實(shí)驗(yàn)二轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)二 轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)和掌握數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、學(xué)習(xí)光電反射式轉(zhuǎn)速表的使用 2、測(cè)量電機(jī)和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、HIOKI 3403轉(zhuǎn)速表2、電機(jī)3、直流電源4、風(fēng)扇四、實(shí)驗(yàn)原理1.頻率的測(cè)量 在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中周期性現(xiàn)象十分普遍，如各種周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)，各種傳感器和測(cè)量電路變換后的周期性脈沖等。周期性過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)一次所需要的時(shí)間稱(chēng)為周期，用符號(hào)T（單位是s）表示。單位時(shí)間內(nèi)周期性過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)稱(chēng)為頻率，記為f（單位是Hz）。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系： (2-1)目前頻率測(cè)量技術(shù)已能達(dá)到很高的精確度，因此在檢測(cè)技術(shù)中，常將一些非電量或其他電參量轉(zhuǎn)換

2、成頻率進(jìn)行測(cè)量，以提高測(cè)量的精度。頻率測(cè)量方法可分為計(jì)數(shù)法和模擬法兩類(lèi)。計(jì)數(shù)法測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便，可直接顯示數(shù)字，便于與微機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，應(yīng)用最為廣泛；模擬法因?yàn)楹?jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，在有些場(chǎng)合仍有應(yīng)用。1）、頻率（周期）的數(shù)字測(cè)量（1）計(jì)數(shù)法測(cè)量原理計(jì)數(shù)法就是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)周期性脈沖的重復(fù)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若周期性脈沖的周期為，則計(jì)數(shù)結(jié)果為 (2-2)圖2-1 計(jì)數(shù)法測(cè)量原理計(jì)數(shù)法原理如圖2-1（a）所示，周期為T(mén)A的脈沖加到閘門(mén)的輸入端，寬度為T(mén)的門(mén)控信號(hào)加到閘門(mén)的控制端控制閘門(mén)的開(kāi)、閉時(shí)間，只有在閘門(mén)開(kāi)通時(shí)間內(nèi)閘門(mén)才輸出計(jì)數(shù)脈沖到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。在閘門(mén)打開(kāi)前計(jì)數(shù)器先清零，閘門(mén)關(guān)

3、閉時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N由T和TA決定。如果T和TA一個(gè)為已知標(biāo)準(zhǔn)量，另一個(gè)為待測(cè)量，則從計(jì)數(shù)值N和已知標(biāo)準(zhǔn)量便可求得未知待測(cè)量。由于T和TA兩個(gè)量是不相關(guān)的，T不一定正好是TA的整數(shù)N倍，即T和NTA之間有一定誤差，如圖2-1（b）所示。圖中t1，是閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻至第一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖前沿的時(shí)間（假設(shè)計(jì)數(shù)脈沖前沿使計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)），t2是閘門(mén)關(guān)閉時(shí)刻至下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖前沿的時(shí)間。處在T區(qū)間內(nèi)的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)（即計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果）為N，則 (2-3)式中，。顯然，0t1TA，0t2TA。若t1=t2，則N=0；若t1=TA，t2=0，則N=1；t2=TA，t1=0，則N=-1。因此脈沖計(jì)數(shù)的絕對(duì)誤差為N=&#

4、177;1。脈沖計(jì)數(shù)最大相對(duì)誤差為 (2-4)（2）通用計(jì)數(shù)器的基本組成和工作方式電子計(jì)數(shù)器一般都具有測(cè)量頻率（測(cè)頻）和測(cè)量周期（測(cè)周）等兩種以上的測(cè)量功能，故統(tǒng)稱(chēng)通用計(jì)數(shù)器。通用計(jì)數(shù)器的基本組成如圖2-2所示。圖2-2 通用計(jì)數(shù)器的基本組成圖2-2中整形器是將頻率為fA（或fB）的正弦信號(hào)整形為周期為T(mén)A1/fA（或TB1/fB）的脈沖信號(hào)。門(mén)控電路是將周期為mTB（fB經(jīng)m分頻）的脈沖變?yōu)殚l門(mén)時(shí)間為T(mén)=mTB的門(mén)控信號(hào)，將T=mTB代入式（2-2）可得圖2-2中十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果為： (2-5)由上式可見(jiàn)，圖2-2中計(jì)數(shù)結(jié)果N與A、B兩輸入端所加的信號(hào)頻率的比值fA/fB成正比，因此圖

5、2-2所示計(jì)數(shù)器可用于頻率比的測(cè)量，即工作在頻率比測(cè)量方式。若將被測(cè)信號(hào)fx接到圖2-2中A輸入端（即fA=fx），晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc信號(hào)接到B輸入端（即fB=fC），則稱(chēng)計(jì)數(shù)器工作在測(cè)頻方式，此時(shí)式（2-5）變?yōu)椋?(2-6)若將被測(cè)信號(hào)fx接到圖2-2中B輸入端（即fB=fx），晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc信號(hào)接到A輸入端（即fA=fC），則稱(chēng)計(jì)數(shù)器工作在測(cè)周方式，此時(shí)，式（2-5）變?yōu)椋?(2-7)（3）頻率（周期）的測(cè)量誤差與測(cè)量范圍式（2-1）可見(jiàn)，周期與頻率互為倒數(shù)，只要測(cè)出其中一個(gè)就可求得另一個(gè)，因此，從理論上講測(cè)量頻率與測(cè)量周期是等效的，但是從實(shí)際測(cè)量效果來(lái)看，圖2-2所示通用計(jì)數(shù)器工作在測(cè)

