一种提高回转运动测试精度的新方法

　　回转运动是机械系统的主要运动形式，工程测试技术中有许多关于回转运动的测试方法。如测速电机及最新出现的激光Doppler角速度测试仪等，都是直接测量角速度的仪表。增量式轴角编码器、码盘等脉冲式传感装置直接测得的是离散角位移信号，经计算后可以得到离散的瞬时角速度信号。脉冲式测试方法通常用微机组成测试系统，是目前机械状态监测以及转速控制等在线系统中应用最广泛的测试方法。

　　工程上还经常将诸如齿轮、花键、联轴器等一类零部件作为“码盘”，利用它们沿圆周均匀分布的齿、键、螺栓等结构充当“刻线”实现脉冲方式回转运动测试。这种方法可以避免安装编码器或码盘时对机器结构的改造。但是由于这些“刻线”在圆周方向上的等分精度比较低，所以其测试精度很难满足扭振测试、状态监测、转速控制等回转运动测试的主要应用领域的要求，通常只能用在要求不高的场合。以齿轮为例，表l中列出了4e叨~圆柱齿轮常见精度的周节误差以及相当的角度等分误差〔‘]。如8级120齿的齿轮，即使不考虑齿形磨损等因素的影响它的相对测量精度也只能达到2.4%。

　　为了利用上述具有等分误差的机械结构实现高精度的回转运动测试，参考文献〔1、2」中提出了“时序比较法”，并成功地用于大型发电机组的扭振监测中。这种方法首先通过标定取得每个“刻线夹角”的精确值，然后进行测试。标定过程中要求作为“码盘”的零件必须均匀回转以便得到夹角的精确值，因此其适用范围有一定的局限性。为了同样的目的，本文提出一种新的方法—“移相比较法”，这种方法不需要严格的标定过程即可取得每个“刻线夹角”的精确值。本文同时介绍一种计算角速度的近似算法。

　　1移相比较法原理

　　以齿轮为例，齿轮上的一个齿就是一条“刻线”，齿轮连续转动时每当一条“刻线”从传感器前掠过，传感器就会输出一个脉冲。两相邻脉冲上升沿之间的间隔时间，就是被测轴转过某个“刻线夹角”的时间，所以，如果事先知道这个“刻线夹角”精确值，则可以通过对脉冲时间间隔的精确测量得到精确的离散角位移信号。“移相比较法”的直接目的就是要得到“码盘”上每个“刻线夹角”的精确值，脉冲时间间隔测量系统的硬软件原理有许多文献可以参考汉，这里不再赘述。

　　如图1所示，在“码盘”的齿顶圆圆周方向上相隔n个“刻线”间距安装2个传感器51、乌，齿轮转动时可以得到2个独立的连续脉冲信号。如图中所示，将启动测试后经过传感器s;的第1个“刻线夹角”记为al，其余夹角按转动方向依次记为:aZn为齿轮的齿数。当传感器51输出夹角al对应的脉冲间隔时，传感器乓同时输出夹角a。+1对应的脉冲间隔，由测试系统可以分别测得这2个脉冲时间间隔T和鞍由于“刻线”的分布不均匀，脉冲时间间隔Tsl，1和几十1有部分不重合段几，但几不会太大，所以当被测轴的角速度没有冲击性波动时s和吸。+1对应的平均角速度入11相同，于是夹角之比等于脉冲时间间隔之比，即:al一布二卫止;系统连续进行测试，当传感器S，输出夹角ak对的脉冲间隔Tsl，k时，传感器岛输出的是夹角。。十*的脉冲间隔肠.二+*，即有:a*一不二料下.a。十;二0。当轴转过一周后“吸N可以得到N一‘个这样的关系式，再加上属ak二2’兀得到一个N元一阶方程组: