东南大学-交通基础设施检测技术课件-第4章--运动量测量技术..ppt

第4章运动量测量技术 4 1位移测量4 2速度测量4 3加速度测量4 4惯性测量 4 1位移测量运动量是描述物体运动的量 包括位移 速度和加速度 运动量是最基本的量 运动量测量是最基本 最常见的测量 它是许多物理量 如力 压力 温度 振动等测量的前提 也是惯性导航 制导技术的基础 4 1 1位移测量方法位移测量包括线位移测量和角位移测量 位移测量的方法多种多样 常用的有下述几种 1 积分法 2 回波法 3 线位移和角位移相互转换 4 位移传感器法 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 例如在惯性导航中 就是通过测量载体的加速度 经过二次积分而求得载体的位移 2 回波法从测量起始点到被测面是一种介质 被测面以后是另一种介质 利用介质分界面对波的反射原理测位移 例如激光测距仪 超声波液位计都是利用分界面对激光 超声波的反射测量位移的 相关测距则是利用相关函数的时延性质 将向某被测物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 从而推算出发射点与被测物之间的距离 3 线位移和角位移相互转换被测量是线位移时 若测量角位移更方便 则可用间接测量方法 通过测角位移再换算成线位移 同样 被测量是角位移时 也可先测线位移再进行转换 例如汽车的里程表 是通过测量车轮转数再乘以周长而得到汽车的里程的 4 位移传感器法通过位移传感器 将被测位移量的变化转换成电量 电压 电流 阻抗等 流量 光通量 磁通量等的变化 位移传感器法是目前应用最广泛的一种方法 一般来说 在进行位移测量时 要充分利用被测对象所在场合和具备的条件来设计 选择测量方法 4 1 2常用的位移传感器在很多情况下 位移可以通过位移传感器直接测得 用于线位移测量的传感器的种类很多 较常见的线位移传感器的主要特点及使用性能列于表4 1中 表4 1常用线位移传感器的性能与特点 表4 2部分测量角位移的传感器的性能及特点 4 2速度测量4 2 1速度测量方法速度测量分为线速度测量和角速度测量 线速度的计量单位通常用m s 米 秒 来表示 角速度测量分为转速测量和角速率测量 转速的计量单位常用r min 转 分 来表示 而角速率的计量单位则常用 s 度 秒 或 h 度 小时 来表示 常用的速度测量方法有下述几种 微积分法线速度和角速度相互转换测速法速度传感器法时间 位移计算测速法 1 微积分法对运动体的加速度信号a进行积分运算 得到运动体的运动速度 或者将运动体的位移信号进行微分也可以得到运动体的速度例如在振动测量时 应用加速度计测得振动体的振动信号 或应用振幅计测得振动体的位移信号 再经过电路进行积分或微分运算而得到振动速度 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 这和线位移和角位移在同一运动体上有固定关系一样 在测量时可采取互换的方法测量 例如测火车行驶速度时 直接测线速度不方便 可通过测量车轮的转速 换算出火车的行驶速度 3 速度传感器法利用各种速度传感器 将速度信号变换为电信号 光信号等易测信号 速度传感器法是最常用的一种方法 4 时间 位移计算测速法这种方法是根据速度的定义测量速度 即通过测量距离L和走过该距离的时间t 然后求得平均速度 L取得越小 则求得速度越接近运动体的瞬时速度 如子弹速度的测量 运动员百米速度的测量等 根据这种测量原理 在固定的距离内利用数学方法和相应器件又延伸出很多测速方法 如相关测速法 空间滤波器测速法 4 2 2常用的速度测量传感器表4 3常用速度传感器性能与特点 表4 4常用角速率传感器性能与特点 4 2 3弹丸飞行速度的测量弹丸速度 是枪炮威力性能的重要指标 是研究无控火箭密集度的重要参数 弹丸飞行速度测量目前常采用时间位移计算测速法和多卜勒雷达测速法 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的距离x1 2 见图4 4 再测出弹丸飞行这一段距离所需要的时间t1 2 即可计算出弹丸通过该段中点处的平均速度 c 图4 4求平均速度 c的方法 