转速测量仪表及其测量方法

旋转轴的转速测量在工程上经常遇到，以每分钟的转数来表达，即r/min。测量转速的仪表统称为转速仪。转速仪的种类繁多，按测量原理可分为模拟法、计数法和同步法；按变换方式又分为机械式、电气式、光电式和频闪式等。转速的测量方法及其特点见表3-12所示。下面介绍几种常用的转速测量方法。

表3-12 转速的测量方法及特点

（续）

图3-129 磁电式转速传感器的结构原理图

1.磁电式转速传感器

图3-129为磁电式转速传感器的结构图，它由永久磁铁、线圈、磁盘等组成。在永久磁铁组成的磁路中，若改变磁阻（如空气隙）的大小，则磁通量随之改变。磁路通过感应线圈，当磁通量发生突变时，感应出一定幅度的脉冲电动势，该脉冲电动势的频率等于磁阻变化的频率。为了使气隙变化，在待测轴上装一个由软磁材料做成的齿盘（通常采用60个齿）。当待测轴转动时，齿盘也跟随转动，齿盘中的齿和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁心中的磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲电动势，其频率与待测转轴的转速成正比。线圈所产生的感应电动势的频率为

式中，n为转速（r/min）；f为频率（Hz）；z为齿轮的齿数。

当齿轮的齿数z=60时，则有

f=n （3-168）

只要测量频率f，即可得到被测转速。而只要将线圈尽量靠近齿轮外缘安放，那么线圈产生的感应电动势就是正弦波形。

2.光电式转速传感器

（1）直射式光电转速传感器

图3-130为直射式光电转速传感器的结构图。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转换为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数。因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率得知被测转速，即

式中，N为圆盘开孔数；n为转速；f为脉冲频率。

图3-130 直射式光电转速传感器的结构图

（2）反射式光电转速传感器

图3-131为反射式光电转速传感器的结构图。它由红外发射管、红外接收管、光学系统等组成。光学系统由透镜及半透镜构成，红外发射管由直流电源供电，工作电流为20mA，可发射出红外光。半透镜既能使发射的红外光射向转动的物体，又能使从转动的物体反射回来的红外光穿过半透镜射向红外接收管。测量转速时需要在被测物体上粘贴一小块红外反射纸，这种纸具有定向反射作用。

图3-131 反射式光电转速传感器的结构图

当被测物体旋转时，粘贴在物体上的反射纸和物体一起旋转，红外接收管则随感受到反射光的强弱而产生相应变化的信号。该信号经电路处理后便可以由显示电路显示出被测对象转速的大小。

3.电涡流式转速传感器

图3-132为电涡流式转速传感器的工作原理图。

它由电涡流式传感器和输入轴等组成。在软磁性材料的输入轴上加工一个键槽，在距输入轴表面d处设置电涡流式转速传感器，输入轴与被测旋转轴相连。当被测旋转轴转动时，输入轴跟随转动，从而使传感器与输入轴的距离发生Δd的变化。由于电涡流效应，这种变化将导致振荡回路的品质因数变化，使传感器线圈电感随Δd的变化而变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含与转速成正比的脉冲频率信号。这种传感器可实现非接触式测量，最高测量转速可达6×10⁷r/min。

图3-132 电涡流式转速传感器的工作原理图

4.霍尔式转速传感器

图3-133为霍尔式转速传感器的结构原理图。它是由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成。将磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴以角速度ω旋转时，磁性转盘便随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔开关集成传感器便可在每一个小磁钢通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测对象的转速。

设频率计的频率为f，粘贴的磁钢数为Z，则转轴转速为

若Z=60，则n=f，即转速为频率计的示值。但是，粘贴60块磁钢较为麻烦，通常粘贴6块磁钢，则转速为

n=10f （3-171）

这样读数与计算都比较方便。

图3-134为霍尔式转速传感器的各种不同结构示意图，磁性转盘上的小磁钢数目多少将确定传感器的分辨率，小磁钢数目越多，分辨率越高。

图3-133 霍尔式转速传感器的结构原理图

图3-134 霍尔式转速传感器的各种不同结构示意图(www.xing528.com)

