第7章 速度、转度、加速度测量

1、第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 学习要求：学习要求： 掌握皮托管、多普勒、陀螺仪测速原理；掌握皮托管、多普勒、陀螺仪测速原理； 熟悉转速、加速度测量用传感器原理；熟悉转速、加速度测量用传感器原理； 了解加速度测量系统的标定方法。了解加速度测量系统的标定方法。 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 速度、转速和加速度的测量在工业、农业、速度、转速和加速度的测量在工业、农业、 国防中应用较多国防中应用较多 如汽车、火车、轮船及飞机等行驶速度和如汽车、火车、轮船及飞机等行驶速度和 加速度的测量；发动机、柴油机、风力发电机加速度的测量；发动机、柴油

2、机、风力发电机 等输出轴的转速测量；钢铁工业轧制板带材、等输出轴的转速测量；钢铁工业轧制板带材、 棒管材等产品速度的测量；气象部门对大自然棒管材等产品速度的测量；气象部门对大自然 风速的测量；工业部门对大型设备和工程中振风速的测量；工业部门对大型设备和工程中振 动加速度的测量等。动加速度的测量等。 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 机车各方向振动加速度是评价机车行车安全性能和机车各方向振动加速度是评价机车行车安全性能和 乘坐舒适感的重要动力学性能指标乘坐舒适感的重要动力学性能指标, ,每种新研制机车每种新研制机车 在正式上线运行前在正式上线运行前, ,都要进行动力学

3、性能试验和测试都要进行动力学性能试验和测试, , 并按照相应的标准进行评价并按照相应的标准进行评价, ,这其中就包括了振动加这其中就包括了振动加 速度的测试和评价。速度的测试和评价。 国产动车组创造时速国产动车组创造时速370370公里新纪录公里新纪录 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 7.1 速速 度度 测测 量量 速度速度 测量测量 线速度测量（线速度测量（m/sm/s，km/h)km/h) 角速度测量角速度测量(rad/s) (rad/s) 转速测量转速测量( (转转/ /分）分） 2 n Rotary speed：revolutions per minute

4、 (r.p.m.)，n Angular Velocity： Linear Velocity：v 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 一、测量原理分类： 1. 时间、位移计算测速：根据线速度的定义，可以根据物时间、位移计算测速：根据线速度的定义，可以根据物 体在一定时间内移动的距离或者根据物体移动一定距体在一定时间内移动的距离或者根据物体移动一定距 离所需的时间求得，这种方法只能求某段距离或时间离所需的时间求得，这种方法只能求某段距离或时间 的平均速度。的平均速度。s越小，越接近瞬时速度。越小，越接近瞬时速度。 u 光束切断法光束切断法 u 相关法相关法 u 空间滤波器

5、法空间滤波器法 s v t 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 vr 3. 利用物理参数测量：多普勒效应、流体力学利用物理参数测量：多普勒效应、流体力学 定律、电磁感应原理定律、电磁感应原理 4. 加速度积分法和位移微分法加速度积分法和位移微分法 2.2.角速度和线速度的相互转化。角速度和线速度的相互转化。 5. 陀螺测速法陀螺测速法 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 1、光束切断法 光束切断法检测速度适合于定尺寸材料的速度检测。 非接触式测量，测量精度较高。 图图1 1所示它是由两个固定距离为所示它是由两个固定距离为L L的检测器实现速度

6、检测的。检的检测器实现速度检测的。检 测器由光源和光接收元件构成。被测物体以速度测器由光源和光接收元件构成。被测物体以速度v v行进时，它的前端行进时，它的前端 在通过第一个检测器的时刻，由于物体遮断光线而产生输出信号，在通过第一个检测器的时刻，由于物体遮断光线而产生输出信号， 由这信号驱动脉冲计数器，计数器计数至物体到达第二个检测器时由这信号驱动脉冲计数器，计数器计数至物体到达第二个检测器时 刻，检测器发出停止脉冲计数。由检测器间距刻，检测器发出停止脉冲计数。由检测器间距L L和计数脉冲的周期和计数脉冲的周期T T、 个数个数N N，可求出物体的行进速度。，可求出物体的行进速度。 L v N

7、T 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 原理：原理：利用随机过程互相关函数确定运动时间的利用随机过程互相关函数确定运动时间的 方法；方法； 组成：组成：两个相距为两个相距为L L的相同的传感器，如光电传感的相同的传感器，如光电传感 器、超声波传感器、电涡流传感器等；器、超声波传感器、电涡流传感器等； 检测：检测：表面粗糙度、表面缺陷、表面标记等；表面粗糙度、表面缺陷、表面标记等； 处理：处理：在测量条件基本相同的情况下，在测量条件基本相同的情况下，y(t)y(t)的波形的波形 和和x(t)x(t)是相似的，只是时间上推迟了是相似的，只是时间上推迟了t t0 0(=L/

8、v)(=L/v)，即，即 要求出要求出t t0 0。 2、相 关 法 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 图3 相关测速原理图 其物理含义是其物理含义是x(t)x(t)延迟延迟t to o 后成 后成x(tx(tt t0 0) )，其波形将和，其波形将和y y（t t） 几乎重叠，因此互相关值有最大值。几乎重叠，因此互相关值有最大值。 0 0 00 0 ( )() 11 ( )lim() ( )lim() () () TT xy T T x y tx t t Rx ty t dtx t t x tdt TT Rt 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速

9、度测量 3、空间滤波器法 空间滤波器件与被测物体同步运动，测定单位空间内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；信号的时间频率； 空间滤波器：栅板，在空间长空间滤波器：栅板，在空间长L内有内有N个等距栅缝，当个等距栅缝，当 栅板的移动速度为栅板的移动速度为v，移动距离，移动距离L的时间为的时间为t0 空间频率：空间频率： （单位空间长度内变化次数）（单位空间长度内变化次数） 时间频率：时间频率： 速度：速度： N L 0 N f t 0 LNff v tN 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 可用于生产过程中的塑料板带、布、钢板带等速度检测。

10、注意测量辊与被测物之间的滑移所造成的测量误差。 4、接、接 触触 辊辊 法法 特点：应用最广泛的一种方法。 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 周长求得物体的行进速度。 vr 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 5 5、皮托管测速法、皮托管测速法 皮托管是测量流体速度的主要工具之一皮托管是测量流体速度的主要工具之一, ,广泛用广泛用 于船舶和飞行体的测速。于船舶和飞行体的测速。 在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向， 使内管顶端（滞止点）能感受全压力使内管

11、顶端（滞止点）能感受全压力p pt t，而具有，而具有 静压孔的外管感受静压力静压孔的外管感受静压力p ps s即可。即可。 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 （一）（一） 皮托管的结构皮托管的结构 标准皮托管用两根不同内径管子同心套接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，外而成，内管通直端尾接头，是全压管，外 管通侧接头，是静压管。管通侧接头，是静压管。 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 （二）皮托管测速原理（二）皮托管测速原理 2 2 2(

12、) v ts v p pp v vts t s v ppp p p p 全压 静压 动压 动压（动压（Pv）静压（静压（Ps）全压全压（Pt) 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 修正后的流速公式：修正后的流速公式： 2 () ts vpp 为皮托管系数，由实验标定。 一般在0.99 1.01之间。 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 （三）（三） 测量误差分析测量误差分析 总压孔直径：总压孔直径：d=0.5D 静压孔直径：静压孔直径：d1=0.12D 静压孔距端部距离：静压孔距端部距离：34D 静压孔离支杆距离：静压孔离支杆距离：810D

13、皮托管头部和支杆对流场的影响皮托管头部和支杆对流场的影响 1、皮托管的形状影响、皮托管的形状影响 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 2、皮托管偏离特性的影响、皮托管偏离特性的影响 结论：结论： 皮托管方皮托管方 向要正对向要正对 流体流向流体流向。 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 当火车由远处开过来时当火车由远处开过来时, ,汽笛声的音调迅速变高汽笛声的音调迅速变高 ( (实际上是频率增大实际上是频率增大),),而当列车离你远去时而当列车离你远去时, ,汽汽 笛声的音调会变得低沉笛声的音调会变得低沉( (实际上是频率变低实际上是频率变低

14、) )。 坐过火车的人会发现坐过火车的人会发现, ,当旁边的复线上有列车开当旁边的复线上有列车开 过来时过来时, ,汽笛声急剧变尖汽笛声急剧变尖, ,十分刺耳。十分刺耳。 在大街上在大街上, ,当警车从你身旁呼啸而来时当警车从你身旁呼啸而来时, ,你会发你会发 现警笛声调也有明显的变化。现警笛声调也有明显的变化。 以上这些现象都说明以上这些现象都说明, ,当声源或观察者相对运动当声源或观察者相对运动 时时, ,观察者接收到的频率就会发生改变观察者接收到的频率就会发生改变, ,而且频而且频 率的变化与声源或观察者相对运动速度的大小率的变化与声源或观察者相对运动速度的大小 和方向有关。和方向有关。

15、 6 6、多普勒测速、多普勒测速 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 多普勒（奥地利） 物理学家及数学家 （1803 -1853 -1853 ） 奥地利的物理学家克里斯奥地利的物理学家克里斯 琴琴约翰约翰多普勒多普勒 (C.J.Dopple)(C.J.Dopple)最早描述了最早描述了 这个现象这个现象, ,于是就称为多普于是就称为多普 勒效应。勒效应。 它虽然最初是由声源发现它虽然最初是由声源发现 的的, ,但对于其他的波动但对于其他的波动, ,比比 如电磁波和光波也同样存如电磁波和光波也同样存 在在, ,并且有着重要的应用。并且有着重要的应用。 第第7 7章章 速

16、度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 6、多普勒测速多普勒测速 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，接收到的声波频率与入射声波频率 之间存在正比于物体运动速度的频率偏移，这种现 象叫光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842 年发现的。 散射光频率和入射光频率偏移叫多普勒频移； 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 图图4 4多普勒效应原理多普勒效应原理 P静止时，入射光频率为： , i c为光速， 为入射光波波长。 0 0i i f f = = c c/ / P 入射波相对于 点的速度， f f = =( (c c- -v v k k

17、) )/ /c c- -v v k k p p i ii ii i (Apparent frequency) 若P点以速度 远离光源，则对P点来说 入射光的视在频率为： i v k i s K 表示平行于入射光波矢量的单位矢量； K 表示平行于散射光波矢量的单位矢量 对光电探测器来说，散射光的视在波长和频率分别为： P 散射波相对于 点的速度 s ss sp p s s s s c c( (c c- -v v k k ) ) i i f f = = s s ( (c c- -v v k k ) ) s s i i c c = =( (c c- -v v k k ) )/ /f f , , c

18、c- -v v k k ki ks P 1 2 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 ki ks P 1 2 1 : 2 为物体至光源方向与物体运动方向间的夹角; 为物体至观察者方向与物体运动方向间的夹角 其中 1212 i i v (k -k )v (k -k ) s s i i f =f = dd i i v(cosv(cos+cos+cos ) ) = = 则散射光与原始光之间的频移为： c c- -v v k k c c i i f f = =f f - -f f = =( (- -1 1) ) s s 0 0d d c c- -v v k k i is s 由

19、于v(C+CF) F y C q e K为放大器的开环 放大倍数 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 压电加速度计的主要性能指标压电加速度计的主要性能指标 灵敏度灵敏度 压电加速度计灵敏度定义为压电加速度计灵敏度定义为单位加速度单位加速度 的电输出的电输出，加速度常以重力加速度，加速度常以重力加速度g g为单为单 位。压电加速度计的灵敏度可用电荷灵位。压电加速度计的灵敏度可用电荷灵 敏度或电压灵敏度表示，电荷灵敏度的敏度或电压灵敏度表示，电荷灵敏度的 单位是单位是q/gq/g：电压灵敏度的单位是：电压灵敏度的单位是V/gV/g， 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量

20、速度、转速和加速度测量 设压电加速度计的电荷灵敏度为设压电加速度计的电荷灵敏度为 则不带并联电容的开路电压灵敏度则不带并联电容的开路电压灵敏度 a q kq p q pu C k Caq a u k1 0 0 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 如果压电加速度计两端并联了电容如果压电加速度计两端并联了电容CsCs，则开路电压灵敏，则开路电压灵敏 度度KuKu为为 加速度计的灵敏度取决于所用压电晶片的压电特性和质加速度计的灵敏度取决于所用压电晶片的压电特性和质 量块的质量。对于给定的压电材料，一般而言，加速度量块的质量。对于给定的压电材料，一般而言，加速度 越小，灵敏度

21、就越低；另一方面，随着机械尺寸的减小，越小，灵敏度就越低；另一方面，随着机械尺寸的减小， 加速度计的固有频率将增大，而使可用频率范围加宽。加速度计的固有频率将增大，而使可用频率范围加宽。 sp q sp s u CC k CCaq a u k 1 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 例：例： 图是用压电式加速度传感器与电荷放大器测量某机器 的振动。已知，传感器的灵敏度为 100（pC/g），电荷放 大器的反馈电容Cf=0.01(F)，测得输出电压的峰值 Uom=0.4(V)，振动频率为100(HZ)。 (1) 求机器振动加速度的最大值A(m/s2); (2) 假定振动

22、为正弦波，求振动速度v(t); (3) 求振动幅度的最大值X. 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 （2）已知 a(t)=Asinwt, w=2f=628(rad/s) （3） （1） 振幅 X=0.001(m) 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 采用正弦运动法进行标定采用正弦运动法进行标定 可分为可分为绝对标定法绝对标定法和和相对标定法（比较标定相对标定法（比较标定 法）法） 1) 1) 绝对标定法绝对标定法 以振动的位移和频率作为基本量值。以振动的位移和频率作为基本量值。 特点：特点： l要记录振动的振幅要记录振动的振幅 l振动的频率振

23、动的频率 l进行数据处理算出标准加速进行数据处理算出标准加速 度值。度值。 读数显微镜读数显微镜 振动台振动台 加速度计加速度计 4 4 加速度传感器系统的标定方法加速度传感器系统的标定方法 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 2) 2) 比较标定法比较标定法 4 4 加速度传感器系统的标定方法加速度传感器系统的标定方法 特点：特点： l 有一只标准加速度计有一只标准加速度计 （参考加速度计）（参考加速度计） l 由标准加速度计测出振由标准加速度计测出振 动体的加速度值动体的加速度值 l 根据标准加速度值与被根据标准加速度值与被 标加速度计的输出信号标加速度计的输出信号 进行换算。进行换算。 标准加速度计标准加速度计 待标加速度计待标加速度计 振动台振动台 第第7 7章章 速度、转速和加速度测量速度、转速和加速度测量 (2) 瞬态运