测速技术的发展与应用

作者: 庞蜜

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-10-29

本文介绍了测速技术的发展历程及其在不同领域的应用,包括交通工具、飞机和运动场上的测速方法。

只要跑得够快悲伤就追不上你,但GPS可以啊!

世间万物都在运动,只不过因参照不同而有快慢之分。为了掌握不同物体的运动规律,制造出更快更强的工具和设备,测速,就成了一个重要的命题。

大多数测速方法,核心原理都是利用速度的定义,即物体运动的路程除以运动所用的时间。如果是变速运动,为了获知速度怎样随时间变化,可以通过缩短测量时间、增加测量次数来实现。

近代几百年间,人类科技飞速发展,目前对于长度和时间的测量,已经能达到很高的精度,比如长度可以测量到亚原子级别(约10-12米),原子钟的计时精度,可以达到10-15秒(上百亿年才有1秒的误差)。加上超声波、电磁波、激光这些工具,理论上,我们在地面上看到的一切物体,都能测速。

早期,对于带轮子的交通工具,被用来测速的是机械式的转速测量仪器。速度表与转轴直接相连,可以直接测量车子轮轴的转速。现在用的更广泛的,是测速传感器,利用光电或磁电原理,产生周期性的电信号,并据此算出速度。

在高速公路上,出于安全考虑,必须严格控制车辆的速度。这时候常用的测速方法有区间测速,就是在路上固定两个监测点,记录车辆通过的时间,据此计算区间内的平均速度。记录的方法可以很多样,比如人见人怕的超速拍照。还有一种是雷达测速,利用了光波的多普勒效应。

物体运动时,碰到仪器发出的光波,反射波的频率会因此发生变化。频率的变化和物体速度有关,利用这个特点,只发出和接收一个脉冲信号就可以获得车辆的速度信息。

对于一些高速运转,无法近距离测量的物体,测速方法可谓是花样百出。飞机的速度是怎么测出来的?答案是利用飞行时受到的气流压力。飞机上自带测速用的空速管,又叫大气传感器。飞行时气流从空速管流入,管内的感受器能测出气流的压力,而气流压力和飞行速度有关,通过计算就能知道速度。

另外飞机上都有惯性测量装置,能测量飞机的加速度(速度随时间的变化),通过一些数学处理也能算出速度,不过这种方法的精度会随飞行时间的增加而下降。

还有一个大招,通吃地球上几乎所有的交通工具,那就是GPS测速。只要你在物体上放置卫星定位装置,通过接受天上几个不同位置的卫星发出的精确时间信号,就能精确定位物体位置的移动和时间,测速自然小菜一碟。

运动场上,更是各种测速黑科技大显身手的时候。比如在网球、羽毛球等各种高速球类运动中,常见的测速手段是雷达测速枪以及速度追踪系统。赛场边设置的雷达测速枪,通过电磁波的频率改变来计算球的瞬时速度。在赛场高空处设有速度追踪系统,多架高速摄像机追踪球的飞行轨迹,以记录下运动员在绝杀扣球时,球所能达到的最高速度。

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