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轉(zhuǎn)速測量在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，都是*的。本文就轉(zhuǎn)速測量方法以及實施檢測的儀表，做一簡單的闡述。希望給工作中需要轉(zhuǎn)速測量儀表，和在轉(zhuǎn)速測量或相關(guān)領(lǐng)域進行研究開發(fā)的人員提供一些參考意見。

關(guān)鍵詞：速度  線速度  角速度  轉(zhuǎn)速  誤差和精度  采樣時間  虛擬儀表

主題：考察轉(zhuǎn)速測量方法演變，從演變的軌跡對轉(zhuǎn)速測量有一個比較全面的了解，著重介紹智能轉(zhuǎn)速表的檢測方法和實施檢測的儀表。

內(nèi)容提要：

轉(zhuǎn)速檢測儀表的分類

電子式轉(zhuǎn)速表

轉(zhuǎn)速測量的方法

結(jié)束語

附錄

一、轉(zhuǎn)速檢測儀表的分類：

離心式轉(zhuǎn)速表，利用離心力與拉力的平衡來指示轉(zhuǎn)速。 離心式轉(zhuǎn)速表是zui傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量工具，是利用離心力原理的機械式轉(zhuǎn)速表；測量精度一般在1~2級，一般就地安裝。一只優(yōu)良的離心式轉(zhuǎn)速表不但有準(zhǔn)確直觀的特點，還具備可靠耐用的優(yōu)點。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 。

磁性轉(zhuǎn)速表，利用旋轉(zhuǎn)磁場，在金屬罩帽上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，利用旋轉(zhuǎn)力與游絲力的平衡來指示轉(zhuǎn)速。 磁性轉(zhuǎn)速表，是成功利用磁力的一個*，是利用磁力原理的機械式轉(zhuǎn)速表；一般就地安裝，用軟軸可以短距離異地安裝。磁性轉(zhuǎn)速表，因結(jié)構(gòu)較簡單，目前較普遍用于摩托車和汽車以及其它機械設(shè)備。異地安裝時軟軸易損壞。

電動式轉(zhuǎn)速表，由小型交流發(fā)電機、電纜、電動機和磁性表頭組成。小型交流發(fā)電機產(chǎn)生交流電，交流電通過電纜輸送，驅(qū)動小型交流電動機，小型交流電動機的轉(zhuǎn)速與被測軸的轉(zhuǎn)速一致。磁性轉(zhuǎn)速表頭與小型交流電動機同軸連接在一起，磁性表頭指示的轉(zhuǎn)速自然就是被測軸的轉(zhuǎn)速；電動式轉(zhuǎn)速表，異地安裝非常方便，抗振性能好，廣泛運用于柴油機和船舶設(shè)備。

磁電式轉(zhuǎn)速表，磁電傳感器加電流表，異地安裝非常方便。

閃光式轉(zhuǎn)速表，利用視覺暫留的原理。閃光式轉(zhuǎn)速表，除了檢測轉(zhuǎn)速（往復(fù)速度）外，還可以觀測循環(huán)往復(fù)運動物體的靜像，對了解機械設(shè)備的工作狀態(tài)，是一*的觀測工具。

電子式轉(zhuǎn)速表，電子技術(shù)的不斷進步，使這一類轉(zhuǎn)速表有了突飛猛進的發(fā)展。

上述６種轉(zhuǎn)速表，具有各自*的結(jié)構(gòu)和原理，既代表著不同時期的技術(shù)發(fā)展水平，也體現(xiàn)人類認(rèn)識自然的階段性發(fā)展過程。 時代在不斷前進，有些東西將會成為歷史；但我們留心回顧一下，不禁要驚嘆前賢的匠心！

