移傳感器 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各式各樣的數(shù)寧式位移傳感器。常用的數(shù)

13、字位移傳感器有:計量光柵、感應(yīng)同步器、磁柵和編碼器等。它們都有線位移測量和角位移測量的兩種構(gòu)造型式。下面概略介紹光柵式線位移傳感器，其它數(shù)字式位移傳感器可參閱有關(guān)書籍。 光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學(xué)元件。用于位移測量的光柵稱為計量光柵。圖6-11為透射光柵的示意圖，圖中a為刻線寬度，b為縫隙寬度，a+b=W稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù))。通常情況下a=b,或a:b二1.1:0.9。線紋密度一般為每毫米100、5O、25和10線。有些柵距達(dá)1-2nm，現(xiàn)已少用。 圖6-11 透射光柵示意圖 a)標(biāo)尺光柵 b)指示光柵 c )光路系統(tǒng)1一光源 2一聚光鏡3-標(biāo)尺光枷 4-指示光

14、柵 5一光電元件光柵傳感器又稱光柵讀數(shù)頭，主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成圖(6-11c)。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍。必要時，標(biāo)尺光柵還可接長，以擴(kuò)大測量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者刻有同樣?xùn)啪?。使用時兩光柵相互重疊，兩者之間有微小的空隙d(取,有效光波長)，使其中一片固定，另一片隨著被測物體移動，即可實現(xiàn)位移測量。 光柵式位移傳感器具有分辨力高(可達(dá)1m或更小)、測量范圍大(幾乎不受限制)、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點，且易于實現(xiàn)數(shù)字化測量和自動控制，是數(shù)控機(jī)床和精密測量中應(yīng)用較廣的一種檢測元件。其缺點是對使用環(huán)境要求較高，在現(xiàn)場使用時要求密封，以防止油污、灰塵、鐵屑等

15、的污染。 (一)光柵測量原理當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的線紋相交一個微小的夾角時，由于擋光效應(yīng)(對線紋密度50條/mm的光柵)或光的衍射作用(對線紋密度100條/mm的光柵)，在與光柵線紋大致垂直的方向上(確切地說是兩線紋夾角的等分線上)，產(chǎn)生出亮暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫爾條紋”（圖6-12）。 圖 6-12光柵莫爾條紋的形成 a-a亮條紋 b-b一暗條紋 莫爾條紋有如下的重要特征: 1莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。 2在兩光柵沿刻線的垂直方向作相對移動時，莫爾條紋在刻線方向移動。兩光柵相對移動一個柵距W，莫爾條紋也同步移

16、動一個間距，固定點上的光強(qiáng)則變化一周。而且在光柵反向移動時，莫爾條紋移動方向也隨之反向。3)莫爾條紋的間距與兩光柵線紋夾角之間的關(guān)系為 （6-3）式中 莫爾條紋的間距; W光柵柵距;兩光柵刻線間的夾角（rad）。從式(6一3)中看出，W一定時，B越小，則越大。這相當(dāng)于把柵距放大了1/倍，提高丁測量的靈敏度。若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強(qiáng)的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為如圖6-13所示的電信號(電壓或電流)輸出，輸出的幅值可用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示。以電壓輸出而言 (6-4)式中 u光電元件輸出的電壓信號;輸出信號中的平均直流分量;輸出正弦信一號的幅值; x兩光柵間的瞬時相對位移。 將此電壓信號

17、經(jīng)過放大、整形變?yōu)榉讲ǎ?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，再經(jīng)過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可在顯示元件上以數(shù)字形式實時地顯示出位移量的大小。位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積。當(dāng)柵距為單位長度時，所顯示的脈沖數(shù)則直接表示出位移量的大小。圖 6-13 光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系(二)辨向原理注意到無論可動光柵片是向前或向后移動，在一固定點上觀察時，莫爾條紋同樣都是作明暗交替的變化，后面的數(shù)字電路都將發(fā)生同樣的計數(shù)脈沖，從而無法判別光柵移動的方向，也不能正確測量出有往復(fù)移動時位移的大小。因而必須在測量電路中加入辨向電路。 圖6-14示出了辨向的工作原理和它的邏輯電路。兩個相隔1/4莫爾條紋間距的光電元件，將