6、頻方式和工作在測(cè)周方式，無(wú)論測(cè)量誤差還是測(cè)量范圍都不一樣。 測(cè)頻方式式（2-6）可得“測(cè)頻”的相對(duì)誤差為： (2-8)式中，fC/fC為標(biāo)準(zhǔn)頻率的相對(duì)誤差。將式（3-9）代入上式可得測(cè)頻的最大相對(duì)誤差為： (2-9)由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越高，分頻系數(shù)m越大，測(cè)頻的相對(duì)誤差即測(cè)頻的精度越高。若采用K位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，則最大允許計(jì)數(shù)值為。為使計(jì)數(shù)結(jié)果不超過(guò)計(jì)數(shù)器最大允許計(jì)數(shù)值而發(fā)生溢出，要求： (2-10)若該計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖頻率最大允許值為，則還要求。可得“測(cè)頻”范圍為： (2-11)由上式可見(jiàn)，測(cè)頻方式所能測(cè)量的最低頻率受測(cè)量精度要求值的限制,所能測(cè)量的最高頻率受所采用的計(jì)數(shù)器的容量（）或速

7、度（）的限制。 測(cè)周方式由式（2-7）可得測(cè)周的相對(duì)誤差為： (2-12)將式（2-7）代入得測(cè)周的最大相對(duì)誤差為： (2-13)因 Tx1/fx，Tx/Tx-fx/fx，故由上式可得測(cè)周法測(cè)頻的最大相對(duì)誤差為： (2-14)由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越低，分頻系數(shù)m越大，測(cè)周的相對(duì)誤差Tx/Tx越小，即測(cè)周的精度越高；同樣，fx越低，m越大，用測(cè)周法測(cè)頻的相對(duì)誤差fx/fx越小，測(cè)頻的精度也越高。對(duì)比式（2-9）和式（2-14）可見(jiàn)，直接測(cè)頻與測(cè)周法測(cè)頻的相對(duì)誤差是不一樣的。若被測(cè)頻率fx較高，則直接測(cè)頻的相對(duì)誤差較??；若被測(cè)頻率fx較低，則用測(cè)周法測(cè)頻的相對(duì)誤差較小。令式（2-9）與式（2-

8、12）相等，可求得測(cè)頻與測(cè)周相對(duì)誤差都一樣的中界頻率f0為f0 = fc。因此，從提高測(cè)量精度考慮，當(dāng)被測(cè)頻率fx高于中界頻率即晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc時(shí)，應(yīng)采用直接測(cè)頻法測(cè)量頻率，當(dāng)被測(cè)頻率fx低于中界頻率即晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc時(shí)應(yīng)采用測(cè)周法測(cè)量頻率。測(cè)周法的周期測(cè)量范圍，同樣也受到測(cè)量精度要求值和計(jì)數(shù)器的限制，即應(yīng)滿(mǎn)足：故Tx的測(cè)量范圍為： (2-15)若取，并考慮到，則上式可化簡(jiǎn)為： (2-16)2）、頻率的模擬測(cè)量（1）直讀法測(cè)頻電橋法測(cè)頻電橋法測(cè)頻是利用交流電橋的平衡條件和電橋電源頻率有關(guān)這一特性來(lái)測(cè)頻的，在電橋面板上將調(diào)節(jié)電橋平衡的可變電阻（或電容）的調(diào)節(jié)旋鈕（度盤(pán)）按頻率刻度，則在電橋指示平

9、衡時(shí)，測(cè)試者便可從刻度上直接讀得被測(cè)信號(hào)頻率fx。這種電橋測(cè)頻的精度約為±（0.51）%。在高頻時(shí)，由于寄生參數(shù)影響嚴(yán)重，會(huì)使測(cè)量精度大大下降，所以這種電橋測(cè)頻法僅適用于10KHz以下的音頻范圍。諧振法測(cè)頻諧振法利用電感、電容串聯(lián)諧振回路或并聯(lián)諧振回路的諧振特性來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)頻。當(dāng)被測(cè)頻率加到變壓器式的諧振電路中時(shí)，調(diào)節(jié)電容使諧振電路達(dá)到揩振。如果電容的調(diào)節(jié)度盤(pán)按諧振頻率刻度，則可直接從該刻度讀出被測(cè)頻率值。諧振法測(cè)量頻率的精度大約在±（0.251）范圍內(nèi)，常作為頻率粗測(cè)或某些儀器的附屬測(cè)頻部件。頻率電壓（f - U）轉(zhuǎn)換法測(cè)頻這種測(cè)頻方法的原理是利用相關(guān)電路把正弦頻率fx轉(zhuǎn)換為

