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1、实验二 转速测量实验一、实验目的 学习和掌握数字式转速测量方法二、实验内容1、学习光电反射式转速表的使用 2、测量电机和风扇的转速三、实验设备1、HIOKI 3403转速表2、电机3、直流电源4、风扇四、实验原理1.频率的测量 在工业生产领域中周期性现象十分普遍，如各种周而复始的旋转运动、往复运动，各种传感器和测量电路变换后的周期性脉冲等。周期性过程重复出现一次所需要的时间称为周期，用符号T（单位是s）表示。单位时间内周期性过程重复出现的次数称为频率，记为f（单位是Hz）。周期与频率互为倒数关系： (2-1)目前频率测量技术已能达到很高的精确度，因此在检测技术中，常将一些非电量或其他电参量转换
2、成频率进行测量，以提高测量的精度。频率测量方法可分为计数法和模拟法两类。计数法测量精度高、操作简便，可直接显示数字，便于与微机结合实现测量过程自动化，应用最为广泛；模拟法因为简单经济，在有些场合仍有应用。1）、频率（周期）的数字测量（1）计数法测量原理计数法就是在一定的时间间隔内，对周期性脉冲的重复次数进行计数。若周期性脉冲的周期为，则计数结果为 (2-2)图2-1 计数法测量原理计数法原理如图2-1（a）所示，周期为TA的脉冲加到闸门的输入端，宽度为T的门控信号加到闸门的控制端控制闸门的开、闭时间，只有在闸门开通时间内闸门才输出计数脉冲到十进制计数器进行计数。在闸门打开前计数器先清零，闸门关
3、闭时，计数器的计数值N由T和TA决定。如果T和TA一个为已知标准量，另一个为待测量，则从计数值N和已知标准量便可求得未知待测量。由于T和TA两个量是不相关的，T不一定正好是TA的整数N倍，即T和NTA之间有一定误差，如图2-1（b）所示。图中t1，是闸门开启时刻至第一个计数脉冲前沿的时间（假设计数脉冲前沿使计数器翻转计数），t2是闸门关闭时刻至下一个计数脉冲前沿的时间。处在T区间内的计数脉冲个数（即计数器计数结果）为N，则 (2-3)式中，。显然，0t1TA，0t2TA。若t1=t2，则N=0；若t1=TA，t2=0，则N=1；t2=TA，t1=0，则N=-1。因此脉冲计数的绝对误差为N=1。
4、脉冲计数最大相对误差为 (2-4)（2）通用计数器的基本组成和工作方式电子计数器一般都具有测量频率（测频）和测量周期（测周）等两种以上的测量功能，故统称通用计数器。通用计数器的基本组成如图2-2所示。图2-2 通用计数器的基本组成图2-2中整形器是将频率为fA（或fB）的正弦信号整形为周期为TA1/fA（或TB1/fB）的脉冲信号。门控电路是将周期为mTB（fB经m分频）的脉冲变为闸门时间为T=mTB的门控信号，将T=mTB代入式（2-2）可得图2-2中十进制计数器的计数结果为： (2-5)由上式可见，图2-2中计数结果N与A、B两输入端所加的信号频率的比值fA/fB成正比，因此图2-2所示计
5、数器可用于频率比的测量，即工作在频率比测量方式。若将被测信号fx接到图2-2中A输入端（即fA=fx），晶振标准频率fc信号接到B输入端（即fB=fC），则称计数器工作在测频方式，此时式（2-5）变为： (2-6)若将被测信号fx接到图2-2中B输入端（即fB=fx），晶振标准频率fc信号接到A输入端（即fA=fC），则称计数器工作在测周方式，此时，式（2-5）变为： (2-7)（3）频率（周期）的测量误差与测量范围式（2-1）可见，周期与频率互为倒数，只要测出其中一个就可求得另一个，因此，从理论上讲测量频率与测量周期是等效的，但是从实际测量效果来看，图2-2所示通用计数器工作在测频方式和工作
6、在测周方式，无论测量误差还是测量范围都不一样。 测频方式式（2-6）可得“测频”的相对误差为： (2-8)式中，fC/fC为标准频率的相对误差。将式（3-9）代入上式可得测频的最大相对误差为： (2-9)由上式可见，被测频率fx越高，分频系数m越大，测频的相对误差即测频的精度越高。若采用K位十进制计数器，则最大允许计数值为。为使计数结果不超过计数器最大允许计数值而发生溢出，要求： (2-10)若该计数器的计数脉冲频率最大允许值为，则还要求。可得“测频”范围为： (2-11)由上式可见，测频方式所能测量的最低频率受测量精度要求值的限制,所能测量的最高频率受所采用的计数器的容量（）或速度（）的限制
7、。 测周方式由式（2-7）可得测周的相对误差为： (2-12)将式（2-7）代入得测周的最大相对误差为： (2-13)因 Tx1/fx，Tx/Tx-fx/fx，故由上式可得测周法测频的最大相对误差为： (2-14)由上式可见，被测频率fx越低，分频系数m越大，测周的相对误差Tx/Tx越小，即测周的精度越高；同样，fx越低，m越大，用测周法测频的相对误差fx/fx越小，测频的精度也越高。对比式（2-9）和式（2-14）可见，直接测频与测周法测频的相对误差是不一样的。若被测频率fx较高，则直接测频的相对误差较小；若被测频率fx较低，则用测周法测频的相对误差较小。令式（2-9）与式（2-12）相等，
