Es gibt eine sehr interessante Möglichkeit, die Winkelgeschwindigkeit eines Rads zu ermitteln, das sich so schnell dreht, dass Sie nicht mit einer Stoppuhr messen können. Wir werden ein Blitzlicht (ein Licht, das wiederholt ein- und ausschaltet) und ein sehr interessantes Konzept verwenden, das unter stroboskopischen Bedingungen als Wagon Wheel-Effekt bekannt ist.

Ein bisschen zum Konzept:

Der Wagon Wheel-Effekt ist ein Phänomen, bei dem ein sich drehendes Rad unter einem Blitzlicht stationär zu sein scheint. Der Grund dafür ist recht einfach: Die Drehfrequenz des sich drehenden Rades ist ein ganzzahliges Vielfaches der Ein- und Ausschaltfrequenz des Blitzlichts. Infolgedessen kommt das Rad jedes Mal, wenn das Blitzlicht blinkt, in die gleiche Position wie zuvor. Dies erzeugt die Illusion, dass das Rad stationär war.

Aber wie werden wir dieses Konzept verwenden, um die Drehzahl eines sich drehenden Rades zu ermitteln? Lassen Sie es uns herausfinden.

Das Experiment:

Sie benötigen nur ein Blitzlicht (Sie können Blitzlicht-Apps für Android und wahrscheinlich auch für iOS herunterladen) und Ihr Spinnrad. In dieser Antwort werde ich einen zappeligen Spinner verwenden, um zu demonstrieren.

Halten Sie den Raum so dunkel wie möglich und stellen Sie Ihr Rad in Bewegung. Schalten Sie das Blitzlicht ein und beginnen Sie mit einer hohen Blitzfrequenz. Verringern Sie die Frequenz allmählich, bis Sie sehen, dass das Rad stillsteht. Wir tun dies, weil wir nicht möchten, dass andere ganzzahlige Vielfache der Frequenz mit dem sich drehenden Rad übereinstimmen.

Notieren Sie sich die Blitzlichtfrequenz $ \ nu $ span>. In meinem Fall erscheint der Zappelspinner bei einer Frequenz von 13,3 Hz stationär. Wie bereits erwähnt, erscheint das Rad nur dann stationär, wenn die Frequenzen übereinstimmen. Die Frequenz des Blitzlichts ist also die Drehfrequenz des Rades. Ich kann also sagen, dass mein zappeliger Spinner 13,3 Umdrehungen pro Sekunde macht. Und natürlich wäre die Drehzahl 798.

Ich hoffe, Ihnen hat dieses lustige Experiment gefallen.Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese bitte in den Kommentaren fallen.Wenn Sie die Winkelgeschwindigkeit besser ermitteln können, zögern Sie nicht, eine Antwort zu schreiben.

Ein Lasertachometer:

https://www.amazon.com/Neiko-20713A-Digital-Tachometer-Non-contact/dp/B000I5LDVC

Markieren Sie an einer Stelle des Motors und drehen Sie ihn dann.Richten Sie den Drehzahlmesser darauf.Durch Leuchten eines Lasers auf die Oberfläche und Messen der Änderungen des zurückgesendeten Lichts beim Passieren der Markierung kann die Drehzahl bestimmt werden.

Eine Idee für einen Ansatz könnte darin bestehen, den vom Motor erzeugten Ton aufzuzeichnen und dieses Signal dann Fourier-transformieren.Die Annahme ist, dass die Frequenz, nach der Sie suchen, im Spektrum dieses Signals gut sichtbar ist.Natürlich ist nicht klar, ob diese Frequenz so leicht zu identifizieren ist, wie es sich anhört.

Drucken Sie eine Festplatte aus, die folgendermaßen aussieht:

Befestigen Sie es am sich drehenden Objekt und beobachten Sie es dann mit einem 60-Hz-Blitzlicht.Indem Sie bestimmen, welche Ringe so aussehen, als würden sie von einem 60-Hz-Blitz gestoppt, können Sie die Drehzahl des Objekts ableiten.