10、周期相等、寬度、幅度Um均為定值的矩形脈沖列，用低通濾波器濾除其全部交流分量，則平均值即直流分量為： (2-17)輸出的直流電壓用依照式（2-17）按頻率刻度的電壓表指示，則從電壓表指針?biāo)缚潭缺憧芍苯幼x出被測(cè)頻率fx。f - U轉(zhuǎn)換式頻率計(jì)最高測(cè)量頻率可達(dá)幾兆赫?？梢赃B續(xù)監(jiān)視頻率的變化是這種測(cè)量法的突出優(yōu)點(diǎn)。 （2）比較法測(cè)頻 比較法測(cè)頻就是用標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)頻率進(jìn)行比較，當(dāng)把標(biāo)準(zhǔn)頻率調(diào)節(jié)到與被測(cè)頻率相等時(shí)指零儀表（零示器）便指零，此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)頻率值即為被測(cè)頻率值。比較法測(cè)頻可分為拍頻法測(cè)頻與差頻法測(cè)頻兩種。前者是將待測(cè)頻率信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)在線(xiàn)性元件上疊加產(chǎn)生拍頻。后者是將待測(cè)頻率信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)頻

11、率信號(hào)在非線(xiàn)性元件上進(jìn)行混頻。目前拍頻法測(cè)量頻率的絕對(duì)誤差約為零點(diǎn)幾赫茲，差頻法測(cè)量頻率的誤差可優(yōu)于10-5量級(jí)，最低可測(cè)的信號(hào)電平達(dá)0.11V。拍頻法和差頻法在常規(guī)場(chǎng)合很少采用。（3）示波器測(cè)量頻率用示波器測(cè)量頻率有兩種方法：一種是將被測(cè)信號(hào)加到示波器的Y通道，在熒光屏上測(cè)量被測(cè)信號(hào)的周期。另一種是將被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)分別加到示波器的X通道和Y通道，觀測(cè)熒光屏上顯示的李沙育圖形。2.轉(zhuǎn)速的測(cè)量目前轉(zhuǎn)速的測(cè)量以數(shù)字脈沖式測(cè)量方法為發(fā)展的主流，其測(cè)量方法基本上都是被測(cè)轉(zhuǎn)軸上裝一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)（稱(chēng)為調(diào)制盤(pán)），盤(pán)上有一個(gè)或數(shù)個(gè)能使傳感器敏感的標(biāo)志，如齒、槽、孔、狹縫、磁鐵、反光條等，當(dāng)標(biāo)志經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)便

12、產(chǎn)生輸出脈沖。測(cè)量基于測(cè)頻計(jì)數(shù)原理，即在指定的時(shí)間T內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若在時(shí)間T(s)內(nèi)計(jì)數(shù)值為N，轉(zhuǎn)速傳感器每周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為Z，則被測(cè)轉(zhuǎn)速n為： (2-18)式中，f為傳感器脈沖信號(hào)頻率。可見(jiàn)測(cè)定傳感器脈沖信號(hào)頻率f就可以求出轉(zhuǎn)速n。本實(shí)驗(yàn)使用的是光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器。測(cè)量系統(tǒng)由裝在被測(cè)軸或與被測(cè)軸相連接的輸入軸上的帶狹縫的圓盤(pán)、光源、光敏器件等組成。光源發(fā)出的光透過(guò)縫隙照射到光敏器件上，當(dāng)縫隙圓盤(pán)隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤(pán)縫隙數(shù)相等的電脈沖。若按90°相位差安放兩個(gè)相同的光敏器件，則根據(jù)輸出脈沖信號(hào)的相位差就可以測(cè)出轉(zhuǎn)動(dòng)方向。五、實(shí)驗(yàn)步

13、驟1、在轉(zhuǎn)盤(pán)上黏貼反光片；2、從8V開(kāi)始以1V的壓差依次調(diào)節(jié)電壓至12V，使用光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)；3、重復(fù)步驟2兩遍，處理數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)速；4、在風(fēng)扇上黏貼反光片；5、用光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器測(cè)量測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。六、數(shù)據(jù)記錄處理與分析 1.數(shù)據(jù)記錄對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)記錄如表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 實(shí)驗(yàn)二電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)記錄對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄如表2-2。第一次第二次第三次均值轉(zhuǎn)速(rps)41.0341.0641.0141.03表2-2 實(shí)驗(yàn)二風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)記錄 2.數(shù)據(jù)分析做出電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中，電壓轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，如圖2-3所示圖2-3 電機(jī)的電壓轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖通過(guò)最小二乘法對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到結(jié)果為：y=6.311x-6.852式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位：rps。U為電壓，單位：V。線(xiàn)性度由公式計(jì)算，其中，在x=10時(shí)，擬合曲線(xiàn)與原曲線(xiàn)偏差最大，=0.042。為擬合直線(xiàn)在滿(mǎn)量程時(shí)輸出