为了测量x1 2和t1 2 需在弹道上的I和 位置上各设一个区域装置 常称为 靶 第I位置是计算的起始点 这点上的靶叫做I靶 第 位置是计算的终点 这点上的靶叫作 靶 这两个靶之间的距离就是x1 2 弹丸在通过这两个靶时 各产生一个信号 启动或截止测时仪器 从而获得弹丸飞过这一距离的时间间隔t1 2 2 利用多卜勒雷达测量弹丸飞行速度 1 基本原理测速雷达是利用多卜勒效应对弹丸飞行速度进行测量的 设有一个波源 以f0的频率发射电磁波 而接受体以速度V相对于此波源运动 那么 这一接收体所感受到的波的频率将不是f0 而是fr 并有如下之关系 4 14 式中 0 波源发送的波的波长 fd称为多卜勒频率 4 15 如果用一个雷达天线作为波源 它所发射的电磁波遇到以速度 飞行的弹丸后反射回来 弹丸的飞行是沿波束方向远离雷达天线 在这种情况下的多卜勒频率fd为 此式给出了多卜勒频率与弹丸飞行速度的关系 当雷达的发送频率已知时 若能测得 即可求出弹丸的飞行速度 4 16 式中C 当地电磁波的传播速度 这种基于多卜勒效应测量弹丸飞行速度的专用雷达称为多卜勒测速雷达 图4 13所示为多卜勒测速雷达的工作原理图 图4 13多卜勒测速雷达工作原理图 2 系统组成及作用图4 14所示为640 1型测速雷达的组成方框图 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组成 发射机接收机天线系统终端设备跟踪滤波器红外启动器 图4 14610 1型测速雷达组成方框图 4 2 4光纤陀螺测量角速率陀螺仪是敏感相对于惯性空间角运动的装置 它作为一种重要的惯性敏感器 用于测量运载体的姿态角和角速度 是构成惯性制导 惯性导航 惯性测量和惯性稳定系统的基础核心器件 光纤陀螺作为一种新型陀螺仪 其工作原理是基于萨格奈克 Sagnac 效应 图4 15Sagnac效应 在图4 15中 设直径为D的单匝光纤线圈绕垂直于自身的轴以角速度 顺时针方向旋转时 从环形光路的P点分别沿顺时针 CW 逆时针 CCW 发射两路光波 当 0时 P 点和P点重合 两束光绕环形光路一周的穿越时间相同 当 0时 入射点P 和P在空间的位置将不再重合 顺时针光束绕环形光路的穿越时间TCW为 4 17 其中是顺时针光束的速度 Vf为光在光纤线圈中的传播速度 C为真空中的光速 n为光纤材料的折射率 同样逆时针光束绕环形光路的穿越时间TCCW为 4 18 两反向旋转的光束绕光纤线圈一周的穿越时间差 T为 4 19 一般 因此 4 20 假设一个光纤陀螺具有N匝光纤线圈 光学路径长度 与穿越时间差对应的两光束相移为 4 21 其中 S称为Sagnac相移 v分别为光波的角频率和频率 为光波在真空中的波长 KS为光纤陀螺的Sagnac刻度系数 可以看出 提高此种光纤陀螺仪输出灵敏度的途径在于加大D和增加光纤线圈的匝数N 光纤陀螺仪诞生于1976年 发展至今已成为当今的主流陀螺仪表 由于其轻型的固态结构 使其具有可靠性高 寿命长 能够耐冲击和振动 有很宽的动态范围 带宽大 瞬时启动 功耗低等一系列独特优点 光纤陀螺仪广泛应用于航空 航天 航海和兵器等军事领域 以及钻井测量 机器人和汽车导航等民用领域 4 3加速度测量加速度测量是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量 是一种全自主的惯性测量 加速度的计量单位为m s2 米 秒2 在工程应用中常用重力加速度g 9 81m s2作计量单位 4 3 1加速度测量方法测量加速度 目前主要是通过加速度传感器 俗称加速度计 并配以适当的测量电路进行的 依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 则可分为悬臂梁式 摆式 折叠梁式 简支承梁式等 表4 6列出了部分加速度计的测量方法及其主要性能特点 表4 6加速度测量方法及其性能特点 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 图4 16 a 是其工作原理图 图4 16 b 是其原理框图 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 