5.光电码盘转速检测法

光电码盘有绝对光电码盘与增量光电码盘之分。

如图3-135a所示的绝对光电码盘是把旋转轴的旋转角度用二进制编码输出，它可以检测绝对角度，而且当有外部干扰或电源断电事故发生后恢复正常时，可以立即准确检测位置信息。其缺点是结构复杂、成本高，并需要用多个光电元件检测来自各位的脉冲信号。图3-135b所示也是绝对光电码盘，但它是可以减少误码率的循环码盘。

图3-135 绝对码盘及其编码方式

增量光电码盘是随旋转角度输出一列连续脉冲波的码盘，通过累计脉冲个数测量旋转角，若只使用一个光耦合器只能检测转速，而不能检测转轴的绝对转角和转向。

增量光电码盘在工业应用的数量上远比绝对码盘多。为了使增量光电码盘也能检测绝对转角和转向。可以采用如图3-136所示的检测A、B和Z三个增量脉冲信号的办法，使其中相邻的两个输出信号A、B成90°的相位差；而使信号Z对每转一周只输出一个脉冲，作为决定转角的原点。根据需要，当只需检测转速时，选择带一个光耦合器的单相输出增量码盘即可；若还要判别正负转向并控制转角位置时，则需要选择内部含三个光耦合器的有三相输出的增量码盘。

图3-136 增量码盘及其改进方法

光栅编码器一般用来测量角位移，如果在单位时间内测量角位移则为被测物体的转速。

光栅编码器在被测物体每转过一个单位角位移时就产生一个脉冲。在测量角位移的同时将所经过的时间也测量出来，即可求得角速度。采用增量码盘测速原理如图3-137所示。

从图3-133中可见，用光栅编码器输出信号的上升沿打开计数器，对高频时钟信号进行计数；用其下降沿打开锁存器，将计数器内的数值进行锁存，这样锁存器的内容就是角位移所经过的时间，求其倒数即可得到转速。

图3-137 增量码盘测速

上述方法可以称为测周法，利用上述方法测量速度时，需要根据电动机的转速范围和要求准确度来决定时钟频率和计算机的位数。一般来说上述方法比较适合于电动机转速较慢的情况。若电动机转速过快，则计数器计数时间过短，此时如果时钟频率不够高，则可能产生较大的误差。对于转速较高的电动机一般可以采用测频法，其原理是在单位时间内对光栅编码器输出脉冲计，从而直接测得转速。

在测量时是采用测周法还是测频法应该根据实际情况决定，而采用测周法所需高频时钟的频率和采用测频法所需的测量时间与所要求的测量准确度和具体应用场合（如所测转速范围）有关。一般在转速低时采用测周法，而转速高时采用测频法；而为了提高准确度，在采用测周法时尽可能采用高频时钟和较高位数的计数器，而在采用测频法时应使用尽可能长的测量时间。但实际应用中，由于时钟频率和计数器容量受到限制，不可能无限高，所以量化误差总是存在的。

计算误差时一般认为量化误差即为最大误差，也就是计数器所计得的一个数。例如电动机转速为3000r/min，光栅传感器为100脉冲/min，则其脉冲周期为0.2ms。如果要求测量误差小于1%，则采用测周法时所需时钟在500kHz以上才能够满足要求，而采用测频法满足同样的准确度所需测量时间应大于0.02s。当电动机转速为60r/min时，满足同样的测量准确度采用测周法所需时钟只需大于0.1kHz，而采用测频法所需要的测量时间则要求大于1s。

