速度传感器

速度传感器五邑大学机电工程学院李广(velocityandvelocitytransducer）★光学多普勒效应（opticalDopplereffect）速度与速度传感器从物体运动的形式来看，速度的测量分为线速度测量和角速度测量；从运动速度的参考基准来看分为绝对速度测量和相对速度的测量；从速度的数值特征来看分为平均速度测量和瞬时速度测量；从获取物体运动速度的方式来看分为直接速度测量和间接速度测量。线速度的计量单位通常用m/s；工程上通常用km/s。（1）速度的测量方法1）时间、位移计算方法这种方法是根据速度的定义测量速度，即通过测量距离和行走该距离的时间，然后求得平均速度。取得越小，则求得速度越接近运动体的瞬时速度。由此原理，可以延伸出多种测速度方法，如：相关测速法和空间滤波器测速法。所谓相关测速法是利用求随机过程互相关函数极值的方法来测量速度。设平稳随机过程观察的时间为T，则它的互相关函数为：TxydttxtyTR01（1.01）当被测运动以速度运动时，运动体表面总有些可以测得的痕迹变化或标记。在固定的距离上装两个检测器，如图1.01（a）所示。A和B是用于检测痕迹变化的。转换输出信号波形如图1.01（b）所示。这两个信号是测量获得的物体表面变化的随机过程。在测量条件基本相同的情况下，这两个随机信号只是在时间上滞后，即tytx,tytx,0t0ttxty（1.02）可以看一下信号分析相关书就是物体上某点从A运动到B的时间，测量后就可以求得物体运动速度，即，计算的方法就是利用数学上求互相关函数极值的方法。在测量足够长的时间内，互相关函数为0t0tv0tLv0tTtytx,000011limlimtRdttxttxTdttxtyTRxTTTTxy（1.03）它和相比，相当于把自相关函数延时的值。当时，有极大值，也就是互相关函数有极大值，此时就是所求的值。xR0tRxxR0t0t0tRxxyR0t将送到模拟相关分析仪中，改变滞后时间，可以得到相互关函数随滞后时间变化时的图形，求得最大值时所对应时间就是，即可求得速度。在工程上用这种方法可以测量轧钢时板材速度、流体流动速度、汽车车速等。tytx,0tv图1.01相关测速原理返回所谓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量相应的时间频率，求得运动体的运动速度。空间滤波器是能够选择一定空间频率段的器件。空间频率是指单位空间线度内物理量周期性变化的次数，它可以用图1.02来表示。在栅格板上刻有透明的相间狭缝，高在空间长度L内有N个等距狭缝，当栅格板移动时，光检测器件便可感受到光源的明暗变化。明暗变化的空间频率u=N/L。如果栅格板的移动速度为v，移动L所需要的时间为t，则光检测器检测到的时间频率为f=N/t。由于N=u*L，时间频率和空间频率的关系为μvtLμf（1.04）由此可知，速度V可用空间频率来描述。图1.03为空间滤波器的测速原理图。当点光源沿着图中y的方向以一定速度运动时，点光源的光通过光学透镜成像在叉指式光电池栅格上，光电池便会输出频率f为有脉冲串。选择光电池栅格尺寸和形状能使栅格对一定空间频率有选择性，那么物体运动的速度就可以换为时间频率信号。空间滤波器输出信号的中心频率跟速度成正比，因此，通过测频即可测量速度。但是，在实际应用时，使用的光源不是点光源，也是具有任意辉度分布的光源。利用这种方法可以用来检测传送带、钢板、车辆等的运动速度，也可以用于转动物体为背景的角速度测量，它的检测范围为1.5~250km/h，测量精度可达0.5%。图1.02空间滤波器工作原理图返回图1.03空间滤波器的测速原理图返回2）加速度积分法和位移微分测量法测量到运动体的加速度信号，并对时间t积分，就可得到运动体的速度；测量运动体的位移信号，并将其对时间微分，也可以得到速度，这两种方法完全相同。利用该方法典型实例是振动测量中，利用加速度计测量振动体的加速度振动信号经电路积分获得振动速度；应用振幅计测量振动体位移信号再进行微分得到振动的速度。