卓越班現(xiàn)代檢測第5章

第5章轉(zhuǎn)速檢測適配教材《現(xiàn)代檢測技術(shù)及應(yīng)用》李現(xiàn)明主編，高等教育出版社2012年第1版轉(zhuǎn)速是衡量旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動快慢的度量。物理學(xué)上通常以轉(zhuǎn)動角速度來表示轉(zhuǎn)速，它等于轉(zhuǎn)動的角位移與其所用轉(zhuǎn)動時間之比，量綱為弧度/秒（rad/s）。在工程上，轉(zhuǎn)速通常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表示，量綱為轉(zhuǎn)/分鐘（r/min）。

轉(zhuǎn)速電測方法的分類：按測量原理可分為模擬法、計數(shù)法和同步法；按變換方式又可分為機(jī)械式、電氣式、光電式和頻閃式等。轉(zhuǎn)速表的等級有0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.25，1，1.5，2，2.5。5.1常用轉(zhuǎn)速檢測方法

5.1.1模擬式轉(zhuǎn)速檢測1離心式轉(zhuǎn)速檢測當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，重錘在錘的重力和桿的張力作用下作勻速圓周運(yùn)動。連桿和拉桿的交點A在連桿張力和拉桿拉力的作用下也作勻速圓周運(yùn)動，而套筒則在重錘離心力作用下通過拉桿沿轉(zhuǎn)軸的軸向方向向上或向下移動一個位移x。套筒壓縮或拉伸彈簧，彈簧產(chǎn)生一個反彈力，從而使套筒達(dá)到動態(tài)平衡。圖5.1離心式轉(zhuǎn)速表結(jié)構(gòu)原理圖5.1所示離心式轉(zhuǎn)速表實際上式一個將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成位移的敏感器，只要檢測出位移量即可知道待測物的轉(zhuǎn)速；配以機(jī)械式位移顯示儀表可構(gòu)成直讀式機(jī)械轉(zhuǎn)速表；配以位移傳感器可構(gòu)成轉(zhuǎn)速傳感器。手持式離心式轉(zhuǎn)速表測量范圍可達(dá)30~24000r/min，引用誤差小于±1%。固定安裝的離心轉(zhuǎn)速表測量范圍可達(dá)50~12000r/min，引用誤差小于2%。2測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成、專門用于測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī),包括直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩類。其輸出電壓正比于輸入軸上的轉(zhuǎn)速。測速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點是輸出信號幅值高。目前測量范圍可達(dá)0~10000r/min，測量誤差為±0.5~2%。5.1.2同步式轉(zhuǎn)速測量主要指頻閃式轉(zhuǎn)速檢測，其工作原理基于頻閃效應(yīng)。頻閃效應(yīng)，亦稱視覺殘留現(xiàn)象，指物體在人的視野中消失后，人眼視網(wǎng)膜上能在一段時間保持視覺印象的生理現(xiàn)象。視覺殘留的維持時間，在物體平均亮度條件下，約為0.2~0.05s。頻閃法轉(zhuǎn)速測量用到一個圓盤，該圓盤上涂有反光標(biāo)記，稱為頻閃盤。頻閃盤與被測旋轉(zhuǎn)物體同軸安裝。用一個可調(diào)頻率的閃光燈照射頻閃盤，因為頻閃盤上涂有反光標(biāo)記，將會觀察到圖像，稱之為頻閃像。當(dāng)閃光頻率與頻閃盤轉(zhuǎn)動頻率相同時，反光標(biāo)記在某一位置上燈光閃一下，等下一次旋轉(zhuǎn)到此位置上時，燈光正好又閃一下，人眼清晰地看到一幅靜止的頻閃像。當(dāng)閃光頻率與頻閃盤轉(zhuǎn)動頻率沒有這種一致關(guān)系時，人眼觀察到的頻閃像將是旋轉(zhuǎn)的圓環(huán)。當(dāng)通過調(diào)整閃光頻率，獲得一幅在同一位置靜止不動的頻閃像時，則閃光頻率（Hz）乘以60即為被測轉(zhuǎn)速（r/min）。事實上，當(dāng)頻閃盤轉(zhuǎn)動頻率是閃光頻率的整數(shù)倍時，也能看到不動的頻閃像。因此，在測量轉(zhuǎn)速時，要調(diào)整閃光燈的頻率，找出使頻閃像不動時頻閃光的最高頻率，它對應(yīng)被測真正轉(zhuǎn)速。如圖5.2所示。頻率可調(diào)的多諧振蕩器4產(chǎn)生某一頻率的等幅信號，控制頻閃管3發(fā)出相同頻率的閃光，照射至被測轉(zhuǎn)軸1的頻閃盤反光標(biāo)志2上。。