宝暄 刘扬 杨猛周保华

宝 暄 ¹ 刘 扬 ¹ 杨 猛 ¹ 周保华 ¹

摘 要 在安规测试中，转速是常见的物理量之一。频闪仪因成本低、操作简便，广泛应用于转速检测。然而，在使用频闪仪测量转速时，关键问题在于能否准确判断在连续2次闪光时观察到相同图像的时间间隔内样品旋转的周数。若判断错误，会造成测量结果出现偏差。本文系统分析了频闪仪的工作原理与测量转速的基本方法，并重点探讨了频闪仪测量转速时准确判读样品旋转周数的方法，为降低测量误差、提升频闪仪测速准确性提供参考。

关键词 频闪仪；转速测量；旋转周数

Analysis of Key Issues in Rotational Speed Measurement by Stroboscope

BAO Xuan ¹ LIU Yang ¹ YANG Meng ¹ ZHOU Bao-Hua ¹

Abstract In safety-compliance testing, rotational speed is one of the routinely measured physical quantities. Owing to its low cost and operational simplicity, the stroboscope is extensively employed for speed detection. The critical challenge, however, lies in accurately determining the number of revolutions the specimen completes within the time interval that elapses between two consecutive flashes producing an identical apparent image; an erroneous count inevitably introduces systematic deviation into the measured speed. This paper systematically analyzes the operating principle of the stroboscope and its basic methodology for rotational-speed measurement, with emphasis on reliable techniques for correctly ascertaining the number of revolutions per observation interval, thereby providing a reference for reducing measurement uncertainty and enhancing the accuracy of stroboscopic tachometry.

Keywords stroboscope; rotational speed measurement; number of rotations

转速是安规测试中常见的物理量之一。例如在GB 4706.27—2008《家用和类似用途电器的安全 第2部分：风扇的特殊要求》的第20.101条款中，确定扇叶是否具有机械危险时，扇叶外部边缘的线速度是一个需要考虑的因素。获得扇叶外部边缘线速度的一种常用方法是先测得扇叶转速，再用扇叶转速乘以扇叶半径从而得到扇叶外部边缘线速度。

频闪仪因其价格较为低廉、使用较为方便，在已知被测样品转速范围且转速较低的情况下，经常会被用于测量转速。但如果不能准确确定在观察到2个连续相同图像的时间间隔内样品转过的周数，就会得到错误的测量结果^[1-2]。本文针对这一关键问题进行探讨，以期为使用频闪仪测量转速时准确确定转速的效率、降低结果误差提供参考。

1 频闪仪的工作原理

频闪仪的工作原理主要基于人眼的视觉暂留效应和光线的频闪效应。频闪仪通过控制光源以特定的频率快速闪烁，当这种频闪频率与被测物体的运动速度接近或同步时，测试人员在连续两次闪光时可观察到相同的图像，即测试人员将看到一系列相对静止的图像。这种视觉暂留现象使测试人员能够较容易地观测到高速运动物体的运行状况。频闪仪发出的短暂又频密的闪光，能够使振动、高速旋转或周期运动的构件变成“静止不动”的构件，这些高亮度的短暂闪光把高速运动物体的图像“静止”在人的视网膜上，使人的大脑得到一个非常清晰的静止图像，从而便于目测或视频同步观察^[3-5]。

频闪仪的应用广泛，包括但不限于工业生产中的质检过程、故障源寻找、高速运动物体的观测、振动分析、高速摄影等^[6-10]。不同类型的频闪仪，如便携式、在线式、灯头分离式等，根据应用环境和需求的不同，具有不同的特点和功能。

