四、其他物理量的測量技術(shù)

(一)轉(zhuǎn)速的測量

在動力工程中，考察動力機械(如汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機等)和流體機械(如風(fēng)機、水泵等)的性能時，轉(zhuǎn)速是一個重要的特性參數(shù)。此外，動力機械的許多特性參數(shù)是根據(jù)它們與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系來確定的，如壓縮機的排氣量、軸功率、內(nèi)燃機的輸出功率等，而且動力機械的振動、管道氣流脈動、各種工作零件的磨損狀態(tài)等都與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。因此了解轉(zhuǎn)速的測量方法是很重要的。需要指出的是，轉(zhuǎn)速通常是指單位時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸的平均旋轉(zhuǎn)速度，而不是瞬肘旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)速的單位是r/mln。物體的轉(zhuǎn)速一股采用間接的方法測量，即通過各種各樣的傳感器將轉(zhuǎn)速變換為其他物理量，如機械量、電磁量、光學(xué)量等，然后再用模擬和數(shù)字兩種方法顯示。

轉(zhuǎn)速測量的方法很多，測量儀表的形式也多種多樣，其使用條件和測量精度也各不相同。根據(jù)轉(zhuǎn)速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表與非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉(zhuǎn)軸直接接觸，如離心式轉(zhuǎn)速表、鐘表式轉(zhuǎn)速表及測轉(zhuǎn)速發(fā)電動機等;后者在使用時不必與被測轉(zhuǎn)軸接觸，如光電式轉(zhuǎn)速表、電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速儀、閃光測轉(zhuǎn)速儀等。

1.電氣式轉(zhuǎn)速測量方法

電氣式轉(zhuǎn)速測量方法很多，這里僅介紹電磁式轉(zhuǎn)速儀和發(fā)電機式轉(zhuǎn)速儀。把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖系列的傳感器常用的有電磁感應(yīng)式、霍爾式、磁敏式和光電式傳感器。

最簡單的電磁感應(yīng)式的工作原理是：轉(zhuǎn)動部件上若有凸起的鐵磁物，如齒輪，則可在其近旁安裝繞有線圈的磁鐵，如圖2-65(a)所示。當(dāng)齒輪的齒經(jīng)過磁極時，磁通變化，在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢已，經(jīng)過放大整形送人脈沖計數(shù)器，在一定時間間隔內(nèi)累計脈沖數(shù)，便可得到轉(zhuǎn)速。顯然齒數(shù)越多，分辨力越強。

若轉(zhuǎn)動部件為非鐵磁性物質(zhì)，可采用圖2-65(b)所示的方法，即將開口鋼絲環(huán)套在轉(zhuǎn)動體上、環(huán)的缺口處磁化成一對磁極，用錄音機磁頭在近距離內(nèi)檢測磁極經(jīng)過時的磁場波動信號，放大整形后計數(shù)，同樣可以測出轉(zhuǎn)速。由于鋼環(huán)的磁場比磁帶上的磁信號強得多，磁頭不必與鋼環(huán)接觸，所以不會磨損。

以上這兩種非接觸測量方法所產(chǎn)生的電脈沖幅值都和轉(zhuǎn)速成正比，且輸出為脈沖數(shù)，易于數(shù)字顯示。

發(fā)電機式轉(zhuǎn)速儀是一種專門測轉(zhuǎn)速的微型電機，它是利用電磁感應(yīng)原理制成的一種把轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)換成電信號輸出的裝置，與普通發(fā)電機不同之處是其輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有較好的線性關(guān)系、較高的靈放度、較小的慣性和較大的輸出信號等。發(fā)電機式轉(zhuǎn)速儀分為直流和交流兩類。直流測轉(zhuǎn)速發(fā)電機又分為永磁式和他激式兩種，交流測轉(zhuǎn)速發(fā)電機則分為同步和異步兩種。其中直流測轉(zhuǎn)速發(fā)電機的輸出電壓和轉(zhuǎn)速有較好的線性關(guān)系，并且直流的極性

能反映轉(zhuǎn)向，用在模擬式測速電路上很方便。交流測轉(zhuǎn)速發(fā)電機的輸出頻率與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格對應(yīng)，用在數(shù)字測速電路上不必經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，只要放大整形求出頻率值即可。

發(fā)電機式轉(zhuǎn)速儀有直流測轉(zhuǎn)速發(fā)電機和交流測轉(zhuǎn)速發(fā)電機。直流測轉(zhuǎn)速發(fā)電機的平均直流輸出電壓Uo與轉(zhuǎn)速N大致成正比，其表達式為

