3. 閃光法 – 頻閃儀

利用可調脈沖頻率的專用電源施加于閃光燈上，将閃光燈的燈光照到轉子的轉動部分，當調整脈沖頻率使得被照部分靜止不動時，此時脈沖的頻率與電機轉運的轉速是同步的。若脈沖頻率為X Hz（Hz，赫茲，頻率單位。重複次數/秒），則轉子的轉速為60X RPM。而頻閃儀就是可以用來産生這種光源的儀器，也叫頻閃靜像儀或轉速計。是能夠使做振動、高速旋轉或周期運動構件變成" 靜止不動 " 構件的一種光學測量裝置。頻閃儀本身可以發出短暫又頻密的閃光，當調節頻閃燈的閃動頻率，使其與被測物的轉動或運動速度接近或同步時，被測物雖然高速運動着，但看上去卻是緩慢運動或相對靜止，這種視覺暫留現象使人目測就能輕易觀測到高速運動物體的表面質量與運行狀況 ，而頻閃儀的閃光速度即為被檢測物體（例如：馬達）轉速和運動頻率 ,亦可以利用頻閃儀分析物體振動情況、高速移動物體的動作以及高速攝影等。

工業生産環境的複雜多樣造成了對頻閃檢測儀的不同需求，按照應用環境和使用方式的不同，将頻閃儀分為便攜式、在線式、燈頭分離式，專用型和通用型等；特殊應用的頻閃儀還有帶有靜像視頻檢查功能的靜止畫面系統、防爆、防水、UV等種類。工業現場中常用的手持便攜式頻閃儀特點是便于随身攜帶，小巧輕便，這種頻閃儀多使用大容量的充電電池供電，這樣便于頻閃儀在生産線的不同位置更靈活使用。在工業生産的質檢過程中這種頻閃儀多被用在故障源的尋找上。

某廠家頻閃儀

頻閃儀的使用步驟：

•先估測轉子的運動頻率，通過電機的額定轉速和機械的傳動比例大緻估算轉速；

•将頻閃儀的閃光源照射向被測物體；

•由高頻往低頻方向調整到估算頻率，再微調直到被測物體顯現出第一個清晰的同步靜止畫面為止。在确認靜止畫面時可借由該被測物體的外輪廓、标記等等，來确認是否與停止不動時的畫面完全相同，也可以調整其兩倍的頻率，來确認是否存在兩個重疊影像，從而确定其一倍頻率時的影像，絕對是真實同步靜止畫面；

•讀出數字幕上所顯示的數值，即是該被測物體之每分鐘的工作次數，也就是轉速RPM。

從頻閃儀的原理可以知道，這種便攜式頻閃儀适合于機器速度比較穩定的場合，因為此時被觀測對象也是以一個穩定的頻率出現，從而可以實現比較好的觀測效果。當機器速度不斷變化時，被觀測對象的頻率也不斷變化，此時以固定頻率閃光的内部控制模式不能适應（也就是看不到靜止的圖像了），此時應當采用外部控制模式。通過自動同步頻閃儀外接傳感器獲取外部圖像的信号，來一個圖案，頻閃儀就閃光一次，從而實現圖案的自動同步跟蹤（這個需要儀器有這個外部控制功能）。

從轉速測量的精度和測量的範圍來看，便攜式頻閃儀的指标并不是很好。但頻閃儀可以讓使用者直接”看到“機械在高速運轉時的圖像，這是其它轉速測量方式不具有的功能。在現場應用時，頻閃儀不需要預先安裝其它裝置，也不需要停機，使用簡單，有其獨特的功效。

4. 霍爾元件轉速測量法

霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855-1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。後來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，霍爾元件也稱為霍爾傳感器。