當(dāng)閃光頻率和被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動頻率相等時，由于人眼的惰性，頻閃盤上的反光標(biāo)志看起來在某一位置靜止不動的；當(dāng)閃光頻率>被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動頻率時，頻閃盤上的反光標(biāo)志朝與轉(zhuǎn)軸相反方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)閃光頻率<被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動頻率時，反光標(biāo)志朝與轉(zhuǎn)軸相同方向旋轉(zhuǎn)。反復(fù)調(diào)節(jié)多諧振蕩器的頻率，直至看到反光標(biāo)志最亮且似乎靜止不動時為止，此時可從多諧振蕩器振蕩頻率直接得出被測的轉(zhuǎn)速。圖5.2頻閃轉(zhuǎn)速表原理圖1－被測轉(zhuǎn)軸；2－頻閃盤及其反光標(biāo)志；3－頻閃管；4－多諧振蕩器由于光源的閃爍頻率可連續(xù)調(diào)節(jié)，而且在旋轉(zhuǎn)體上可以裝上不同的標(biāo)志板，因此頻閃法測速的測量范圍很寬。加之頻閃法屬于非接觸測量，因此它特別適合高轉(zhuǎn)速測量場合。目前，其測量上限可達(dá)到210000r/min。頻閃法測速的精確度取決于閃光頻率的測量精度。目前頻閃法測速精度可小于0.03%,可作為基準(zhǔn)儀器。頻閃法測速的缺點是需要被測轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定。5.1.3數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測

概念：數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測，就是將被測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號輸出，應(yīng)用廣泛。特點：量程寬、準(zhǔn)確度高、便于攜帶，輸出數(shù)字信息，便于與微型計算機(jī)、打印機(jī)相結(jié)合，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動記錄、數(shù)字處理和反饋控制。組成：由數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器和電子計數(shù)電路組成。傳感器將轉(zhuǎn)軸的速度轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)電路放大、整形后，送電子計數(shù)器顯示相應(yīng)的被測轉(zhuǎn)速值。一般對中、高轉(zhuǎn)速采用頻率法測量，對低轉(zhuǎn)速采用周期法測量。所謂頻率法，即在電子計數(shù)器采樣時間內(nèi)對轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)時間控制計數(shù)器閘門。設(shè)旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出Z個電脈沖，采樣時間為t（s），計數(shù)器的顯示值為N，被測轉(zhuǎn)速n（r/min）為周期法測轉(zhuǎn)速實質(zhì)是測量某一已知旋轉(zhuǎn)角度所需的時間。將圓周進(jìn)行Z等分，每轉(zhuǎn)一周傳感器輸出Z個脈沖，傳感器輸出相鄰兩個脈沖占用了M個時鐘脈沖的時間，時鐘頻率為f0，則角速度ω(rad/s)為Z實質(zhì)上是空間細(xì)分，M實質(zhì)上是時間細(xì)分。數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測所用傳感器有多種，按其作用原理可以分為光電式、磁電式、電容式、霍爾元件式、電渦流式，等等。它們的共同特點是通過聯(lián)軸器或標(biāo)記與被測轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，采用非接觸方式將轉(zhuǎn)軸角位移變換為電脈沖信號。測量時旋轉(zhuǎn)方向的判別，與感應(yīng)同步器、光柵測量位移時的位移方向判別類似，多采用位置相差90°的兩支傳感器，按相位關(guān)系，經(jīng)電路判別其旋轉(zhuǎn)方向，并控制計數(shù)器的加減計數(shù)。圖5.3為利用電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的電路框圖。在被測對象上開一個凹槽，靠近轉(zhuǎn)軸表面安裝電渦流探頭。每當(dāng)軸轉(zhuǎn)動到如圖示位置，電渦流探頭感受到軸表面的位置變化，傳感器激勵線圈的電感隨之改變。軸轉(zhuǎn)一圈，線圈的電感變化一次，相應(yīng)振蕩器的頻率變化一次。