3）利用物理参数测量速度利用速度大小与某些物理量间的已知关系间接地测量物体运动的速度。如：电动式速度传感器和电磁式速度传感器。2dtLda2电动式速度传感器的结构原理图如图1.04所示，它由轭铁、永久磁铁、线圈及支承弹簧等组成。永久磁铁和轭铁产生一个均匀磁场，线圈安装在这个磁场中。根据电磁感应定律，穿过线圈的磁通量随时间发生变化时，在线圈两端将产生与磁通量的减少速率成正比的电压，即VdtdV如果传感器中的线圈沿与磁场垂直方向运动，在线圈中便可产生与线圈速度成正比的感应电压，由此可从输出电压中测得速度。这种传感器的灵敏度与磁通密度、线圈的匝数及其展开面积的乘积成正比。但线圈的面积越大，传感器的体积也越大，且会使其动态特性变坏。当接入负载电阻时，线圈位移产生的电流会产生与磁场作用的反作用力，这种反作用力可用在测量中起阻尼作用。该型传感器的测量范围为。电磁式速度传感器的结构原理图如图1.05所示，它由永久磁铁和线圈等构成。永久磁铁和运动物体相连，线圈处于固定状态。根据电磁感应定律，当永久磁铁从线圈旁边经过时，线圈便会产生一个感应电势，如果磁铁经过的路径不变，那么这个感应脉冲的电压峰值与磁铁运动的速度成正比。因此，可以通过这个脉冲电压的峰值来确定永久磁铁的运动速度。将永久磁铁固定在被测物体上，即可测得物体的运动速度。LRsm/10~1024速度传感器定义：能感受被测速度并转换成可用输出信号的传感器。单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器转速传感器speedsensor转速传感器的种类很多，有磁电式、光电式、离心式、霍尔式等转速传感器。随着高速铁路飞速发展，在时速超过350km/h的高速铁路线路上，列车的测速定位问题显得越来越重要。其中轮轴脉冲转速传感器在高速铁路中应用较为广泛。轮轴脉冲转速传感器测速的基本工作原理：利用车轮的周长作为“尺子”测量列车走行距离，根据所测距离测算列车运行速度，其基本公式为：V=πDn/3.6式中，π=3.14，D为车轮直径，n为车轮转速。安装从上式可知，测量列车速度就是检测列车车轮转速和列车轮径。脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，使脉冲频率与轮轴转速成正比。输出的脉冲经隔离和整形后直接输入计算机CPU进行频率测量，再经换算从而得出车组速度和走行距离闭。其原理框图如下图。脉冲转速传感器隔离整形频率测量与计算车组速度和走行距离脉冲转速传感器原理框图图1.04电动式速度传感器结构原理图返回图1.05电磁式速度传感器的结构原理图返回1.06磁电式转速传感器1.07传感器在车轮上的安装放回linearvelocitytransducer线速度传感器是用来测量直线运动速度的传感器，它的输出电压和被测物体运动速度成线性关系，因而它被广泛用于航空、兵器、机械、仪器仪表、地质石油、核工业等部门的自动控制和自动测量。该传感器具有极高的频率响应，可检测小模数齿轮和其它物体的转速，具有稳定的工作性能。输出为方波信号，能实现远距离传输。本产品有双路相位差信号输出，可测量物体的正、反转，能替代旋转编码器。如，ZLS-C50测速传感器是特别定制高精度的一款测速传感器，其精度小于0.05%。它是非接触精密测量物体运行速度的利器。它不仅能测运行速度，还能测量运行物体左右摆动量，以及运动方向和停机状态。它不仅能测量大物体，也能测量细小物体,是目前一款性能非常优异的在线测速度传感器。（Dopplereffect）就是当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同的现象。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度V成正比，与振动的频率成反比。