第6章 速度、轉(zhuǎn)度、加速度測(cè)量

1、第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 速度、轉(zhuǎn)速和加速度的測(cè)量在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防中應(yīng)用較速度、轉(zhuǎn)速和加速度的測(cè)量在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防中應(yīng)用較多多 如汽車、火車、輪船及飛機(jī)等行駛速度和加速度的測(cè)量；如汽車、火車、輪船及飛機(jī)等行駛速度和加速度的測(cè)量；發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等輸出軸的轉(zhuǎn)速測(cè)量；鋼鐵工發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等輸出軸的轉(zhuǎn)速測(cè)量；鋼鐵工業(yè)軋制板帶材、棒管材等產(chǎn)品速度的測(cè)量；氣象部門對(duì)大自業(yè)軋制板帶材、棒管材等產(chǎn)品速度的測(cè)量；氣象部門對(duì)大自然風(fēng)速的測(cè)量；工業(yè)部門對(duì)大型設(shè)備和工程中振動(dòng)加速度的然風(fēng)速的測(cè)量；工業(yè)部門對(duì)大型設(shè)備和工程中振動(dòng)加速度的測(cè)量等。測(cè)量等。 機(jī)

2、車各方向振動(dòng)加速度是評(píng)價(jià)機(jī)車行車安全性能和乘坐舒適機(jī)車各方向振動(dòng)加速度是評(píng)價(jià)機(jī)車行車安全性能和乘坐舒適感的重要?jiǎng)恿W(xué)性能指標(biāo)感的重要?jiǎng)恿W(xué)性能指標(biāo), ,每種新研制機(jī)車在正式上線運(yùn)行前每種新研制機(jī)車在正式上線運(yùn)行前, ,都要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)和測(cè)試都要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)和測(cè)試, ,并按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)并按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià), ,這其中就包括了振動(dòng)加速度的測(cè)試和評(píng)價(jià)。這其中就包括了振動(dòng)加速度的測(cè)試和評(píng)價(jià)。第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 6.1 6.1 速速 度度 測(cè)測(cè) 量量速度速度測(cè)量測(cè)量線速度測(cè)量（線速度測(cè)量（m/sm/s，km/h)km/h) 角速度測(cè)量角速

3、度測(cè)量(rad/s) (rad/s) 轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量( (轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分）分）2 nRotary speed：revolutions per minute (r.p.m.)，nAngular Velocity：Linear Velocity：v第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 一、測(cè)量方法一、測(cè)量方法 1. 時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速：根據(jù)線速度的定義，可以根據(jù)物時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速：根據(jù)線速度的定義，可以根據(jù)物體在一定時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離或者根據(jù)物體移動(dòng)一定距體在一定時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離或者根據(jù)物體移動(dòng)一定距離所需的時(shí)間求得，這種方法只能求某段距離或時(shí)間離所需的時(shí)間求得，這種方法只

4、能求某段距離或時(shí)間的平均速度。的平均速度。s越小，越接近瞬時(shí)速度。越小，越接近瞬時(shí)速度。u 光束切斷法光束切斷法u 相關(guān)法相關(guān)法u 空間濾波器法空間濾波器法svt第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 vr3. 3. 利用物理參數(shù)測(cè)量：多普勒效應(yīng)、流體力學(xué)定律、利用物理參數(shù)測(cè)量：多普勒效應(yīng)、流體力學(xué)定律、 電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理4. 4. 加速度積分法和位移微分法加速度積分法和位移微分法2.2.角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化。角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化。5. 5. 陀螺測(cè)速法陀螺測(cè)速法二、測(cè)量原理二、測(cè)量原理第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 1、光束

5、切斷法、光束切斷法 光束切斷法檢測(cè)速度適合于定尺寸材料的速度檢測(cè)。光束切斷法檢測(cè)速度適合于定尺寸材料的速度檢測(cè)。 非接觸式測(cè)量，測(cè)量精度較高。非接觸式測(cè)量，測(cè)量精度較高。 LvNT第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 原理：原理：利用隨機(jī)過程互相關(guān)函數(shù)確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法；利用隨機(jī)過程互相關(guān)函數(shù)確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法； 組成：組成：兩個(gè)相距為兩個(gè)相距為L(zhǎng) L的相同的傳感器，如光電傳感器、超聲的相同的傳感器，如光電傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器等；波傳感器、電渦流傳感器等； 檢測(cè)：檢測(cè)：表面粗糙度、表面缺陷、表面標(biāo)記等；表面粗糙度、表面缺陷、表面標(biāo)記等； 處理：處理：在測(cè)量

