轉(zhuǎn)速測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，都是*的。本文就轉(zhuǎn)速測(cè)量方法以及實(shí)施檢測(cè)的儀表，做一簡(jiǎn)單的闡述。希望給工作中需要轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表，和在轉(zhuǎn)速測(cè)量或相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)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(shí)間  虛擬儀表

主題：考察轉(zhuǎn)速測(cè)量方法演變，從演變的軌跡對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量有一個(gè)比較全面的了解，著重介紹智能轉(zhuǎn)速表的檢測(cè)方法和實(shí)施檢測(cè)的儀表。

內(nèi)容提要：

轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀表的分類

電子式轉(zhuǎn)速表

轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法

結(jié)束語(yǔ)

附錄

一、轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀表的分類：

離心式轉(zhuǎn)速表，利用離心力與拉力的平衡來(lái)指示轉(zhuǎn)速。 離心式轉(zhuǎn)速表是zui傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量工具，是利用離心力原理的機(jī)械式轉(zhuǎn)速表；測(cè)量精度一般在1~2級(jí)，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(diǎn)，還具備可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 。

磁性轉(zhuǎn)速表，利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(lái)指示轉(zhuǎn)速。 磁性轉(zhuǎn)速表，是成功利用磁力的一個(gè)*，是利用磁力原理的機(jī)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(jiǎn)單，目前較普遍用于摩托車和汽車以及其它機(jī)械設(shè)備。異地安裝時(shí)軟軸易損壞。

電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表，由小型交流發(fā)電機(jī)、電纜、電動(dòng)機(jī)和磁性表頭組成。小型交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電，交流電通過(guò)電纜輸送，驅(qū)動(dòng)小型交流電動(dòng)機(jī)，小型交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速一致。磁性轉(zhuǎn)速表頭與小型交流電動(dòng)機(jī)同軸連接在一起，磁性表頭指示的轉(zhuǎn)速自然就是被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速；電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表，異地安裝非常方便，抗振性能好，廣泛運(yùn)用于柴油機(jī)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(cè)轉(zhuǎn)速（往復(fù)速度）外，還可以觀測(cè)循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)物體的靜像，對(duì)了解機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)，是一*的觀測(cè)工具。

電子式轉(zhuǎn)速表，電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，使這一類轉(zhuǎn)速表有了突飛猛進(jìn)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(shí)期的技術(shù)發(fā)展水平，也體現(xiàn)人類認(rèn)識(shí)自然的階段性發(fā)展過(guò)程。 時(shí)代在不斷前進(jìn)，有些東西將會(huì)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(jī)械力學(xué)的成果；

磁性式轉(zhuǎn)速表，是運(yùn)用磁力和機(jī)械力的一個(gè)*；

電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表，巧妙運(yùn)用微型發(fā)電機(jī)和微型電動(dòng)機(jī)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)用；

閃光式轉(zhuǎn)速表，人類認(rèn)識(shí)自然的同時(shí)也認(rèn)識(shí)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(cè)量?jī)x表。

二、電子式轉(zhuǎn)速表

電子式轉(zhuǎn)速表是一個(gè)比較籠統(tǒng)的概念：以現(xiàn)代電子技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)速測(cè)量工具。它一般有傳感器和顯示器，有的還有信號(hào)輸出和控制。因?yàn)閭鞲衅骱惋@示器件方面的多種多樣，還有測(cè)量方法的多樣性，很難像前５種一樣來(lái)歸類。本文將電子類轉(zhuǎn)速表，從傳感器和二次儀表分開來(lái)分類。如果從安裝使用方式上來(lái)分，還有就地安裝式、臺(tái)式、柜裝式和便攜式以及手持式 。本文對(duì)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(lái)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(cè)量轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器：如加速度傳感器（通過(guò)積分運(yùn)算，間接導(dǎo)出轉(zhuǎn)速），位移傳感器通過(guò)微分運(yùn)算，間接導(dǎo)出轉(zhuǎn)速），等等。測(cè)速發(fā)電機(jī)和某些磁電傳感器在線性區(qū)域，可以直接通過(guò)交流有效值轉(zhuǎn)換，來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速 ；大多數(shù)都輸出脈沖信號(hào)（近似正弦波或矩形波）。針對(duì)脈沖信號(hào)測(cè)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(yùn)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(lái)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(dòng)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(dòng)磁式：正交線圈中電流的變化，導(dǎo)致合成磁場(chǎng)方向的變化，而指針附著在單對(duì)極的永磁體上，指針反映電流的變化。

  電動(dòng)式：雙向旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)帶動(dòng)電位器的旋轉(zhuǎn)，電位器的取樣值與輸入信號(hào)電壓比較，決定雙向旋轉(zhuǎn)馬達(dá)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，與電位器聯(lián)動(dòng)的指針正確反映輸入信號(hào)的大小。

上述三式指針類表頭中，電動(dòng)式表頭屬于電子類，動(dòng)磁式表頭和動(dòng)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(dòng)需要供電電源時(shí)，且依賴現(xiàn)代電子技術(shù)時(shí)，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(lái)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(huì)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(jì)算機(jī)的普及，利用計(jì)算機(jī)做顯示和操作平臺(tái)的虛擬儀表，也越來(lái)越被廣泛運(yùn)用，目前主流的開發(fā)平臺(tái)是NI公司的LabVIEW。有關(guān)開發(fā)運(yùn)用技術(shù)，可以瀏覽NI公司的。

三、轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法

F/V轉(zhuǎn)換

電子類轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x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(hào)，只要通過(guò)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(yùn)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(shí)，這種轉(zhuǎn)換就無(wú)能為力。采用單片機(jī) 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(shí)反映時(shí)間也變長(zhǎng)。關(guān)于F/V轉(zhuǎn)換，請(qǐng)參考相應(yīng)芯片介紹和應(yīng)用資料，本文不做贅述。

頻率運(yùn)算

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

頻率運(yùn)算方法，有定時(shí)計(jì)數(shù)法（測(cè)頻法）、定數(shù)計(jì)時(shí)法（測(cè)周法）和同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法。

定時(shí)計(jì)數(shù)法（測(cè)頻法）在測(cè)量上有±１的誤差，低速時(shí)誤差較大；定數(shù)計(jì)時(shí)法（測(cè)周法）也有±１個(gè)時(shí)間單位的誤差，在高速時(shí)，誤差也很大。

同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法綜合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)測(cè)量范圍都達(dá)到了很高的精度，萬(wàn)分之五以上的測(cè)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(shí)計(jì)數(shù)法（測(cè)頻法）、定數(shù)計(jì)時(shí)法（測(cè)周法）和同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)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(gè)框圖表示：

框圖一 測(cè)頻原理

框圖一告訴我們，被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大整形進(jìn)入加法計(jì)數(shù)器；晶體振蕩器的頻率信號(hào)通過(guò)分頻產(chǎn)生秒（或分鐘）信號(hào)，在計(jì)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(jì)數(shù)器的BCD碼送入寄存器，通過(guò)譯碼驅(qū)動(dòng)，LED數(shù)碼管顯示一秒（或分鐘）內(nèi)的計(jì)數(shù)值，直到下一次寄存脈沖的到來(lái)；緊接著清零，進(jìn)行下一輪計(jì)數(shù)、寄存（譯碼顯示）；如此，不間斷測(cè)頻。如果我們考察一下這些信號(hào)的時(shí)序，不難發(fā)覺這種定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)量方法的缺陷是：被計(jì)數(shù)脈沖有 多一或少一的誤差。如果被測(cè)頻率為10000Hz,多一或少一的誤差，相對(duì)來(lái)講只不過(guò)萬(wàn)分之一；如果被測(cè)頻率為2Hz,多一或少一的誤差，相對(duì)來(lái)講就達(dá)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(diǎn)，把一秒變成一分鐘，誤差就變小了。低頻時(shí)，如不延長(zhǎng) 采樣時(shí)間，要提高精度就要采用測(cè)周的方法，框圖二正是說(shuō)明這種方法。

框圖二  測(cè)周原理

將框圖二與框圖一進(jìn)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(cè)信號(hào)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(xì)心的讀者可以體會(huì)到 ，學(xué)科之間的內(nèi)在無(wú)處不在。

測(cè)周的誤差：與測(cè)頻相似，是多一個(gè)或少一個(gè)晶體振蕩器脈沖，也就是多一個(gè)或少一個(gè)時(shí)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(cè)頻率越高誤差越大；因此測(cè)量高頻時(shí)，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻，確實(shí)是提高測(cè)周精度的好方法。在周期過(guò)長(zhǎng)時(shí)，還可通過(guò)計(jì)數(shù)器，借助計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。下面的框圖表示了計(jì)數(shù)器的工作原理。

框圖三 計(jì)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(cè)量工具，這臺(tái)儀器的設(shè)計(jì)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(jì)者童敏杰，改進(jìn)者姓名略）。

早期的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，在今天看來(lái)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(guò)時(shí)基頻率的分頻（采樣時(shí)間的倍乘），基本滿足了大都數(shù)用戶的需要，測(cè)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(jī)或FPGA都比較方便。那么今天的設(shè)計(jì)者怎樣設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法。

同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法

同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法，是隨著單片機(jī)的普及而得到普及運(yùn)用。同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法是怎樣綜合前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)的呢？我們還是用時(shí)序來(lái)分析。

定時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)序

                                   
              時(shí)序圖一                                                                     時(shí)序圖二
 

時(shí)序圖一：計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)脈沖不同步；時(shí)序圖二：計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)脈沖同步。但不管計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)脈沖同步與否，都有多一少一的誤差。同理，定數(shù)計(jì)時(shí)也有多一少一的誤差。

同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)時(shí)序圖

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

頻率f=N/T,假定定時(shí)為1秒，時(shí)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(wàn)分之一，隨著晶振頻率的提高誤差減小。

當(dāng)采用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)和運(yùn)算時(shí)，還有中斷不及時(shí)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(gè)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(jī) 技術(shù)，和同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法，使得測(cè)頻、測(cè)速、測(cè)周、計(jì)數(shù)變得，而且非常簡(jiǎn)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(kuò)展的RS232接口，能與配套的虛擬儀表動(dòng)態(tài)顯示頻率、轉(zhuǎn)速（速度）、和計(jì)數(shù)值。