18、各自得到相差/2的電信號和。它們經(jīng)整形后得到兩個方波信號和。從圖中波形的對應(yīng)關(guān)系可看出，當(dāng)光柵沿A方向移動時，經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖(如圖中實線所示)正好發(fā)生在，處于“1”電平時，從而經(jīng)輸出一個計數(shù)脈沖;而，經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖(如圖中虛線所示)則與的“0”電平相遇，與門被阻寒，沒有脈沖輸出:在光柵沿A方向移動時，的微分脈沖發(fā)生在為“0”電平時，與門無脈沖輸出;而的反相微分脈沖則發(fā)生在的“1”電平時，與門輸出一個計數(shù)脈沖。即是說用的電平狀態(tài)作為與門的控制信號，來控制在不同的移動方向時，所產(chǎn)生的計數(shù)脈沖的輸出路線。這樣就可以根據(jù)運動方向正確地給出加計數(shù)脈沖或減計數(shù)脈沖，再將其輸人可逆計數(shù)器，

19、即可實時顯示出相對于某個參考點的位移量。 圖 6-14 辨向邏輯工作原理1、2一光電元件3, 4一光柵 A一光柵移動方向 B與A-對應(yīng)的莫爾條紋移動方向(三)細(xì)分技術(shù)前面所討論的是以移過的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量，其分辨力為光柵柵距。為了提高分辨力和測得比柵距更小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)。它是指在莫爾條紋信號變化的一個周期內(nèi)，給出若干個計數(shù)脈沖來減小脈沖當(dāng)量的方法。細(xì)分方法有機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分兩類。下面介紹電子細(xì)分法中較常用的四倍頻細(xì)分法。這種細(xì)分法也是許多其它細(xì)分法的基礎(chǔ)。在上述辨向原理中已知，在相差位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差的電信號.若將這兩個信號反相就可以得到四個依次相差

20、的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四倍頻細(xì)分。也可以在相差位置上安放四只光電元件來實現(xiàn)四倍頻細(xì)分。這種方法不可能得到高的細(xì)分?jǐn)?shù)，因為在一個莫爾條紋的間距內(nèi)不可能安裝更多的光電元件。但它有一個優(yōu)點，就是對莫爾條紋產(chǎn)生的信號波形沒有嚴(yán)格要求。第2節(jié) 速度的測量速度的測量方法，常用的有下列幾種。1、 通過電氣微分位移電壓信號來測量速度 這種方法是把位移傳感器的輸出電壓加在一適當(dāng)?shù)奈⒎蛛娐返木硕?，以獲得與速度成正比的電壓信號。但微分作用將增強(qiáng)存在于位移信號中的低幅而高頻的噪聲，這是采用這種方法存在的主要問題，當(dāng)用這種方法設(shè)計速測系統(tǒng)時，要特別注意。二、用測速發(fā)電機(jī)測量速度測

21、速發(fā)電機(jī)是一種微型電機(jī)，有直流和交流兩類。直流測速電機(jī)的激磁有永磁和電磁(它激)兩種。圖6-15是它激測速電機(jī)的測試電路。當(dāng)它的電樞隨被測軸轉(zhuǎn)動時，電樞電路有電壓輸出，其值與被測軸轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)成正比，因而可根據(jù)其輸出電壓的大小來測定轉(zhuǎn)速。測速電機(jī)在實際運轉(zhuǎn)中，由于負(fù)載電流的存在和電樞反應(yīng)的影響，破壞了其輸出電壓與轉(zhuǎn)速間的線性關(guān)系。為了保證其線性關(guān)系，要求負(fù)載電阻要大、轉(zhuǎn)速不能太高。另外，測速電機(jī)存在不靈敏區(qū)，即對過低的轉(zhuǎn)速沒有反應(yīng)。所以，被測軸與測速電機(jī)的聯(lián)接形式(直接或經(jīng)增、減速機(jī)構(gòu)聯(lián)接)，需根據(jù)被測軸的工作速度范圍與測速電機(jī)的工作特性綜合考慮而定。圖 6-15 測速發(fā)電機(jī)的測試電路測速

22、發(fā)電機(jī)的輸出電壓可直接由光線示波器記錄。由于振子的內(nèi)阻很小，故應(yīng)串接一個較大的負(fù)載電阻。為了消除由于電刷接觸與其它原因引起的干擾信號，在測試電路中加入了RC低通濾波器，以便將高頻噪聲濾掉。見圖6-15。在某些情況下，測速電機(jī)也可用來測量線速度，但需將直線運動變換成電樞的轉(zhuǎn)動。測速電機(jī)可在專門裝置上進(jìn)行標(biāo)定，也可在已知轉(zhuǎn)速的裝置，例如車床上進(jìn)行。 三、用磁電式速度傳感器測量速度 磁電式線速度傳感器主要用于振動測試中振動速度的測量，有相對式和絕對式兩種。相對式傳感器既可用于兩振動物體間的相對振動速度測量，也可用于絕對振動速度的測量，但需要一個靜止的基座作為參考基準(zhǔn)。絕對式也稱慣性式速度傳感器，由于

