合工大检测技术课件06速度、转速及加速度测量

2026/7/14《检测技术》1第六章

速度、转速及加速度测量§6.1概述速度、转速和加速度是物体机械运动的重要参数，对速度、转速和加速度的测量应用在工业、农业、国防等很多领域。2026/7/14《检测技术》2

§6.2速度的测量速度的测量方法

1.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，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ｖ。

（1）相关测速法

利用随机过程互相关函数极值的方法来测量速度。

它和Rｘ（τ）相比，Rｘ（τ－ｔ0）相当于把自相关函数Rｘ（τ）延时ｔ0的值。当τ＝ｔ0时，Rｘ（τ－ｔ0）有极大值，也就是互相关函数Rｘｙ（τ）有极大值，此时τ就是所求ｔ0值。2026/7/14《检测技术》3

§6.2速度的测量2026/7/14《检测技术》4

§6.2速度的测量（2）空间滤波器测速法空间滤波器测速法是利用可选择一定空间频率段的空间滤波器件与被测物体同步运动，然后在单位空间内测得相应的时间频率，求得运动体的运动速度。2.加速度积分法和位移微积分测速法测量到运动体的加速度信号ａ，并对时间ｔ积分，就可以得到运动体的速度；测量运动体的位移信号，并将其对时间求微分，也可以得到速度。2026/7/14《检测技术》5

§6.2速度的测量3.利用物理参数测量速度利用速度大小与某些物理量间已知关系间接地测量物体速度。4.线速度与角速度相互转换测速法线速度和角速度对同一运动体具有固定的关系，在测量时可以采用相互转换的方法达到方便测量的目的。5.陀螺测速法利用陀螺器件的陀螺效应可以制成测量角速度的陀螺仪表。2026/7/14《检测技术》6

§6.2速度的测量皮托管测速装置2026/7/14《检测技术》7

§6.2速度的测量皮托管测速装置皮托管测速原理皮托管是测量流体运动速度的主要工具。如果流体流动的方向一定，流体密度已知，只要把皮托管对准流体流动方向，就可以测出全压力和静压力，从而计算出流体的运动速度。2.全静压管原理超音速飞机全静压管的静压孔距离前端不小于8倍管径，这样可以减小全静压头部激波对静压的影响。静压孔上部有四个，下部有六个，两侧没有，这样设计的原因是可在大仰角飞行时减小静压。2026/7/14《检测技术》8

§6.2速度的测量3.飞机空速表工作原理

飞机相对于空气的速度叫空速。飞机空速表测量空速时是根据空速于动压力的关系测量的。由于动压大小不仅与空速有关，而且还与气体密度和空气压缩修正量有关，指示空速是按海平面标准大气压条件下的空气密度计算出来的空速，由于不同高度，不同温度的大气中气体密度和空气压缩修正量均不同，同样大小的动压在不同高度、温度下将会得到不同的空速值，因此还必须设法测量真空速。2026/7/14《检测技术》9

§6.2速度的测量测量真空速的作用原理如图所示，飞机在不同高度时，静压随高度而变化。而真空膜盒的变形随静压的变化而改变，从而使支点移动而改变杠杆的放大比。真空速的指示值也不是飞机的飞行速度。因为真空速的指示值是假设外界气温与该气层标准气温相等时的数值，当这两个温度不等时，还应该进行修正。2026/7/14《检测技术》10

§6.2速度的测量多普勒测速

1.多普勒效应由于光源和观察者相对于媒介有不同的运动，使观察者收到光的频率有变化的现象称为光学多普勒效应。2026/7/14《检测技术》11

§6.2速度的测量从公式可以看出，多普勒频移不仅与入射光频率有关，而且还带有运动物体的速度信息。因此，如果能够测出多普勒频移，就可以知道物体的运动速度。2026/7/14《检测技术》12

§6.2速度的测量2.差分多普勒测速（1）后向散射型多普勒测速原理（2）差分多普勒测速原理由公式可以知道物体运动速度与所检测到的散射频率差成正比。2026/7/14《检测技术》13

§6.2速度的测量多普勒测速原理

a）后向散射型多普勒测速原理b）差分多普勒测速原理2026/7/14《检测技术》14

§6.2速度的测量（3）多普勒测量速度方法的应用利用激光作光源的多普勒测速装置，具有单色性强，波长稳定，而且容易在一个很小区域内聚焦成强光的优点。同时它是一种非接触式测量，因而被广泛的应用在留速度得体测量，轧制钢板、铝材的速度测量。陀螺测量角速度1.陀螺原理概述如图所示，陀螺仪按工作原理不同可以分为两种基本类型，即二自由度陀螺仪和三自由度陀螺仪。2026/7/14《检测技术》15

§6.2速度的测量（1）二自由度陀螺的主要特性当二自由度陀螺底线座绕垂直于ｘ轴与ｚ轴成θ角的轴以角速度ω旋转时，则将有陀螺力矩作用于框架上，它的矢量垂直于H与ω构成的平面，其欲使框架绕ｘ轴旋转，其转动方向力图使H沿最短途径与ω重合。当θ＝90。时，陀螺力矩有最大值。当二自由度陀螺底线座绕ｚ轴或ｘ轴旋转时，都不会产生陀螺力矩。如果外力矩绕ｘ轴作用在二自由度陀螺上，陀螺绕框架将绕ｘ轴按下式转动。2026/7/14《检测技术》16

