第六章转速加速度测量

1、速度测量速度测量速速 度度 测测 量量速度速度测量测量线速度测量线速度测量（m/sm/s，km/h)km/h) 角速度测量角速度测量(rad/s) (rad/s) （转速测量（转速测量( (转转/ /分）分）2 nRotary speed：revolutions per minute (r.p.m.)Angular VelocityLinear Velocity常用的速度测量方法：常用的速度测量方法： 微积分法微积分法 线速度和角速度相互转换测速法线速度和角速度相互转换测速法 速度传感器法速度传感器法 时间、位移计算测速法时间、位移计算测速法（1）微积分法）微积分法 对运动体的加速度信号对运动

2、体的加速度信号a进行积分运算，进行积分运算，得到运动体的运动速度，或者将运动体的位得到运动体的运动速度，或者将运动体的位移信号进行微分也可以得到运动体的速度移信号进行微分也可以得到运动体的速度 例如在振动测量时，应用加速度计测得例如在振动测量时，应用加速度计测得振动体的振动信号，或应用振幅计测得振动振动体的振动信号，或应用振幅计测得振动体的位移信号，再经过电路进行积分或微分体的位移信号，再经过电路进行积分或微分运算而得到振动速度。运算而得到振动速度。（2 2）线速度和角速度相互转换测速法）线速度和角速度相互转换测速法 线速度和角速度在同一个运动体上是有线速度和角速度在同一个运动体上是有固定关系

3、的，这和线位移和角位移在同一运固定关系的，这和线位移和角位移在同一运动体上有固定关系一样。动体上有固定关系一样。在测量时可采取互在测量时可采取互换的方法测量。换的方法测量。 例如测火车行驶速度时，直接测线速度例如测火车行驶速度时，直接测线速度不方便，可通过测量车轮的转速，换算出火不方便，可通过测量车轮的转速，换算出火车的行驶速度。车的行驶速度。（3）速度传感器法）速度传感器法 利用各种速度传感器，将速度信号变换利用各种速度传感器，将速度信号变换为电信号、光信号等易测信号。为电信号、光信号等易测信号。 速度传感器法是最常用的一种方法。速度传感器法是最常用的一种方法。（4 4）时间、位移计算测速法

4、）时间、位移计算测速法 根据速度的定义测量速度，即根据速度的定义测量速度，即通过测量距通过测量距离离L和走过该距离的时间和走过该距离的时间t，求得，求得平均速度平均速度。 L取得越小，则求得速度越接近运动体取得越小，则求得速度越接近运动体的瞬时速度。的瞬时速度。 如子弹速度的测量，运动员百米速度如子弹速度的测量，运动员百米速度的测量等。的测量等。 根据这种测量原理，在固定的距离内根据这种测量原理，在固定的距离内利用数学方法和相应器件又延伸出很多测利用数学方法和相应器件又延伸出很多测速方法，如速方法，如相关测速法相关测速法、空间滤波器测速空间滤波器测速法法。一一.机械离心式转速计测转速机械离心式

5、转速计测转速二二.光电传感器测转速光电传感器测转速三三.磁电式转速传感器磁电式转速传感器四四.霍尔转速传感器霍尔转速传感器速速 度度 传传 感感 器器 法法 测测 量量 速度速度五五 .红外测速红外测速一、机械离心式转速计测转速一、机械离心式转速计测转速 质量为质量为m的重锤在离心力的重锤在离心力 m r2作用作用下使下部的轴套上升或下降，下使下部的轴套上升或下降，转速不同离转速不同离心力不同轴套位置不同通过齿轮机械转心力不同轴套位置不同通过齿轮机械转动指针，显示转速。动指针，显示转速。是接触式测量，分固是接触式测量，分固定式和手持式，手持式转速表就是这种转定式和手持式，手持式转速表就是这种转

6、速计。速计。 光电传感器分类光电传感器分类 模拟式模拟式光电传感器按被测量光电传感器按被测量(检测检测目标物体目标物体)方法分：方法分：透射透射(吸收吸收)式、式、漫反射式、遮光式漫反射式、遮光式(光束阻档光束阻档)三大三大类。类。二二.光电传感器测转速光电传感器测转速（1）透射式透射式是指被测物体放在光是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上，又称射光投射到光电元件上，又称吸收式吸收式. (2)漫反射式漫反射式是指恒光源发出是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测的光投射到被测物上，再从被

7、测物体表面反射后投射到光电元件物体表面反射后投射到光电元件上上(3) 遮光式遮光式是指当光源发出的光是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，通量经被测物光遮其中一部份，使投射到光电元件上的光通量使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。在光路位置有关。光电转速传感器 思考题：思考题：如输出信号如输出信号在在1秒钟内共测得秒钟内共测得700个脉冲个脉冲,求轴上转速。求轴上转速。由装在轴上由装在轴上的带孔或者的带孔或者缝隙的旋转缝隙的旋转盘、光源、盘、光源、光电器件等光电器件等组成组成min/300014/700*60/*60rZNn旋转盘

