介紹三種類型的轉速傳感器在扭振測量中的應用

扭振測試常使用磁電式、光電式和編碼器等類型的轉速傳感器，每一種傳感器都有各自的適用限制條件。在這主要介紹這三種類型的轉速傳感器在扭振測量中的應用，同時并對比它們對同一個旋轉部件的測量結果，以表明各自的優(yōu)缺點。

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磁電式轉速傳感器

齒輪是動力傳動裝置中常見的部件，齒輪盤上的齒數(shù)目決定了齒輪是起到加速還是減緩轉速傳遞的作用。當使用磁電式轉速傳感器測量轉速時，齒輪盤上的齒數(shù)作為脈沖輸出。這是因為磁電式轉速傳感器是利用磁電感應效應來測量轉速的。

磁電式轉速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應線圈等部件組成，被測量的齒輪轉動時，轉速傳感器的線圈會產生磁力線，齒輪轉動切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應線圈內產生電動勢。因此，每個齒經過磁電式轉速傳感器測量位置時，都會切割磁力線，從而使傳感器輸出相應的電壓信號。通常，轉速傳感器輸出的電壓信號是方波，但對于磁電式傳感器而言，輸出的信號類型大多數(shù)是正弦波。

磁電式轉速傳感器利用磁電感應來測量物體轉速，屬于非接觸式轉速測量儀表。使用磁電式轉速傳感器具有容易安裝、質量輕、價格便宜等優(yōu)點，通常作為發(fā)動機的標配部件，甚至在惡劣的環(huán)境下也能正常工作，又具有寬的溫度范圍，且可重復使用，因此，在以齒輪作為基本傳動部件的結構中通常作為轉速測量的標配傳感器。

雖然具有這么多優(yōu)點，但是磁電式轉速傳感器也有缺點，由于齒輪上的齒數(shù)是固定的，因此，每圈的脈沖數(shù)通常有限，當齒數(shù)較少時，可能很難精確測量到波動的轉速。另一方面，用于測量扭振的齒輪可能存在齒形制造誤差、幾何誤差、變形等問題，這將都會影響到扭振的測量精度。

由于磁電式轉速傳感器利用磁電感應效應，因此，對測量附近存在的磁電敏感。長久運轉的齒輪難免不存在塵土、污漬等，這些也將對測量精度帶來影響。

對于發(fā)動機而言，經常使用磁電式轉速傳感器測量發(fā)動機飛輪端的轉速，而飛輪端的齒數(shù)大多數(shù)是58個（60個齒缺2個）。飛輪盤的轉速典型測量如圖2所示，從圖中可以明顯看出缺少的2個齒。

缺少的兩個齒將導致傳感器輸出的脈沖信號缺少兩個脈沖，因此，如果直接使用這個脈沖信號來計算轉速，必然導致轉速不連續(xù)，所以，需要對缺失的脈沖進行修正以便得到連續(xù)的轉速。

圖3 對缺失的脈沖信號進行修正

光電式轉速傳感器

光電式轉速傳感器也是一種非接觸式傳感器，通常在旋轉軸或旋轉盤上粘有見光與不見光交替間隔的部分，如常見的有碼盤和碼帶，也可用齒輪，但因齒輪反光與不反光區(qū)域不明顯而造成精度不高，然后用光電開關進行采集，當旋轉的軸或盤上擋光部分變成不擋光部分，光電開關會響應輸出高低電平，輸出的電平的頻率正比于轉速，測出頻率就測出了轉速，也可將頻率轉化成電壓或電流信號輸出。

光電式轉速傳感器通常用碼帶或碼盤（見圖5）來表征每轉脈沖數(shù)，因此，通常在旋轉軸上粘貼碼帶或在旋轉盤上粘貼碼盤。相比較磁電式轉速傳感器，光電式傳感器的每轉脈沖數(shù)更多，而且也易于安裝。

但是由于自身的光電特性，會對測量環(huán)境的光敏感，另外由于安裝原因會導致傳感器與反光部件之間有相對位移，影響測量精度。雖然市面上有各種各樣的光電轉速傳感器，但只有少數(shù)能用于扭振測量。

使用碼帶纏繞旋轉軸進行測量時，必然導致在碼帶兩個端部的連接處的黑白反光部分間距不連續(xù)，如圖6左側的測量照片所示的寬黑色區(qū)域，這個區(qū)域由于脈沖寬度較正常的間距寬，因而輸出的脈沖寬度有大的變化，導致轉速突變，如圖6右側紅色曲線所示。

