1、转速的测量摘要：在工程实践中，经常会用到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的实验、运转和控制中经常需要知道转速的大小及变化情况。转速测量方法可以通过是否与转轴接触来分为接触式和非接触式。本文通过详细综述光电转码盘、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机及闪光测速法的原理以及用途。关键词：光电转码盘；霍尔元件；离心式转速表；测速发电机；闪光测速法转速测量方法可以分为两类，一类是直接法，即直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；另一类是间接法，即测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速
2、的关系来得到转速。同时从测速仪是否与转轴接触又可分为接触式，非接触式。目前国内外常用的测速方法有光电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪光测速法和振动测速法。1. 光电转码盘测速法光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率来测量电机转速的一种无接触测速法1,2。频率是单位时间内电信号变化的周波数，测量频率的过程实质上就是标准时间内如实地记录电信号变化的周波数，用一个黑白相间的码盘（如图1）粘贴于电机转轴上，码盘放在红外光电开关槽中，码盘与红外光电开关构成了测速传感器。当红外光刚好照射到码盘空隙时，收管接收到发出的信号，接收管导通，集电极输出低电平；当红外
3、光照射到黑条纹上会被吸收，使接收管接收不到信号，接收管截止，集电极输出高电平。所以随着电机的转动，码盘也一起转动，接收管就会输出一串电脉冲信号，若码盘设计为15对黑白相间的条纹，则计数4的脉冲数就是电机的转速（每分钟转数）；若码盘设计为60对黑白相问的条纹，则计数1的脉冲数就是电机的转速。可见码盘上的黑白相间的条纹对数越多，测速时间就越短，测速效率就越高，但条纹受到红外发射接收管灵敏度的限制，光电码盘用AutoCAD画图后打印在胶片上制成。比起以前常用的金属材料制成的码盘，制造工艺得到了极大改进，同时成本又大大降低。 图1 光电转码盘2. 霍尔元件测速法在金属或半导体薄片中通以控制电流I，并在
4、薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生电动势，这种现象称为霍尔效应3。霍尔元件是利用霍尔效应制成的半导体元件。霍尔器件具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，耐震动，不怕灰尘、水汽及烟雾等污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高（可达um级）。采用了各种补偿措施的霍尔器件的工作温度范围广,可达55-150度4。 图2 霍尔元件测速原理 利用霍尔元件测速时，在电动机旋转轴上或定子旋转的机壳上贴上永磁体，霍尔元件固定在某一位置，如图2所示。当旋转的永磁体靠近霍尔元
5、件的瞬间，霍尔元件便会在输出端输出一个脉冲信号。用频率计测出脉冲的周期或频率，便可以通过以下公式计算出转速：（1） 测周法： 式中K旋转永磁体的个数；T转速脉冲信号的周期（2） 测频法： 式中K旋转永磁体的个数；f频率，频率计一秒钟显示的脉冲信号的个数。为了增加转速的分辨率，可以适当提高永磁体的数量，永磁体的个数越多，由于测频产生的误差就越小。霍尔传感器测转速属于非接触测量，对被测体影响较小，并且转速与电压幅值无关，测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作。3. 离心式转速表测速法心式转速表主要由机心、变速器和指示器三部分组成，如图离心式转速表结构示意图3所
6、示重锤利用连杆与活动套环及固定套环连接，固定套环装在离心器轴上，离心器通过变速器从输入轴获得转速。另外还有传动扇形齿轮、游丝、指针等装置。离心式转速表的外形如图离心式转速表外形图3所示。为使转速表与被测轴能够可靠接触，转速表都配有不同的接触头。使用时可根据被测对象选择合适的接触头安装在转速表输入轴上。 图3 离心式转速表 当离心器旋转时，重锤随着旋转所产生的离心力通过连杆使活动套环向上移动并压缩弹簧。当转速一定时，活动套环向上的作用力与弹簧的反作用力相平衡，套环将停在相应位置。同时，活动套环的移动通过传动机构的扇形齿轮传递给指针，在表盘上指示出被测转速的大小。显然，转速表指针的偏转与被测轴旋转
7、方向无关。 由于离心力Fm r2，即离心力与旋转角速度的平方成正比，因而离心式转速表的刻度盘是不等分度的。为减小表盘分度的不均匀性，可恰当选取转速表的各种参量及测量范围，充分利用其特性的线性部分，达到使表盘分度尽量均匀的目的。 便携式转速表通常利用变速器来改变转速表的量程。如LZ30型离心式转速表就具有下列5个量程（rmin）：30120，100400，3001 200， 1 0004 000， 300012 000。在这种转速表的表盘上通常标有两列刻度，如分度盘的外围标有312，内圈标有1040。它分别适用于两组量程。4.测速发电机测速法 利用直流发电机的电枢电动势E与发电机的转速成正比（如
