第五章机械参量的测试-2

1、5-2 5-2 速度测量速度测量 物体的运动速度分为物体的运动速度分为线速度线速度和和角速度角速度(转速转速)。 速度是位移对时间的微分，对加速度的积分速度是位移对时间的微分，对加速度的积分，可通过位移传感器的输出电信号通过微分电路可通过位移传感器的输出电信号通过微分电路进行微分，或者把加速度传感器的输出电信号进行微分，或者把加速度传感器的输出电信号通过积分电路进行积分，就可以得到速度随时通过积分电路进行积分，就可以得到速度随时间的变化关系。间的变化关系。 存在的问题：存在的问题： 1) 微分处理微分处理 2) 积分处理积分处理 因此，速度测量最好采用直接测量法。因此，速度测量最好采用直接测量

2、法。速 度 测 量速度测量线速度测量（m/s，km/h) 角速度测量(rad/s) （转速测量(转/分） 测量原理 1. 物体运动的线速度可以从物体在一定时间内移动的距离或者从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的平均速度。越越小，越接近瞬时速度。2. 角速度和线速度的相互转化。svtvr3. 利用物理参数测量：多普勒效应、电磁感应原理4. 加速度积分法和位移微分法5. 相关法 平均速度法常采用的装置是平均速度法常采用的装置是区截装置习惯上把区截装置叫作靶靶。按其作用方式，大体上可分为接触和非接触两种类型 。测试方法测试方法一、平均速度法平均速度法 平均速度法平均速度法

3、适用于测量运动较平稳的物适用于测量运动较平稳的物体的速度。体的速度。 通过已知的位移通过已知的位移x x和相应的时间间隔和相应的时间间隔t t来测量平均速度来测量平均速度 。tx常用的区截装置有：常用的区截装置有：p 网靶网靶p 铝箔靶铝箔靶p 钢板靶钢板靶非接触型非接触型接触型接触型p 声靶声靶p 线圈靶线圈靶p 光幕靶光幕靶p 天幕靶天幕靶(一)、接触型靶 如网靶铜丝、锡箔网靶锡箔(二)、非接触型靶 利用光线的遮挡，电磁场的变化及波的传播等原理利用光线的遮挡，电磁场的变化及波的传播等原理工作的。工作的。1线圈靶 运动体从线圈靶内穿过时，磁通量发生变化，从而使线圈产生感应电动势，该电动势可以

4、作为测时仪器的启动或停止信号。线圈靶的类型线圈靶的类型 感应线圈靶感应线圈靶 感应线圈靶：要求被测物体带有磁性感应线圈靶：要求被测物体带有磁性 结构特点：仅有一组感应线圈结构特点：仅有一组感应线圈 励磁线圈靶励磁线圈靶 励磁线圈靶：要求运动体是磁导体。励磁线圈靶：要求运动体是磁导体。 结构特点：两组线圈，外层为感应线圈，内层为励磁线圈。结构特点：两组线圈，外层为感应线圈，内层为励磁线圈。励磁线圈靶工作原理图感应线圈靶工作原理图把弹丸预先进行磁化处理在线圈内另加一个通以直流电流的励磁线圈，从而使线圈周围形成一个磁场xx20m73apneem为感应电势的峰值为感应电势的峰值p为点磁偶极子的磁矩为点

5、磁偶极子的磁矩n为线圈靶的有效圈数为线圈靶的有效圈数0运动体的磁导率运动体的磁导率a为线圈的有效半径为线圈的有效半径特征点：特征点：1)类似于正弦的区截信号对类似于正弦的区截信号对应于线圈靶的中性平面应于线圈靶的中性平面;2) em为信号的峰值点电势。为信号的峰值点电势。使用中：使用中：线圈中心应与运动体的运行方向尽量重合。线圈中心应与运动体的运行方向尽量重合。2声靶声靶 利用超声速弹丸的激波利用超声速弹丸的激波 原理：原理：用超音速飞行的弹丸的弹头波扫过作为用超音速飞行的弹丸的弹头波扫过作为靶的高频话筒，产生电信号，用以启动或停止测时靶的高频话筒，产生电信号，用以启动或停止测时仪器。这是一种

6、较新的测速方法，使用较为方便，仪器。这是一种较新的测速方法，使用较为方便，但对于低于音速飞行的弹丸无法测量。但对于低于音速飞行的弹丸无法测量。3光电靶光电靶p光束切断法p天幕靶光电靶光束切断法 光束切断法检测速度适合于定尺寸材料的速度检测。这是一种非接触式测量，测量精度较高。 如图所示是由两个固定距离为L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v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，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L和计数脉冲的周期T、个数N，可求出物体的行进速度。

7、LvNT光束切断式速度测量 天幕靶天幕靶是一种光电靶，利用太阳光在大是一种光电靶，利用太阳光在大气中散射而形成的自然光为光源。也可以使气中散射而形成的自然光为光源。也可以使用直流光源。用直流光源。 特点：特点：对运动体材料没有特殊要求，对对运动体材料没有特殊要求，对运动体飞行没有干扰。运动体飞行没有干扰。光电靶天幕靶天幕靶侧向天幕靶侧向天幕靶正向天幕靶正向天幕靶天幕靶的工作原理天幕靶的工作原理badccdba 根据透镜成象原理，根据透镜成象原理，发光体发光体ab所成的象为所成的象为ab。如在象前装一个光阑，则如在象前装一个光阑，则只有光阑上狭缝所允许通只有光阑上狭缝所允许通过的光才能成象于过的

