旋转检测机械设备（旋转设备转速检测技术之一）

刘林　卓微科技

一、前言

转速（Rotational Speed或Rev）是做圆周运动的物体单位时间内沿圆周绕圆心转过的圈数。

转速通常以每分钟多少转来表示，单位表示为RPM，RPM是Revolutions Per minute的缩写，是：转/每分钟。

转速是性能测试中的一个重要的特征参量，动力机械的许多特性参数确定都离不开与转速相关的函数关系，所以转速测量是工业生产各个领域的要点。在旋转机械的状态监测与故障诊断中，转速也具有非常重要的地位，是振动信号分析故障诊断的重要参数。

在机械振动状态监测中，转速测量往往是和振动相位相关联的，其测量有一定的特殊性。

二、与转速相关的几个概念

1.传感器

传感器（transducer、sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。通常现代传感器是把要测量的物理量转化为电量（电压，电流，电阻，电容，电感等），这样就可以利用各种电路进行后续的处理。传感器种类繁多，通常根据传感器测量的物理量进行分类，如热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等。

也有根据功能来分类的，比如常会用到的转速传感器、振动传感器等。

图示各种传感器

在现代生产、生活各个方面，传感器无处不在，种类原理外型不一而足。

对各种物理参量的测量都要用到传感器，对旋转机械的转速测量，毫无例外的要用到各种转速传感器，掌握这些转速传感器的原理是了解这些转速测量方法的关键。

2.额定转速和最大转速

额定转速是指额定功率条件下的最大转速，通常出厂时，作为产品的主要参数，标注在产品的明显部位。如电动机的额定转速通常刻在铭牌上：

上图中的Speed和转速就是额定转速。通常，真实的转速会接近但不完全等于额定转速。因此，在很多情况下要实时的测量真实的转速，特别是在一些变转速的运行情况下（比如风力发电机组，风大的时候转速大，风小的时候转速小，完全无法控制或预测转速，只能通过测量得到真实转速）。

最大转速是在特定条件下，转速所能达到的最大值。通常机械设备不允许超过最大转速运行，否则可能导致灾难性的事故。

比如，风力发电机组在风过大的时候，转速会变的很大，机组会通过调浆和偏航装置来改变受力大小来调节转速到合适工作范围。但风速大过一定值的时候无法调节，需要锁止机组防止转速太大损坏机组。很多重要机组（比如汽轮发电机组）都有超速保护机构，在转速过大时自动联锁停机，防止发生重大事故。

3.转速、角速度、线速度

在机械测量中还经常用到角速度和线速度的概念，它们和转速有着简单的数学关系。

角速度ω：连接运动质点和圆心的半径在单位时间内转过的弧度叫做角速度。它是描述物体转动或一质点绕另一质点转动的快慢和转动方向的物理量。一个以弧度为单位的圆（一个圆周为2π，即：360度=2π）,在单位时间内所走的弧度即为角速度。公式为：ω=Ч/t（Ч为所走过弧度，t为时间）。ω的单位为：弧度每秒。

均匀运动中，转速RPM与角速度的关系：RPM=30ω/π；线速度V：物体上任一点对定轴作圆周运动时的速度称为“线速度”（linearvelocity）。它的一般定义是质点（或物体上各点）作曲线运动（包括圆周运动）时所具有的即时速度。它的方向沿运动轨道的切线方向，故又称切向速度。它是描述作曲线运动的质点运动快慢和方向的物理量。物体上各点作曲线运动时所具有的即时速度，其方向沿运动轨道的切线方向。对转子这类圆周运动的物体也说，简单的说就是：物体任一点对圆心作圆周运动的速度；匀速圆周运动中，线速度的大小不改变，但它的方向时刻在改变，始终为切线方向（和点到圆心的连线垂直）。通常我们关心的是转子表面的线速度，它和角速度及转速的关系是V=ω*r=RPM*π*r/30，r是转子的半径。

