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转速的测量

2018-1-18 14:40:27 5734 转速

0 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。激光转速仪信号处理部分的原理框图如图７．７所示。来自激光传感器频率为ｆ０的转速脉冲，经放大整型后输入６０倍乘电路，经６０倍乘后的转速脉冲被送到门控计数电路控制门的一个输入端，另一个输入端则由时基信号方波控制。时基信号频率为１Ｈｚ（由石英晶体振荡器产生并经分频后得到），主控门的关启由时基信号严格控制，在控制门开启时间内对转速脉冲进行计数测频。５位十进制计数器完成对转速脉冲的计数译码，将计数结果送到数码显示器，以５位数字直接显示旋转体每分钟的转数。四、转速测量新方法转速常规测量有频率法和周期法两种方法。频率法适合于中高速测量，转速越低误差会越大；周期法适合于低速测量，转速越高误差越大。随着新型传感器的出现及计算机技术的发展，转速测量方法与实现也得到了改进，出现了无传感器转速测量、双频激光干涉转速测量、光纤式转速测量等新方法。１．无传感器转速测量在电机模型中转速是一个重要的物理量。串励电机含有电刷和换相片，电枢绕组线圈的换相过程会使绕组电流波形产生畸变，这种畸变的大小与换相电势、换相电流的大小相关，而其频率则与电机转速直接相关，其瞬时频率即对应于电机的瞬时转速。该瞬时频率表达式为由此可见，通过对电机后动电压、电流波形的分析和适当处理，可得到电机后动过程中的转速变化曲线。２．双频激光干涉转速测量本测量方法将光组探头与被测对象连在一起，可测出转台的转角和转速，测量装置与被测对象之间只通过一条光线传递信息，因此可以实现对转台转速的远距离测量。在实现转速测量的同时，还可以实现转角的测量。而且用本测量方法可以实现瞬态转速的测量。在较高的转速范围内，能够实现较高转速测量分辨力，这是目前常用的测角仪器所不能比拟的。３．光纤式转速测量用光纤作为转速传感探头的转速测量原理，有以下特点：（１）转速测量范围宽，在１～３６０００ｒ／ｍｉｎ上。优于传统机械及电气式。（２）抗干扰能力强。系统不受电磁辐射、温度等外界干扰影响。普通光电式测速仪由于振动会使光源寿命降低，因此，不适于在强振动工况下使用。本传感器由于采用光纤做传感器，光电元件远离测试现场，因此不存在这方面的问题。同时，由前面分析可知，由振动等原因使探头与反射面位置变化造成的光脉冲幅度变化不大，这也说明该系统具有抗振动能力。（３）由于系统整体采用光纤传输，因此具有远距离的遥测功能，传输距离可达１ｋｍ以上。（４）本传感系统采用非接触式的光反射转速测量法，传感器与被测轴之间无任何机械连接，不会由于安装传感器而影响被测轴转速，适于小型电机乃至微型电机的转速测量，且对于由于结构等原因不允许固定安装测速传感器的情况更为方使。为了把转矩和转速信息能够准确地从电机中提取出来，通常是由传感器将被测信息转换为电信号，并对电信号存储、传输、分析计算，最终显示测量结果。传感器是整个测量仪器的核心，对传感器的选择必须合理，并保证能够在一定的工作环境下正常地工作。购线网：gooxian.com 0
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