8、图1）的这一关系测量转速。测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。图1.转速与电压的关系曲线直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机。按励磁方式可分为两种型式。电磁式 表示符号如图2（a）所示。定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生磁场。目前，我国生产的CD 系列直流测速发电机为电磁式。2永磁式 表示符号如图2（b）所示。定子磁极是由永久磁钢做成。由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源。具有结构简单，使用方便等特点，近年来发展较快5,6。其缺点是永磁材料的价格较贵，受机械振动易发生程度不
9、同的退磁。为防止永磁式直流测速发电机的特性变坏，必须选用矫顽力较高的永磁材料。目前，我国生产的CY 系列直流测速发电机为永磁式。 (a) (b) 图2 直流测速发电机:(a) 电磁式；(b) 永磁式永磁式直流测速发电机按其应用场合不同，可分为普通速度型和低速型。前者的工作转速一般在每分钟几千转以上，最高可达每分钟一万转以上；而后者一般在每分钟几百转以下，最低可达每分钟一转以下。由于低速测速发电机能和低速力矩电动机直接耦合，省去了中间笨重的齿轮传动装置，消除了由于齿轮间隙带来的误差，提高了系统的精度和刚度，因而在国防、科研和工业生产等各种精密自动化技术中得到了广泛应用。为了使旋转机械保持恒速，可
10、以在电动机的输出轴上耦合一测速发电机，并将其输出电压和给定电压相减后加入放大器，经放大后供给直流伺服电动机。当电动机转速上升，测速发电机的输出电压增大，给定电压和输出电压的差值变小，经放大后加到直流电动机的电压减小，电动机减速；反之，若电动机转速下降，测速电机的输出电压减小，给定电压和输出电压的差值变大，经放大后加给电动机的电压变大，电动机加速。保证了电动机转速变化很小，近似于恒速。5.闪光测速法 闪光测转速法是利用人眼的视觉暂留现象来测量转速。一个闪光目标，当闪动频率大于10Hz时，人眼看上去就是连续发亮的。根据这一原理，用一个频率连续可调的闪光灯照射被测旋转轴上的某一固定标记(如齿轮的齿，
11、圆盘的辐条或在旋转轴上涂以黑白点)，并调节闪光频率f，直到旋转轴上出现一个单定象为止，即达到n=f的条件，这时便可以从电子计数器或圆刻度盘上读出被测的转速值。 但是若在连续两次闪光的时间间隔内，旋转轴转过整数倍的因数时，即nk0f时，也会出现单定象。式中的k0为单定象停留的次数(1、2、3、)。还可能出现另一种情况，即当闪光频率比被测转速高二倍、三倍、m倍时，则会出现二重象、三重象以至于m重象。 f=mn 闪频图像与被测转速、闪光频率的关系如下表：图3是苏州奥克仪器仪表有限公司生产的一款SS2A数字式闪光测速仪，不仅能够测量转速，还能对转速进行动态观测，转向判别。本仪器以非接触方式测速，操作简
12、单易行，特别适用于微电机、纺织锭子和小型电动工具的测速，同时它也可广泛地应用于机电、纺织、轻工等行业和计量、院校、科研等部门。 图3 SS2A数字式闪光测速仪主要技术特征如下：6.总结(1)光电转码盘是把输入量转换成数字量输出测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。（2)霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m 级） (
13、3)离心式转速表是一种接触式测量转速的仪器，由于离心式转速表具有成本低、坚固耐用、操作简单的优点，因此常用在测量低转速的旋转机械中。（4） 测速发电机具有很多优点：输出电压与转速保持严格的正比关系，且不随外界条件（如温度等)的变化而发生改变；电机的转动惯星要小，反应迅速；电机的灵敏度要高；对无线电通信的干扰要小、噪声小、结构简单、工作可靠、体积小和重量轻等。（5） 闪光测速法是以一种非接触式测速方法。不仅能够测量转速，还能对转速进行动态观测，转向判别。并且结构装置简单、操作方便，特别适用于微电机、纺织锭子和小型电动工具的测速，同时它也可广泛地应用于机电、纺织、轻工等行业和计量、院校、科研等部门。参考文献1杨丽荣.光电转码盘与PLC的配合使用。J 冶金自动化，2001,2（3）2陈兵芽等. 基于光电码盘的高精度电机转速测量.J 微计算机信息，2007,4（1）：16-183米哲涛.霍尔元件在电流传感器中的应用.J 机车电传动，2011,1（1）：32-334陈小春，王峰.霍尔元件传感器测试仪的研制.J 硅谷，2011,03:5-515邢琦,刘环鹏. 永磁式直流测速发电机的特点.J 信息技术，2007,56张文海,胡伯承,徐丽.永磁直流低速测速发电机有关问题讨论.J 微电机,2009,42(6):67-69 7李忠.闪光测速简易法求取电机的转差.J 中小型机电，1984,01
