四、其他物理量的測量技術

(一)轉速的測量

在動力工程中，考察動力機械(如汽輪機、燃氣輪機、內燃機等)和流體機械(如風機、水泵等)的性能時，轉速是一個重要的特性參數。此外，動力機械的許多特性參數是根據它們與轉速的函數關系來確定的，如壓縮機的排氣量、軸功率、內燃機的輸出功率等，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等都與轉速密切相關。因此了解轉速的測量方法是很重要的。需要指出的是，轉速通常是指單位時間內旋轉機械轉軸的平均旋轉速度，而不是瞬肘旋轉速度。轉速的單位是r/mln。物體的轉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速變換為其他物理量，如機械量、電磁量、光學量等，然后再用模擬和數字兩種方法顯示。

轉速測量的方法很多，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。根據轉速測量的工作方式可分為兩大類：接觸式轉速測量儀表與非接觸式轉速測量儀表。前者在使用時必須與被測轉軸直接接觸，如離心式轉速表、鐘表式轉速表及測轉速發電動機等;后者在使用時不必與被測轉軸接觸，如光電式轉速表、電子數字式轉速儀、閃光測轉速儀等。

1.電氣式轉速測量方法

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

最簡單的電磁感應式的工作原理是：轉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。當齒輪的齒經過磁極時，磁通變化，在線圈上產生感應電動勢已，經過放大整形送人脈沖計數器，在一定時間間隔內累計脈沖數，便可得到轉速。顯然齒數越多，分辨力越強。

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

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

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

能反映轉向，用在模擬式測速電路上很方便。交流測轉速發電機的輸出頻率與轉速嚴格對應，用在數字測速電路上不必經過模數轉換，只要放大整形求出頻率值即可。

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

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

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

測速發電機在使用時易受環境溫度、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軸的一部分功率，在一般穩定轉速測量中用的不多，但在瞬變轉速的測量中卻有反應快、信號易于采集記錄等優點。

以上各種方法中，凡是輸出頻率信號的轉速傳感器，都可以利用頻率轉換器把頻率信號變成0～10mA或1～20mA的直流標準信號。但是對于用計算機控制的系統，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速，不一定需要經過頻率轉換器。

2.閃光測轉速法

閃光測轉速法又稱頻閃式測轉速法，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速。它的原理是基于人的“視覺暫留現象”。一個閃光目標，當閃動頻率大于10Hz時，人看上去就是連續發亮的。根據這一原理，用一個頻率連續可調的閃光燈照射被測旋轉軸上的某一固定標記(如齒輪的齒、圓盤的輻條或在旋轉軸上涂以黑白點)，并調節閃光頻率f，當頻率是被測轉數N的n倍或1/n時(n為整數)，標記就會在每轉到同一位置時被照亮一次，當照亮次數大于每秒10次時，旋轉的標記看上去就停留于固

定位置不動。但只有當n=1，也就是燈泡閃光頻率廠等于被測轉速N時，標記圖像才最清楚。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，當第一次看到標記不動時，得到閃光頻率fi。接著繼續減小閃光頻率，直到再次看到標記不動時，得到閃光頻率。重復上述過程，當第m次看到標記不動時得到頻率fm，則被測轉速N為

閃光測速儀的優點是非接觸式測量，測量精度高，量程范圍寬，可完成每分鐘幾百至幾萬轉的轉速測量。特別適用于測量高轉速機械，還可以用來作為觀察運動機件工作情況的一種手段。當運動機件的旋轉頻率或往復運動頻率fx與閃光頻率f0相等或成整數倍時，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。