速度传感器实验 高一物理-实验：常见的几种测速度的方法

高一物理-实验：常见的几种测速度的方法

1．实验步骤

(1)把电磁打点计时器固定在水平桌面上，纸带穿过限位孔，把复写纸套在定位轴上，并且压在纸带上面；

(2)把电磁打点计时器的两个接线柱接到8 V的低压交变电源上；

(3)接通电源，用手水平拉动纸带，使纸带在水平方向上运动，纸带上就打下一系列点，随后立即关闭电源。

2．数据处理

(1)测量平均速度

①选取纸带上一点为起始点0，后面每5个点取一个计数点，分别用数字1,2,3，…标出这些计数点；

②测量各计数点到起始点0的距离x，记录在表1中；

③计算两相邻计数点间的位移Δx，同时记录对应的时间Δt；

④根据Δx和Δt计算纸带在相邻计数点间的平均速度v。

(2)测量瞬时速度

①从纸带起始点0算起，后面每3个点取一个计数点；

②测量各计数点到起始点0的距离x，记录在表2中；

③计算两相邻计数点间的位移Δx，同时记录对应的时间Δt；

④根据Δx和Δt算出的速度值就可以代表在Δx这一区间内任意一点的瞬时速度。将算出的各计数点的速度值记录在表2中。

3．误差分析

(1)利用平均速度来代替计数点的瞬时速度造成误差。为减小此种误差，应取以计数点为中间时刻的较近的两点间的位移Δx来求平均速度。

(2)测量计数点间的位移Δx带来误差。减小此误差的方法：一是取计数点时，相邻两计数点间的距离不能过小；二是一次测出各计数点到起始计数点的距离，再分别计算出各相邻计数点间的距离。

测瞬时速度的其他方法

1．借助传感器与计算机测速度

(1)如图1所示，是利用位移传感器测量速度的示意图。这个系统由发射器A与接收器B组成，发射器A能够发射红外线和超声波信号，接收器B可以接收红外线和超声波信号。发射器A固定在被测的运动物体上，接收器B固定在桌面上或滑轨上。测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲(即持续时间很短的一束红外线和一束超声波)。B接收到红外线脉冲开始计时，接收到超声波脉冲时停止计时。根据两者的时差和空气中的声速，计算机自动算出A与B的距离(红外线的传播时间可以忽略)。

经过短暂的时间Δt后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置。算出两个位置差，即物体运动的位移Δx，系统按照v＝Δx/Δt算出速度v，显示在屏幕上。所有这些操作都可以在不到1 s的时间内自动完成。这样测出的速度是发射器A在时间Δt内的平均速度。然而Δt很短，通常设置为0.02 s，所以Δx与Δt之比可以代表此刻发射器A(即运动物体)的瞬时速度。

(2)另一种位移传感器，如图2所示。这个系统只有一个不动的小盒C，工作时小盒C向被测物体D发出短暂的超声波脉冲，脉冲被运动物体反射后又被小盒C接收。根据发射与接收超声波脉冲的时间差和空气中的声速，可以得到小盒C与运动物体D的距离x1、x2以及Δx和Δt，从而系统就能算出运动物体D的速度v。

2．利用光电门测瞬时速度

实验装置如图3所示，使一辆小车从一端垫高的木板上滑下，木板旁装有光电门，其中A管发出光线，B管接收光线。当固定在车上的遮光板通过光电门时，光线被阻挡，从记录仪上可以直接读出光线被阻挡的时间。这段时间就是遮光板通过光电门的时间。根据遮光板的宽度Δx和测出的时间Δt，就可以算出遮光板通过光电门的平均速度（v=Δx/Δt）。由于遮光板的宽度Δx很小，可以认为这个平均速度就是小车通过光电门的瞬时速度。

3．利用频闪照相法计算物体的速度

频闪照相法是一种利用照相技术每间隔一定时间曝光，从而在胶片上形成间隔相同时间的影像的方法。在频闪照相中会用到频闪灯，它每隔相等时间闪光一次，例如每隔0.1 s闪光一次，即每秒闪光10次。当物体运动时，利用频闪灯照明，照相机可以拍摄出该物体每隔相等时间的像，从而记录物体每隔相等时间所到达的位置。通过这种方法拍摄的照片称为频闪照片。图4中是采用每秒闪光10次拍摄的小球沿斜面滚下的频闪照片示意图，照片中每两个相邻小球的影像间隔的时间都是0.1 s，这样便记录了物体运动的时间。物体运动的位移则可以用尺子量出。与打点计时器记录信息相比，频闪灯的闪光频率相当于打点计时器交变电源的频率，而相同时间间隔出现的影像则相当于打点计时器打出的点迹。因此，运动物体的频闪照片既记录了物体运动的时间信息，又记录了物体运动的位移信息。至于求平均速度和瞬时速度，与分析打点计时器打出的纸带时所用的方法相同。

处理实验数据时的注意事项

(1)平均速度可由v＝Δx/Δt求出。求瞬时速度时，应当取包含该点的尽可能短的时间间隔，由平均速度代替瞬时速度，同时要注意两点间距离过小带来的测量误差。

(2)注意相邻两计数点之间的时间间隔，明确周期与频率的关系T＝1/f。

(3)注意纸带中涉及的字母、数据，以及数据的含义、单位，不是国际单位制的，要换算成国际单位制。

(4)注意题干要求，明确有效数字的保留规则。从左侧第一个不为零的数字起到最末一位数字止，共有几个数字，就是几位有效数字。

4630-020-060振动速度传感器实验测试

大家好，我是【广州工控传感★科技】4630-020-060振动速度传感器事业部，张工。

4630-020-060振动速度传感器融入了整体式温度补偿，可在宽工作温度范围内提供稳定的输出。 三个独立的处理电路提供独立的信号调理，可以采用统一或独立电源工作。先进的 MEMS 传感元件采用气态阻尼设计，提供非常宽的稳定频率响应。

