一、引言
在旋轉機械的測試中，除了常見的溫度、壓力信號需要測試外，轉速、扭矩及功率因是衡量不同工況工作的關鍵指標，也佔據着重要地位，有時爲了潤滑、冷卻的需要，流量參數的測試也會受到關注。這樣一來，需測試的通道數不僅增多，而且信號的種類也趨多樣化，從而使整個測試系統的構建亦變得複雜起來。本文介紹的某大型減速器的測試，正是這類測試中極具代表性的一個，它除了要實現不同工況下的監測外，還要完成從一個工況過渡到另一個工況(即：過渡過程)的測試，後者對大型旋轉機械的出廠實驗是非常重要的。
二、測試方案
當被測通道信號頻率較高時，通常用測頻法，其原理如圖1所示，圖2示出了測頻工作波形。圖1中時基電路產生的標準時基信號2，經過門控電路後轉化爲門控信號3，該門控信號在T1時間內開通閘門，使加在閘門輸入端的被測信號fx 即1(通常整形爲方波)通過閘門，得到被計數的方波4，進而送到計數器進行計數;門控信號3在T2時間內則會關閉閘門，禁止被測信號1通過閘門，從而禁止計數，同時計算機或微處理器則可利用該時間T2從計數器中取出所計的脈衝個數Nf，並作相關操作，爲下一次計數做好準備;當已知時間T1及所計的脈衝個數Nf時，可由式fx = Nf/T1算得被測信號的頻率。當T1一定時，若被測信號fx逐漸變小，Nf 的值也會隨之減小，則採用測頻法引起的±1誤差就會越來越大，當fx低於一定值時，±1誤差可能會大得不能容忍，這時則應選用測周法[1]。
測周原理方框圖如圖3所示，圖4示出了測周工作波形示意圖。因待測信號Tx(即波形2)的佔空比不一定相等，故在門控電路中用二分頻電路儘可能地將其轉換爲等佔空比的方波3，然後去控制閘門，當閘門開通時，經分頻器得到的時標脈衝1(設其週期爲Ts)則會通過閘門，得到波形4，並送至計數器進行計數，如計數值爲NT，則Tx = NT * Ts ，從而可計算出待測信號頻率fx =1/Tx;因爲待測信號頻率fx較小，故Tx較大，而時標脈衝1的頻率可以很高，所以NT 的值可以很大，即可使±1誤差減小，這樣就提高了待測信號的測量精度。
三、並行、多通道頻率信號測試的`設計思想
基於上述測頻、測周原理，我們提出了一種並行、多通道頻率信號的測試方法，其設計思想爲：在時間T內，無論是測頻通道，還是測周通道，均要進行一次完整而有效的計數，並且將各通道計數結果用中斷的方式快速地取出。其工作波形如圖5所示，爲了討論簡單且不失一般性，圖中只給出了兩路並行輸入的頻率信號，其中一路被測信號fXH的頻率較高，用測頻法;另一路TXL頻率較低(圖5 中TXL爲被測信號二分頻後的波形，以使其佔空比儘量相等)，考慮用測周法。時間T爲每次測點的間隔，它決定了採樣率，T1爲實際允許計數的時間限，T2爲CPU中斷讀取各通道計數值及進行相關操作的時間。因測頻、測周的門控信號互不相同，爲實現上述設計思想，其關鍵在於各自門控信號的設計。
相比較而言，測頻通道門控信號的設計較簡單，可直接用時標波形TC來合成，使其在T1時間內開通計數，在T2時間內引發CPU中斷，以讀取所有通道計數值，並進行相關操作以準備下一次計數;很顯然，若採樣率一定，即測點的時間間隔T一定時，爲了提高測頻精度，應儘量增加T1時間，減少T2時間，但T2最小不能小於CPU執行中斷程序所需的時間;因時標波形TC可由標準時間脈衝Tclk經定時/計數器8254分頻得到，所以T2正好爲標準時間脈衝信號Tcl k的一個時鐘週期，故調整Tcl k的頻率，即可改變T2的值。
對於測周通道，要在每次間隔時間T內也完成一次採集，必需在時標波形TC的T1時間內，對測周通道進行一次完整而有效的計數，以便在T2時間內，計算機能讀取其計數值，併爲下一時間T內的採集做好準備。因爲TXL在T1時間內可能有一個或多個完整的Tx(TXL爲被測信號二分頻後的波形，即Tx實際爲被測信號的週期)到來，且Tx到來具體個數是不可預知的，所以不能直接用TXL來合成測周通道的門控信號。爲了保證測周通道計數的有效性，其門控信號應滿足如下條件：即在T1時間內，無論被測信號TXL來了多少個Tx(但至少有一個完整的Tx)，應僅僅只在一個完整的Tx時間內進行計數。
四、應用舉例
根據上述思想，並針對某大型減速器的性能測試要求，我們設計了一基於ISA總線的八通道、並行頻率信號採集卡，以組成並行、多通道頻率信號測試系統，該測試系統要求能進行過渡過程測試和穩態監測，其測試精度要求爲0.2%。其中採集卡上設計有兩路測頻通道，兩路測周通道，另有四路同時測頻、測周通道，用以分別測兩路扭矩、兩路流量及四路轉速信號。經綜合考慮，兩路測周通道時標脈衝TS取爲250 KHz。四路轉速測周時的時標脈衝TS取爲2.5MKHz。因現場條件惡劣，干擾大，所用傳感器均爲頻率輸出型傳感器，其分別爲：
1)、測輸入轉速、扭矩選用的是：JN338系列轉矩傳感器，它能同時輸出轉速、扭矩信號，其中轉速信號爲50Hz~7.2KHz的脈衝方波，扭矩信號爲5KHz~15KHz的脈衝方波。
2)、測流量選用的是：LWGY型渦輪流量傳感器，其輸出信號頻率爲40Hz~450Hz。
3)、測輸出轉速選用的是：SZMB型轉速傳感器，其輸出信號頻率爲50Hz~5KHz。
在進行過渡過程測試時，其採樣率要求每秒8點，即要求採樣間隔T爲0.125S，因計算機讀取各通道計數值及作相關操作還需一定時間T2 (參考圖二)，若分配給T2 1mS(實際測得只需約70μS)的時間，則T1只有0.124S，爲此我們可以在保證其測量精度0.2%的前提下(即計數器的計數值N不小於500)，得出各通道的測量範圍：À、兩路測頻信號(即扭矩)的測試範圍爲：4.033KHz ~ 528.6 KHz;Á、兩路測周信號(即流量)的測試範圍爲：25Hz ~ 500Hz;Â、四路測頻、測周(即轉速信號)的測試範圍爲：39Hz ~ 528.6 KHz。
對於穩態測試而言，要求每5分鐘記錄一次數據，爲此我們實際採樣率設爲每4秒測一點，這樣在5分鐘內可採樣75點，然後取其平均值作爲一次記錄數據。此時，T爲4S，T2仍取1mS，則T1爲3.999S，同理可計算出穩態測試時各通道的測量範圍：À、兩路測頻通道(扭矩)的測試範圍爲：126Hz ~ 16.38KHz;Á、兩路測周通道(流量)的測試範圍爲：3.9Hz ~ 500Hz;Â、四路測頻、測周通道(轉速信號)的測試範圍爲：39Hz ~ 16.38KHz。