實驗二轉(zhuǎn)速測量實驗

1、實驗二 轉(zhuǎn)速測量實驗一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)和掌握數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法二、實驗內(nèi)容1、學(xué)習(xí)光電反射式轉(zhuǎn)速表的使用 2、測量電機和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速三、實驗設(shè)備1、HIOKI 3403轉(zhuǎn)速表2、電機3、直流電源4、風(fēng)扇四、實驗原理1.頻率的測量 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)運動、往復(fù)運動，各種傳感器和測量電路變換后的周期性脈沖等。周期性過程重復(fù)出現(xiàn)一次所需要的時間稱為周期，用符號T（單位是s）表示。單位時間內(nèi)周期性過程重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)稱為頻率，記為f（單位是Hz）。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系： (2-1)目前頻率測量技術(shù)已能達到很高的精確度，因此在檢測技術(shù)中，常將一些非電量或其他電參量轉(zhuǎn)換

2、成頻率進行測量，以提高測量的精度。頻率測量方法可分為計數(shù)法和模擬法兩類。計數(shù)法測量精度高、操作簡便，可直接顯示數(shù)字，便于與微機結(jié)合實現(xiàn)測量過程自動化，應(yīng)用最為廣泛；模擬法因為簡單經(jīng)濟，在有些場合仍有應(yīng)用。1）、頻率（周期）的數(shù)字測量（1）計數(shù)法測量原理計數(shù)法就是在一定的時間間隔內(nèi)，對周期性脈沖的重復(fù)次數(shù)進行計數(shù)。若周期性脈沖的周期為，則計數(shù)結(jié)果為 (2-2)圖2-1 計數(shù)法測量原理計數(shù)法原理如圖2-1（a）所示，周期為TA的脈沖加到閘門的輸入端，寬度為T的門控信號加到閘門的控制端控制閘門的開、閉時間，只有在閘門開通時間內(nèi)閘門才輸出計數(shù)脈沖到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。在閘門打開前計數(shù)器先清零，閘門關(guān)

3、閉時，計數(shù)器的計數(shù)值N由T和TA決定。如果T和TA一個為已知標(biāo)準(zhǔn)量，另一個為待測量，則從計數(shù)值N和已知標(biāo)準(zhǔn)量便可求得未知待測量。由于T和TA兩個量是不相關(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，是閘門開啟時刻至第一個計數(shù)脈沖前沿的時間（假設(shè)計數(shù)脈沖前沿使計數(shù)器翻轉(zhuǎn)計數(shù)），t2是閘門關(guān)閉時刻至下一個計數(shù)脈沖前沿的時間。處在T區(qū)間內(nèi)的計數(shù)脈沖個數(shù)（即計數(shù)器計數(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。因此脈沖計數(shù)的絕對誤差為N=&#

4、177;1。脈沖計數(shù)最大相對誤差為 (2-4)（2）通用計數(shù)器的基本組成和工作方式電子計數(shù)器一般都具有測量頻率（測頻）和測量周期（測周）等兩種以上的測量功能，故統(tǒng)稱通用計數(shù)器。通用計數(shù)器的基本組成如圖2-2所示。圖2-2 通用計數(shù)器的基本組成圖2-2中整形器是將頻率為fA（或fB）的正弦信號整形為周期為TA1/fA（或TB1/fB）的脈沖信號。門控電路是將周期為mTB（fB經(jīng)m分頻）的脈沖變?yōu)殚l門時間為T=mTB的門控信號，將T=mTB代入式（2-2）可得圖2-2中十進制計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果為： (2-5)由上式可見，圖2-2中計數(shù)結(jié)果N與A、B兩輸入端所加的信號頻率的比值fA/fB成正比，因此圖

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

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

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

8、12）相等，可求得測頻與測周相對誤差都一樣的中界頻率f0為f0 = fc。因此，從提高測量精度考慮，當(dāng)被測頻率fx高于中界頻率即晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc時，應(yīng)采用直接測頻法測量頻率，當(dāng)被測頻率fx低于中界頻率即晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc時應(yīng)采用測周法測量頻率。測周法的周期測量范圍，同樣也受到測量精度要求值和計數(shù)器的限制，即應(yīng)滿足：故Tx的測量范圍為： (2-15)若取，并考慮到，則上式可化簡為： (2-16)2）、頻率的模擬測量（1）直讀法測頻電橋法測頻電橋法測頻是利用交流電橋的平衡條件和電橋電源頻率有關(guān)這一特性來測頻的，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）按頻率刻度，則在電橋指示平

