速度是单位时间内的位移变化量，是描述物体运动的一个重要参数。相对于线位移和角位移，有线速度和角速度之分。线速度的单位是米/秒，角速度的单位是弧度/秒，在工程中角速度还常用转速的形式来表达，单位是转/分或转/秒。角速度和线速度之间可以互相转换，工程中常通过测转速的方法来获取线速度。物体运动的规律有匀速运动和非匀速运动。对非匀速的一般运动，规律往往很复杂，速度测量一般只能测定在某段时间内的平均速度。由于位移、速度和加速度之间的内在联系，物体的瞬时速度还可以通过位移的微分和加速度的积分方法来获取。
速度测量在工程中的应用很多，如振动速度测量，生产流程中速度参数监测，交通工具行驶速度测量，自动控制系统中速度反馈信号的获取。在分析设备承受的动载荷、计算旋转机械的功率、计算设备的生产率时，也都要测量速度参数。
一、速度测量方法分类
速度可以采用不同的方法来测量。这些方法往往都是先将速度转换成其他物理量，然后设法测定转换后的物理量。如电测法是根据某些物理原理将速度转换为电量来测量的。转换后的物理量与速度之间最好应有确定的线性关系。
根据速度测量时信号的特征，速度测量方法可分为模拟式、计数式和同步式三类。
模拟式测量方法，是利用与速度成一定关系的某种连续变化的物理量来反映速度的大小。例如，离心式转速计中，离心力与转速平方成正比；对动圈式磁电速度传感器，在恒定磁场中作直线运动或旋转运动的线圈感应电动势的大小与线圈的线速度或角速度成正比。
计数式测量方法，是设法数出在一定时间内由运动物体发出的周期性信号的数目。如电容式转速传感器、涡流式转速传感器、磁阻式磁电转速传感器、光电式转速传感器等，都是将转速变换成周期的电脉冲信号输出，然后用计数器对脉冲进行计数来测定转速。这类速度计都是数字显示，适于中、高速度的测量。
同步式测量方法，是一种利用频率比较的测速方法，即把与被测物体运动速度对应的频率同已知的频率进行比较，求出运动速度的大小，如频闪式测速方法。这种方法对被测物体没有力的干扰，可用于中、高速测量和微型机械的速度测量。
此外，平均速度还可以采用测量运动距离和运动时间（两者相除）的方法求取。如在1-5节中介绍的用互相关技术检测板材运动速度；又如在公路交通系统中，也常采用图9-30所示的用相隔一定间距的两根橡皮管式传感器检测汽车行驶速度。当汽车轮胎压到橡皮管上时，管内空气压力增加，通过管端安装的波纹管发出记时信号。
按物理原理分，速度测量方法有机械式、电气式、光电式、光学式等。通常当速度较高，且要求远距离测量时，都采用电气式测量方法。
图9-30 用传感器检测车速
二、常用速度测量装置
1. 离心式转速计
离心式转速计是利用旋转体的离心力作用来测量转速的，其原理如图9-31所示。在测量转速时，回转轴通过轴端安装的测头与被测轴作无滑动的接触，同被测轴一起回转。由于离心作用，质量块的位置随转速变化，经活套、杠杆、扇齿轮副带动指针在刻度盘上显示出转速数值。分析可知，由于质量块的位移量与回转轴角速度ω的平方成正比，因此，刻度盘的刻度是不均匀的。离心式转速计可用于测量30～18000r/min或更高的转速，指示精度可达1％。
图9-31 离心式转速计原理
1—质量块；2—活套；3—回转轴；4—杠杆；5—扇齿轮；6—小齿轮
2.动圈式磁电速度传感器
根据电磁感应原理，可动线圈在固定磁场中运动时，线圈中产生的电动势将与线圈的运动速度严格地成正比。线圈的运动形式有直线运动和旋转运动。
在9-1节中（图9-2）介绍了惯性式磁电线速度传感器，该传感器检测的是物体运动的绝对速度。图9-32是一种用来测量相对线速度的磁电式传感器，与绝对式速度传感器不同的是，线圈在磁场中的运动是由与线圈连在一起的顶杆推动的。测量时，传感器壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一个试件，两个试件之间的相对运动速度通过传感器转换为相应的电压输出。该传感器主要用于测量振动系统的相对振动速度，在测量电路中设置积分和微分环节，也可以测量相对振动位移和振动加速度值。