4630-010-200加速度

1 简介

在传感器的实际测试阶段，一些传感器信号会夹杂一些非物理信号的毛刺，从而导致数据分析不便。 经过分析比较，这些干扰信号的来源大部分是摩擦电噪声。 通过一定的准备措施，这种情况是完全可能的。 避免。

2. 实验设计

2.1 实验目的

模拟车祸工况，观察4630-010-200加速度传感器电缆可能产生的干扰信号，评估固定电缆的必要性。

2.2 实验装置

实验中，将一根9米长的电缆固定在一块木板上，用螺丝将木板安装在冲击头上，冲击头产生加速度来模拟碰撞情况。 电缆的一端连接一个4630-020-060加速度传感器，传感器与冲击头固定。 将另一端连接到信号采集仪。 由于冲击头有缓冲装置，冲击头的运动会很快停止，理论上采集到的信号只会有一个加速度的峰值。 峰值信号背后的波动可以理解为纯电缆噪声信号。

3. 实验数据

3.1 参考传感器电缆未固定时的冲击试验结果：

下图显示了震动后传感器输出端的实际信号。 纵坐标为加速度g值，横坐标为时间ms（毫秒）。 波形显示，4630-010-200传感器的主加速度信号峰值约为 270g。 加速度信号（6~8ms）后出现多个峰值的波形为电缆噪声信号，信号峰值约为加速度信号的13%。 由于电缆过于灵活，无法快速响应机械运动，这些信号通常在主加速度信号之后出现几毫秒，因此一般不会影响工程师真正感兴趣的数据。 加速度持续时间更长，实际上与干扰信号重叠。 显然，我们希望避免这种情况发生。

3.2 下图显示了相同冲击和传感器的测试结果，电缆固定良好：

由于电缆干扰是有限的，特别是防止电缆撞击安装表面，我们可以看到后期的干扰信号被很好地消除了。

4630-010-200传感器

4.分析

4.1 参考4630-010-200传感器的干扰信号较大，因为传感器是压电原理（PE），由于其高阻抗特性，更容易受到电缆噪声的影响。

对于使用压电传感器 (PE) 对于工程师来说，摩擦电噪声是一个经常讨论的因素，但对于使用压阻 (PR) 传感器的工程师来说，它相对较新。 在很多情况下对于压阻式传感器来说问题并不严重，尤其是带有信号放大器的传感器，摩擦电噪声的信号比较小，对于如此大的信号输出，这种影响并不明显。 但伴随高冲击时，摩擦电噪声会变大，而高冲击压阻传感器的低灵敏度使得这种干扰不容忽视。

4.2 冲击测量环境下的正确操作：

降低电缆噪声的关键因素之一是正确处理电缆。 粗暴处理电缆会使旧电缆松动，使其比新电缆噪音更大。 因此，应小心处理电缆，以尽可能防止退化。 精心制作的电缆可以为许多测试提供低噪声信号，但结、拉伸和撕裂会使低噪声电缆变成高噪声电缆。 这是可以避免的，应定期检查是否有损坏和处置。 冲击环境一般不利于信号采集，如果不采取预防措施，甚至会损坏电缆。 最重要的是固定电缆，使电缆不会与硬表面发生碰撞，因为这不仅会损坏电缆，还会产生很大的摩擦电噪声。 因此良好的电缆保持力将保护电缆并降低电缆噪音。 用胶带将电缆固定在机身上是一个很好的操作。 当然，也建议将电缆尽可能地引到影响较小的区域。 如果不行，可以将多根同向输出的线缆捆绑在一起，可以起到相互固定的作用。

4810A-0100传感器

4.3 良好的安装会消除大部分电缆噪音，但理想的当然是使用质量更好的电缆，以尽量减少这种干扰的可能性。 一般电缆设计的初衷是易于加工、不易缠绕、易于剥落等。噪声质量不是主要特征：在大多数情况下，用户衡量电缆的质量，如柔软度、张力 、紧密、不粘、易剥落。 特征。 但是在选择嘈杂的电缆时，它可能无法满足上述所有要求。 例如，紧密的电缆护套（有助于降低噪音）使电缆更硬，或者良好的护套材料（例如 TPE）也可能使电缆在通过狭窄空间时更容易与其他电缆缠结。 因此，当您遇到这些烦恼时，请记住，选择此电缆是为了实现低噪声、高保真数据，并且一些不便是不可避免的。

4.4 如果现场不能快速判断电缆的噪声质量，可以从电缆的松紧度来判断。 电缆导体越紧，离电缆护套越近，噪声越低。 不同电缆的噪音水平可能相差多达 5 倍。

4.5 当然，在同等线缆质量的情况下，使用灵敏度更高的传感器可以达到更好的信噪比。 这可以通过增加4810A-0100传感器电源或添加前端放大器来实现。

5 结论

5.1 电缆的安装和固定在冲击条件下至关重要。

5.2 并非所有电缆都具有相同的质量。 不正确匹配（或质量差）的电缆会导致传感器发出不干净的信号。 传感器该知道如何为不同类型的传感器匹配合适的电缆。 .尤其是加速度传感器用的线缆，因为这个传感器的使用会伴随着很大的冲击，而且基于小型化的设计，前端不会有信号放大，所以信号的质量很大程度上决定了 由电缆。

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