2 使用频闪仪测量转速的基本方法

在使用频闪仪测量转速时，频闪仪的频闪频率与被测样品的转速建立起相关联系。如果被测样品的转速单位为“转/分”，频闪仪的频闪频率单位则调节为“次/分”。如果被测样品在旋转1周的过程中仅能出现1次相同的图像，若在频闪频率为m次/分时，测试人员可以在频闪仪连续2次闪光时观察到被测样品相同的图像，即被测样品的图像在视觉上处于“相对静止”的状态，说明在连续2次闪光的时间间隔内被测样品恰好转过了整数周，即n周，那么被测样品的转速应为nm转/分。如果被测样品在旋转1周的过程中能出现多次相同的图像，如N次，若在频闪频率为m次/分时，测试人员可以在频闪仪连续2次闪光时观察到被测样品相同的图像，即被测样品的图像在视觉上处于“相对静止”的状态，说明在连续2次闪光的时间间隔内被测样品恰好转过了1/N周的整数倍，即n/N周，那么被测样品的转速应为nm/N转/分。

如上所述，在测试过程中，首先要找到一个在频闪仪连续两次闪光时可以观察到被测样品相同图像的基准频闪频率。在这种状态下，频闪仪连续2次闪光时观测到的图像如图1所示，被测样品图像处于相对静止状态。

第1次闪光时图像 第2次闪光时图像

图1 频闪仪连续2次闪光时观察到相同图像

Fig.1 Observation of the same image in two consecutive flashes of the stroboscope

在实际测试时可以根据被测样品大致的转速范围设置一个初始的频闪频率。如果在这个频率下，测试人员在频闪仪连续2次闪光时观察到的图像如图2所示，即测试人员感觉到被测样品的图像在向与样品实际旋转方向相反的方向旋转，此时可以认为在频闪仪2次闪光的时间间隔内被测样品尚未有足够的时间转过n周，即频闪仪连续2次闪光的时间间隔略短于被测样品转过n周所需的时间。此时测试人员可以适当降低频闪仪的频闪频率，使频闪仪连续2次闪光的时间间隔适当延长，以便使被测样品有充足的时间转过n周。这样调节通常可以较快地得到与图1相同的图像。

如果在设置的初始频率下，测试人员在频闪仪连续2次闪光时观察到的图像如图3所示，即测试人员感觉到被测样品的图像在向与样品实际旋转方向相同的方向旋转，此时可以认为在频闪仪2次闪光的时间间隔内被测样品不仅有足够的时间转过n周，还多转过一定角度，即频闪仪连续2次闪光的时间间隔略长于被测样品转过n周所需的时间。此时测试人员可以适当提高频闪仪的频闪频率，使频闪仪连续2次闪光的时间间隔适当缩短，以便使被测样品有恰好的时间转过n周。这样调节通常可以较快地得到与图1相同的图像。

第1次闪光时图像 第2次闪光时图像

图3 频闪仪闪光时观察到的图像略超前于前次闪光时图像

Fig.3 Observation of the image in the second flash leading slightly ahead of that in the first flash of the stroboscope

在测得被测样品在频闪仪连续2次闪光时可以得到相同图像的基准频闪频率m次/分后，测试人员有可能会认为被测样品在频闪仪连续2次闪光的时间间隔内恰好转过了1周，进而认为被测样品的转速就是m转/分。但在很多情况下，被测样品在上述时间间隔内转过的周数并非1周，测试人员需要根据被测样品的特征进行分析并进一步测试，确定在频闪仪连续2次闪光时观察到相同图像的时间间隔内样品旋转的准确周数，进而确定被测样品准确的转速。这也是使用频闪仪测量转速时的一个关键问题。

3 使用频闪仪测量转速时的关键问题

使用频闪仪测量转速时的关键问题就是准确确定在频闪仪连续2次闪光时观察到相同图像的时间间隔内样品旋转的周数，能否准确快速地确定此数值，影响到结果的准确性和测试的效率。为了准确获得此数值，应当预先了解被测样品的转速范围。

3.1 被测样品旋转1周的过程中只能出现1次相同图像的情况

如图4所示，对于在旋转1周的过程中仅可能出现1次相同图像的被测样品，如果在频闪仪连续2次闪光时观察到的图像是相同的，说明在2次闪光的时间间隔中被测样品恰好转过了n周（n为正整数），即被测样品转速是频闪仪频闪频率的n倍。将此时频闪仪的频闪频率记为m₁次/分，则样品转速为nm₁转/分。