图9-32 磁电式相对速度传感器
1—顶杆；2—弹簧片；3—磁铁；4—线圈；5—弹簧片；6—引出线；7—壳体
当线圈在恒定磁场中作旋转运动时，其感应的电动势与转速成正比。此时，该传感器的工作原理与直流发电机相同，称作直流测速发电机，它是检测转速最常用的传感器之一。与一般直流发电机不同的是，测速发电机输出电压在额定转速内与转速严格地成线性关系，而且电压灵敏度高。测量时，测速发电机的转子直接安装在与被测转轴同轴的位置上，转轴旋转时，测速发电机电枢中感应的交变电动势通过换向器和电刷输出直流电压。由于采用了电刷结构，电刷摩擦会引起测量误差。此外，环境温度变化会使绕组电阻变化，电枢中的电流会产生附加磁场，这些因素都会引起测量误差。为了减少以上影响，定子应采用高性能的永久磁铁，使磁路足够饱和，负载电流应限制在较小的范围内。
测速发电机的测速范围最高可达10000r/min，信号可以远传，除了能测量稳定转速外，还可指示瞬时转速情况和发出控制信号。
图9-33 开式磁电转速计的结构
1—导磁体；2—磁钢；3—壳体；4—线圈；5—芯轴；6—齿轮
3.磁阻式磁电转速传感器
磁阻式磁电转速传感器是用计数方法测量转速的，其转换原理如3-6节中所述。根据磁路的结构形式，传感器分开磁路式和闭磁路式。图9-33是开磁路式磁电转速传感器的结构，主要由磁钢、感应线圈以及由导磁材料制成的芯轴和齿轮组成的。测量时，将齿轮安装在被测转轴上，芯轴端对准齿顶并留有一定气隙。磁回路通过芯轴、空气隙、齿轮、外层空气后回到磁钢闭合，当齿轮转动时，由于空气隙发生周期性变化，导致磁路的磁阻产生周期性改变，线圈的感应电动势也产生周期性变化。测量输出电压信号的频率，即可换算成转速。开式传感器结构简单，但由于磁力线要经过外层空气，空气磁阻大，因此输出信号小；另外，当被测对象振动大时，测量也会受到影响。
闭磁路式磁电转速传感器能很好地克服开式结构的缺点，一种闭式磁电转速计的结构如图9-34所示。其特点是将能产生空气隙周期变化的内、外齿轮安装在一个机体上；磁回路全部在传感器壳体内部，不经过外层空气；内部磁路都由导磁材料制成，磁阻小。因此，传感器的输出信号大，而且不会受被测体振动的干扰。测量时，传感器通过芯轴联接直接安装在被测转轴上，磁回路由导磁体、内齿圈、感应线圈、空气隙、外齿轮回到磁钢闭合。芯轴转动时，内、外齿相对的空气隙发生周期性变化，从而使磁通变化，在线圈内感应出周期性电动势。
图9-34 闭式磁电转速计结构(www.xing528.com)
1—芯轴；2—外齿轮；3—内齿圈；4—端盖；5—接线座；6—线圈；7—磁钢；8—导磁体；9—壳体
4.光电式转速传感器
光电式测速方法也是属于计数式测量方法，它是通过光电效应将速度转换成与之对应的脉冲电信号，然后测量在标准单位时间内与速度成正比的脉冲信号的个数。
光电式转速传感器是常用的转速测量装置之一。由于光电测量方法对被测体和传感器本身都没有扭矩损失，因此能测量中、高转速，最高可测25000r/min。按光信号的传播方式，光电式转速传感器分直射型和反射型两种。
直射型光电转速传感器的工作原理很简单，在被测转轴上装一个有均匀分布齿或孔的光调制盘，让光源从齿隙或孔中穿过，直接投射到光敏元件上产生脉冲电信号。如3-12节中介绍的光电数字转速表。
反射型光电转速传感器的工作原理如图9-35（a）所示。在被测转轴上涂有黑白相间的标记，传感器内光源1发出的光线经透镜3和半透明膜片4，有一部分反射光通过透镜2聚焦在转轴的标记上。当光束照射到白色标记上时，产生反射光，反射光再经过透镜2后一部分会穿过半透明膜片4，经透镜5聚焦在光电管6上产生电脉冲信号。当转轴以某种速度转动时，根据标记的等分数和单位时间内输出的脉冲数即可求出转速。电信号一般都送到数字测量电路中进行处理和自动计数、显示。图9-35（b）是反射型光电转速计的结构。
5.数字式测速仪