離心式轉(zhuǎn)速表，是機械力學(xué)的成果；

磁性式轉(zhuǎn)速表，是運用磁力和機械力的一個*；

電動式轉(zhuǎn)速表，巧妙運用微型發(fā)電機和微型電動機將旋轉(zhuǎn)運動異地拷貝；

磁電式轉(zhuǎn)速表，電流表頭和傳感器都是電磁學(xué)的普及運用；

閃光式轉(zhuǎn)速表，人類認(rèn)識自然的同時也認(rèn)識了自我，體現(xiàn)了人類的靈性；

電子式轉(zhuǎn)速表，電子技術(shù)的千變?nèi)f化，給了我們今天五彩繽紛的世界，同樣也造就了滿足人們各種需要的轉(zhuǎn)速測量儀表。

二、電子式轉(zhuǎn)速表

電子式轉(zhuǎn)速表是一個比較籠統(tǒng)的概念：以現(xiàn)代電子技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計制造的轉(zhuǎn)速測量工具。它一般有傳感器和顯示器，有的還有信號輸出和控制。因為傳感器和顯示器件方面的多種多樣，還有測量方法的多樣性，很難像前５種一樣來歸類。本文將電子類轉(zhuǎn)速表，從傳感器和二次儀表分開來分類。如果從安裝使用方式上來分，還有就地安裝式、臺式、柜裝式和便攜式以及手持式 。本文對此不做詳述。

轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器從原理（或器件）上來分，有磁電感應(yīng)式、光電效應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、磁阻效應(yīng)式、介質(zhì)電磁感應(yīng)式等。另外還有間接測量轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器：如加速度傳感器（通過積分運算，間接導(dǎo)出轉(zhuǎn)速），位移傳感器通過微分運算，間接導(dǎo)出轉(zhuǎn)速），等等。測速發(fā)電機和某些磁電傳感器在線性區(qū)域，可以直接通過交流有效值轉(zhuǎn)換，來測量轉(zhuǎn)速 ；大多數(shù)都輸出脈沖信號（近似正弦波或矩形波）。針對脈沖信號測轉(zhuǎn)速的方法有：頻率積分法（也就是F/V轉(zhuǎn)換法，其直接結(jié)果是電壓或電流），和頻率運算法（其直接結(jié)果是數(shù)字）。

轉(zhuǎn)速顯示儀

顯示儀從指示形式來分有指針式、數(shù)字式、圖形及其混合式和虛擬儀表等；

1.指針式：

  動圈式：線圈、游絲指針聯(lián)于一旋轉(zhuǎn)軸上，給線圈輸入電流，線圈感應(yīng)出磁力，且互成正比；磁力與游絲的扭力平衡，扭力與指針轉(zhuǎn)角成正比，指針的角度也就反映出輸入電流的大??；

  動磁式：正交線圈中電流的變化，導(dǎo)致合成磁場方向的變化，而指針附著在單對極的永磁體上，指針反映電流的變化。

  電動式：雙向旋轉(zhuǎn)的馬達帶動電位器的旋轉(zhuǎn)，電位器的取樣值與輸入信號電壓比較，決定雙向旋轉(zhuǎn)馬達正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，與電位器聯(lián)動的指針正確反映輸入信號的大小。

上述三式指針類表頭中，電動式表頭屬于電子類，動磁式表頭和動圈式表頭本身不屬于電子類，當(dāng)與表頭配套的傳感器或表頭驅(qū)動需要供電電源時，且依賴現(xiàn)代電子技術(shù)時，這里就把它歸為電子類 。

2.數(shù)字式、圖形及其混合式：   

主要是從器件來區(qū)分，有數(shù)碼管、字段式液晶、液晶屏、熒光管、熒光屏、等離子屏和EL屏等。顯示技術(shù)是一門專門的技術(shù)，本文會涉及一些顯示技術(shù)，但不做展開闡述。

3.虛擬轉(zhuǎn)速表：

隨著計算機的普及，利用計算機做顯示和操作平臺的虛擬儀表，也越來越被廣泛運用，目前主流的開發(fā)平臺是NI公司的LabVIEW。有關(guān)開發(fā)運用技術(shù)，可以瀏覽NI公司的。