§6.2速度的测量（2）三自由度陀螺的主要特性定轴性如果开始使陀螺主轴ｚ在惯性空间内对准某一方向，则其主轴将稳定地保持在惯性空间给定方向上。进动性如果认为的绕某一框架旋转轴的外加力矩作用在陀螺上，则将迫使主轴绕另一框架的轴旋转。无惯性如果陀螺转子的角动量很大，三自由度陀螺的进动是没有惯性滞后的，即加外力矩，陀螺马上产生进动现象，且只要外力矩一撤消，进动也就马上停止。2026/7/14《检测技术》17

§6.2速度的测量二自由度和三自由度陀螺作用原理2026/7/14《检测技术》18

§6.2速度的测量2.微分陀螺仪作用原理它是一个二自由度陀螺组成的测量角速度的仪表。陀螺转子和轴装在框架内，框架的轴装在壳体的轴承内，它可以绕ｘ轴转动。框架的一面装有杠杆臂，臂上装两根弹簧，两根弹簧的另一端固定在壳体上。弹簧用来产生作用于框架上的力矩，这个力矩正比于框架任一转向的偏转角，并使框架反向转动。框架转轴的另一端装有阻尼器和电位计的电刷。ｙ轴为陀螺仪的输入轴，微分陀螺仪就是测量它的壳体绕ｙ轴转动的角速度，故又称测量轴。ｘ轴称为输出轴，因为具有就角速度的壳体将引起框架绕ｘ轴转动。2026/7/14《检测技术》19

§6.2速度的测量微分陀螺仪a原理图b结构简图2026/7/14《检测技术》20

§6.2速度的测量框架转动时，有五个力矩作用在框架上，分别为：陀螺力矩：弹性力矩：阻尼力矩：惯性力矩：摩擦力矩包括所有运动元件的摩擦力矩，其大小假设为一常数。2026/7/14《检测技术》21

§6.2速度的测量于是框架的运动方程可以写为：设计仪表时应该使β在整个ω变化范围内保持很小值，可认为cosβ=1,因此上式可以简化为：可改写为：2026/7/14《检测技术》22

§6.2速度的测量当运动达到平衡时因此设计仪表时，应使很小，甚至可以忽略不计。由于角速度ω是转动角度ａ的微分，所以称其为微分陀螺仪。2026/7/14《检测技术》23

§6.3转速测量转速表的种类繁多，按测量原理不同可分为模拟法、计数法和同步法；按变换方式不同又可分为机械式、电气式、光电式和频闪式等。电子数字式转速表1.测量原理电子数字式转速表由数字式转速传感器和电子计数电路组成。一般对中、高频采用频率法，对低转速采用周期法测量。2026/7/14《检测技术》24

§6.3转速测量（1）频率法测转速即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阀门。当计数器的显示值为N时，被测量的转速ｎ为为了提高测量准确度可以增加转速传感器每转输出的电脉冲信号数或延长采样的时间。2026/7/14《检测技术》25

§6.3转速测量（2）周期法测转速在作定角度的测量时，电子计数器所测量的是某一旋转角度的时间间隔。这里用被测周期T来控制闸门，填充时间进入计数器计数N。为了提高周期测量的准确度，通过将周期信号分频，使被测量的周期得到被乘。故被测量的转速ｎ为式中，ｋ为周期的倍乘数。2026/7/14《检测技术》26

§6.3转速测量2.测速传感器其功能是将被测旋转体的转速变换为脉冲信号，并且能够推动计数器计数。3.数字式测速电路2026/7/14《检测技术》27

§6.3转速测量频闪式转速表频闪效应物体在视野中消失后，人眼视网膜上能在一段时间内保持视觉印象，即视后暂留现象。2.频闪法测量转速原理当用一个可调频率的闪光灯照射频闪盘时，在闪光频率与频闪盘转动频率相同时频闪像在某一位置上灯光正好闪一下，使人眼清晰地看到频闪像。若每次看到频闪像的位置静止不动，则闪光频率乘以60即为频闪盘每分钟的转数，由已知的频闪盘的转速可以知道被测物体的转速。2026/7/14《检测技术》28

§6.3转速测量测量方法：已知被测转速的范围，先将频闪光频率调到大于该范围，，然后从高频逐渐下降，知道第一次出现不动的频闪像，此时的频闪数为被测实际转速。如无法估计被测转速时，首先调整频闪盘的转速，当旋转的频闪盘上连续出现两次频闪像停留时，分别测出频闪判的两次转速。然后计算被测转速为3.电子数字式频闪测速仪2026/7/14《检测技术》29

§6.4加速度测量加速度测量仪器一般都是由利用各种物理效应制成的加速度传感器和数据处理系统及显示仪表组成的。按照传感器原理分类，加速度测量有压电式、电阻式、电感式、电容式、谐振式、光纤式、力平衡式等。1.压电式加速度传感器利用压电晶体的正压电效应来测量加速度的。2026/7/14《检测技术》30

§6.4加速度测量2.电阻式加速度传感器利用某些材料的各种电阻应变效应作为机电变换元件而制成的加速度测量传感器。工作类型有粘贴应变计式、非粘贴应变张丝式和固态压阻式。粘贴应变计式非粘贴应变张丝式固态压阻式2026/7/14《检测技术》31

§6.4加速度测量压阻式加速度传感器2026/7/14《检测技术》32

§6.4加速度测量3.光纤式加速度传感器光的相位变化与被测加速度成正比。2026/7/14《检测技术》33

§6.4加速度测量４.伺服式加速度计（1）工作原理2026/7/14《检测技术》34

§6.4加速度测量对上式进行处理，采用二阶常系数线性非齐次微分方程式进行表达为伺服式加速度计在利用上式测量时，必须满足ω<<ωｎ的状态，才能正确的反映被测量的加速度值。由其幅频特性曲线得到电压灵敏度为2026/7/14《检测技术》35

§6.4加速度测量(2).石