23、不需要參考基準(zhǔn)，使用時可直接安裝在振動體上進(jìn)行測量，因而在地面振動測量、機(jī)械振動的測試及振動監(jiān)測與研究等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。圖6-16為這種絕對式速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。 圖 6-15 絕對式速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖1一磁鋼2一鋁架3一外殼4一線圈架5一銅阻尼環(huán)6一線圈7一引線8一軸芯9. 10一彈簧11-接線座磁鐵、殼體以及它們之間的空氣隙形成磁回路，裝在芯軸上的線圈、阻尼環(huán)等組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊并可在氣隙中運動。這個質(zhì)量塊由彈簧9, 10支承。由于彈簧片的徑向剛度大，軸向剛度很小，因此可以保證慣性系統(tǒng)既能得到可靠的徑向支承，又有很低的軸向固有頻率。銅制的阻尼環(huán)增加了系統(tǒng)的質(zhì)量，有助于降低系統(tǒng)的固

24、有頻率，但設(shè)置阻尼環(huán)的主要目的是為了利用閉合銅環(huán)在磁場中運動時產(chǎn)生的電磁阻尼力使振動系統(tǒng)具有合理的阻尼比。 從對頻率特性的要求看，希望系統(tǒng)具有低的固有頻率。由可知，低就意味著彈簧剛度(軸向)k小，質(zhì)量m大。因此，要低到一定限度不僅引起結(jié)構(gòu)上的困難，而且系統(tǒng)也容易受交叉振動的影響，實際傳感器的固有頻率為10-15Hz。進(jìn)一步的理論分析表明，當(dāng)系統(tǒng)的阻尼比=0.6-0.7時，可得到較寬的工作頻帶，也有助于迅速衰減意外擾動所引起的振動。但該阻尼比下的相頻特性曲線不是一直線，因此，當(dāng)被測信號的頻率時，還應(yīng)注意到測得波形的相位移或相頻失真。4、 激光多普勒測速方法 激光多普勒測速法是測量目標(biāo)運動速度的一

25、種新方法。利用激光器作為光源，當(dāng)運動物體與光波有相對運動時，就會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，采用光電外差技術(shù)即可檢測出多普勒頻率，從而計算出被測物體的運動速度。這種方法也可以用來側(cè)量流體或粒子的運動速度、湍流速度等。激光多普勒測速法，簡稱為LDVo 激光多普勒測速的主要優(yōu)點如下:空間分辨力高，探測光點是一個橢球形，短軸小到數(shù)十微米，長軸小到數(shù)百微米;測得速度的準(zhǔn)確度高;頻率響應(yīng)快;動態(tài)范圍廣，為非接觸測量。其原理如下:激光器S發(fā)射的激光速度為c，波長為，以表示被光源S照射的物體P相對于光源的運動速度，a表示物體運動方向和光速傳播方向之間的夾角，如圖6-16(a)所示。對于物體P，光的傳播速度為: （6-5

26、）式中 C激光傳播速度，。由于光源發(fā)出的光的波長幾沒有變化，所以運動物體P接到的光波的頻率由式（6-5）可以算出，即: （6-6）當(dāng)=0時， (6-7)或 （6-8）稱為多普勒頻率，物體的運動速度為: （6-9） 圖6-16(b)為前向接收光路示意圖。激光器發(fā)出的一束光，給分束器分為光強(qiáng)相等的兩束光，經(jīng)發(fā)射透鏡后相交于測點P(即透鏡焦點)。運動物體經(jīng)過該兩光相交區(qū)時會發(fā)出散射光，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此，相對于光束I和光束運動的物體所分別發(fā)出的兩種散射光的光波頻率已不再是激光器發(fā)出的光波頻率，而是分別發(fā)生了第一次多普勒頻移后的光波頻率。這種頻率的散射光的一部分經(jīng)接收透鏡后會聚到針孔光闌面上，經(jīng)過一