6、條件基本相同的情況下，在測(cè)量條件基本相同的情況下，y(t)y(t)的波形和的波形和x(t)x(t)是是相似的，只是時(shí)間上推遲了相似的，只是時(shí)間上推遲了t t0 0(=L/v)(=L/v)，即要求出，即要求出t t0 0。2、相、相 關(guān)關(guān) 法法第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 圖3 相關(guān)測(cè)速原理圖 其物理含義是其物理含義是x(t)x(t)延遲延遲t to o 后成后成x(tx(tt t0 0) )，其波形將和，其波形將和y y（t t）幾乎重疊，因此互相關(guān)值有最大值。幾乎重疊，因此互相關(guān)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、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 3、空間濾波器法、空間濾波器法 空間濾波器件與被測(cè)物體同步運(yùn)動(dòng)，測(cè)定單位空間內(nèi)空間濾波器件與被測(cè)物體同步運(yùn)動(dòng)，測(cè)定單位空間內(nèi)信號(hào)的時(shí)間頻率；信號(hào)的時(shí)間頻率； 空間濾波器：柵板，在空間長(zhǎng)空間濾波器：柵板，在空間長(zhǎng)L內(nèi)有內(nèi)有N個(gè)等距柵縫，當(dāng)個(gè)等距柵縫，當(dāng)柵板的移動(dòng)速度為柵板的移動(dòng)速度為v，移動(dòng)距離，移動(dòng)距離L的時(shí)間為的時(shí)間為t0 空間頻率：空間頻率： （單位空間長(zhǎng)度內(nèi)變化次數(shù)）（單位空間長(zhǎng)度內(nèi)變化次數(shù)） 時(shí)間頻率：時(shí)間頻率： 速度：速度：NL0Nft0LNff

8、vtN第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 可用于生產(chǎn)過程中的塑料板帶、布、鋼板帶等速度檢測(cè)。注意測(cè)量輥與被測(cè)物之間的滑移所造成的測(cè)量誤差。4、接、接 觸觸 輥輥 法法 特點(diǎn)：應(yīng)用最廣泛的一種方法。特點(diǎn)：應(yīng)用最廣泛的一種方法。 方法：把旋轉(zhuǎn)輥輪（測(cè)量輥）接觸在行進(jìn)的物體上，被測(cè)物方法：把旋轉(zhuǎn)輥輪（測(cè)量輥）接觸在行進(jìn)的物體上，被測(cè)物體以速度體以速度v行進(jìn)并帶動(dòng)測(cè)量輥轉(zhuǎn)動(dòng)，由測(cè)量輥的轉(zhuǎn)速和周長(zhǎng)求行進(jìn)并帶動(dòng)測(cè)量輥轉(zhuǎn)動(dòng)，由測(cè)量輥的轉(zhuǎn)速和周長(zhǎng)求得物體的行進(jìn)速度。得物體的行進(jìn)速度。vr第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 5、皮托管測(cè)速法、皮托管測(cè)速法皮托管

9、是測(cè)量流體速度的主要工具之一皮托管是測(cè)量流體速度的主要工具之一, ,廣泛用于船舶廣泛用于船舶和飛行體的測(cè)速。和飛行體的測(cè)速。在測(cè)量時(shí)，只要把皮托管對(duì)準(zhǔn)流體流動(dòng)的方向，使內(nèi)管在測(cè)量時(shí)，只要把皮托管對(duì)準(zhǔn)流體流動(dòng)的方向，使內(nèi)管頂端（滯止點(diǎn)）能感受全壓力頂端（滯止點(diǎn)）能感受全壓力p pt t，而具有靜壓孔的外管感，而具有靜壓孔的外管感受靜壓力受靜壓力p ps s即可。即可。第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 （一）（一） 皮托管的結(jié)構(gòu)皮托管的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)皮托管用兩根不同內(nèi)徑管子同心套接標(biāo)準(zhǔn)皮托管用兩根不同內(nèi)徑管子同心套接而成，內(nèi)管通直端尾接頭，是全壓管，外而成，內(nèi)管通直端尾接頭，

