上篇：旋转设备转速检测技术之一
3. 闪光法 – 频闪仪
利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到转子的转动部分，当调整脉冲频率使得被照部分静止不动时，此时脉冲的频率与电机转运的转速是同步的。若脉冲频率为X Hz（Hz，赫兹，频率单位。重复次数/秒），则转子的转速为60X RPM。而频闪仪就是可以用来产生这种光源的仪器，也叫频闪静像仪或转速计。是能够使做振动、高速旋转或周期运动构件变成" 静止不动 " 构件的一种光学测量装置。频闪仪本身可以发出短暂又频密的闪光，当调节频闪灯的闪动频率，使其与被测物的转动或运动速度接近或同步时，被测物虽然高速运动着，但看上去却是缓慢运动或相对静止，这种视觉暂留现象使人目测就能轻易观测到高速运动物体的表面质量与运行状况 ，而频闪仪的闪光速度即为被检测物体（例如：马达）转速和运动频率 ,亦可以利用频闪仪分析物体振动情况、高速移动物体的动作以及高速摄影等。
工业生产环境的复杂多样造成了对频闪检测仪的不同需求，按照应用环境和使用方式的不同，将频闪仪分为便携式、在线式、灯头分离式，专用型和通用型等；特殊应用的频闪仪还有带有静像视频检查功能的静止画面系统、防爆、防水、UV等种类。工业现场中常用的手持便携式频闪仪特点是便于随身携带，小巧轻便，这种频闪仪多使用大容量的充电电池供电，这样便于频闪仪在生产线的不同位置更灵活使用。在工业生产的质检过程中这种频闪仪多被用在故障源的寻找上。
某厂家频闪仪
频闪仪的使用步骤：
•先估测转子的运动频率，通过电机的额定转速和机械的传动比例大致估算转速；
•将频闪仪的闪光源照射向被测物体；
•由高频往低频方向调整到估算频率，再微调直到被测物体显现出个清晰的同步静止画面为止。在确认静止画面时可借由该被测物体的外轮廓、标记等等，来确认是否与停止不动时的画面完全相同，也可以调整其两倍的频率，来确认是否存在两个重叠影像，从而确定其一倍频率时的影像，是真实同步静止画面；
•读出数字幕上所显示的数值，即是该被测物体之每分钟的工作次数，也就是转速RPM。
从频闪仪的原理可以知道，这种便携式频闪仪适合于机器速度比较稳定的场合，因为此时被观测对象也是以一个稳定的频率出现，从而可以实现比较好的观测效果。当机器速度不断变化时，被观测对象的频率也不断变化，此时以固定频率闪光的内部控制模式不能适应（也就是看不到静止的图像了），此时应当采用外部控制模式。通过自动同步频闪仪外接传感器获取外部图像的信号，来一个图案，频闪仪就闪光一次，从而实现图案的自动同步跟踪（这个需要仪器有这个外部控制功能）。
从转速测量的精度和测量的范围来看，便携式频闪仪的指标并不是很好。但频闪仪可以让使用者直接”看到“机械在高速运转时的图像，这是其它转速测量方式不具有的功能。在现场应用时，频闪仪不需要预先安装其它装置，也不需要停机，使用简单，有其独特的功效。
4. 霍尔元件转速测量法
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855-1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，霍尔元件也称为霍尔传感器。
霍尔效应原理：
如上图：磁场B中有一个霍尔半导体片，恒定电流I通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在两侧方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；I为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。对于一个给定的霍尔器件Rh和d都已确定为常数，当偏置电流I固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。简单的说，就是外部磁场B和电压成比例变化了。霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种，在转速测量应用中通常使用开关型霍尔传感器。
•开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量；
•线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。
霍尔传感器的使用：
若使霍尔集成电路起传感作用，需要?机械的方法来改变磁感应强度。下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。
1-霍尔半导体元件， 2-永久磁铁， 3-挡隔磁力线的叶片
霍尔传感器测转速方式举例：
图中：1.转子；2.测量盘；3.磁体；4.霍尔传感器