霍爾效應原理：

如上圖：磁場B中有一個霍爾半導體片，恒定電流I通過該片。在洛侖茲力的作用下，I的電子流在通過霍爾半導體時向一側偏移，使該片在兩側方向上産生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。由霍爾效應的原理知，霍爾電勢的大小取決于：Rh為霍爾常數，它與半導體材質有關；I為霍爾元件的偏置電流；B為磁場強度；d為半導體材料的厚度。對于一個給定的霍爾器件Rh和d都已确定為常數，當偏置電流I固定時，UH将完全取決于被測的磁場強度B。在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，将産生電勢差為UH的霍爾電壓。簡單的說，就是外部磁場B和電壓成比例變化了。霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種，在轉速測量應用中通常使用開關型霍爾傳感器。

•開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量；

•線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟随器組成，它輸出模拟量。

霍爾傳感器的使用：

若使霍爾集成電路起傳感作用，需要?機械的方法來改變磁感應強度。下圖所示的方法是用一個轉動的葉輪作為控制磁通量的開關，當葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時，磁場偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅動軸的某一位置。霍爾效應傳感器屬于被動型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點使它能檢測轉速低的運轉情況。

1-霍爾半導體元件， 2-永久磁鐵， 3-擋隔磁力線的葉片

霍爾傳感器測轉速方式舉例：

圖中：1.轉子；2.測量盤；3.磁體；4.霍爾傳感器

上圖A、B、C中安裝有一個磁體，霍爾傳感器保持不動，這樣每轉一圈，磁體經過霍爾傳感器使其開關一次，産生一次脈沖，下次轉過時又産生一次脈沖。計算兩個脈沖之間的時間間隔，就可以算出轉速值。（注：計算兩個脈沖之間的時間間隔在電子上是很成熟的計數器技術）如下圖：

上圖D中，安裝的磁體是一條磁條，這樣旋轉一圈的時候，産生的脈沖數就是磁極變化對數N的數目。同理可以計算N個脈沖的時間間隔從而得出轉速。

假設某個霍爾傳感器測量的轉速系統，每轉一圈時産生n個脈沖信号，測得二個脈沖信号之間的時間為t秒，則測量的轉子轉速為60/nt (rpm轉/分)

5.電磁式傳感器測轉速

磁電式轉速傳感器是利用磁電感應來測量物體轉速的，屬于非接觸式轉速測量，有很好的抗幹擾性能，多用于發動機等設備的轉速監控，在工業生産中有較多應用。

傳感器實物圖

使用示意圖

磁電式轉速傳感器的原理：

常見的開磁路式磁電轉速傳感器結構應用如下圖所示：

1.永久磁鐵；2.軟磁鐵；3.感應線圈；4.測量齒輪

當測量對象轉動時，轉速傳感器的線圈會産生磁力線，齒輪轉動會切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應線圈内産生電動勢。這種傳感器通常和測量齒輪配合使用，測量齒輪通常叫做測速齒圈，形狀和齒輪相似。

由原理圖可知，其産生的交流電壓信号的頻率與齒輪轉速和齒數成正比，在齒數确定的情況下，傳感器線圈輸出的電壓頻率正比于齒輪的轉速，其關系為：f =n Xz/60

其中：n為發動轉速rpm；z為觸發輪齒數；f為測量出來的電壓信号頻率Hz（赫茲）。

另外，在傳感器線圈中産生周期性的電壓，其幅度與轉速n及傳感器和齒圈的間隔距離有關。

磁電式轉速傳感器直接将被測物體的機械能量轉換成電信号輸出，工作不需要外加電源，是一種典型的有源傳感器。由于這種傳感器輸出功率較大，因而大大地簡化了配用的二次儀表電路。它隻适合進行動态測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩定；