有兴趣的可以看看《传感器与现代检测技术》清华大学出版社，陶艳红等编●观察者接收到的频率等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个数，当波以速度v通过接收者时，时间t内通过的完全波的个数为N＝vt／λ因而单位时间内通过接收者的完全波的个数，即接收的频率f＝v／λ。●若波源不动时，观察着朝向波源以速度V2运动，由于相对速度增大而使单位时间内通过观察者的完全波的个数增多，即f2＝（v＋v2）／λ＝（v＋V2）／（v／f）＝（1＋V2／v）f，可见接收的频率增大了。同理可知，当观察着被离波源运动时，接受频率将减小。●若波源移动，波源朝向观察者以速度V1运动，由于波长变短为λ1＝λ－V1T，而使得单位时间内通过波的个数增多，即f1＝v／λ1＝fv／（v－v1），可见接收频率亦增大，同理可知，当波源背离观察者运动时，接受频率将减少。当光源与接受者都不动，但探测器探测从运动体散射或是反射的光波频率同样也是变化的，这种现象叫做光学多普勒效应。光频率的变化量f0称之为多普勒频移。如图1.09a)发射机发射出的电磁波向被测物体传输，以速度v向发射机运动的被测物体接收到得信号频率为f1=f0+式中，f0为发射机发射信号频率；v为被测物体的运动速度；λ0为发射信号的波长，λ0=c/fo;c为电磁波在真空中的传播速度。vλ0跳图发射机接收机发射器接收机vvλ1λ0f1f1f0f2a)图1.09：多普勒效应产生过程示意图b)a)发射机发射信号，被测物体接受并以速度v运动；b）被测物体反射信号如同新的发射机并以速度v运动，使与发射机同地点的接收机接收若把f1看成新的发射机向与发射机同地点的接收机发射的信号频率，如图1.09b）所示，则接收机接收到的信号频率为f2=f1+v/λ1=f0+v/λ0+v/λ1由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，所以λ0=λ1，于是有f2=f0+2v/λ0由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即fd=f2–f0=2v/λ0（式1）式1说明，被测物体的运动速度v可以用多普勒频率来描述。一般情况下，光学多普勒效应用图1.10来说明。图中，S为光源为物体的运动速度。运动物体，Q是观察者所处的位置。如果物体P的运动速度为v,P的运动方向与PS的夹角为α，P的运动方向与PQ的夹角为β。则从S射出的频率f1的光，经过运动物体P的散射，观察者在Q处观察到的频率为f2.根据多普勒原理可得f2=f1［1+v*(cosα+cosβ)/c］式中，c为真空中的光束。知道了发射频率和接收频率，从它们之差就可以求得。P:运动物体VS：光源Q:观察者βα图1.10：光学多普勒效应示意图f2f1返回多普勒效应广泛应用于光学，声学，雷达，气象以及核物理学等领域，大多用于测量物体运动速度，流体流量，流速等。光学多普勒位移检测方法具有很高测量灵敏度。例如，用He-Ne激光器作光源，运动速度为1m/s的频移达1.6MHz，可测速度范围为1ums~100m/s。以多普勒频移位基本原理，以激光作为光源的光纤多普勒探测头式研究流体流动的有力手段，其主要优点是空间分辨率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力，已经得到广泛应用。在许多特殊场合下，例如在测量密闭容器中流速度和生物系统中血流速时，不能安装普通的多普勒装置，必须采用光纤组成的具有微型探头的测量系统.如图1.11：当激光沿着光纤射到运动物体A上时，被测物体A反射的光与光纤端面的反射光（起参考作用)一起沿着光纤返回。为了消除从发射透镜反射回来的光，在光电探测器前面装一块偏振片R，使光电探测器只能检测出与原来光束偏振方向相垂直的偏振光，这样，频率不同的信号光与参考光共同作用在光电探测器上，产生差拍。形成的光电流经频谱分析出频率的变化，进一步可算出物体的运动速度。A图1.11：激光多普勒光纤测速系统频谱分析仪光探测器透镜偏振器偏振片R分束仪透镜光纤BHe-Ne激光器返回多普