转速的测量

转速是用单位时间内的转数表示的，通常采用１ｍｉｎ内的转数作为单位，符号为ｒ／ｍｉｎ；角速度用１ｓ内转过的弧度作单位，符号为ｒａｄ／ｓ。

测试转速的方法很多，根据其工作原理，可分为计数式、模拟式和同步式三大类。计数式方法是用某种方法读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量（如离心力、电机的输出电压）的变化；同步式方法是利用已知频率的闪光与旋转体的旋转同步来测试转速。根据转速转换方式的不同，测试方法如表７．１所示。

一般转速的测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及用日光灯频闪法测速，但这些方法不能满足进一步的要求。例如，对电机过渡过程的研究，需要测试瞬时转速；在微特电机的研究中还要研究转速的稳定度等。这就要求通过各种传感器将转速变换为电量，然后再用模拟或数字方式显示，有的还要用微型计算机进行控制、检测及运算。

表７．１转速测试方法分类

一、电子计数式测速/article/show-2354.htm

数字式测速是发展十分迅速的一种测速方法，测试结果直接以数字显示，它有如下特点：

（１）读数准确，消除了一般指针式仪表的刻度误差和视觉差。

（２）测试范围宽、精度高、速度快、显示字迹清晰。

（３）可进行瞬时转速的测试。一般瞬时角速度，当Δθ（或Δｔ）取得极小时，常称Δθ Δｔ为瞬时角速度。

由于转速与频率具有共同的量纲［Ｔ－１］，因此可以利用测频率或测周期的方法得到转速。采用电子计数式频率计，配以转速传感器即可构成电子计数式转速表。为提高测试的准确度，一般对高、中转速采用测频法，对于低转速采用测周法。

测频法是测量转速传感器所发出电信号频率的方法，即测量标准单位时间内电脉冲数。测周法是定角测时，即用时标填充的方法测相当于某一旋转角度的时间间隔，测周法可以在较短时间内获得较高的准确度和分辨率。这两类方法交替使用，相互补充，可以展宽测试范围，提高测试准确度。其原理及测试误差分析已在第六章讨论过，不再赘述。

１．测频法（或称Ｍ法）测速

（１）数字式电子转速表。数字式频率计的数字显示值与转速间的关系为

为便于直接读出转速值，须使Ｎ１＝ｎ，则应满足ｚｔ１＝６０的条件。当传感器每转发出的脉冲数为６０及主闸门开启测定的标准时间为１ｓ，则计数器计的脉冲数就是旋转体每分种的转数。可见，ｚ的数值最好是６０或６０的整倍数。

为了减小数字式仪器±１个字的量化误差（即由于最小计数单位限制引起的误差）对测量准确度的影响，应使测量值远大于最小计数单位。对于数字式电子转速表来说，即要求计数值Ｎ１较大。当测定时间ｔ１选定后（一般不应过长，以保证测量条件不变与迅速、及时地完成测量任务），只有所测转速ｎ较高或旋转体每转一周传感器发出的脉冲数ｚ较多，才能使Ｎ１较大（而对于同样的ｚ，当ｎ大时，测量值Ｎ１会更大）。这说明Ｍ法适于测量较高的转速。

传感器每转输出的脉冲数越多，测定的时间越短，则所测的转速越接近瞬时速度。将每次测定时间ｔ１所测得的脉冲数存入小型计算机，根据两个相邻测定时向（ｔ１）１和（ｔ１）２（例如各为２ｍｓ）的脉冲数Ｎ１及Ｎ′１，即可算出其角速度

二、瞬态转速测试

１．概述

电机瞬时转速测量主要包括两项内容：一是电机启动或停止时的转速变化情况，即电机转速的暂态过程。测试它的暂态过程，对于合理设计电机参数及控制系统的结构显得尤为重要。二是电机在稳态运行中角速度微小的变化情况，即电机转速的脉动程度，以确定电机转速的不稳定度。对电机转速不稳定度的测试，在卫星、导弹等制导系统中，在资源探测、传真、录音、录像以及一些近代工艺设备中，同样显得十分重要，因为在这些系统和设备中，都有转速非常稳定的电动机作为执行元件或恒速驱动元件。这些设备不仅要求电动机转速长期不变，而且要求它每一转中的角速度波动极小。