10、是全壓管，外管通側(cè)接頭，是靜壓管。管通側(cè)接頭，是靜壓管。第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 （二）皮托管測(cè)速原理（二）皮托管測(cè)速原理222()vtsvpppvvtstsvpppppp全壓靜壓動(dòng)壓動(dòng)壓（動(dòng)壓（Pv）靜壓（靜壓（Ps）全壓全壓（Pt)第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 修正后的流速公式：修正后的流速公式：2()tsvpp 為皮托管系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。 一般在0.991.01之間。第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 （三）（三） 測(cè)量誤差分析測(cè)量誤差分析總壓孔直徑：總壓孔直徑：d=0.5D靜壓孔直徑：靜壓孔直

11、徑：d1=0.12D靜壓孔距端部距離：靜壓孔距端部距離：34D靜壓孔離支桿距離：靜壓孔離支桿距離：810D 皮托管頭部和支桿對(duì)流場(chǎng)的影響皮托管頭部和支桿對(duì)流場(chǎng)的影響1、皮托管的形狀影響、皮托管的形狀影響第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 2、皮托管偏離特性的影響、皮托管偏離特性的影響結(jié)論：結(jié)論：皮托管方皮托管方向要正對(duì)向要正對(duì)流體流向流體流向。第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 多普勒（奧地利）物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家 （1803 -1853 -1853 ） 奧地利的物理學(xué)家克里斯琴奧地利的物理學(xué)家克里斯琴約約翰翰多普勒多普勒(C.J.Dopple)

12、(C.J.Dopple)最早描述了最早描述了這個(gè)現(xiàn)象這個(gè)現(xiàn)象, ,于是就稱為多普勒效應(yīng)。于是就稱為多普勒效應(yīng)。它雖然最初是由聲源發(fā)現(xiàn)的它雖然最初是由聲源發(fā)現(xiàn)的, ,但對(duì)但對(duì)于其他的波動(dòng)于其他的波動(dòng), ,比如電磁波和光波比如電磁波和光波也同樣存在也同樣存在, ,并且有著重要的應(yīng)用。并且有著重要的應(yīng)用。6、多普勒測(cè)速、多普勒測(cè)速第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 光學(xué)多普勒效應(yīng)：光學(xué)多普勒效應(yīng)：當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對(duì)運(yùn)當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的光波頻率與入射光波頻率之間存在正比于物動(dòng)時(shí)，接收到的光波頻率與入射光波頻率之間存在正比于物體運(yùn)

13、動(dòng)速度的頻率偏移，這種現(xiàn)象叫光學(xué)多普勒效應(yīng)。體運(yùn)動(dòng)速度的頻率偏移，這種現(xiàn)象叫光學(xué)多普勒效應(yīng)。 散射光頻率和入射光頻率偏移叫多普勒頻移；散射光頻率和入射光頻率偏移叫多普勒頻移；第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 圖圖4 4多普勒效應(yīng)原理多普勒效應(yīng)原理P靜止時(shí)，入射光頻率為：,ic為光速， 為入射光波波長(zhǎng)。0 0i if f = =c c/ /P入射波相對(duì)于 點(diǎn)的速度， f =(c-v k )/ f =(c-v k )/c-v kc-v kp piiiiii(Apparent frequency)若P點(diǎn)以速度 遠(yuǎn)離光源，則對(duì)P點(diǎn)來說入射光的視在頻率為：iv k isK 表

14、示平行于入射光波矢量的單位矢量； K 表示平行于散射光波矢量的單位矢量對(duì)光電探測(cè)器來說，散射光的視在波長(zhǎng)和頻率分別為：P散射波相對(duì)于 點(diǎn)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、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 kiksP121:2為物體至光源方向與物體運(yùn)動(dòng)方向間的夾角;為物體至觀察者方向與物體運(yùn)動(dòng)方向間的夾角其中1212i iv (k

15、-k )v (k -k )s si if =f =ddi iv(cosv(cos+cos+cos ) )= =則散射光與原始光之間的頻移為：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為放大器的開環(huán)放大倍數(shù)第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 壓電加速度計(jì)的主要性能指標(biāo)壓電加速度計(jì)的主要性能指標(biāo) 靈敏度靈敏度 壓電加速度計(jì)靈敏度定義為壓電加速度計(jì)靈敏度定義為單位加速度單位加速度的電輸出的電輸出，加速度常以重力加速度，加速度