三、轉(zhuǎn)速測量的方法

F/V轉(zhuǎn)換

電子類轉(zhuǎn)速測量儀表，由轉(zhuǎn)速傳感器和表頭（顯示器）組成。目前常用的轉(zhuǎn)速傳感器，大多輸出脈沖信號，只要通過頻率電流轉(zhuǎn)換就能與電壓電流輸入型的指針表和數(shù)字表匹配，或直接送PLC;頻率電流轉(zhuǎn)換的方法有阻容積分法、電荷泵法和集成電路法，前兩種方法在磁電轉(zhuǎn)速表中也有運用。集成電路大都數(shù)是阻容積分法、電荷泵法的綜合。目前常用的集成電路，有LM331、AD654和VF32等,轉(zhuǎn)換精度在0.1%以上；但在低頻時，這種轉(zhuǎn)換就無能為力。采用單片機 或FPGA，做F/D和D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度在0.5~0.05%之間， 量程從0~2Hz到0~20KHz，頻率低于10Hz時反映時間也變長。關(guān)于F/V轉(zhuǎn)換，請參考相應(yīng)芯片介紹和應(yīng)用資料，本文不做贅述。

頻率運算

在顯示精度、可靠性、成本和使用靈活性上有一定要求時，就可直接采用脈沖頻率運算型轉(zhuǎn)速表。

頻率運算方法，有定時計數(shù)法（測頻法）、定數(shù)計時法（測周法）和同步計數(shù)計時法。

定時計數(shù)法（測頻法）在測量上有±１的誤差，低速時誤差較大；定數(shù)計時法（測周法）也有±１個時間單位的誤差，在高速時，誤差也很大。

同步計數(shù)計時法綜合了上述兩種方法的優(yōu)點，在整個測量范圍都達到了很高的精度，萬分之五以上的測量轉(zhuǎn)速儀表基本都是這種方法。下面以XJP-10B為例，介紹定時計數(shù)法（測頻法）、定數(shù)計時法（測周法）和同步計數(shù)計時法。

早期的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，采用CMOS數(shù)字集成電路 。其原理可用如下三個框圖表示：

框圖一 測頻原理

框圖一告訴我們，被測信號通過放大整形進入加法計數(shù)器；晶體振蕩器的頻率信號通過分頻產(chǎn)生秒（或分鐘）信號，在計數(shù)顯示控制器中生成寄存脈沖和清零脈沖。寄存脈沖將加法計數(shù)器的BCD碼送入寄存器，通過譯碼驅(qū)動，LED數(shù)碼管顯示一秒（或分鐘）內(nèi)的計數(shù)值，直到下一次寄存脈沖的到來；緊接著清零，進行下一輪計數(shù)、寄存（譯碼顯示）；如此，不間斷測頻。如果我們考察一下這些信號的時序，不難發(fā)覺這種定時計數(shù)測量方法的缺陷是：被計數(shù)脈沖有 多一或少一的誤差。如果被測頻率為10000Hz,多一或少一的誤差，相對來講只不過萬分之一；如果被測頻率為2Hz,多一或少一的誤差，相對來講就達到了百分之五十，不難看出頻率越低，誤差越大，而且還有一點，把一秒變成一分鐘，誤差就變小了。低頻時，如不延長 采樣時間，要提高精度就要采用測周的方法，框圖二正是說明這種方法。

框圖二  測周原理

將框圖二與框圖一進行比較，我們不難發(fā)覺：上述二者的差別在于晶體振蕩器與被測信號的位置作了互換，象是代數(shù)上的分子分母的顛倒，也正是物理上的頻率和周期互為倒數(shù)，細心的讀者可以體會到 ，學(xué)科之間的內(nèi)在無處不在。