Wie Sie sehen können, hat der innere Ring 8 Segmente (4 weiße, 4 schwarze), der nächste Ring 10 Segmente usw. Wenn Sie die Scheibe um 90 Grad drehen, hat sich das Muster auf dem inneren Ring nicht verschoben.Wenn Sie die Scheibe um 72 Grad drehen, hat sich das Muster beim nächsten Ring nicht verschoben.Mit einem 60-Hz-Blitz können Sie also feststellen, welcher Ring stationär zu sein scheint.Rufen Sie die Anzahl der Segmente in diesem Ring N auf, dann muss sich die Platte in 1/60 Sekunde um 720 / N Grad bewegt haben.Das sind 2 / N Umdrehungen in 1/60 Sekunde, also 7200 / N U / min.

Führen Sie eine Websuche nach "druckbare Strobe-Drehzahl" durch, um weitere Informationen zu erhalten.

Ich habe genau dieses Experiment über das Wochenende durchgeführt - ausführliche Beschreibung unten. Grundsätzlich handelte es sich um einen Laserpointer, eine Fotodiode, zwei Widerstände, einen Transistor und ein Arduino. Stellen Sie den Arduino-Timer so ein, dass er mit 10 kHz läuft, und der Ausgang der Fotodiode (in den Interrupt-Eingang des Arduino) löst ein "Lesen" des Timers aus. Wenn mindestens eine Sekunde vergangen ist, drucken Sie das Verhältnis, setzen die Zähler zurück und beginnen erneut. Funktioniert sehr gut über einen großen Drehzahlbereich. Ich habe es tatsächlich verwendet, um die Spindown eines zappeligen Spinners zu messen - um zu demonstrieren, dass der Prozess nichtlinear ist, was beweist, dass der Luftwiderstand eine Rolle spielt.

Hier ist ein Bild des "Setups" (auf dem unordentlichen Schreibtisch in meiner "Höhle"):

Ein einfacher Karton enthielt links eine Fotodiode (20 Stück für 4,99 USD bei Amazon ^{* sup>) und rechts eine kleine Laserdiode (10) für \ $ 6.99 bei Amazon). Ich könnte einen rotierenden Zappelspinner im Strahl halten, und der Arduino würde den Rest erledigen.}

Und eine Oszilloskopspur des Signals: (etwas verschwommen - die Skala beträgt 20 ms pro Teilung, es gibt also ungefähr 30 Unterbrechungen pro Sekunde, als ich das Bild aufgenommen habe)

Natürlich ist es hilfreich, ein Zielfernrohr zu haben, um so etwas richtig einzustellen - aber wenn Sie einen Laserpointer haben, der auf Ihre Fotodiode gerichtet ist, und eine Möglichkeit haben, den Strahl richtig zu unterbrechen, wenn sich das Rad dreht, haben Sie eine ziemliche viel Spielraum.

UPDATE

Hier ist der Arduino-Code, mit dem ich das Drehzahlmessgerät erstellt habe:

  // Code zum Erstellen eines Drehzahlmessers basierend auf einem unterbrochenen optischen Strahl
lange Zeit = 0; // Zeit seit der letzten Messung
lange Klicks = 0; // optische Unterbrechungen seit der letzten Messung
lange Gesamtzeit = 0; // insgesamt verstrichene Zeit seit dem Zurücksetzen

void setup () {
  // Pin 2 für Eingabe konfigurieren:
  pinMode (2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt (0, reportTime, FALLING);

  // Timer einrichten:
  cli (); // Interrupts stoppen

  // Timer1 Interrupt auf 10 kHz setzen
  TCCR1A = 0; // setze das gesamte TCCR1A Register auf 0
TCCR1B = 0; // Gleiches gilt für TCCR1B
  TCNT1 = 0; // Zählerwert auf 0 initialisieren;
  // Timeranzahl für 10-kHz-Schritte einstellen
  OCR1A = 199; // = (16 · 10 & supmin; & sup6;) / (10000 · 8) - 1
  // CTC-Modus einschalten
  TCCR1B | = (1 << WGM12);
  // CS11-Bit für 8 Prescaler setzen
  TCCR1B | = (1 << CS11);
  // Timer Compare Interrupt aktivieren
  TIMSK1 | = (1 << OCIE1A);

  sei (); // Interrupts zulassen
  // END TIMER SETUP

  // Serielle Schnittstelle bei 9600 Baud einschalten:
  Serial.begin (9600);
}}

void loop () {
// nichts hier - alles ist unterbrochen
}}

void reportTime () {
  Klicks ++;
  if (Zeit > 10000) {
    // Mindestens eine volle Sekunde ist vergangen
    Gesamtzeit + = Zeit;
    Serial.print (Gesamtzeit);
    Serial.print ("\ t: \ t");
    Serial.print (600000 * Klicks / Float (Zeit));
    Serial.write ("rpm \ r \ n");
    Zeit = 0;
    Klicks = 0;
  }}
}}