磁電式轉速傳感器特點：

•抗幹擾能力強，能夠在煙霧、油氣、水汽等環境下工作；

•輸出信号強，測量範圍廣，齒輪、曲軸、輪輻等部件，及表面有縫隙的轉動體都可測量；

•無機械動作，無需潤滑，運行過程無?供電，工作維護成本低；

•結構緊湊、體積較小、安裝使用方便，便于和各種二次儀表搭配使用；

•怕外部變化磁場幹擾；

•在轉速較低時，因為産生的電壓值較小不易檢測，所以不便于測量較低轉速。一般為其測量頻率為10～1000Hz，也就是最低轉速為10X60=600rpm。

6.電渦流傳感器轉速測量法

電渦流傳感器原理：

電渦流傳感器實物圖

（通常由螺栓狀的探頭、帶接線頭的變送器及電纜線構成）

電渦流傳感器原理圖

電渦流傳感器的結構很簡單，前置器中的振蕩器使探頭中的信号拾取線圈産生高頻振蕩，探頭接近金屬導體時，線圈周圍空間産生交變磁場H1，此交變磁場使金屬導體上産生電渦流，此電渦流也産生交變磁場H2，H2和H1的磁場方向是方向相反的，從而引起通電線圈中電流大小和相位的變化，也就是線圈的有效阻抗Z變化。阻抗Z的變化與被測距離x成比例變化，因此，前置器中的檢測器和放大器把Z的變化轉換為電壓的變化，以獲得位移x與電量之間的關系。

電渦流傳感器是機械狀态監測中的一種很重要的傳感器，它除了可以用來測量轉速外，還可以測量振動位移量，以及靜态位置量，在後面的振動傳感器中還要提及。探頭輸出信号的交流部分與軸振動成正比，直流部分與探頭和軸表面間的間隙成正比（間隙電壓）。

渦流式位移傳感器的最大特點是采用非接觸測量，它與被測點沒有接觸，适合于測量轉子相對于軸承的相對位移，包括軸的平均位置及振動位移。由于高速旋轉機械的轉子軸表面具有很高的切線速度，所以用接觸式傳感器很難以實現振動的接收。渦流式位移傳感器是利用轉軸表面與傳感器探頭端部間的間隙變化來接收振動的，從而避免了與轉軸表面的直接接觸。

渦流傳感器測量轉速時要求在軸上标記線處開一條幾毫米深的鍵槽（或者凸台），如下圖所示為鍵槽。一般來講，鍵槽開的寬，脈沖也寬。

當轉子旋轉起來後，電渦流傳感器會産生（通常需要通過整形電路）類似下圖的電壓信号：

顯然，隻要測得兩個脈沖間的時間t,即可求得轉子的瞬時轉動角速度a或轉速RMP。

測量時，常常設定一電壓阈值V，脈沖以越過V計，以避免各種擾動所産生的“毛刺”而影響測量的精度。鍵槽凸台的幾何尺寸，不同的監測系統和被測轉子都有一定的相應要求，例如本特利公司7200系列和3000系列監測系統要求鍵槽和凸台的寬度大于7mm，深度大于1.5mm，長度大于10mm，以保證産生最小5V的峰值脈沖信号。

旋轉機械的鍵相信号對旋轉機械的振動測量具有重要意義，除了測量轉速以外，它還可以作為相位參考脈沖信号。在後面的振動檢測内容中會再次提及。為了獲得理想的鍵相脈沖信号，應注意以下問題：

•由于鍵槽有一定的寬度，因此參考脈沖信号有一定的寬度，這時轉速測量取值應明确是以脈沖前沿或後沿為觸發參考。鍵相位的渦流傳感器應徑向安裝，而不能軸向安裝。因為軸向安裝時，受軸向推力的作用會造成前置器輸出超出線性範圍，從而有礙于鍵相信号的幅度。

•選擇鍵槽的長度時應考慮轉子的軸向竄動量。

•渦流傳感器與軸表面之間的間隙應按軸平滑表面定，不按缺口定。

•鍵槽的長度應沿與轉子中心線相平行的方向測量，寬度應與軸中心線相垂直。

•對于高速轉子，應設法消除因鍵槽産生的不平衡。

電渦流傳感器測轉速時的使用特點和磁電式轉速傳感器的特點類似，參見磁電式轉速傳感器的特點。不同點在于電渦流傳感器可以零頻率響應，也就是說因為電渦流傳感器産生的電壓和轉子旋轉速度無關，可以測量的最低轉速沒有限制。