使用光栅编码器测量速度方法简单、工作可靠，而且输出的信号是数字信号，具有较强的抗干扰能力，近年来得到了越来越广泛的应用。

6.测速发电机

测速发电机是把机械转速变换为与转速成正比的电压信号的微型电机，在自动控制系统中和模拟计算装置中，作为检测元件、解算元件和角加速度信号元件等得到了广泛的应用。在交直流调速系统中，常使用测速发电机构成闭环速度反馈来改善控制系统的性能，提高系统精度。

目前常用的测速发电机主要有直流测速发电机、交流测速发电机和霍尔效应测速发电机等。其中使用最多的是直流测速发电机。

直流测速发电机的工作原理与普通的发电机基本相同，如图3-138所示。空载时，电枢两端的输出电压为

U_o=E=K_En （3-172）

式中n为发电机的转速。可见空载时测速发电机的输出电压与它的转速成正比。当有负载时，测速发电机的输出电压为

U_o=E-I_aR_a （3-173）

式中，R_a为电枢电阻和电刷接触电阻的和。电枢电流为

I_a=U_a/R_L （3-174）

式中，R_L为负载电阻。根据以上三式可得

U_o=K_en/（1+R_a/R_L） （3-175）

上式即为有负载时的直流测速发电机输出特性方程，如图3-139所示。

图3-138 直流测速发电机工作原理

图3-139 直流测速发电机输出特性

在理想状态下，K_E、R_a、R_L都能够保持为常数，则直流测速发电机在有负载时输出电压和转速仍为线性关系。但实际上，由于电枢反应及温度变化的影响，输出特性曲线不完全是线性的。同时还可以看出，负载电阻越小、转速越快，输出特性曲线弯曲的越厉害。

交流测速发电机的结构与伺服电动机类似。在定子安装两套相差为90°的绕组，其中一套接单相交流电源；另一套作为输出绕组，接测量仪器作为负载，其输出为幅值与转速成正比，频率与电源频率相同的感应电动势。在励磁电压一定的情况下，当输出绕组的负载很小时，交流测速发电机的输出电压与转速成正比。

直流测速发电机没有相位波动，没有残余电压，灵敏度高。但由于有电刷和换向器，所以可靠性比较差，维护也不方便，而且会产生比较大的电磁干扰，输出特性不稳定。

交流测速发电机结构简单，维护容易，输出稳定，准确度高，电磁干扰小，工作可靠。但灵敏度一般要比直流测速发电机低，而且存在残余电压与相位误差，负载的大小和性质对输出特性的影响比较大。

在自动控制系统中，测速发电机常用来做调速系统、位置伺服系统等的校正元件，检测和控制电动机的转速，产生反馈电压以提高控制系统的稳定性和精确度。然而在实际使用时，有些影响测量结果的因素应该注意。

对于交流测速发电机来说，在使用时必须维持励磁电压与频率的恒定，同时需要注意负载阻抗的影响。温度的变化也会使材料性能和绕组的电阻值发生变化，使得输出性能不稳定，所以在实际使用时需要外加温度补偿装置。如在电路中串入NTC型热敏电阻来补偿温度变化的影响。

对于直流测速发电机来说，需要注意的首先是最大线性工作转速和最小负载电阻这两个指标。在准确度要求高的场合，负载电阻必须选的大一些，转速范围也不应该超过最大线性工作转速，以保证测量机关具有较小的非线性误差。另外，温度变化也会影响励磁绕组的阻值，从而也会影响输出的线性，所以在实际使用时一般在直流测速发电机的励磁绕组回路中串联一个较大的铜电阻作为附加电阻，以补偿温度变化对励磁绕组阻值的影响，稳定励磁电流，从而使输出特性不受温度变化的影响。但采用附加电阻会增加励磁电压，导致励磁功率增大。

此外，当测速发电机转速较低时，电刷接触电阻较大，此时输出电压的灵敏度较低；而转速较高时则基本能够保持线性，灵敏度也比较高。所以直流测速发电机在转速较低时存在一个不灵敏区，所以测量范围的低限也不宜过小。