輸出電壓U0的極性隨旋轉(zhuǎn)方向的不同而改變。由于電樞導(dǎo)線的數(shù)目有限，因此輸出電壓有小紋波。對于高速旋轉(zhuǎn)的情況，紋波可利用低通濾波器來減小。典型的永磁式高精度測轉(zhuǎn)速發(fā)電機的直流輸出電壓為7V，額定轉(zhuǎn)速為5000r/min;在0～3600r/min范圍內(nèi)的非線性度為0.07%。

交流測轉(zhuǎn)速發(fā)電機是一種兩相感應(yīng)發(fā)電機，一般多采用籠式轉(zhuǎn)子，為了提高精度有時也采用拖杯式轉(zhuǎn)子。其中一相加交流激勵電壓以形成交流磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子隨被測軸旋轉(zhuǎn)時，就在另一相線圈上感應(yīng)出頻率和相位都與激勵電壓相同，但幅值與瞬時轉(zhuǎn)速N(N=w/2Π)成正比的交流輸出電壓U0。當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向改變時，U0也隨之發(fā)生180度的相移。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止不動時，輸出電壓U0基本上為零。

測速發(fā)電機在使用時易受環(huán)境溫度、濕度及電方面的干擾影響，其精度為1%～2%，測速范圍在10000r/min以下，并且要吸收掉被測旋轉(zhuǎn)軸的一部分功率，在一般穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測量中用的不多，但在瞬變轉(zhuǎn)速的測量中卻有反應(yīng)快、信號易于采集記錄等優(yōu)點。

以上各種方法中，凡是輸出頻率信號的轉(zhuǎn)速傳感器，都可以利用頻率轉(zhuǎn)換器把頻率信號變成0～10mA或1～20mA的直流標(biāo)準(zhǔn)信號。但是對于用計算機控制的系統(tǒng)，完全可以直接把脈沖頻率送入串行輸入通道，由計算機的時鐘定時采樣得到轉(zhuǎn)速，不一定需要經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換器。

2.閃光測轉(zhuǎn)速法

閃光測轉(zhuǎn)速法又稱頻閃式測轉(zhuǎn)速法，閃光測速儀是用已知頻率的閃光去照射被測軸，利用頻率比較的方法來測量轉(zhuǎn)速。它的原理是基于人的“視覺暫留現(xiàn)象”。一個閃光目標(biāo)，當(dāng)閃動頻率大于10Hz時，人看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。根據(jù)這一原理，用一個頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標(biāo)記(如齒輪的齒、圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點)，并調(diào)節(jié)閃光頻率f，當(dāng)頻率是被測轉(zhuǎn)數(shù)N的n倍或1/n時(n為整數(shù))，標(biāo)記就會在每轉(zhuǎn)到同一位置時被照亮一次，當(dāng)照亮次數(shù)大于每秒10次時，旋轉(zhuǎn)的標(biāo)記看上去就停留于固

定位置不動。但只有當(dāng)n=1，也就是燈泡閃光頻率廠等于被測轉(zhuǎn)速N時，標(biāo)記圖像才最清楚。這樣就可以通過閃光燈的閃動頻率來測量轉(zhuǎn)速，而閃光頻率可從刻度盤上直接讀出。

通常燈泡的閃光頻率為每分鐘110～25000次，對于轉(zhuǎn)速大于25000r/min的情況可通過下述辦法來測量。首先從最高閃光頻率往下調(diào)，當(dāng)?shù)谝淮慰吹綐?biāo)記不動時，得到閃光頻率fi。接著繼續(xù)減小閃光頻率，直到再次看到標(biāo)記不動時，得到閃光頻率。重復(fù)上述過程，當(dāng)?shù)趍次看到標(biāo)記不動時得到頻率fm，則被測轉(zhuǎn)速N為

閃光測速儀的優(yōu)點是非接觸式測量，測量精度高，量程范圍寬，可完成每分鐘幾百至幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速測量。特別適用于測量高轉(zhuǎn)速機械，還可以用來作為觀察運動機件工作情況的一種手段。當(dāng)運動機件的旋轉(zhuǎn)頻率或往復(fù)運動頻率fx與閃光頻率f0相等或成整數(shù)倍時，人們可以看到運動機件停留在某一位置，好像是原地靜止不動一樣，因此可以清楚地觀察運動著的機件，如進排氣閥、彈簧、葉片和齒輪等在工作中的狀況。閃光測速的缺點是精度不高。