27、個很小的針孔(比成像光斑直徑略小一些)把雜散光濾掉，以減小光電檢測器光電倍增管或光電管)產(chǎn)生的噪聲。通過針孔進(jìn)入光電倍增管的表面的兩路散射光發(fā)生第二次多普勒頻移。在光電倍增管的每一點處，這兩次的散射光發(fā)生混頻，產(chǎn)生差頻響應(yīng)的電信號，這正是我們需要的多普勒信號頻率。 圖 6-16 激光多普勒測速 其基本關(guān)系式推導(dǎo)如下; 圖6-16（b)的光路可簡化為圖6-17。根據(jù)式(6-5)及(6-6),P處運動物體所接收到的光束I和光束的頻率(此時發(fā)生了第一次頻移)分別為:(6-10)式中: P點運動物體的速度;、分別在光束I和光束I方向上的投影.、的符號正好相反，正號表示相對于光源移近，負(fù)號表示相對于光源

28、移遠(yuǎn)。 根據(jù)光的散射理論，運動物體在P處以接收到的光彼的相同頻率發(fā)出散射光，在光電接收器表面的A點接收到兩種不同頻率的散射光，一種是由光束I產(chǎn)生的，另一種是由光束產(chǎn)生的，其頻率分別為: (6-11)式中:在線段PA方向上的投影。前的符號是一致的，均為正。如果在B點接收，則前的符號均為負(fù)。這就是第二次頻移，即第二次產(chǎn)生的多普勒頻率。在A點處發(fā)生混頻，兩者的差頻即為所求的信號頻率，即: (6-13)將式(6-10)代人上式，忽略高階微量后可得:同理，可得光電檢測器上任一點B處的信號頻率為：由此可見，檢測器接收的信號頻率與接收方位無關(guān).若反向，則或 （6-14）式中:激光器發(fā)出的光波波長(m);兩束

29、人射光之間的夾角(rad ) ;多普勒頻率C);運動物體(或運動粒子)在x軸方向的速度分量(m /s )，x軸位于兩光束決定的 平面內(nèi)且與角的平分線垂直。圖 6-17 測點和光電檢測器的光場前述把激光器發(fā)出的光分為兩束，它們的偏振方向相同，相交于經(jīng)P為中心的一個區(qū)域，相互干涉形成明暗相交的干涉條紋，亮條紋和暗條紋相互平行并與x軸平行。理論上可證明，在干涉場中，相鄰兩亮條紋之間或暗條紋之間的距離d相等，其表達(dá)式為:若被測物體或粒子以的速度經(jīng)過兩條紋的時間為T，則，此即多普勒頻率對應(yīng)周期，所以也有或在實際的測速系統(tǒng)中，可以用多種方法得到多普勒頻率。第3節(jié) 加速度的測量 一、線加速度的測量線加速度用

30、加速度傳感器來進(jìn)行測定。加速度傳感器根據(jù)其轉(zhuǎn)換器的形式分為應(yīng)變片式、差動變壓器式和壓電式等。1、 慣性加速度測量慣性加速度測量原理是“擺”的工作原理。如圖6-18所示，當(dāng)傳感器殼體相對地球重力方向有加速度a時，擺錘m相對殼體擺動一個角度。通過敏感元件檢測出這個角度，就可以換算慣性件加速度。m圖6-18 擺式慣性加速度測量原理2.應(yīng)變片式加速度傳感器 其結(jié)構(gòu)如圖6-19所示，它的彈性元件為懸臂梁，在梁的端部有一質(zhì)量塊m。當(dāng)構(gòu)件以加速度a運動時，彈性元件受慣性力Q= ma的作用而產(chǎn)生彈性變形，其變形量與加速度a成正比。因此，測出懸臂梁的應(yīng)變值就可測得加速度a的大小。 根據(jù)材料力學(xué)的理論有，所以，當(dāng)懸臂梁是等強(qiáng)度梁時，貼片處的應(yīng)變?yōu)槭街?W梁的抗彎截面系數(shù); l梁的長度; E彈性模量。圖 6-19 應(yīng)變片式加速度傳感器若應(yīng)變片、按半橋接法，則加速度a與儀器應(yīng)變讀數(shù)間的關(guān)系為當(dāng)懸臂梁為等截面梁時，也可導(dǎo)出類似的關(guān)系式中l(wèi)'貼片處到質(zhì)量塊中心的距離。 可見，由應(yīng)變儀的輸出讀數(shù)或示波器的記錄波形，就可求得加速度的大小或變化規(guī)律。用懸臂梁作彈性元件的加速度傳感器，已有系列產(chǎn)品，其測量范圍為lg