ISR (TIMER1_COMPA_vect) {
  // Interrupt bei einer Frequenz von 10 kHz
  Zeit ++;
}}
 

Der Schaltplan ist sehr einfach. Ich habe eine 5-V-Versorgung an das Laserdiodenmodul angeschlossen (das über einen eigenen internen Stromregler verfügt). Es ist möglich, dass es vom Arduino 5 V abläuft (es dauert nur 10 mA), aber das habe ich nicht versucht. Die optische Aufnahme wurde mit dieser Schaltung durchgeführt:

Wenn die Diode leuchtet, wird der Strom zwischen R1 und der Basis des Transistors aufgeteilt. Sobald die Spannung an R1 0,6 Volt erreicht, "schaltet" sich der Transistor ein und zieht Strom aus dem Kollektor. Dadurch wird das an Pin 2 angeschlossene Signal heruntergezogen (mithilfe des internen Pullups des Arduino). Wenn der Strahl unterbrochen wird, wird der Strom reduziert und der Transistor wird ausgeschaltet. Das Einschalten (Herunterziehen) ist mit dieser Schaltung viel schneller als das Ausschalten, sodass wir die fallende Flanke auslösen. Sie können die Schaltung empfindlicher machen, indem Sie R1 erhöhen - je größer sie ist, desto kleiner ist der zum Auslösen erforderliche Lichtpegel. Es wird aber auch empfindlicher gegenüber Umgebungslicht und die Reaktion ist langsamer. Mit der Laserdiode fand ich, dass 420 Ohm ein guter Wert war: schnelle Reaktion, unempfindlich gegenüber Umgebungslicht. Aber das ist definitiv ein Wert, mit dem man spielen kann.

Ich habe die Schaltung bei Frequenzen bis zu 1 MHz getestet (Antrieb des Lasers mit einem Signalgenerator mit Rechteckwelle), und es war in Ordnung - die Reaktionszeit liegt also deutlich unter 1 us. Dies sollte es für viele Anwendungen schnell genug machen.

Ein Beispiel für die Verwendung dieser Funktion zum Messen der Drehzahl eines Zappelspinners:

Es gibt 3 Unterbrechungen pro Umdrehung am Spinner - und ich habe kein Problem damit, 1200 U / min zu messen (3600 Unterbrechungen pro Minute = 60 pro Sekunde). Als ich den Laser mit einem Signalgenerator ansteuerte, konnte ich viel schneller fahren ... bis zu 30 kHz. Zu diesem Zeitpunkt gibt es einen gewissen Überlauf im Programm und die Zahlen sind Unsinn (ich vermute, dass der Arduino nicht schnell genug ist, um 10.000 Taktinterrupts und 30.000 optische Interrupts zu verarbeiten; einige Änderungen an der Skalierung könnten den Bereich erweitern, aber Sie wird das für die meisten Zwecke nicht brauchen).

Wenn ich den Laser mit 1 kHz laufen ließ, sah ich 59988 U / min - das sind offensichtlich "60.000" mit einem numerischen Rundungsfehler (oder der Takt auf dem Arduino ist nicht genau 16 MHz oder ...), also ist das gut.Wenn Sie die Schaltung zu stark drücken, stören sich Interrupts gegenseitig.Der höchste "korrekte" Messwert, den ich erhalten habe, war mit 3 kHz Eingang, 179904 U / min Ausgang.Das sollte für die meisten Anwendungen gut genug sein ... Sogar ein Fahrradrad (mit 32 Speichen) mit 100 Umdrehungen pro Sekunde (ca. 2/3 der Schallgeschwindigkeit) könnte damit zeitlich abgestimmt werden.Natürlich würde das Rad lange vor Erreichen dieser Geschwindigkeit zerreißen ...