8、光才能成象于cd。 如对准如对准cd安装一个光敏元件，它所接收的只安装一个光敏元件，它所接收的只是垂直于纸面方向是垂直于纸面方向(与光阑狭缝平行与光阑狭缝平行)，宽度为，宽度为cd的的一条光幕的光。当弹丸飞过该光幕时，弹丸的影像一条光幕的光。当弹丸飞过该光幕时，弹丸的影像将使照射到光敏元件上的光通量发生变化，使光敏将使照射到光敏元件上的光通量发生变化，使光敏元件产生的电信号发生变化，发出区截信号。元件产生的电信号发生变化，发出区截信号。 相关法检测线速度，是利用随机过程互相关函数的方法进行的，其原理如图所示。被测物体以速度V行进，在靠近行进物体处安装两个相距L相同的传感器（如光电传感器、超声波

9、传感器等）。传感器检测易于从被测物体上检测到的参量(如表面粗糙度、表面缺陷等），例如对被测物体发射光，由于被测物表面的差异及传感器等受随机因素的影响。传感器得到的反射光信号是经随机噪声调制过的。图中传感器2得到的信号x（t）是由于物体A点进入传感器2的检测区得到的。当物体A点运动到传感器1的检测区得到信号y（t）。当随机过程是平稳随机过程时，y(t)的波形和x（t)是相似的，只是时间上推迟了t0(=L/v)，即二、相 关 法 相关测速原理图 其物理含义是x(t)延迟to后成x(tt0)，其波形将和y（t）几乎重叠，因此互相关值有最大值。00000( )()11( )lim() ( )lim()

10、 ()()TTxyTTxy tx t tRx ty t dtx t t x tdtTTRt三、多普勒测速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存在差别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。当单色光束人射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散(反) 射光频率与人射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。利用多普勒雷达测量速度 多普勒测速原理是利用电磁波的反射特性。多普勒测速原理是利用电磁波的反射特性。当发射波投射到运动物体上时，反射波的频率由当发射波投射到运动物体上时，反射波的频率由于多普勒效应而发生变化。

11、于多普勒效应而发生变化。若将发射波与反射波混频，取出频差，即可测试出运动体的运动速度。 当发射源与接受器相对固定时，根据多普勒原理（效应），多普勒频差为 v物体的运动速度，v电磁波在介质中的传播速度（在自由空间为光速）， 发射波与物体运动方向的夹角。fT电磁波的发射频率。 cos)/(2Tdfvvf 利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、医学诊断等。非接触测量可以克服由于机械磨损和打滑造成的测量误差。5-3 5-3 转速测量1.数字式转速表

12、（1）测量原理： 数字式转速测量系统由频率式转速传数字式转速测量系统由频率式转速传感器、数字转换电路和数字显示器等感器、数字转换电路和数字显示器等部分组成。部分组成。首先由传感器把转速转变成频率信号，再通过测量信号的频率或周期来测量转速。（2）转速传感器把被测转速转换成脉冲信号。电涡流式转速传感器光电式转速传感器磁电感应式转速传感器光电式转速传感器 光电式转速传感器分为反射式和透射式反射式和透射式两大类，它们都由光源、光路系统、调制器和光敏元件组成。调制器的作用是把连续光调制成光脉冲信号，它可以是一个其上开有均匀分布的多个缝隙(或小孔)的圆盘，或是直接在被测转轴的某一部位上涂以黑白相间的条纹。

13、当安装在被测轴上的调制器随被测铀一起旋转时，利用圆 盘缝隙(或小孔)的透光性，或黑白条纹对光的吸收或反射性把被测转速调制成相应的光脉冲。光脉冲照射到光敏元件上时，即产生相应的电脉冲信号，从而把转速转换成了电脉冲信号。 放大整形电路 放大整形电路发光管发光管 光敏二极管 光敏二极管 转盘 转盘（a）（b）磁电感应式转速传感器 当安装在被测转轴上的齿轮(导磁体)旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，使磁路的磁阻和磁通发生周期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成此例的交流电压信号u0。随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值将会减小到无法检测出来的程度。故这种传成器不适合于低速测量。电涡流式转速传感器（3）数字化电路 为了读出被测转速，还需要进一步把传感器输出信号的频率或周期转换成传感器输出信号的频率或周期转换成数字量数字量，以便于数字显示。一般对中、高转速采用频率法，对低转速采用周期法测量。 在电子计数器采样时间内对转速传感器输出的电脉冲信号进行计数。利用标准时间控制计数器闸门。当计数器的显示值为N时，被测量的转速n为60Nnzt式中，z为旋转体每转一转传感器发出的电脉冲信号数；t为采样时间(s)。 频率法