图9-36是可与计数式速度传感器配套的数字测量电路原理框图，测量电路与各类计数式传感器配在一起，即组成数字式测速仪。
计数式速度传感器输出的信号经放大、整形电路后，形成理想的矩形脉冲信号，再经过门电路至计数器，计数的结果经译码后在显示器上显示出来。计数时间取决于门电路的开启时间，门电路的开关由控制器根据所选择的时基进行控制。时基是由分频器将石英晶体振荡器输出的脉冲波进行分频得到的。如石英振荡器输出100kHz脉冲波，分频器可将它分为0.1～60秒的各种不同时间间隔的脉冲波。如果希望测定每分钟的转速，就选择60秒时间间隔；若求每秒钟的转速，则选择1秒时间间隔。门电路关闭后，关闭前进入计数器的脉冲总数将在显示器上停留一个适当时间，以便观测和记录。其后控制电路发出复原信号，使计数器、译码器、显示器和时基选择器全部恢复到待测位置，此时，显示器的显示值为零。接着控制器又打开门电路，重复上述计数过程。
图9-35 反射型光电转速计的原理和结构
1—光源；2、3、5—透镜；4—半透明膜片；6—光电管；7—被测轴
图9-36 数字式测速仪原理框图
6.频闪测速仪
频闪测速仪是一种利用同步式测量方法测转速的装置。其基本组成如图9-37（a）所示，包括一个能以一定频率发光的闪光管，一个用来点燃闪光管的闸流管触发器，一个频率可调的振荡器，一个用来控制和调节闪光频率的闪光控制环节，频闪次数可以在100～150000次/min内调节。
图9-37 频闪测速仪
（a）频闪测速仪的基本组成；（b）数字式频闪测速仪原理框图
频闪测速法是利用人的视觉暂留作用来测量转速的。测量时，先在旋转物体上画上一个标记或按不同等分画上标记，将仪器的闪光灯管对着旋转着的标记照射。当闪光频率调节到与被测轴每秒钟转速相同或为其整倍数、整分数时，就可以看到不同的、静止的标记图像，据此可以判断转速的大小。例如，在旋转体上标记为一个白点，当闪光频率与每秒钟转速相同时，由于视觉暂留作用，白点看上去似乎静止不动，显示出一个稳定的白点图像。若连续地调节闪光的频率f值，设被测转速为n转/分，则会出现不同的标记图像：
当f＝n/60时，如上所述，会看到静止的一个标记；
当Kf＝n/60时（K＝2，3，4，⋯），所看到的标记图像同上；
当（1/m）f＝n/60时（m＝2，3，4，⋯），会看到m个静止的标记，沿转动圆周均匀分布；
当（H/G）f＝n/60时（G、H没有公约数），会看到G个静止的标记，沿转动圆周均匀分布；
当f＞n/60（略大一点）时，会看到标记逆旋转方向缓慢移动；
当f＜n/60（略小一点）时，会看到标记顺旋转方向缓慢移动。
从以上分析可知，由于闪光频率调节过程中会出现不同的图像，稍有不慎，便会出现判断错误。正确的方法应该是：预先估计旋转体的回转频率；闪光频率应由高向低连续调节，当出现两个静止的标记时，说明闪光频率已是回转频率的两倍；再继续调低频率，当第一次出现一个静止标记时，则此时的闪光频率即为旋转体每秒钟的转数。
当标记不止一个时，标记图像随闪光频率不同会有其他变化规律。频闪测速法利用了视觉暂留作用，因此不宜测量20Hz以下的回转频率，同时要求被测轴的转速稳定。
老式频闪测速仪是在调节闪光频率的刻度盘上读出频率值，精度不高。新型频闪测速仪是将闪光测速技术与数字频率计结合在一起，频率值由显示器显示，精度很高。数字式频闪测速仪的原理框图如图9-37（b）所示。石英晶体振荡器产生的标准频率信号经两级分频器和控制触发器后得到1秒的测量时间信号，用来控制门电路的开启时间。可变频率振荡器的频率经60分频后通过触发电路来触发闪光管，当闪光频率调到与旋转体回转频率一致，即观察到标记图像静止时，由显示器即可读到转速值n（r/min）。
50Hz外接交流电源与被测体的工作电源相同，主要用于当电网频率波动较大时保持相对频率一致，即通过开关2可以得到与电源波动相对应的测量时间，以消除测量误差，使测量结果仍为电源稳定时每分钟的转数。
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