16、常以重力加速度g g為單為單位。壓電加速度計(jì)的靈敏度可用電荷靈位。壓電加速度計(jì)的靈敏度可用電荷靈敏度或電壓靈敏度表示，電荷靈敏度的敏度或電壓靈敏度表示，電荷靈敏度的單位是單位是q/gq/g：電壓靈敏度的單位是：電壓靈敏度的單位是V/gV/g，第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 設(shè)壓電加速度計(jì)的電荷靈敏度為設(shè)壓電加速度計(jì)的電荷靈敏度為 則不帶并聯(lián)電容的開路電壓靈敏度則不帶并聯(lián)電容的開路電壓靈敏度 aqkqpqpuCkCaqauk100第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 如果壓電加速度計(jì)兩端并聯(lián)了電容如果壓電加速度計(jì)兩端并聯(lián)了電容CsCs，則開路

17、電壓靈敏，則開路電壓靈敏度度KuKu為為 加速度計(jì)的靈敏度取決于所用壓電晶片的壓電特性和質(zhì)加速度計(jì)的靈敏度取決于所用壓電晶片的壓電特性和質(zhì)量塊的質(zhì)量。對(duì)于給定的壓電材料，一般而言，加速度量塊的質(zhì)量。對(duì)于給定的壓電材料，一般而言，加速度越小，靈敏度就越低；另一方面，隨著機(jī)械尺寸的減小，越小，靈敏度就越低；另一方面，隨著機(jī)械尺寸的減小，加速度計(jì)的固有頻率將增大，而使可用頻率范圍加寬。加速度計(jì)的固有頻率將增大，而使可用頻率范圍加寬。 spqspsuCCkCCaqauk1第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 例：例： 圖是用壓電式加速度傳感器與電荷放大器測(cè)量某機(jī)器的振動(dòng)。已知，

18、傳感器的靈敏度為 100（pC/g），電荷放大器的反饋電容Cf=0.01(F)，測(cè)得輸出電壓的峰值Uom=0.4(V)，振動(dòng)頻率為100(HZ)。 (1) 求機(jī)器振動(dòng)加速度的最大值A(chǔ)(m/s2); (2) 假定振動(dòng)為正弦波，求振動(dòng)速度v(t); (3) 求振動(dòng)幅度的最大值X. 第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)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、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 采用正弦運(yùn)動(dòng)法進(jìn)行標(biāo)定采用正弦運(yùn)動(dòng)法進(jìn)行標(biāo)定 可分為可分為絕對(duì)標(biāo)定法絕對(duì)標(biāo)定法和和相對(duì)標(biāo)

19、定法（比較標(biāo)定法）相對(duì)標(biāo)定法（比較標(biāo)定法）1) 1) 絕對(duì)標(biāo)定法絕對(duì)標(biāo)定法 以振動(dòng)的位移和頻率作為基本量值。以振動(dòng)的位移和頻率作為基本量值。特點(diǎn)：特點(diǎn)：l要記錄振動(dòng)的振幅要記錄振動(dòng)的振幅l振動(dòng)的頻率振動(dòng)的頻率l進(jìn)行數(shù)據(jù)處理算出標(biāo)準(zhǔn)加速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理算出標(biāo)準(zhǔn)加速度值。度值。讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)臺(tái)加速度計(jì)加速度計(jì)四四 加速度傳感器系統(tǒng)的標(biāo)定方法加速度傳感器系統(tǒng)的標(biāo)定方法第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 2) 2) 比較標(biāo)定法比較標(biāo)定法特點(diǎn)：特點(diǎn)：l 有一只標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)有一只標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)（參考加速度計(jì)）（參考加速度計(jì)）l 由標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)出振由標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)出振動(dòng)體的加速度值動(dòng)體的加速度值l 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)加速度值與被根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)加速度值與被標(biāo)加速度計(jì)的輸出信號(hào)標(biāo)加速度計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行換算。進(jìn)行換算。標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)待標(biāo)加速度計(jì)待標(biāo)加速度計(jì)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)臺(tái)第第6 6章章 速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 (2) 瞬態(tài)