因此，當使用碼帶時需要對因碼帶兩端部交接處不連續(xù)造成的轉速突變進行修正，修正后的結果如圖中綠色曲線所示。另一方面，根據實際測量經驗可知，如果轉速突變很嚴重，有可能后續(xù)修正不了，這時，可通過調近探頭與待測旋轉部件的距離或調高亮度解決。所以，當用碼帶進行測量時，在拆卸測量傳感器之前，應對數(shù)據進行修正，如果不能修正，應調節(jié)后再次測試，以便獲得可能夠修正的轉速。

圖6 碼帶交接處不連續(xù)造成轉速不連續(xù)

使用碼盤來表征每轉的脈沖數(shù)時，如果碼盤能與旋轉盤成為同心圓，那么測量時不會存在因安裝不對中帶來的誤差。但實際情況是測試工程師在粘貼碼盤時，很難使碼盤與旋轉盤成為同心圓，二者存在或多或少的偏差，因而，當旋轉時，會存在因粘貼誤差帶來的一階偏心，在對轉速信號進行瀑布圖分析時，會出現(xiàn)明顯的一階分量過估計，這個階次分量的過估計正是由于粘貼帶來的誤差。

由于光電式轉速傳感器的探頭由一束束封裝的光纖組成，因此，在使用時需要特別小心，不能將探頭所帶的導線擰成麻花、對折、打結，更不能使用重錘擊打探頭導線等等。

增量式編碼器

增量式編碼器（見圖7所示的幾種類型）主要工作原理是光電轉換，但其輸出的是A、B、Z三組方波脈沖，其中A、B兩組脈沖相位相差90度以判斷旋轉方向，Z脈沖為每轉一個脈沖用于基準點的參考，信號輸出如圖8所示。由于增量式編碼器每轉脈沖數(shù)可達上千個，因此，測量的轉速脈沖更精確。

但是由于需要將編碼器安裝在旋轉部件上，因此給安裝帶來了麻煩，另一方面，在旋轉部件上安裝編碼器，可能會帶來質量載荷的影響，如動平衡問題等。通常編碼器適用于臺架測試，作為測試臺架的一部分，是非常方便的。

圖8 增量式編碼器的脈沖輸出

利用增量式編碼器進行扭振測試時，可以任意選擇A組或B組輸出脈沖來得到轉速，因為二者是正交的，相位相差90度。但是有一點，需要值得注意，由于脈沖數(shù)更高，會導致編碼器的輸出脈沖頻率更高，如脈沖數(shù)PPR=1000，轉速為6000rpm，則輸出脈沖頻率高達100KHz。

如LMS SCADAS數(shù)據采集設備可接受的最大數(shù)字脈沖頻率為200KHz，對于PPR=1000的編碼器，最大轉速只能是12000rpm；如果是PPR=2000的編碼器，最大轉速只能是6000rpm。因此，使用編碼器時，需要著重注意這一點。

測量結果對比

使用光電式轉速傳感器（碼帶ppr=142與碼盤ppr=120作為脈沖輸出）、增量式編碼器ppr=1024以及雙光束激光測量設備，共三種類型的轉速傳感器測量某品牌1.4L四缸四沖程發(fā)動機的曲軸扭振。

對各個傳感器測量到的數(shù)據進行分析，得到的colormap圖如圖10所示。左上角為雙光束激光測量系統(tǒng)的結果，右上角為增量式編碼器的結果，左下角為光電式傳感器使用碼盤的結果，右下角為光電式傳感器使用碼帶的結果。

從圖中可以看出，除了碼盤之外，其他三個分析結果相差不大，而碼盤存在明顯的一階分量，這是由于粘貼碼盤時，碼盤未與旋轉部件成為同心圓所致。另外，在碼盤的結果中還出現(xiàn)了明顯的干擾成分。

圖10 4種測量下的colormap圖

從colormap圖上只能大致地看出各階次成分，為了進一步對比各主要階次的相對偏差，從瀑布圖中提取1，4，16階次，得到的結果如圖11所示。從圖中可以看出，各階次重合非常好，但由于碼盤安裝不對中，導致1階次過估計。激光測量系統(tǒng)得到的1階次有波動，這是由于旋轉軸表面不規(guī)則所導致的。碼盤的16階次波動明顯，與圖10中的干擾相對應。