虽然工程上一直很需要测试电动机的瞬态转速，但只是在近几年才比较好地实现了这种测试。因为电动机启动、停止时间很短，一般只有若干毫秒到几百毫秒，电动机转一圈的时间很短，有的仅几百毫秒。在这么短的时间内，要准确测出其转速变化情况，困难很大。用常规的仪器和测试方法，固然不行，即使用光电数字显示测速仪器，其采样频率也不高，而且人的视觉反映很慢，无法看清暂态测试过程中迅速变化的数字。近年来，随着计算机（特别是微型计算机）在各个领域的广泛应用，才使现代化瞬态测试技术得到迅速发展。

２．原理和方法

电机的瞬时角速度，实际上它就是电机在极小的Δｔ时间内的平均角速度。Δθ（或Δｔ）取得越小，则测得的转速越接近瞬时转速，所以理论上讲Δθ（或Δｔ）应越小越好。

瞬态转速的测试同样有两种测试方法：一是测周法（定角测时法），即用标准时间脉冲来度量转过Δθ所需的时间Δｔｉ；另一种是测频法（定时测角法），即在确定的很短的时间Δｔ内，测电机转过的Δθｉ。由于Δθ分割得太小，工艺上较复杂、较困难，成本也高，因此目前采用测周法的比较多。为了反映电机角速度变化曲线，每转一周测试的点数必须足够多，按采样定理，测试密度（每转一周的测试点数）至少也要大于一周中速度变化最高频率的２倍。实际上采样频率要高于电机角速度变化频率的十几倍。

在瞬时转速测试中，需要Δθ角度传感器。理想的角度传感器应是与被测电机之间无接触（或是没有惯量加到被测电机上），另外应准确，角度分辨率高。已获得广泛应用的光学玻璃圆光栅、金属光栅等是比较好的角度传感器。此外，图７．４所示也是在瞬时转速测试中被采用的一种多齿电容角度传感器，它具有准确度高、惯量小、使用方便、工作可靠及制造工艺简单等优点。

三、激光测转速

由于激光是一种高亮度、低发散角的单色相干光源，因此它给古老的经典光学及传统的测试技术带来了深刻变化。激光测转速是一种非接触式光学测试，对被测体无扰动，不受环境条件限制，可实现远距离遥控测量，可提高测试准确度，扩大测试范围。这是采用激光技术后，转速测试技术发展的一个明显特点。

目前常见的非接触式转速测试仪，除了电磁式以外，主要是光电计数式和闪光式转速表。把激光转速仪与这两者作比较，激光转速仪有三个独特优点：一是工作距离可远达１０ｍ；二是当被测物体除旋转外，还在振动或回转进动时，只有激光转速仪能测这些处于特殊状态物体的转速，且操作简单、读数可靠；三是抗干扰能力强。例如，正在摇头回转的台式风扇的转速，除了激光转速仪外，其他转速仪都难以测试。由于激光具有惊人的亮度，可以用它测试玻璃罩壳内旋转物体的转速，如各种风洞内正在进行吹风试验的模型的转速，甚至有可能测试正在水中旋转的螺旋桨的转速。激光传感器获得旋转物体转速信息的原理如图７．６所示。图中氦氖激光器以连续方式工作，管内混合气体一旦被高压电源所激励，它就在光学谐振腔的输出端发射出波长为６３２８×１０－１０ｍ的红色光束。激光穿过半反射镜片后，５０％光强的透射激束继续沿原来入射方向前进，经过由透镜Ｌ１和Ｌ２组成的发射光学系统后，聚焦在旋转体Ｔ的表面，而余下的５０％光强的光束与主光轴成９０°反射。在旋转体表面贴有一小块定向反射材料Ｓ（简称反射纸），物体转动而激光束不动。当未贴反射纸的表面被激光照射时，产生无固定方向的漫散射，能沿发射光轴返回镜筒的光束极其微弱。因此激光传感器没有感受到任何信息。当旋转体旋转到反射纸被激光束照射位置时，由于反射纸对于入射的平行光束具有定向反射回归特性，有一部分激光束沿发射光轴原路返回，进入发射镜筒后，经透镜Ｌ１和Ｌ２聚焦在半透半反射镜片Ｈ上。一半光强的光线穿过Ｈ，而另一半则被反射。由于Ｈ与主光轴夹角为４５°，因此，反射光线与主光轴垂直，并被光电三极管Ｐ前面的透镜Ｌ３会聚在Ｐ上。于是，物体旋转一周，反射纸就被激光束照射一次，Ｐ就接收到一个激光脉冲，便产生一个电脉冲，物体不停地转动，Ｐ就输出一系列电脉冲，这就是激光传感器所检测的转速信号。