8、随被测轴转动，旋转盘转一周，旋转盘随被测轴转动，旋转盘转一周，光电器件输出与孔数相等的光电器件输出与孔数相等的电脉冲电脉冲，由，由脉冲数脉冲数N可计算转速。可计算转速。 光电式转速表 日本株式会社小野测器公司生产的日本株式会社小野测器公司生产的LG-916、LG-930光电式转速传感器光电式转速传感器 脉冲积分法（脉冲积分法（M）和脉冲间隔法（）和脉冲间隔法（T）。常用的数字式转速测量方法主要常用的数字式转速测量方法主要:脉冲积分法（脉冲积分法（M） 在一定的时间间隔在一定的时间间隔TS内，将来自编码器内，将来自编码器的脉冲用计数器累计，然后计算转速：的脉冲用计数器累计，然后计算转速： n=6

9、0000m/MTSTS :采样间隔，采样间隔，msm: TS内的脉冲数内的脉冲数M：码盘：码盘(调制盘调制盘)每圈的脉冲数，由码盘每圈的脉冲数，由码盘铭牌得到。铭牌得到。缺点： 低速测量受限制。低速测量受限制。 TS内只一脉冲，内只一脉冲， m=1，实际转速，实际转速nmin=60r/min。 如要测量更低的转速，只有增大采如要测量更低的转速，只有增大采样间隔。样间隔。脉冲间隔法（脉冲间隔法（T） 实现低速测量。实现低速测量。两个码盘脉冲间隔两个码盘脉冲间隔TW插入已知频率的高插入已知频率的高频脉冲，计数高频脉冲的个数。频脉冲，计数高频脉冲的个数。 n=60000fc/MNfc: 插入高频脉冲

10、频率插入高频脉冲频率M: 码盘每圈的脉冲数码盘每圈的脉冲数 N ：TW内的高频脉冲数内的高频脉冲数缺点 速度上限受限制速度上限受限制当时，当时， nmax=300r/min。M1000例：例：M1000，fc=5KHZ, N=255,则则n=60000fc/NM=1.2r/min. 大范围内测量转速，可在同一系统中大范围内测量转速，可在同一系统中分段采用这两种方法，高速时分段采用这两种方法，高速时脉冲积脉冲积分法（分法（M），低速时脉冲间隔法），低速时脉冲间隔法（T），又称），又称M T 法法 例例1: 某编码器指标为某编码器指标为1024个脉冲个脉冲/ r,在在0.4s内测得内测得4K(1K

11、=1024)个脉冲个脉冲,求转速求转速 n=60000m/MTS =60000*1024*4/(1024*0.4*1000) =600r/min例例2:某编码器指标为某编码器指标为1024个脉冲个脉冲/ r,已知标已知标准频率时钟准频率时钟fc=1MHZ,测得编码器输测得编码器输出的两个相邻脉冲上升沿之间能填出的两个相邻脉冲上升沿之间能填充的标准时钟数为充的标准时钟数为1000脉冲脉冲, 求转速求转速.n=60000fc/NM=60000*1000/(1000*1024) =58.6r/min三、磁电感应式转速传感器三、磁电感应式转速传感器 当安装在被测转轴上的齿轮当安装在被测转轴上的齿轮(导

12、磁体导磁体)旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，使的间隙，使磁路的磁阻和磁通发生周期性磁路的磁阻和磁通发生周期性变化变化，线圈中输出电压周期性变化，从而，线圈中输出电压周期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成此例的此例的交流电压信号交流电压信号u0。随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一随着转速下降输出电压幅值减小，当转速低到一定程度时，电压幅值将会减小到无法检测出来的定程度时，电压幅值将会减小到无法检测出来的程度。故这种传感器程度。故这种传感器不适合于低速测量不适合于低速测量。 外配检测齿轮型外配

13、检测齿轮型电磁式转速传感器。电磁式转速传感器。传感器头靠近安装在旋转轴上检测齿轮的传感器头靠近安装在旋转轴上检测齿轮的齿顶端，齿顶端，旋转轴带着齿轮旋转旋转轴带着齿轮旋转时，传感器时，传感器会会感应出与转速成比例的频率信号感应出与转速成比例的频率信号。传感。传感器由永久磁铁、线圈和器由永久磁铁、线圈和U型磁钢组成，磁型磁钢组成，磁性物体靠近性物体靠近 U 型磁钢时，线圈内的磁通量型磁钢时，线圈内的磁通量会发生变化，在线圈两端建立起一个其频会发生变化，在线圈两端建立起一个其频率与磁通量成比例变化的率与磁通量成比例变化的诱导电压诱导电压。 磁通量随频率磁通量随频率 f = 转速转速(r/min)齿