7.光電傳感器測轉速

光電傳感器測轉速也有很多種分類。

一般按照光的種類，分為紅外線、激光等；

注意：激光對人眼有害，不要對人眼直接照射。

按照光線的發射，接收方式又分為反射式、對射式；如下圖：

對射式

反射式

對射式是由一個發射管發射光，另一個接收管接收信号。這樣通過在轉子附件上增加光的隔斷機構就能得到和轉速的同步脈沖信号；

反射式光傳感器是發射和接收管在一起，在轉子表面設置反射裝置（比如反光條），轉子旋轉後得到和轉速的同步脈沖信号。

在機械狀态監測與故障診斷中，主要是使用反射式激光傳感器測轉速，下面重點這種傳感器的兩種用法：

1）基于反射式激光傳感器的便攜式轉速計

某廠家轉速計标配激光器測轉速，憑借激光光學系統，使用者可在旋轉機械的安全距離處輕松、快速地進行測速。在有些頻閃儀上也有加裝激光測轉速功能，如下圖：

某廠家頻閃儀，帶激光測轉速功能

（可以通過反光條觸發控制閃光燈頻率）

光反射式測轉速特點：

•需要貼反光條，所以測試前需要停機，不能停機場合使用受限；

•反光條易失去粘性及被雜物覆蓋，不能長時間使用；

•操作簡便且精度較高。

2）反射式激光傳感器與其它設備配合測量

這種方式通常是把反射的脈沖信号接入專業的儀器儀表，除了測量轉速外，有時候還需要測量相位。因此，在需要測量相位時，要保證轉子激光點上隻有一張反光條反光。

另外，現場實際操作時，使用磁性表座固定傳感器是最方便的方式。

磁性表座

根據反射信号的有無，激光傳感器得到的信号也是一個脈沖信号：

可以用同樣的方法得到脈沖間隔時間，從而得到轉速RPM。

8.編碼器（光電碼盤）轉速測量法

編碼器（encoder）是将信号（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信号形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信号，前者稱為碼盤，後者稱為碼尺。

旋轉編碼器是用來測量轉速并配合PWM（脈沖寬度調制Pulse-WidthModulation）技術可以實現快速調速的裝置，光電式旋轉編碼器通過光電轉換，可将輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出。

分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數主要有每轉脈沖數（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。

編碼器種類繁多，有很多的分類方式：

•有軸型：有軸型又可分為夾緊法蘭型、同步法蘭型和伺服安裝型等。

•軸套型：軸套型又可分為半空型、全空型和大口徑型等。

•以編碼器工作原理可分為：光電式、磁電式和觸點電刷式。

•按碼盤的刻孔方式不同分類編碼器可分為增量式和絕對式兩類。

測量轉速時主要使用旋轉編碼器中光電式旋轉編碼器（也叫光電碼盤）。

以下介紹光電碼盤原理：

光電碼盤測轉速原理圖

轉子軸上固定一個光電碼盤，光電碼盤上有一個或多個能透光的光栅，每個光栅背後有一個光敏元件對應，随着電機轉運，光電碼盤也随着轉動，當固定光源照射在光電碼盤上時，透過光栅的光被光敏接收并産生脈沖電信号。假如編碼數為1，在時間t内測量得到的脈沖數為N，則轉速n=60N/(tX1)。可以看到，光電碼盤的基本原理類似于對射式的光電轉速計，不同的是通過光栅技術可以輕易刻出成千上萬的光栅，從而達到很高的精度，并且整個編碼器可以做的很緊湊。

各種編碼器圖片

編碼器在設備安裝時就已經安裝好，在機械狀态監測中很少需要自己去安裝編碼器，通常隻需要把編碼器的輸出信号引入機械狀态監測系統。所以需要了解編碼器的輸出信号的電氣參數如幾根芯、每芯定義、電壓值、電流值），保證輸入接線正确。

關于卓微：成都卓微科技有限公司（卓微科技）緻力于設備自診斷的關鍵器件和核心軟件研發。卓微科技的核心團隊在傳感器領域、設備狀态監測軟件開發和應用方面具有豐富經驗；在德陽羅江軍民融合基地建有生産和測試中心。

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