9、衡時，測試者便可從刻度上直接讀得被測信號頻率fx。這種電橋測頻的精度約為±（0.51）%。在高頻時，由于寄生參數(shù)影響嚴(yán)重，會使測量精度大大下降，所以這種電橋測頻法僅適用于10KHz以下的音頻范圍。諧振法測頻諧振法利用電感、電容串聯(lián)諧振回路或并聯(lián)諧振回路的諧振特性來實現(xiàn)測頻。當(dāng)被測頻率加到變壓器式的諧振電路中時，調(diào)節(jié)電容使諧振電路達到揩振。如果電容的調(diào)節(jié)度盤按諧振頻率刻度，則可直接從該刻度讀出被測頻率值。諧振法測量頻率的精度大約在±（0.251）范圍內(nèi)，常作為頻率粗測或某些儀器的附屬測頻部件。頻率電壓（f - U）轉(zhuǎn)換法測頻這種測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出被測頻率fx。f - U轉(zhuǎn)換式頻率計最高測量頻率可達幾兆赫?？梢赃B續(xù)監(jiān)視頻率的變化是這種測量法的突出優(yōu)點。 （2）比較法測頻 比較法測頻就是用標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測頻率進行比較，當(dāng)把標(biāo)準(zhǔn)頻率調(diào)節(jié)到與被測頻率相等時指零儀表（零示器）便指零，此時的標(biāo)準(zhǔn)頻率值即為被測頻率值。比較法測頻可分為拍頻法測頻與差頻法測頻兩種。前者是將待測頻率信號與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號在線性元件上疊加產(chǎn)生拍頻。后者是將待測頻率信號與標(biāo)準(zhǔn)頻

11、率信號在非線性元件上進行混頻。目前拍頻法測量頻率的絕對誤差約為零點幾赫茲，差頻法測量頻率的誤差可優(yōu)于10-5量級，最低可測的信號電平達0.11V。拍頻法和差頻法在常規(guī)場合很少采用。（3）示波器測量頻率用示波器測量頻率有兩種方法：一種是將被測信號加到示波器的Y通道，在熒光屏上測量被測信號的周期。另一種是將被測信號和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號分別加到示波器的X通道和Y通道，觀測熒光屏上顯示的李沙育圖形。2.轉(zhuǎn)速的測量目前轉(zhuǎn)速的測量以數(shù)字脈沖式測量方法為發(fā)展的主流，其測量方法基本上都是被測轉(zhuǎn)軸上裝一個轉(zhuǎn)盤（稱為調(diào)制盤），盤上有一個或數(shù)個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)過傳感器時便

12、產(chǎn)生輸出脈沖。測量基于測頻計數(shù)原理，即在指定的時間T內(nèi)，對轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖信號進行計數(shù)。若在時間T(s)內(nèi)計數(shù)值為N，轉(zhuǎn)速傳感器每周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為Z，則被測轉(zhuǎn)速n為： (2-18)式中，f為傳感器脈沖信號頻率?？梢姕y定傳感器脈沖信號頻率f就可以求出轉(zhuǎn)速n。本實驗使用的是光電式轉(zhuǎn)速測量儀器。測量系統(tǒng)由裝在被測軸或與被測軸相連接的輸入軸上的帶狹縫的圓盤、光源、光敏器件等組成。光源發(fā)出的光透過縫隙照射到光敏器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖。若按90°相位差安放兩個相同的光敏器件，則根據(jù)輸出脈沖信號的相位差就可以測出轉(zhuǎn)動方向。五、實驗步

13、驟1、在轉(zhuǎn)盤上黏貼反光片；2、從8V開始以1V的壓差依次調(diào)節(jié)電壓至12V，使用光電式轉(zhuǎn)速測量儀器進行測量，記錄數(shù)據(jù)；3、重復(fù)步驟2兩遍，處理數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)速；4、在風(fēng)扇上黏貼反光片；5、用光電式轉(zhuǎn)速測量儀器測量測量并記錄數(shù)據(jù)。六、數(shù)據(jù)記錄處理與分析 1.數(shù)據(jù)記錄對電機進行測量，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 實驗二電機轉(zhuǎn)速測量數(shù)據(jù)記錄對風(fēng)扇進行測量，測量數(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 實驗二風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測量數(shù)據(jù)記錄 2.數(shù)據(jù)分析做出電機轉(zhuǎn)速測量中，電壓轉(zhuǎn)速曲線，如圖2-3所示圖2-3 電機的電壓轉(zhuǎn)速曲線圖通過最小二乘法對曲線進行擬合，得到結(jié)果為：y=6.311x-6.852式中，n為電機轉(zhuǎn)速，單位：rps。U為電壓，單位：V。線性度由公式計算，其中，在x=10時，擬合曲線與原曲線偏差最大，=0.042。為擬合直線在滿量程時輸出