速度传感器

f1
P:运动物体 α
S：光源 β
V
f2
Q:观察者 图1.10：光学多普勒效应示意图
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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.
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 V ，即
d V dt
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 RL 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 10 4 ~ 10 2 m / s。 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。
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
speed sensor
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350 km/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。
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。
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
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 v f1= f0 + λ0 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 / f o; c为 电磁波在真空中的传播速度。
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 f 2 = 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。
L f μ μv t
（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1.5~250 km/h，测量精度可 达0.5%。
R 它和 Rx 相比， x t 0 相当于把自相关函数 Rx 延时 t 0 的 R 值。当 t 0 时， x t 0 有极大值，也就是互相关函数 R xy 有 极大值，此时 就是所求的 t 0 值。
T
T
T
T
将 xt , yt 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 t 0 ，即可求得速度 v 。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。
图1.01 相关测速原理
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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
0
t 0 就是物体上某点从A运动到B的时间，测量 t 0 后就可以求得物 体运动速度 v ，即 v L t 0 ，计算 t 0 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 T 内，xt , yt 互相关 函数为 Rxy lim 1 T yt xt dt lim 1 T xt t 0 xt dt Rx t 0（1.03） 0 0
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
跳图
λ
0
a)
发 射 机
v
接收机
f0
f1
λ
1
b)
接 收 机
v
发射器
f2 图1.09：多普勒效应产生过程示意图
f1
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1.09 b）所示，则 接收机接收到的信号频率为 f2= f 1 + 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 f 2 = 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。
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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：
1 T Rxy y t xt dt T 0
（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 xt , yt 。在测量条件基本相同的情况下，这两个随机 信号 xt , yt 只是在时间上滞后 t 0 ，即 （1.02） yt xt t
（Doppler effect）
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。
●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λ 1＝λ －V1T，而使得单位时间内通过波的 个数增多，即f1＝v／λ 1＝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 。