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转速的测量

发布日期:2017-12-18 09:04:28 【关闭】
摘要: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。

   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

gooxian-转速测试方法

   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gooxian-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

  

gooxian-测频法

   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

gooxian-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gooxian-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。

gooxian-多齿电容传感器

   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× 10-10 m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。

gooxian-激光传速测试仪光路

   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。

gooxian-激光转速仪电路

   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

gooxian-无传感器转速测量

   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。

 

 

 

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