14、数齿数60(Hz) 波动，作波动，作为传感器的转速信号被输出出来。为传感器的转速信号被输出出来。 特点：构造简单；不要电源；体积小、特点：构造简单；不要电源；体积小、不占地方；不需维修保养，可靠性高，不占地方；不需维修保养，可靠性高，大量应用在各种工业场所。大量应用在各种工业场所。 构造简单、刚性好、耐环境好、不受振动、构造简单、刚性好、耐环境好、不受振动、温度、油灰尘等影响。温度、油灰尘等影响。 由于是非接触式地检测信号，对旋转体不加由于是非接触式地检测信号，对旋转体不加负荷，可以安全测量。负荷，可以安全测量。 由于是自身发电型，不要电源，最适于设置由于是自身发电型，不要电源，最适于设置在现

15、场。在现场。霍尔效应原理图霍尔效应原理图 霍尔效应：霍尔效应：四四 . 霍尔转速传感器霍尔转速传感器物理现象观察霍尔效应 UH =RH 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其其灵敏度与霍尔常数灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度成正比而与霍尔片厚度d成成反比。反比。 为了提高灵敏度为了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。霍尔元件常制成薄片形状。 IBKdIBH 霍尔效应：霍尔效应：霍尔转速传感器结构霍尔转速传感器结构 图图c 霍尔转速传感器霍尔转速传感器采用霍尔效应，采用霍尔效应，当金属齿经过霍尔传感器前端时，当金属齿经过霍尔传感器前端时，引起引起磁场变

16、化磁场变化，霍尔元件检测到，霍尔元件检测到磁场变化，并转换成一个磁场变化，并转换成一个交变电交变电信号信号，传感器内置电路对该信号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号。形脉冲信号。图图d 它实际就是利用霍尔开关与电机它实际就是利用霍尔开关与电机轴连接的轮片上粘有轴连接的轮片上粘有多对小磁钢多对小磁钢（N.S极），小磁钢越多，分辨率极），小磁钢越多，分辨率就越高。霍尔开关固定在小磁钢就越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，轮旋转时，附近，轮旋转时，磁钢经过霍尔磁钢经过霍尔开关集成电路开关集成电路时，开关集成器就时，开关集成器就会会产生一个响应的脉冲

17、产生一个响应的脉冲，检测出，检测出的单位时间的脉冲数，其长度就的单位时间的脉冲数，其长度就是轮轴的转动周期是轮轴的转动周期T及其转速及其转速n。 n=1/T霍尔轮速传感器优点霍尔轮速传感器优点：其一，其一， 输出信号电压幅值不受转速影响。输出信号电压幅值不受转速影响。其二其二 ，频率响应高。其响应频率高达，频率响应高。其响应频率高达20kHz，相当于车速为，相当于车速为1000km/h时所检时所检测的信号频率。测的信号频率。其三，其三， 抗电磁波干扰能力强。抗电磁波干扰能力强。HE-01霍尔转速传感器霍尔转速传感器闪光测转速法：闪光测转速法：利用人眼的利用人眼的视觉暂留视觉暂留现象来测量现象来

18、测量转速。一个闪光目标，当闪动频率大于转速。一个闪光目标，当闪动频率大于10Hz时，时，人眼看上去就是连续发亮的。人眼看上去就是连续发亮的。根据这一原理，用一个根据这一原理，用一个频率连续可调的闪光灯频率连续可调的闪光灯照照射被测旋转轴上的某一固定标记射被测旋转轴上的某一固定标记(如齿轮的齿，如齿轮的齿，圆盘的辐条或在旋转轴上涂以黑白点圆盘的辐条或在旋转轴上涂以黑白点)，并调节，并调节闪光频率闪光频率f，直到旋转轴上出现一个单定象为止，直到旋转轴上出现一个单定象为止，即达到即达到n=f的条件，这时便可以从的条件，这时便可以从电子计数器或电子计数器或圆刻度盘圆刻度盘上读出被测的转速值。上读出被测

19、的转速值。 四、闪光测转速法四、闪光测转速法但是若在连续两次闪光的时间间隔内，旋转但是若在连续两次闪光的时间间隔内，旋转轴转过整数倍数时，即轴转过整数倍数时，即nk0f时，也会出现时，也会出现单单定象。定象。式中的式中的k0为单定象停留的次数为单定象停留的次数(1、2、3、)。 还可能出现另一种情况，即当闪光频率比还可能出现另一种情况，即当闪光频率比被测转速高二倍、三将、被测转速高二倍、三将、m倍倍时，则会时，则会出现二重象、三重象以至于出现二重象、三重象以至于m重象。重象。f=mn0测速系统总体结构如图所示，主要包括红测速系统总体结构如图所示，主要包括红外外测速传感器测速传感器（由红外发射与接收电路和齿盘（由红外发射与接收电路和齿盘组成）、组成）、信号处理电路、单片机以及数字显信号处理电路、单片机以及数字显示部分示部分。工作过程：当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，工作过程：当齿盘旋转时，由于轮齿的遮挡，红外发射管与接收管之间的红外线光路时断红外发射管与接收管之间的红外线光路时断时续时续，信号处理电路将此变化的，信号处理电