第1次闪光时图像 第2次闪光时图像

图4 样品旋转1周的过程中仅可能出现1次相同图像

Fig.4 Observation of only one identical image during one rotation of the sample

在这种情况下，确定转速的关键是确定n的数值。如果n为1，则转速就为m₁转/分，问题得以解决。如果n不为1，则n应该为一个质数或可以分解为多个质数的乘积，即n = 2^a×3^b×5^c×7^d×11^e……（a、b、c、d、e为自然数）。但无法直接确定n是否为1，或者为哪个质数或哪些质数的乘积，只能通过提高频闪仪的频闪频率并观察在更高的频闪频率下频闪仪连续2次闪光时被测样品图像的变化情况，来得到此结果。

此时，应该按照质数由小到大的顺序成倍提高频闪频率，即先将频闪仪的频闪频率提高为2m₁次/分，观察样品在2次连续闪光时是否可以得到相同的图像，如果不能得到，则将频闪频率提高到3m₁次/分，以此类推。在尝试的过程中，可能得到两种结果：第一种为频闪频率已经提高到超出样品可能的转速范围，但仍不能在2次连续闪光时观察到相同图像；第二种为在某个频闪频率下，可以在2次连续闪光时观察到相同图像，将此时的频闪频率记为m₂次/分，m₂为m₁的n₁倍。在第一种情况下，如果转速范围是准确的，则可以确定n = 1，即样品转速是m₁次/分。在第二种情况下，应以新得到的频闪频率m₂次/分为基础，再按照质数由小到大的顺序来成倍提高频闪频率m₂，此轮测试起始尝试的质数是n₁，因为在第一轮测试的过程中已经排除了n中存在小于n₁的因数的可能性。例如第一轮中n₁ = 5，则n中肯定不包含因数2或3。以此类推，直到找到在连续2次闪光时可观察到相同图像的最高频闪频率m_n次/分，样品的转速即为m_n转/分。

3.2 样品旋转1周的过程中能出现多个相同图像的情况

有些样品在旋转1周的过程中可能出现多个相同图像，如电风扇。电风扇经常有N个相同的扇叶，所以在旋转1周的过程中可以出现N次相同图像。

如图5所示的电风扇，有3个相同的扇叶，在旋转1周的过程中会出现3次相同的图像。因此如果在频闪仪频闪频率为m₁次/分的情况下，连续2次闪光时可观察到相同图像，可以认为在1/m₁分钟的时间间隔内风扇转过的周数为1/3周的n倍（n为正整数）即n/3周，那么电风扇的转速应该为nm₁/3转/分。同理，如果风扇有N个相同扇叶，或者被测样品在旋转1周的过程中可以出现N次相同的图像，在频闪仪频闪频率为m₁次/分的情况下，连续2次闪光时可观察到相同图像，则样品的转速为nm₁/N转/分（n为正整数）。

第1次闪光时图像 第2次闪光时图像

图5 样品旋转1周的过程中可能出现3次相同图像

Fig.5 Observation of three identical images during one rotation of the sample

在这种情况下，依然可以按照第3.1部分所述的方法找到在样品转速范围内，连续2次闪光时可观察到相同图像的最高频闪频率m_n次/分，则转速为m_n/N转/分。但这种方法有两个问题：一是需要考虑1周内出现N次相同图像的因素；二是找到的最高频闪频率，可能超过频闪仪频闪频率范围的上限值，造成无法进行测量。例如样品的实际转速为m转/分，1周可产生N次相同影像，找到的最高频闪频率为Nm次/分。

在这种情况下，可以采用人为方法：将1周可以出现N次相同图像的情况转化为1周只能出现1次相同图像的情况。以电风扇为例，可在某个扇叶上粘贴一个白色的标签，使其与其他扇叶不同，如图6所示。这样被测样品在1周内只能产生一个相同图像，这样既可以简化思考的复杂程度，也可以降低最高频闪频率的数值，避免超出频闪仪频闪频率范围的上限值。

