卓越班现代检测第5章

第5章转速检测适配教材《现代检测技术及应用》李现明主编，高等教育出版社2012年第1版转速是衡量旋转物体转动快慢的度量。物理学上通常以转动角速度来表示转速，它等于转动的角位移与其所用转动时间之比，量纲为弧度/秒（rad/s）。在工程上，转速通常以每分钟的转数来表示，量纲为转/分钟（r/min）。

转速电测方法的分类：按测量原理可分为模拟法、计数法和同步法；按变换方式又可分为机械式、电气式、光电式和频闪式等。转速表的等级有0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.25，1，1.5，2，2.5。5.1常用转速检测方法

5.1.1模拟式转速检测1离心式转速检测当转轴转动时，重锤在锤的重力和杆的张力作用下作匀速圆周运动。连杆和拉杆的交点A在连杆张力和拉杆拉力的作用下也作匀速圆周运动，而套筒则在重锤离心力作用下通过拉杆沿转轴的轴向方向向上或向下移动一个位移x。套筒压缩或拉伸弹簧，弹簧产生一个反弹力，从而使套筒达到动态平衡。图5.1离心式转速表结构原理图5.1所示离心式转速表实际上式一个将转速转换成位移的敏感器，只要检测出位移量即可知道待测物的转速；配以机械式位移显示仪表可构成直读式机械转速表；配以位移传感器可构成转速传感器。手持式离心式转速表测量范围可达30~24000r/min，引用误差小于±1%。固定安装的离心转速表测量范围可达50~12000r/min，引用误差小于2%。2测速发电机测速发电机是根据电磁感应原理制成、专门用于测量转速的微型发电机,包括直流测速发电机和交流测速发电机两类。其输出电压正比于输入轴上的转速。测速发电机的优点是输出信号幅值高。目前测量范围可达0~10000r/min，测量误差为±0.5~2%。5.1.2同步式转速测量主要指频闪式转速检测，其工作原理基于频闪效应。频闪效应，亦称视觉残留现象，指物体在人的视野中消失后，人眼视网膜上能在一段时间保持视觉印象的生理现象。视觉残留的维持时间，在物体平均亮度条件下，约为0.2~0.05s。频闪法转速测量用到一个圆盘，该圆盘上涂有反光标记，称为频闪盘。频闪盘与被测旋转物体同轴安装。用一个可调频率的闪光灯照射频闪盘，因为频闪盘上涂有反光标记，将会观察到图像，称之为频闪像。当闪光频率与频闪盘转动频率相同时，反光标记在某一位置上灯光闪一下，等下一次旋转到此位置上时，灯光正好又闪一下，人眼清晰地看到一幅静止的频闪像。当闪光频率与频闪盘转动频率没有这种一致关系时，人眼观察到的频闪像将是旋转的圆环。当通过调整闪光频率，获得一幅在同一位置静止不动的频闪像时，则闪光频率（Hz）乘以60即为被测转速（r/min）。事实上，当频闪盘转动频率是闪光频率的整数倍时，也能看到不动的频闪像。因此，在测量转速时，要调整闪光灯的频率，找出使频闪像不动时频闪光的最高频率，它对应被测真正转速。如图5.2所示。频率可调的多谐振荡器4产生某一频率的等幅信号，控制频闪管3发出相同频率的闪光，照射至被测转轴1的频闪盘反光标志2上。。当闪光频率和被测转轴的转动频率相等时，由于人眼的惰性，频闪盘上的反光标志看起来在某一位置静止不动的；当闪光频率>被测转轴的转动频率时，频闪盘上的反光标志朝与转轴相反方向旋转；当闪光频率<被测转轴的转动频率时，反光标志朝与转轴相同方向旋转。反复调节多谐振荡器的频率，直至看到反光标志最亮且似乎静止不动时为止，此时可从多谐振荡器振荡频率直接得出被测的转速。图5.2频闪转速表原理图1－被测转轴；2－频闪盘及其反光标志；3－频闪管；4－多谐振荡器由于光源的闪烁频率可连续调节，而且在旋转体上可以装上不同的标志板，因此频闪法测速的测量范围很宽。加之频闪法属于非接触测量，因此它特别适合高转速测量场合。目前，其测量上限可达到210000r/min。频闪法测速的精确度取决于闪光频率的测量精度。目前频闪法测速精度可小于0.03%,可作为基准仪器。频闪法测速的缺点是需要被测转速比较稳定。5.1.3数字式转速检测

