转速测量的方法

转速测量的方法
∙F/V转换
电子类转速测量仪表，由转速传感器和表头（显示器）组成。

目前常用的转速传感器，大多输出脉冲信号，只要通过频率电流转换就能与电压电流输入型的指针表和数字表匹配，或直接送PLC;频率电流转换的方法有阻容积分法、电荷泵法和专用集成电路法，前两种方法在磁电转速表中也有运用。

专用集成电路大都数是阻容积分法、电荷泵法的综合。

目前常用的专用集成电路，有LM331、AD654和VF32等,转换精度在0.1%以上；但在低频时，这种转换就无能为力。

采用单片机或FPGA，做F/D和D/A转换，转换精度在0.5~0.05%之间，量程从0~2Hz到0~20KHz，频率低于10Hz时反映时间也变长。

关于F/V转换，请参考相应芯片介绍和应用资料，本文不做赘述。

∙频率运算
在显示精度、可靠性、成本和使用灵活性上有一定要求时，就可直接采用脉冲频率运算型转速表。

频率运算方法，有定时计数法（测频法）、定数计时法（测周法）和同步计数计时法。

定时计数法（测频法）在测量上有±１的误差，低速时误差较大；定数计时法（测周法）也有±１个时间单位的误差，在高速时，误差也很大。

同步计数计时法综合了上述两种方法的优点，在整个测量范围都达到了很高的精度，万分之五以上的测量转速仪表基本都是这种方法。

下面以XJP-10B
为例，介绍定时计数法（测频法）、定数计时法（测周法）和同步计数计时法。

早期的XJP-10B转速数字显示仪，采用CMOS数字集成电路。

其原理可用如下三个框图表示：
框图一测频原理
框图一告诉我们，被测信号通过放大整形进入加法计数器；晶体振荡器的频率信号通过分频产生秒（或分钟）信号，在计数显示控制器中生成寄存脉冲和清零脉冲。

寄存脉冲将加法计数器的BCD码送入寄存器，通过译码驱动，LED数码管显示一秒（或分钟）内的计数值，直到下一次寄存脉冲的到来；紧接着清零，进行下一轮计数、寄存（译码显示）；如此，不间断测频。

如果我们考察一下这些信号的时序，不难发觉这种定时计数测量方法的缺陷是：被计数脉冲有多一或少一的误差。

如果被测频率为10000Hz,多一或少一的误差，相对来讲只不过万分之一；如果被测频率为2Hz,多一或少一的误差，相对来讲就达到了百分之五十，不难看出频率越低，误差越大，而且还有一点，把一秒变成一分钟，误差就变小了。

低频时，如不延长采样时间，要提高精度就要采用测周的方法，框图二正是说明这种方法。

框图二测周原理
将框图二与框图一进行比较，我们不难发觉：上述二者的差别在于晶体振荡器与被测信号的位置作了互换，象是代数上的分子分母的颠倒，也正是物理上的频率和周期互为倒数，细心的读者可以体会到，学科之间的内在联系无处不在。

测周的误差：与测频相似，是多一个或少一个晶体振荡器脉冲，也就是多一个或少一个时基脉冲，晶体振荡器脉冲频率准确度越高误差越小，晶体振荡器脉冲频率越高误差也越小，被测频率越高误差越大；因此测量高频时，对被测信号进行分频，确实是提高测周精度的好方法。

在周期过长时，还可通过计数器，借助计时器来测量转速。

下面的框图表示了计数器的工作原理。

框图三计数器原理
现在我们可以看出，XJP-10B转速数字显示仪，在CMOS数字集成电路的条件下，已是一款十分完备的转速测量工具，这台仪器的设计者是田同裕先生，与之同期的类似产品还有XJP-02A转速数字显示仪（设计者童敏杰先生，改进者姓名略）。

早期的XJP-10B转速数字显示仪，在今天看来有哪些不足呢？周期和频率都不能等同转速，频率与转速存在倍数关系，通过时基频率的分频（采样时间的倍乘），基本满足了大都数用户的需要，测周则需要用户自己换算成转速。

