介紹三種類型的轉(zhuǎn)速傳感器在扭振測量中的應(yīng)用

扭振測試常使用磁電式、光電式和編碼器等類型的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器在扭振測量中的應(yīng)用，同時并對比它們對同一個旋轉(zhuǎn)部件的測量結(jié)果，以表明各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

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磁電式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳遞的作用。當(dāng)使用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速時，齒輪盤上的齒數(shù)作為脈沖輸出。這是因為磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是利用磁電感應(yīng)效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)速的。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部件組成，被測量的齒輪轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢。因此，每個齒經(jīng)過磁電式轉(zhuǎn)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(yīng)的電壓信號。通常，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器利用磁電感應(yīng)來測量物體轉(zhuǎn)速，屬于非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。使用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器具有容易安裝、質(zhì)量輕、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，通常作為發(fā)動機(jī)的標(biāo)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(fù)使用，因此，在以齒輪作為基本傳動部件的結(jié)構(gòu)中通常作為轉(zhuǎn)速測量的標(biāo)配傳感器。

雖然具有這么多優(yōu)點(diǎn)，但是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器也有缺點(diǎn)，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(dāng)齒數(shù)較少時，可能很難精確測量到波動的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器利用磁電感應(yīng)效應(yīng)，因此，對測量附近存在的磁電敏感。長久運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)而言，經(jīng)常使用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量發(fā)動機(jī)飛輪端的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)速，必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不連續(xù)，所以，需要對缺失的脈沖進(jìn)行修正以便得到連續(xù)的轉(zhuǎn)速。

圖3 對缺失的脈沖信號進(jìn)行修正

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光電式轉(zhuǎn)速傳感器

光電式轉(zhuǎn)速傳感器也是一種非接觸式傳感器，通常在旋轉(zhuǎn)軸或旋轉(zhuǎn)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(guān)進(jìn)行采集，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的軸或盤上擋光部分變成不擋光部分，光電開關(guān)會響應(yīng)輸出高低電平，輸出的電平的頻率正比于轉(zhuǎn)速，測出頻率就測出了轉(zhuǎn)速，也可將頻率轉(zhuǎn)化成電壓或電流信號輸出。

光電式轉(zhuǎn)速傳感器通常用碼帶或碼盤（見圖5）來表征每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，因此，通常在旋轉(zhuǎn)軸上粘貼碼帶或在旋轉(zhuǎn)盤上粘貼碼盤。相比較磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，光電式傳感器的每轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸進(jìn)行測量時，必然導(dǎo)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(cè)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(dǎo)致轉(zhuǎn)速突變，如圖6右側(cè)紅色曲線所示。

因此，當(dāng)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(zhuǎn)速突變進(jìn)行修正，修正后的結(jié)果如圖中綠色曲線所示。另一方面，根據(jù)實(shí)際測量經(jīng)驗可知，如果轉(zhuǎn)速突變很嚴(yán)重，有可能后續(xù)修正不了，這時，可通過調(diào)近探頭與待測旋轉(zhuǎn)部件的距離或調(diào)高亮度解決。所以，當(dāng)用碼帶進(jìn)行測量時，在拆卸測量傳感器之前，應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，如果不能修正，應(yīng)調(diào)節(jié)后再次測試，以便獲得可能夠修正的轉(zhuǎn)速。

圖6 碼帶交接處不連續(xù)造成轉(zhuǎn)速不連續(xù)

使用碼盤來表征每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)時，如果碼盤能與旋轉(zhuǎn)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(shí)際情況是測試工程師在粘貼碼盤時，很難使碼盤與旋轉(zhuǎn)盤成為同心圓，二者存在或多或少的偏差，因而，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時，會存在因粘貼誤差帶來的一階偏心，在對轉(zhuǎn)速信號進(jìn)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(zhuǎn)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(dǎo)線擰成麻花、對折、打結(jié)，更不能使用重錘擊打探頭導(dǎo)線等等。

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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(zhuǎn)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(zhuǎn)方向，Z脈沖為每轉(zhuǎn)一個脈沖用于基準(zhǔn)點(diǎn)的參考，信號輸出如圖8所示。由于增量式編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)可達(dá)上千個，因此，測量的轉(zhuǎn)速脈沖更精確。

但是由于需要將編碼器安裝在旋轉(zhuǎn)部件上，因此給安裝帶來了麻煩，另一方面，在旋轉(zhuǎn)部件上安裝編碼器，可能會帶來質(zhì)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(jìn)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(zhuǎn)速，因為二者是正交的，相位相差90度。但是有一點(diǎn)，需要值得注意，由于脈沖數(shù)更高，會導(dǎo)致編碼器的輸出脈沖頻率更高，如脈沖數(shù)PPR=1000，轉(zhuǎn)速為6000rpm，則輸出脈沖頻率高達(dá)100KHz。

如LMS SCADAS數(shù)據(jù)采集設(shè)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(zhuǎn)速只能是12000rpm；如果是PPR=2000的編碼器，最大轉(zhuǎn)速只能是6000rpm。因此，使用編碼器時，需要著重注意這一點(diǎn)。

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測量結(jié)果對比

使用光電式轉(zhuǎn)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(shè)備，共三種類型的轉(zhuǎn)速傳感器測量某品牌1.4L四缸四沖程發(fā)動機(jī)的曲軸扭振。

對各個傳感器測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果，右上角為增量式編碼器的結(jié)果，左下角為光電式傳感器使用碼盤的結(jié)果，右下角為光電式傳感器使用碼帶的結(jié)果。

從圖中可以看出，除了碼盤之外，其他三個分析結(jié)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(zhuǎn)部件成為同心圓所致。另外，在碼盤的結(jié)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(jìn)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(jié)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(dǎo)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(zhuǎn)軸表面不規(guī)則所導(dǎo)致的。碼盤的16階次波動明顯，與圖10中的干擾相對應(yīng)。

(a) 1階次

(b) 4階次

(c) 16階次

圖11 比較1，4，16階次

審核編輯：劉清