概念：数字式转速检测，就是将被测转速转换为数字电信号输出，应用广泛。特点：量程宽、准确度高、便于携带，输出数字信息，便于与微型计算机、打印机相结合，实现转速的自动记录、数字处理和反馈控制。组成：由数字式转速传感器和电子计数电路组成。传感器将转轴的速度转换为电脉冲信号，经电路放大、整形后，送电子计数器显示相应的被测转速值。一般对中、高转速采用频率法测量，对低转速采用周期法测量。所谓频率法，即在电子计数器采样时间内对转速传感器输出的电脉冲信号进行计数，利用标准时间控制计数器闸门。设旋转体每转一转传感器发出Z个电脉冲，采样时间为t（s），计数器的显示值为N，被测转速n（r/min）为周期法测转速实质是测量某一已知旋转角度所需的时间。将圆周进行Z等分，每转一周传感器输出Z个脉冲，传感器输出相邻两个脉冲占用了M个时钟脉冲的时间，时钟频率为f0，则角速度ω(rad/s)为Z实质上是空间细分，M实质上是时间细分。数字式转速检测所用传感器有多种，按其作用原理可以分为光电式、磁电式、电容式、霍尔元件式、电涡流式，等等。它们的共同特点是通过联轴器或标记与被测转轴联接，采用非接触方式将转轴角位移变换为电脉冲信号。测量时旋转方向的判别，与感应同步器、光栅测量位移时的位移方向判别类似，多采用位置相差90°的两支传感器，按相位关系，经电路判别其旋转方向，并控制计数器的加减计数。图5.3为利用电涡流传感器测量转速的电路框图。在被测对象上开一个凹槽，靠近转轴表面安装电涡流探头。每当轴转动到如图示位置，电涡流探头感受到轴表面的位置变化，传感器激励线圈的电感随之改变。轴转一圈，线圈的电感变化一次，相应振荡器的频率变化一次。通道检波器转换成电压的变化，从而得到与转速成正比的脉冲信号。来自传感器的脉冲信号经整形后，由频率计得到频率值，再转换成转速。图5.3利用电涡流传感器测量转速图5-4光电式数字转速表工作原理图图5.4为光电式数字转速表工作原理图。在被测转速的电机上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态，即光电器件受光照时，输出高电平；光电器件不受光照时，输出低电平。光线每照射到光电器件上一次，光电器件就产生一个电信号脉冲，经放大器整形后记录。其测量范围可达50~3×104r/min，精确度为±（1~2）个字。图5.5给出了以InSb霍尔器件为核心元件的测速电路。霍尔器件H的c、d端即霍尔电压的输出端。随着磁鼓上永磁体极性(N极、S极)的变化，c、d端端上输出电压的极性(正、负)也发生变化，在输出端便输出脉冲信号。磁鼓上永磁体数量的有多少，则每旋转一周便可在输出端得到多少个电脉冲。其测量范围可达1×104r/min，精确度为±2个字。图5.5霍尔器件磁电编码器电路图（a）晶体管式霍尔器件磁电编码器电路；（b）集成电路式霍尔器件磁电编码器电路5.1.4各种转速检测方法性能比较及用途、特点见书上表格。5.2转速检测技术示例——编码器5.2.1直接编码器直接编码器即直接编码式传感器，又称绝对编码器，是直接将角位移或线位移转换为二元码(即数字量0和1)的数字式传感器。按用途，可分为测长度的直线式编码器和测角度的旋转式编码器两类，其中后者应用较多；按其结构，可分为电刷接触式、电磁式、光电式，其中以光电式性能价格比最高，应用最广。1工作原理：光电式直接编码器的结构如图5.6所示。码盘是一块圆形光学玻璃，上面刻有许多同心码道，每圈码道上都有按一定规律排列着若干透光和不透光部分，即亮区和暗区；光源经过光学系统形成一束平行光投射到码盘上，通过亮区的光线经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电器件上。对应一圈码道有一个光电器件；当码盘处于不同位置时，各光电器件根据受光照与否转换输出相应的电平信号，分别代表二元数码1和0。码道数等于光电器件的个数，它们决定了该编码器转换成的二元数码的位数n。码盘相对于狭缝的转角α，通过光电转换就会得到一组n位二元码与之相对应。转角α这个模拟量便被转换成相应的由n位二元码表示的数字量。二进码盘的缺点：每个码道的黑白分界线总有一半与相邻内圈码道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线刻画不精确造成粗误差。采用其他有权编码时也存在类似问题。为了消除这种粗误差，通常采用循环码盘。表5.2是二进制码与循环码对照表。5.2.2增量编码器1结构与工作原理增量编码器又称脉冲盘式数字传感器。光电式增量编码器如图5.8所示。它只需3条码道，光电器件也只要3个。码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号。中间一圈码道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。这两圈码道都等角距地分布着m个透光与不透光的扇形区，但彼