測周的誤差：與測頻相似，是多一個或少一個晶體振蕩器脈沖，也就是多一個或少一個時基脈沖，晶體振蕩器脈沖頻率 準(zhǔn)確度越高誤差越小，晶體振蕩器脈沖頻率越高誤差也越小，被測頻率越高誤差越大；因此測量高頻時，對被測信號進行分頻，確實是提高測周精度的好方法。在周期過長時，還可通過計數(shù)器，借助計時器來測量轉(zhuǎn)速。下面的框圖表示了計數(shù)器的工作原理。

框圖三 計數(shù)器原理

現(xiàn)在我們可以看出，XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，在CMOS數(shù)字集成電路的條件下，已是一款十分完備的轉(zhuǎn)速測量工具，這臺儀器的設(shè)計者是田同裕，與之同期的類似產(chǎn)品還有XJP-02A轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀（設(shè)計者童敏杰，改進者姓名略）。

早期的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，在今天看來有哪些不足呢？周期和頻率都不能等同轉(zhuǎn)速，頻率與轉(zhuǎn)速存在倍數(shù)關(guān)系，通過時基頻率的分頻（采樣時間的倍乘），基本滿足了大都數(shù)用戶的需要，測周則需要用戶自己換算成轉(zhuǎn)速。在今天的電子技術(shù)條件下，解決這些問題用單片機或FPGA都比較方便。那么今天的設(shè)計者怎樣設(shè)計新的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀呢？下面仍然以XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀為例，介紹同步計數(shù)計時法。

同步計數(shù)計時法

同步計數(shù)計時法，是隨著單片機的普及而得到普及運用。同步計數(shù)計時法是怎樣綜合前兩種方法的優(yōu)點的呢？我們還是用時序來分析。

定時計數(shù)時序

                                   
              時序圖一                                                                     時序圖二
 

時序圖一：計時和計數(shù)脈沖不同步；時序圖二：計時和計數(shù)脈沖同步。但不管計時和計數(shù)脈沖同步與否，都有多一少一的誤差。同理，定數(shù)計時也有多一少一的誤差。

同步計數(shù)計時時序圖

當(dāng)定時器與被測脈沖同步計數(shù)時，為避免被測脈沖計數(shù)多一少一的誤差，將定時作延時調(diào)整，等待被測脈沖計數(shù)完整；與此同時，取時間基準(zhǔn)脈沖計數(shù)值。這樣脈沖計數(shù)N為*，時間基準(zhǔn)脈沖計數(shù)T有多一少一的誤差。當(dāng)時間基準(zhǔn)脈沖源（晶振）誤差小于十萬分之一時，誤差源主要是時間基準(zhǔn)脈沖計數(shù)多一少一引起。

頻率f=N/T,假定定時為1秒，時間基準(zhǔn)脈沖周期為100μS,T=10000+ΔT

f=N/（10000+ΔT）,

誤差Δf/f=[N/（10000+ΔT）-N/（10000+ΔT±1）]/[N/（10000+ΔT）]

            =1-（10000+ΔT±1）/（10000+ΔT）

            =±1/（10000+ΔT）

可見誤差小于萬分之一，隨著晶振頻率的提高誤差減小。

當(dāng)采用單片機進行計數(shù)和運算時，還有中斷不及時引起的誤差。關(guān)于誤差的分析本文不再做深入探討。

頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

f=P*v/60

f表示頻率，P表示每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，v表示轉(zhuǎn)速亦即每分鐘旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)。

T=1/f

新的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，由于采用了單片機 技術(shù)，和同步計數(shù)計時法，使得測頻、測速、測周、計數(shù)變得，而且非常簡單；只要輕觸儀表面板控制鍵，就能在4種功能間切換。由于系數(shù)可任意設(shè)置，使得儀表與傳感器 配套，不受輸出脈沖數(shù)的限制。并且該儀表還有擴展的RS232接口，能與配套的虛擬儀表動態(tài)顯示頻率、轉(zhuǎn)速（速度）、和計數(shù)值。