^{* sup> Ich bin nicht mit Amazon oder den Unternehmen verbunden, die diese Komponenten herstellen.Ich wollte Ihnen nur das Auffinden solcher Teile erleichtern}

Befestigen Sie Ihren Motor an einem Untersetzungsgetriebe.Messen Sie die Winkelgeschwindigkeit des Ausgangs und multiplizieren Sie sie mit dem Untersetzungsverhältnis, um die ursprüngliche Winkelgeschwindigkeit zu erhalten.

Beachten Sie, dass derzeit 11 Millionen: 1 oder Milliarden: 1 Untersetzungsgetriebe in 3D gedruckt werden. Beispiel.Die Leistung eines Getriebes kann auch die Eingabe für das nächste sein (obwohl man sich der Reibungsverluste und des minimal erforderlichen Drehmoments bewusst sein sollte), so dass eine lächerlich schnelle Motorwinkelgeschwindigkeit auf eine im Wesentlichen stationäre Leistung reduziert werden kann

Schließen Sie einen Gleichstrommotor an und messen Sie seine EMF, indem Sie die Spannung aufzeichnen, die Sie an den Anschlüssen messen, die Sie normalerweise für den Gleichstrommotor liefern würden, wenn Sie ihn als Motor verwendet hätten.

Die meisten einfachen Gleichstrommotoren haben 3 Spulen. Auf einem Oszilloskop sehen Sie also etwas, das dem Absoluten eines Sinus ähnelt, wobei drei solcher "Hügel" einer vollen Umdrehung entsprechen.

Die Installation ist wahrscheinlich viel einfacher als bei einem Getriebe, und Sie haben weniger Reibungsprobleme, insbesondere wenn die Geschwindigkeit sehr hoch ist.

Mein erster Versuch wäre ein Zeitlupenvideo auf meinem Smartphone. Zählen Sie die Umdrehungen 10 Sekunden lang und mal 6, um sich ein Bild zu machen. Die Frameraten könnten jedoch zu niedrig für Sie sein.(Es gibt ein neues Sony-Smartphone mit 1000 Bildern pro Sekunde sabbern , das entspricht 60.000 Bildern pro Minute. Das Samsung S5 hat 120 Bilder pro Sekunde.)

Meine Einstellung zu dieser Frage basiert auf diesem Video.Die Idee dahinter ist, dass Sie, wenn Sie es schaffen, die Winkelgeschwindigkeit vom Motor auf eine sich drehende Scheibe zu übertragen und das Setup aus dem Video zu erstellen, basierend auf der Geometrie des Setups und der Präzessionsgeschwindigkeit die Winkelgeschwindigkeit des berechnen könnenMotor.

Die Berechnung finden Sie hier, Seite 4-6, Problem W14D3-2 Tabelle Problem Suspended Gyroscope Solution b>.Am Ende des Problems haben Sie die folgende Formel, in der alle Parameter im Dokument definiert sind:

$$ \ Omega = \ frac {d \ cdot m \ cdot g} {I_ {cm} \ omega_s} $$

Für Ihr Szenario können Sie die obige Formel verwenden, aber $ \ omega_s $ berechnen, indem Sie $ \ Omega $ messen.

Ich hoffe, dies fügt dem Problem eine andere Perspektive hinzu als bisher vorgeschlagen.

Wie zu sehen ist, gibt es Dutzende von Experimenten, die Ihnen helfen könnten. Eine einfachere und genauere Möglichkeit besteht darin, an einer beliebigen Stelle des Rads ein sehr kleines Licht anzubringen und es einzuschalten.Dann können Sie das Rad mit der gewünschten Drehzahl drehen und eine Art Lichtsensor mit hoher Intensität anbringen (entspricht dem kleinen Licht an Ihrem Rad).Dann kann der Sensor zählen, in wie viel Zeit das Licht einer bestimmten Intensität erfasst wurde. Sie können es so ändern, dass jedes Mal, wenn ein Lichtstrahl einer bestimmten Intensität erkannt wird, der Sensor ihn mit einem Piepton markiert und die Gesamtzahl von zähltPieptöne.