当壳体固定在载体上感受被测加速度后 检测质量m相对壳体作位移z 此位移由位置传感器检测并转换成电压 经侗服放大器放大成电流 供给力发生器产生电恢复力 使检测质量返回到初始平衡位置 系统的运动方程为 4 22 式中 SF为力发生器灵敏度 N A 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 T L为动圈导线的有效长度 m 由于电流为 4 23 式中 Sd为位置传感器的灵敏度 V m Ss为伺服放大器的灵敏度 A V 将式 4 23 代入式 4 22 得关系式 4 24 式中 系统无阻尼固有圆频率 4 25 系统阻尼比 4 26 由式 4 25 和式 4 26 可以看出 伺服式加速度计的 n和 不仅与机械弹簧刚度和阻尼器阻尼系数有关 还与反馈引起的电刚度SdSsSF有关 因此便可通过选择和调节电路的结构和参数来进行调节 具有很大的灵活性 当系统处于加速度计工作状态时 因此 电压灵敏度Sa为 4 27 如选用刚度小的弹簧 使满足SdSsSF k 则 即Sa仅决定于m RL B和L等结构参数 而与位置传感器 伺服放大器 弹簧等特性无关 若能采取措施使这些参数稳定和不受温度等外界环境的影响 便可达到很高的性能 伺服加速度测量由于有反馈作用 增强了抗干扰能力 提高了测量精度 扩大了测量范围 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加工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 故又名硅微型加速度计 硅微型加速度计型式多种多样 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 表4 7列举了几种目前常见的硅微加速度计的性能及特点 表4 7几种硅微加速度计的性能及特点 2 叉指式硅微加速度计叉指式硅微型加速度计的结构如图4 17所示 加速度计由中央叉指状活动极板与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 检测质量 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电极板 固定电极板固定在基座上 图4 17叉指式硅微加速度计 a 静止状态 b 活动状态 当加速度计处于静止状态时 叉指正好处于一对固定电极的中央 即叉指和与其对应的两个固定电极的间距相等 为y0 这时电容量C1 C2 当加速度计敏感加速度时 在惯性力作用下 活动极板产生位移 如图4 17 b 这时 叉指和左右两固定极板的间距发生变化 即C1 C2 产生的瞬时输出信号将正比于加速度的大小 运动方向则通过输出信号的相位反映出来 设活动极板的线位移 y使某叉指两对极板的间隙分别变为y0 y和y0 y 此时单个电容量分别为 略去高阶小量 其电容差值为 4 28 式中 A1为活动极板叉指与固定极板重叠部分的面积 设加速度计有n组叉指 则总的电容差值为系统的静态灵敏度为 4 29 式 4 29 中 k为支承系统的弹簧刚度 m为活动极板质量 kv为控制回路增益 kF为反馈力矩系数 叉指式硅微加速度计的控制系统框图如图4 18所示 系统的固有频率可由下式近似求得 4 30 式中 k为系统支承总刚度 ms为支承弹簧的总质量 图4 18FMSA控制系统框图 4 4惯性测量4 4 1概述惯性测量是利用惯性仪表 包括加速度计和陀螺仪 进行的测量 惯性测量在工程测量中得到广泛应用 例如 在工程测量中利用陀螺仪来指示子午线 测量经纬度等 在大地测量 石油钻井定位 地球物理探测 水下电缆铺设 隧道和井卷定向 森林保护 地震等领域都有广泛应用 4 4 2惯性测量单元一个基本的惯性测量单元包括三个单自由度加速度计和三个单自由度陀螺仪或二个2自由度陀螺仪 这些加速度计和陀螺仪的输入轴分别沿空间的三个互相垂直的坐标轴方向 这样 惯性测量单元就可以敏感空间任意方向的线运动或角运动 一个典型的微惯性测量组合系统如图4 20所示 该组合系统包括微惯性敏感器组合装置变换电路的组合微数字信号处理系统三部分 图4 20MIMU系统框图 微惯性敏感器组合装置由三只真