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齿轮测速是通过检测齿轮的转动信号来计算其转速的技术，广泛应用于机械传动系统的转速监控、故障诊断等场景。以下是齿轮测速的核心原理、常用方法及实现方案：

一、齿轮测速的基本原理

齿轮测速的核心是将齿轮的机械转动转化为电信号，通过计算单位时间内的信号脉冲数，间接得到转速。其数学关系为：$\text{转速}(n,\text{r/min})=\frac{\text{脉冲频率}(f,\text{Hz})\times 60}{\text{齿轮齿数}(N)}$

• 脉冲频率 $f$：单位时间内检测到的脉冲数

• 齿轮齿数 $N$：参与测速的齿轮的齿牙数量

二、3 种常用齿轮测速方法及装置

1. 电磁感应式测速（磁电传感器）

• 原理：在齿轮旁安装电磁传感器（含永久磁铁和线圈），齿轮转动时，齿牙交替靠近 / 远离传感器，导致磁通量变化，线圈产生交变脉冲信号。

• 特点：

• 优点：结构简单、抗油污粉尘、适合恶劣环境（如工业齿轮箱）

• 缺点：精度中等（受齿形均匀度影响）、需金属齿轮（非磁性材料不适用）

• 典型应用：汽车变速箱测速、工业电机齿轮测速

2. 光电式测速（光电传感器）

• 原理：由发光二极管（LED）和光敏元件组成，齿轮转动时，齿牙遮挡 / 通过光线，光敏元件接收明暗交替的光信号，转化为电脉冲。

• 分类：

• 透射式：齿轮需开槽，光线从一侧发射、另一侧接收（适合薄齿轮）

• 反射式：齿轮表面贴反光片，传感器同侧发射和接收光线（安装灵活）

• 特点：

• 优点：精度高（可达 ±0.1%）、响应速度快（支持高速齿轮）

• 缺点：怕油污遮挡光路、对安装位置精度要求高

3. 霍尔效应式测速（霍尔传感器）

• 原理：在齿轮旁安装霍尔传感器，齿轮上镶嵌磁钢（或齿轮本身带磁性），转动时磁钢交替经过传感器，触发霍尔元件产生脉冲信号。

• 特点：

• 优点：体积小、功耗低、耐振动、适合小型齿轮

• 缺点：需齿轮带磁或加装磁钢、低速时信号较弱

三、测速信号的处理与计算

传感器输出的脉冲信号需经处理后才能得到转速，常见实现方式：

1. 硬件计数法

• 用 PLC 的高速计数器（如三菱 FX3U 的 C235）或专用计数模块，直接统计单位时间内的脉冲数。

• 例：齿轮齿数 100，计数器 1 秒内计得 500 个脉冲，则转速 $n=(500\times 60)/100=300\text{r/min}$。

2. 软件定时法

• 单片机（如 STM32）通过定时器定时（如 100ms），在定时中断中读取脉冲数，换算为转速。

• 公式：$n=(\text{脉冲数}\times 60)/(N\times \text{定时时间(s)})$

3. 频率测量法

• 用频率计直接测量脉冲信号的频率 $f$，代入基本公式计算转速。

• 适合高转速场景（频率高，测量误差小）。

四、安装与调试注意事项

1. 传感器安装位置：

• 与齿轮间隙需适中（通常 0.5~2mm，过近易碰撞，过远信号弱）。

• 传感器轴线与齿轮端面垂直，避免信号畸变。

2. 信号干扰处理：

• 脉冲信号需加滤波电路（如 RC 滤波），消除机械振动导致的杂波。

• 信号线采用屏蔽线，单端接地，远离强电电缆。

3. 误差补偿：

• 齿轮齿距不均匀会导致测量误差，可通过多圈平均（如取 10 圈脉冲数平均值）减小误差。

• 低速时脉冲间隔长，可延长测量时间（如从 1 秒改为 10 秒）提高精度。

五、典型应用案例（PLC 实现齿轮测速）

以三菱 FX3SA PLC 和磁电传感器为例：

1. 硬件连接：传感器输出脉冲接 PLC 高速输入口 X0（支持高速计数）。

2. 参数设置：齿轮齿数 $N=60$，设定测量周期为 1 秒。

3. 程序逻辑：

• 用高速计数器 C235 计数 X0 脉冲，1 秒定时到后，将计数值存入 D0。

• 计算转速：$D1=(D0\times 60)/60=D0$（即 1 秒脉冲数 = 转速 r/min）。

• 清零计数器，进入下一个测量周期。

通过这种方式，可实时监测齿轮转速，并通过 PLC 输出到触摸屏显示或用于超速报警控制。

齿轮测速的核心是选择合适的传感器类型（匹配齿轮材质和工况），并通过精准的信号处理实现转速计算，最终满足系统对测速精度、响应速度的要求。