第1次闪光时图像 第2次闪光时图像

图6 施加标识构建不同样式的扇叶

Fig.6 Construction of different styles of fan blades

by applying markers

综上所述，确定n的数值的过程，是通过不断提高频闪仪的频闪频率，直至确定一个能够在频闪仪连续2次闪光时观察到相同图像的最高频闪频率。在这个频率下，被测样品在频闪仪连续2次闪光的时间间隔内仅能转过能产生相同图像的最小角度。此后，再增大频闪频率，在2次闪光的时间间隔内，被测样品已无法转过能够产生相同图像所需的最小角度，在频闪仪连续2次闪光时再也无法观察到相同图像。所以使用频闪仪测量转速时，需要了解被测样品转速的范围，当频闪频率超出转速范围上限值后，就可以结束测试，确定转速值。

4 使用频闪仪进行测量的局限性

频闪仪经常会被用于转速测试或振动频率测试等场合，但频闪仪的应用也有其局限性，即频闪仪不宜用于测试过高的转速或过高的振动频率，例如高速电机或振动频率较高的电动牙刷等。一方面，常见频闪仪的频闪频率范围有限，一般不超过99999次/分，很多型号不超过20000次/分；另一方面，如果转速过高或振动频率过高，测试人员也很难准确观察到被测样品图像的变化情况。因此，在测量转速较高或振动频率较高的样品时，应该采用其他适宜的测试设备。

5 结语

在采用频闪仪测量转速时，应了解被测样品的转速范围，根据频闪仪的频闪频率范围判定是否适宜采用该频闪仪测量被测样品的转速。此外，还应分析被测样品的特征，判断样品在旋转1周的过程中可以产生相同图像的次数。在连续2次闪光可以观察到相同图像时，不能直接将此时的频闪频率数值认定为转速数值，因为被测样品在此时间间隔转过的周数不一定为1周，应该通过合理的方法提高频闪频率，找到可以在频闪仪连续2次闪光时观察到相同图像的最高频闪频率，以准确确定被测样品的转速。

参考文献

[1]张文海. 电动机转速测试中的一些问题[J]. 微特电机, 2005(3): 46.

[2]张文海. 使用频闪测速仪的两个注意点[J]. 电世界, 1998(4): 25.

[3]王亚彬. 频闪仪工作原理介绍[J]. 印刷世界, 2004(8): 36.

[4]华兴恒. 视觉暂留与频闪效应[J]. 中学物理教学参考, 2006, 35(6): 37-38.

[5]李泽深, 王悦, 刘维. 数控式LED高速频闪仪的设计与实现[J]. 物理实验, 2012, 32(8): 15-17.

[6]雷新建. 频闪监测仪在产品质量检验中的应用[J]. 仪表技术, 1998(6): 34.

[7]姜淳, 梅鸿. 频闪仪及其在印刷检验系统中的应用[J]. 机电工程, 2006, 23(2): 19-21.

[8]邱鹏博, 何忠. 频闪仪在YJ17-YJ27卷接机组上的应用[J]. 轻工科技, 2012, 28(5): 59-60.

[9]赵福瑞, 蒋莱, 冯大勇. 用频闪测速仪检查叠片联轴器运行状况[J]. 设备管理与维修, 2012(10): 64.

[10]王争. 频闪仪在带钢表面检测系统的应用[J]. 科技资讯, 2012(6): 106.

第一作者：宝暄（1981—），男，蒙古族，北京人，硕士，工程师，主要从事电子产品的第三方检测与认证工作，E-mail: baoxuan1981@163.com

1. 中国海关科学技术研究中心 北京 100026

1. Science and Technology Research Center of China Customs, Beijing 100026

第1次闪光时图像 第2次闪光时图像

图2 频闪仪闪光时观察到的图像略滞后于前次闪光时图像

Fig.2 Observation of the image in the second flash lagging slightly behind that in the first flash of the stroboscope