通道檢波器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號。來自傳感器的脈沖信號經(jīng)整形后，由頻率計得到頻率值，再轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速。圖5.3利用電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速圖5-4光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理圖圖5.4為光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理圖。在被測轉(zhuǎn)速的電機(jī)上固定一個調(diào)制盤，將光源發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時間變化的調(diào)制光。光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，即光電器件受光照時，輸出高電平；光電器件不受光照時，輸出低電平。光線每照射到光電器件上一次，光電器件就產(chǎn)生一個電信號脈沖，經(jīng)放大器整形后記錄。其測量范圍可達(dá)50~3×104r/min，精確度為±（1~2）個字。圖5.5給出了以InSb霍爾器件為核心元件的測速電路?；魻柶骷﨟的c、d端即霍爾電壓的輸出端。隨著磁鼓上永磁體極性(N極、S極)的變化，c、d端端上輸出電壓的極性(正、負(fù))也發(fā)生變化，在輸出端便輸出脈沖信號。磁鼓上永磁體數(shù)量的有多少，則每旋轉(zhuǎn)一周便可在輸出端得到多少個電脈沖。其測量范圍可達(dá)1×104r/min，精確度為±2個字。圖5.5霍爾器件磁電編碼器電路圖（a）晶體管式霍爾器件磁電編碼器電路；（b）集成電路式霍爾器件磁電編碼器電路5.1.4各種轉(zhuǎn)速檢測方法性能比較及用途、特點見書上表格。5.2轉(zhuǎn)速檢測技術(shù)示例——編碼器5.2.1直接編碼器直接編碼器即直接編碼式傳感器，又稱絕對編碼器，是直接將角位移或線位移轉(zhuǎn)換為二元碼(即數(shù)字量0和1)的數(shù)字式傳感器。按用途，可分為測長度的直線式編碼器和測角度的旋轉(zhuǎn)式編碼器兩類，其中后者應(yīng)用較多；按其結(jié)構(gòu)，可分為電刷接觸式、電磁式、光電式，其中以光電式性能價格比最高，應(yīng)用最廣。1工作原理：光電式直接編碼器的結(jié)構(gòu)如圖5.6所示。碼盤是一塊圓形光學(xué)玻璃，上面刻有許多同心碼道，每圈碼道上都有按一定規(guī)律排列著若干透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)；光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射到碼盤上，通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫形成一束很窄的光束照射在光電器件上。對應(yīng)一圈碼道有一個光電器件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光電器件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電平信號，分別代表二元數(shù)碼1和0。碼道數(shù)等于光電器件的個數(shù)，它們決定了該編碼器轉(zhuǎn)換成的二元數(shù)碼的位數(shù)n。碼盤相對于狹縫的轉(zhuǎn)角α，通過光電轉(zhuǎn)換就會得到一組n位二元碼與之相對應(yīng)。轉(zhuǎn)角α這個模擬量便被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的由n位二元碼表示的數(shù)字量。二進(jìn)碼盤的缺點：每個碼道的黑白分界線總有一半與相鄰內(nèi)圈碼道的黑白分界線是對齊的，這樣就會因黑白分界線刻畫不精確造成粗誤差。采用其他有權(quán)編碼時也存在類似問題。為了消除這種粗誤差，通常采用循環(huán)碼盤。表5.2是二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對照表。5.2.2增量編碼器1結(jié)構(gòu)與工作原理增量編碼器又稱脈沖盤式數(shù)字傳感器。光電式增量編碼器如圖5.8所示。它只需3條碼道，光電器件也只要3個。碼盤上最外圈碼道上只有一條透光的狹縫，它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，所產(chǎn)生的脈沖將給計數(shù)系統(tǒng)提供一個初始的零位(清零)信號。中間一圈碼道稱為增量碼道，最內(nèi)一圈碼道稱為辨向碼道。這兩圈碼道都等角距地分布著m個透光與不透光的扇形區(qū)，但彼