8、可求得测频与测周相对误差都一样的中界频率f0为f0 = fc。因此，从提高测量精度考虑，当被测频率fx高于中界频率即晶振标准频率fc时，应采用直接测频法测量频率，当被测频率fx低于中界频率即晶振标准频率fc时应采用测周法测量频率。测周法的周期测量范围，同样也受到测量精度要求值和计数器的限制，即应满足：故Tx的测量范围为： (2-15)若取，并考虑到，则上式可化简为： (2-16)2）、频率的模拟测量（1）直读法测频电桥法测频电桥法测频是利用交流电桥的平衡条件和电桥电源频率有关这一特性来测频的，在电桥面板上将调节电桥平衡的可变电阻（或电容）的调节旋钮（度盘）按频率刻度，则在电桥指示平衡时，测试者
9、便可从刻度上直接读得被测信号频率fx。这种电桥测频的精度约为（0.51）%。在高频时，由于寄生参数影响严重，会使测量精度大大下降，所以这种电桥测频法仅适用于10KHz以下的音频范围。谐振法测频谐振法利用电感、电容串联谐振回路或并联谐振回路的谐振特性来实现测频。当被测频率加到变压器式的谐振电路中时，调节电容使谐振电路达到揩振。如果电容的调节度盘按谐振频率刻度，则可直接从该刻度读出被测频率值。谐振法测量频率的精度大约在（0.251）范围内，常作为频率粗测或某些仪器的附属测频部件。频率电压（f - U）转换法测频这种测频方法的原理是利用相关电路把正弦频率fx转换为周期相等、宽度、幅度Um均为定值的矩
10、形脉冲列，用低通滤波器滤除其全部交流分量，则平均值即直流分量为： (2-17)输出的直流电压用依照式（2-17）按频率刻度的电压表指示，则从电压表指针所指刻度便可直接读出被测频率fx。f - U转换式频率计最高测量频率可达几兆赫。可以连续监视频率的变化是这种测量法的突出优点。 （2）比较法测频 比较法测频就是用标准频率与被测频率进行比较，当把标准频率调节到与被测频率相等时指零仪表（零示器）便指零，此时的标准频率值即为被测频率值。比较法测频可分为拍频法测频与差频法测频两种。前者是将待测频率信号与标准频率信号在线性元件上叠加产生拍频。后者是将待测频率信号与标准频率信号在非线性元件上进行混频。目前拍
11、频法测量频率的绝对误差约为零点几赫兹，差频法测量频率的误差可优于10-5量级，最低可测的信号电平达0.11V。拍频法和差频法在常规场合很少采用。（3）示波器测量频率用示波器测量频率有两种方法：一种是将被测信号加到示波器的Y通道，在荧光屏上测量被测信号的周期。另一种是将被测信号和标准频率信号分别加到示波器的X通道和Y通道，观测荧光屏上显示的李沙育图形。2.转速的测量目前转速的测量以数字脉冲式测量方法为发展的主流，其测量方法基本上都是被测转轴上装一个转盘（称为调制盘），盘上有一个或数个能使传感器敏感的标志，如齿、槽、孔、狭缝、磁铁、反光条等，当标志经过传感器时便产生输出脉冲。测量基于测频计数原理，
12、即在指定的时间T内，对转速传感器的输出脉冲信号进行计数。若在时间T(s)内计数值为N，转速传感器每周产生的脉冲数为Z，则被测转速n为： (2-18)式中，f为传感器脉冲信号频率。可见测定传感器脉冲信号频率f就可以求出转速n。本实验使用的是光电式转速测量仪器。测量系统由装在被测轴或与被测轴相连接的输入轴上的带狭缝的圆盘、光源、光敏器件等组成。光源发出的光透过缝隙照射到光敏器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲。若按90相位差安放两个相同的光敏器件，则根据输出脉冲信号的相位差就可以测出转动方向。五、实验步骤1、在转盘上黏贴反光片；2、从8V开始以1V的
13、压差依次调节电压至12V，使用光电式转速测量仪器进行测量，记录数据；3、重复步骤2两遍，处理数据计算转速；4、在风扇上黏贴反光片；5、用光电式转速测量仪器测量测量并记录数据。六、数据记录处理与分析 1.数据记录对电机进行测量，数据记录如表2-1。8V9V10V11V12V第一次 (rps)43.7049.7456.5062.6368.85第二次 (rps)43.5050.2056.1062.4968.87均值(rps)43.6049.9756.3062.5668.86表2-1 实验二电机转速测量数据记录对风扇进行测量，测量数据记录如表2-2。第一次第二次第三次均值转速(rps)41.0341.
14、0641.0141.03表2-2 实验二风扇转速测量数据记录 2.数据分析做出电机转速测量中，电压转速曲线，如图2-3所示图2-3 电机的电压转速曲线图通过最小二乘法对曲线进行拟合，得到结果为：y=6.311x-6.852式中，n为电机转速，单位：rps。U为电压，单位：V。线性度由公式计算，其中，在x=10时，拟合曲线与原曲线偏差最大，=0.042。为拟合直线在满量程时输出值，即=68.88。故通过公式可算出：L=LmaxYFS100%=0.06% 对于风扇转速，经过三次测量，求平均值可得，风扇转速n=41.03rps七、思考题1.若电机转速很低，本实验方法是否适当？你认为该如何做？答：不适当，该实验的采用的是测频法，测频法有一个字计数误差，在转速很低时会引起较大相对误差；改为测周期法测量，在两个相邻脉冲信号之间