在今天的电子技术条件下，解决这些问题用单片机或FPGA都比较方便。

那么今天的设计者怎样设计新的XJP-10B转速数字显示仪呢？下面仍然以XJP-10B转速数字显示仪为例，介绍同步计数计时法。

同步计数计时法
同步计数计时法，是随着单片机的普及而得到普及运用。

同步计数计时法是怎样综合前两种方法的优点的呢？我们还是用时序来分析。

定时计数时序
时序图一时序图二
时序图一：计时和计数脉冲不同步；时序图二：计时和计数脉冲同步。

但不管计时和计数脉冲同步与否，都有多一少一的误差。

同理，定数计时也有多一少一的
误差。

同步计数计时时序图
当定时器与被测脉冲同步计数时，为避免被测脉冲计数多一少一的误差，将定时作延时调整，等待被测脉冲计数完整；与此同时，取时间基准脉冲计数值。

这样脉冲计数N为零误差，时间基准脉冲计数T有多一少一的误差。

当时间基准脉冲源（晶振）误差小于十万分之一时，误差源主要是时间基准脉冲计数多一少一引起。

频率f=N/T,假定定时为1秒，时间基准脉冲周期为100μS,T=10000+ΔT
f=N/(10000+ΔT),
误差Δf/f=[N/(10000+ΔT)-N/(10000+ΔT±1)]/[N/(10000+ΔT)]
=1-(10000+ΔT±1)/(10000+ΔT)
=±1/(10000+ΔT)
可见误差小于万分之一，随着晶振频率的提高误差减小。

当采用单片机进行计数和运算时，还有中断不及时引起的误差。

关于误差的分析本文不再做深入探讨。

频率与转速的关系：
f=P*v/60
f表示频率，P表示每旋转一周产生的脉冲个数，v表示转速亦即每分钟旋转的转数。

T=1/f
新的XJP-10B转速数字显示仪，由于采用了单片机技术，和同步计数计时法，使得测频、测速、测周、计数变得精确，而且非常简单；只要轻触仪表面板控制键，就能在4种功能间切换。

由于系数可任意设置，使得仪表与传感器配
套，不受输出脉冲数的限制。

并且该仪表还有扩展的RS232接口，能与配套的虚拟仪表动态显示频率、转速（速度）、和计数值。

四、结束语：转速仪表结构简单化，品种多样化与系列化，进一步要向人性化发展
随着电子技术发展，单片机技术和大规模可编程数字逻辑电路的普及，为转速仪表结构简单化提供了技术基础。

智能芯片的运用，使同一仪表硬件，具有多种不同功能的软件，为多样化系列化带来了便利。

智能仪表的软件，可为不同需求量身定做，使得智能仪表又具个性化的特点。

目前，智能化转速数字显示仪表，有通用的SQY01T系列转速数字显示仪，SZC系列电站用转速数字显示仪，SKY系列透平膨胀机智能数字显示仪，以及各种多功能转速仪表，如ZS-1双路转速表、以及显示差速、速比的ZS-2转速表，带方向显示的SQYC转速表，可远传的CS-1转速表等。

有了设计人员不断汲取新知识，不断运用新器件，不断开拓新思路，才有这些创新的仪表。

智能仪表，要向人性化发展。

仪表在满足使用的同时，也要为使用仪表的人，带来使用上的方便和舒适。

把这种理念不断融入设计和产品，造就成功的仪表。

本文以此为结束语，期与仪表人共勉。

方案1：接触式测量
这种测量方式一般适用中、低转速的测量。

传感器与被测旋转轴，通过弹性联轴器连接，传感器安装固定时，要求出轴与被测旋转轴尽量保持同一条直线，在较高速时尤其严格。

这种测速方式一般选用的传感器有光电、磁电和霍尔等式样，一般测速范围在0～4000转/分。

测速时每周脉冲数在100以下（如SGB-4A光电转速传感器）。

在转速低于1转/分时，可选用光电编码器（如SGDBM-01光电编码器），每周脉冲数可高达2000以上。

这种接触式测量在6000转/分～几十万转/分就不能满足要求，我们一般可选用以下几种非接触式测量方式。

最直接的方法是在转轴上安装一个霍尔元件，测量单位时间里的脉冲数字就可以得到转速。

另外如果是步进电机，可以从控制电路里取出计数脉冲，如果是其他类型的电机可以取出和转速对应的模拟量，不
太精确而已。