如图，ω表示角速度，表示每秒转过多少弧度，和半径无关；V表示线速度，方向垂直半径方向，和半径成正比。

例子：汽车显示仪表中显示的发动机转速（转/分）、当前速度（公里/小时）和里程数（公里）

汽车中有大量的传感器，其中，就有转速测量的转速传感器。

汽车显示的转速通常是指发动机的转数，是通过测量曲轴的转速来确定的，而曲轴的转速通常是通过安装在曲轴上的信号盘来测量的（见后面的磁电式转速传感器测转速）。

汽车显示的速度实际上是轮胎的线速度，可以由上面介绍的线速度和转速公式计算得到V=RPM*π*r/30，r是转子的半径。

而里程数是由轮胎转的圈数n（也是由转速传感器测量得到）乘以轮胎周长得到：里程数=nX2πr，r是转子的半径。

从以上分析可知，汽车显示的速度和里程数都是和半径r成正比的，所以在汽车改装的时候，换了不同半径尺寸的轮胎时，汽车显示的速度和里程就不准了。这时候，就需要修改汽车电脑的设置，其实质就是修改电脑中的汽车轮胎的半径r的值。

三、转速测量方法

A、转速测量方法分类

测量转速的方法多种多样，各种方法原理和应用场合不同。其分类方式很多，常见的分类方法有两种：

1.直接法和间接法

直接法：直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；如转速很慢的辊子可以用秒表目测圈数，25秒转了10圈，则每圈用时为25/10=2.5秒，则转速为60/2.5=24RPM。

间接法：测量由于机械转动导致的其它物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系来得到转速。

2.接触式和非接触式

以测速仪器是否与转轴接触分类。

B、常见转速测量方法

转速测量的方法各种各样，无法列举所有的测量方法。常见的有以下方法：

直接接触旋转；

机械离心式转速测量法；

闪光法-频闪仪；

霍尔元件转速测量法；

电磁式传感器测转速；

电涡流传感器转速测量法；

光电传感器测转速；

编码器（光电码盘）转速测量法；

......

在机械状态监测和故障诊断中，常用的方法主要有频闪仪、光电传感器测转速（反射光法）、电涡流传感器测转速。由于很多的现场机组已经带有其它的测转速装置，实践中经常把机组的转速信号直接引入到状态监测仪器仪表。因此，需要对多种转速测量方式有一定了解。

1.直接接触旋转法

某厂家转速计，标配激光器和多个接触式测量头。使用激光器时是使用的后面将要介绍的光电传感器测转速的方法。

这种仪器配有接触式的测量头，测量时把测量头和转轴直接接触（有的测量头是轴向，有的测量头是径向接触），让测量头与转轴达到同步运动后，由仪器读出转速。

直接接触旋转法特点：

测量的转速量程和精度都较低；从上面的技术参数表中可以看到接触测量和光学测量比较明显测量的转速量程和精度都低；

测量时不需要安装其它装置，也不需要停机，使用较简便；

使用时要注意安全。

严格来说，因为在仪器内部还是需要通过其它的方法才能把接触头和被测轴同步旋转转化成转速，所以直接接触测量转速应该说是一种测量方式，而不是方法。

2.机械离心式转速测量法

机械离心式转速表外观图

机械离心式转速测量原理图

当离心器旋转时，重锤随着旋转所产生的离心力通过连杆使活动套环向上移动并压缩弹簧。当转速一定时，活动?环向上的作用力与弹簧的反作用力相平衡，套环将停在相应位置。同时，活动套环的移动通过传动机构的扇形齿轮传递给指针，在表盘上指示出被测转速的大小。由于离心力，m为质量r为半径，ω为旋转角速度。即离心力与旋转角速度的平方成正比，因而离心式转速表的刻度盘是不等分度的。为减小表盘分度的不均匀性，可恰当选取转速表的各种参量及测量范围，充分利用其特性的线性部分，达到使表盘分度尽量均匀的目的。

便携式转速表通常利用变速器来改变转速表的量程。如上面“机械离心式转速表外观图”中所示的”调速盘”就是用于选择不同速度量程。机械离心式转速表的使用注意事项：

转速表在使用前应加润滑油，可从外壳和调速盘上的油孔注入；

为适应不同的旋转轴，离心式转速表都配有不同的接触头，使用时可进行选择；

合理选择调速盘的挡位，不能用低速挡去测量高转速。若不知被测转速的大致范围，可先用高速挡测量一个大概数值，然后用相应挡进行测量；

转速表轴与被测转轴接触时，应使两轴心对准，动作要缓慢，以两轴接触时不产生相对滑动为准。同时尽量使两轴保持在一条直线上。

机械离心式转速测量方法特点：

完全由机械装置构成；

最传统的转速测量工具，结构比较复杂；

可做成固定式和手持式，使用较简便；手持式其实就是直接接触旋转法的一种。

精度不高；

未完待续......

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