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海德声科 HEAD acoustics转速信号采集
2020-08-14 18:35:44· 来源：海德声科 HEAD acoustics
旋转机械在日常的生产或生活中占有非常高的比重，小到一个微型马达，大至万吨巨轮的庞大引擎。在对这些机械进行研究的同时，精确地测量记录下其转速也成了一项很
旋转机械在日常的生产或生活中占有非常高的比重，小到一个微型马达，大至万吨巨轮的庞大引擎。在对这些机械进行研究的同时，精确地测量记录下其转速也成了一项很重要的任务。
光电传感器
光电传感器主要通过自身发射出一道光束，然后通过被测物体上的反光片将该光束进行反射，最后通过自身的感光元器件接收该反射光束。如果旋转件贴有n个反光片，那么该物体旋转一圈，光电传感器就会接收到n次反射光束，传感器每接受n次反射光束的时间就是该物体转速的倒数，从而可以推算出转速。
（图片来源：https://monarchinstrument.com/collections/remote-sensors/products/remote-optical-led-sensor-with-8-ft-cable-and-mounting）
该传感器使用方便，运用范围广，如果配合光电编码盘一起使用可以达到比较高的测量精度。但同时也有一定的局限性，比如被测物体必须支持粘贴反光材料，不太适用于过小的物体或者封闭腔内物体转速的测量。
磁电传感器
磁电传感器利用电磁感应的原理，当旋转体通过感应线圈的时候，在感应线圈中产生感应电压，其通常会以方波或者脉冲波的形式输出信号。当旋转体转速越快的时候，输出信号的频率也就越高，通过对输出信号频率的分析从而检测到旋转物体的转速。
（图片来源：https://onosokki-china.com/product/detailed/MP-9820.html?id=37&cate_id=5）
该传感器的优点在于无需外加电源，并且在有烟雾、水气等环境中也可以使用，运行稳定。往往被用于齿轮以及电机转速的测量。
如下图，直接将该传感器固定在与电机旋转轴直交处，通过对电机转子的感应，从而测量电机的转速。
（图片来源: https://onosokki-china.com/product/detailed/HT-6200.html?id=59&cate_id=1）
霍尔传感器
霍尔传感器利用霍尔感应原理，将磁场的变化转化为霍尔电压值。霍尔效应也是磁电效应的一种，但是与磁电传感器不同的是，霍尔传感器需要外接电源，并且旋转物体上必须要有磁场存在。霍尔传感器产生的感应电压往往很小，一般是几毫伏，所以还需要配合电压放大器一起使用才行。其输出信号也是一组脉冲（方波）信号，该信号的频率和旋转件的转速成正比，和光电/磁电传感器一样，通过检测该输出信号的频率从而测量出旋转件的转速。
（图片来源:https://insights.globalspec.com/article/8390/miniature-sensor-for-precise-speed-measurement）
其他传感器
除了上述几种比较常见的测量转速的方式之外，还有一些其他的特殊方式：
1）发动机点火线圈：汽车发动机的气缸一般旋转两圈会点火一次，所以点火线圈中高压信号发生频率和发动机的转速相关，通过检测该点火信号的发生频率即可推算出发动机的转速，从而实现对发动机转速的测量；
（图片来源: https://onosokki-china.com/product/detailed/IP-3000A.html?id=26&cate_id=1）
2）CAN-BUS：汽车的CAN-BUS总线中传输很多信号，其中也包含各个部件的转速，如果配合相应的CAN信号采集硬件以及解压所需dbc文件的话，也可以比较方便地得到汽车中各个部件的转速信息；
（图片来源: https://www.csselectronics.com/screen/page/simple-intro-to-can-bus/language/en）
3）振动/噪音信号：旋转件在运行的时候会产生与其转速成正比的振动（噪声）频率，可以通过对这些信号的频谱进行处理，从而提取出旋转件的转速信息。这种方法测量出的转速信号精度一般不会太高，因为振动/噪声信号更加容易收到外界的其他因素影响。
如何采集
标准TTL信号（Transistor-Transistor Logic）：TTL电平规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。标准TTL输入高电平最小2V，输出高电平最小2.4V，典型值为3.4V。输入低电平最大为0.8V，输出低电平最大0.4V，典型值为0.2V。
如果转速传感器输出的是标准TTL信号，该传感器就可以直接接至硬件的pulse通道，硬件会主动通过AD转换，将该TTL信号转换为数字信号存储下来以便之后转速的计算。HEAD的数采硬件（SQuadriga，SQobold，HEADlab等）都配备有专门的pulse通道（独立于模拟通道之外）。
如果转速传感器输出的不是标准TTL信号，此时该传感器就不再可以直接接到硬件的pulse通道了，而是需要接到模拟通道中，将该通道设置为trigger signal，再设置高低电平之间的threshold，将采集到的模拟信号转换为转速所对应的数字信号。
ArtemiS suite解压转速信号
1）脉冲信号
无论是标准TTL信号转化而来的脉冲数字信号还是直接通过模拟通道记录的转速相关信号，都不能直观反映出转速信息，需要经过一定的后处理，将脉冲信号解压为可以读取的转速信号。
首先要定义传感器的形状，其中最重要的一个参数就是旋转一圈产生的脉冲数。如果是光电传感器，这个参数就等于旋转轴上粘贴的反光片的数量；如果是磁电传感器，这个参数就取决于比如电机的转子数或者测速齿轮的齿数了；如果是点火线圈的话，因为每转两圈信号发生一次，此时参数应该是0.5。只有正确地定义出传感器的形状之后才能保证解压出的转速信号的准确性。
如下有两组信号，第一组信号的转速信号输出为标准TTL信号，所以直接使用脉冲通道测得。当将预先设置好的脉冲传感器信息与之相关联之后，就可以直接解压得转速信号。第二组信号是将转速传感器输出的信号直接通过模拟通道采集下来，故无法直接解压，需要在通道编辑里面将其先转换为trigger signal，同时定义好高低电平之间的阈值，最后生成一个新的虚拟脉冲通道，对其解压之后就可以得到转速信号了。
2）振动或噪声信号
如果采集到的是振动或者噪声信号，首先在三维频谱图上标记出频率（转速）线，然后给定该频率线的阶次数，最后通过检测出的频率线结合阶次数计算出对应的转速。
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