上图A、B、C中安装有一个磁体，霍尔传感器保持不动，这样每转一圈，磁体经过霍尔传感器使其开关一次，产生一次脉冲，下次转过时又产生一次脉冲。计算两个脉冲之间的时间间隔，就可以算出转速值。（注：计算两个脉冲之间的时间间隔在电子上是很成熟的计数器技术）如下图：
上图D中，安装的磁体是一条磁条，这样旋转一圈的时候，产生的脉冲数就是磁极变化对数N的数目。同理可以计算N个脉冲的时间间隔从而得出转速。
假设某个霍尔传感器测量的转速系统，每转一圈时产生n个脉冲信号，测得二个脉冲信号之间的时间为t秒，则测量的转子转速为60/nt (rpm转/分)
5.电磁式传感器测转速
磁电式转速传感器是利用磁电感应来测量物体转速的，属于非接触式转速测量，有很好的抗干扰性能，多用于发动机等设备的转速监控，在工业生产中有较多应用。
传感器实物图
使用示意图
磁电式转速传感器的原理：
常见的开磁路式磁电转速传感器结构应用如下图所示：
1.永久磁铁；2.软磁铁；3.感应线圈；4.测量齿轮
当测量对象转动时，转速传感器的线圈会产生磁力线，齿轮转动会切割磁力线，磁路由于磁阻变化，在感应线圈内产生电动势。这种传感器通常和测量齿轮配合使用，测量齿轮通常叫做测速齿圈，形状和齿轮相似。
由原理图可知，其产生的交流电压信号的频率与齿轮转速和齿数成正比，在齿数确定的情况下，传感器线圈输出的电压频率正比于齿轮的转速，其关系为：f =n Xz/60
其中：n为发动转速rpm；z为触发轮齿数；f为测量出来的电压信号频率Hz（赫兹）。
另外，在传感器线圈中产生周期性的电压，其幅度与转速n及传感器和齿圈的间隔距离有关。
磁电式转速传感器直接将被测物体的机械能量转换成电信号输出，工作不需要外加电源，是一种典型的有源传感器。由于这种传感器输出功率较大，因而大大地简化了配用的二次仪表电路。它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；
磁电式转速传感器特点：
•抗干扰能力强，能够在烟雾、油气、水汽等环境下工作；
•输出信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件，及表面有缝隙的转动体都可测量；
•无机械动作，无需润滑，运行过程无?供电，工作维护成本低；
•结构紧凑、体积较小、安装使用方便，便于和各种二次仪表搭配使用；
•怕外部变化磁场干扰；
•在转速较低时，因为产生的电压值较小不易检测，所以不便于测量较低转速。一般为其测量频率为10～1000Hz，也就是Z低转速为10X60=600rpm。
6.电涡流传感器转速测量法
电涡流传感器原理：
电涡流传感器实物图
（通常由螺栓状的探头、带接线头的变送器及电缆线构成）
电涡流传感器原理图
电涡流传感器的结构很简单，前置器中的振荡器使探头中的信号拾取线圈产生高频振荡，探头接近金属导体时，线圈周围空间产生交变磁场H1，此交变磁场使金属导体上产生电涡流，此电涡流也产生交变磁场H2，H2和H1的磁场方向是方向相反的，从而引起通电线圈中电流大小和相位的变化，也就是线圈的有效阻抗Z变化。阻抗Z的变化与被测距离x成比例变化，因此，前置器中的检测器和放大器把Z的变化转换为电压的变化，以获得位移x与电量之间的关系。
电涡流传感器是机械状态监测中的一种很重要的传感器，它除了可以用来测量转速外，还可以测量振动位移量，以及静态位置量，在后面的振动传感器中还要提及。探头输出信号的交流部分与轴振动成正比，直流部分与探头和轴表面间的间隙成正比（间隙电压）。
涡流式位移传感器的Z大特点是采用非接触测量，它与被测点没有接触，适合于测量转子相对于轴承的相对位移，包括轴的平均位置及振动位移。由于高速旋转机械的转子轴表面具有很高的切线速度，所以用接触式传感器很难以实现振动的接收。涡流式位移传感器是利用转轴表面与传感器探头端部间的间隙变化来接收振动的，从而避免了与转轴表面的直接接触。
涡流传感器测量转速时要求在轴上标记线处开一条几毫米深的键槽（或者凸台），如下图所示为键槽。一般来讲，键槽开的宽，脉冲也宽。
当转子旋转起来后，电涡流传感器会产生（通常需要通过整形电路）类似下图的电压信号：
显然，只要测得两个脉冲间的时间t,即可求得转子的瞬时转动角速度a或转速RMP。
测量时，常常设定一电压阈值V，脉冲以越过V计，以避免各种扰动所产生的“毛刺”而影响测量的精度。键槽凸台的几何尺寸，不同的监测系统和被测转子都有一定的相应要求，例如本特利公司7200系列和3000系列监测系统要求键槽和凸台的宽度大于7mm，深度大于1.5mm，长度大于10mm，以保证产生Z小5V的峰值脉冲信号。
旋转机械的键相信号对旋转机械的振动测量具有重要意义，除了测量转速以外，它还可以作为相位参考脉冲信号。在后面的振动检测内容中会再次提及。为了获得理想的键相脉冲信号，应注意以下问题：
•由于键槽有一定的宽度，因此参考脉冲信号有一定的宽度，这时转速测量取值应明确是以脉冲前沿或后沿为触发参考。键相位的涡流传感器应径向安装，而不能轴向安装。因为轴向安装时，受轴向推力的作用会造成前置器输出超出线性范围，从而有碍于键相信号的幅度。
•选择键槽的长度时应考虑转子的轴向窜动量。
•涡流传感器与轴表面之间的间隙应按轴平滑表面定，不按缺口定。
•键槽的长度应沿与转子中心线相平行的方向测量，宽度应与轴中心线相垂直。
•对于高速转子，应设法消除因键槽产生的不平衡。
电涡流传感器测转速时的使用特点和磁电式转速传感器的特点类似，参见磁电式转速传感器的特点。不同点在于电涡流传感器可以零频率响应，也就是说因为电涡流传感器产生的电压和转子旋转速度无关，可以测量的Z低转速没有限制。
7.光电传感器测转速
光电传感器测转速也有很多种分类。
一般按照光的种类，分为红外线、激光等；
注意：激光对人眼有害，不要对人眼直接照射。
按照光线的发射，接收方式又分为反射式、对射式；如下图：
对射式
反射式
对射式是由一个发射管发射光，另一个接收管接收信号。这样通过在转子附件上增加光的隔断机构就能得到和转速的同步脉冲信号；
反射式光传感器是发射和接收管在一起，在转子表面设置反射装置（比如反光条），转子旋转后得到和转速的同步脉冲信号。
在机械状态监测与故障诊断中，主要是使用反射式激光传感器测转速，下面重点这种传感器的两种用法：
1）基于反射式激光传感器的便携式转速计
某厂家转速计标配激光器测转速，凭借激光光学系统，使用者可在旋转机械的安全距离处轻松、快速地进行测速。在有些频闪仪上也有加装激光测转速功能，如下图：
某厂家频闪仪，带激光测转速功能
（可以通过反光条触发控制闪光灯频率）
光反射式测转速特点：
•需要贴反光条，所以测试前需要停机，不能停机场合使用受限；
•反光条易失去粘性及被杂物覆盖，不能长时间使用；
•操作简便且精度较高。
2）反射式激光传感器与其它设备配合测量
这种方式通常是把反射的脉冲信号接入专业的仪器仪表，除了测量转速外，有时候还需要测量相位。因此，在需要测量相位时，要保证转子激光点上只有一张反光条反光。
另外，现场实际操作时，使用磁性表座固定传感器是Z方便的方式。
磁性表座
根据反射信号的有无，激光传感器得到的信号也是一个脉冲信号：
可以用同样的方法得到脉冲间隔时间，从而得到转速RPM。
8.编码器（光电码盘）转速测量法
编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。
旋转编码器是用来测量转速并配合PWM（脉冲宽度调制Pulse-WidthModulation）技术可以实现快速调速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。
分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。
编码器种类繁多，有很多的分类方式：
•有轴型：有轴型又可分为夹紧法兰型、同步法兰型和伺服安装型等。
•轴套型：轴套型又可分为半空型、全空型和大口径型等。
•以编码器工作原理可分为：光电式、磁电式和触点电刷式。
•按码盘的刻孔方式不同分类编码器可分为增量式和式两类。
测量转速时主要使用旋转编码器中光电式旋转编码器（也叫光电码盘）。
以下介绍光电码盘原理：
光电码盘测转速原理图
转子轴上固定一个光电码盘，光电码盘上有一个或多个能透光的光栅，每个光栅背后有一个光敏元件对应，随着电机转运，光电码盘也随着转动，当固定光源照射在光电码盘上时，透过光栅的光被光敏接收并产生脉冲电信号。假如编码数为1，在时间t内测量得到的脉冲数为N，则转速n=60N/(tX1)。可以看到，光电码盘的基本原理类似于对射式的光电转速计，不同的是通过光栅技术可以轻易刻出成千上万的光栅，从而达到很高的精度，并且整个编码器可以做的很紧凑。
各种编码器图片
编码器在设备安装时就已经安装好，在机械状态监测中很少需要自己去安装编码器，通常只需要把编码器的输出信号引入机械状态监测系统。所以需要了解编码器的输出信号的电气参数如几根芯、每芯定义、电压值、电流值），保证输入接线正确。
关于卓微：成都卓微科技有限公司（卓微科技）致力于设备自诊断的关键器件和核心软件研发。卓微科技的核心团队在传感器领域、设备状态监测软件开发和应用方面具有丰富经验；在德阳罗江军民融合基地建有生产和测试中心。
“卓尔不凡，见微知著”：精确诊断+智能识别是卓微科技在设备健康管理和故障诊断领域持续追求的目标！
联系电话：028-87816741 18908045531
邮箱地址：18908045531@189.cn
联系地址：成都市成华区崔家店路75号航天科工通信技术研究院23楼
微信公众号
1002次
