C'è un modo molto interessante per trovare la velocità angolare di una ruota che gira così velocemente che non puoi misurarla usando un cronometro. Useremo una luce stroboscopica (una luce che lampeggia ripetutamente) e un concetto molto interessante noto come effetto Ruota di carro in condizioni stroboscopiche.

Un po 'sul concetto:

L'effetto ruota del carro è un fenomeno in cui una ruota che gira può sembrare ferma sotto una luce stroboscopica. Il motivo per cui ciò accade è abbastanza semplice, la frequenza di rotazione della ruota che gira è un multiplo integrale della frequenza di accensione e spegnimento della luce stroboscopica. Di conseguenza, ogni volta che la luce stroboscopica lampeggia, la ruota si trova nella stessa posizione di prima. Questo crea l'illusione che la ruota fosse ferma.

Ma come utilizzeremo questo concetto per trovare il numero di giri di una ruota che gira? Scopriamolo.

L'esperimento:

Avrai solo bisogno di una luce stroboscopica (puoi scaricare app di luci stroboscopiche per Android e probabilmente anche per iOS) e la ruota che gira. In questa risposta, userò uno spinner di fidget per dimostrare.

Mantieni la stanza il più buia possibile e metti in moto il volante. Accendi la luce stroboscopica e inizia con una frequenza di flash elevata e abbassa gradualmente la frequenza fino a quando la ruota non si ferma. Lo facciamo perché non vogliamo che altri multipli integrali della frequenza corrispondano alla ruota che gira.

Prendi nota della frequenza della luce stroboscopica $ \ nu $ . Nel mio caso, il fidget spinner appare fermo a una frequenza di 13,3 Hz. Come accennato prima, la ruota appare ferma solo quando le frequenze corrispondono. Quindi, la frequenza della luce stroboscopica è la frequenza di rotazione della ruota. Quindi, posso dire che il mio fidget spinner fa 13,3 giri al secondo. E, naturalmente, il suo rpm sarebbe 798.

Spero che questo divertente esperimento ti sia piaciuto.In caso di domande, lasciarle nei commenti.Se hai un modo migliore per trovare la velocità angolare, non esitare a scrivere una risposta.

Un tachimetro laser:

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Fai un segno in un punto del motore, quindi fallo girare.Puntalo contro il contagiri.Puntando un laser sulla superficie e misurando i cambiamenti nella luce restituita mentre il segno passa, può determinare l'RPM.

Un'idea per un approccio potrebbe essere quella di registrare il suono prodotto dal motore e poi trasformare il segnale di Fourier.Il presupposto è che la frequenza che cerchi sarà ben visibile nello spettro di quel segnale.Ovviamente, non è chiaro se questa frequenza sia facilmente identificabile come sembra.

Stampa un disco simile a questo:

Attaccalo all'oggetto rotante e poi osservalo con una luce stroboscopica a 60 Hz.Determinando quali anelli sembrano fermati da uno strobo a 60 Hz, è possibile dedurre l'RPM dell'oggetto.

Come puoi vedere, l'anello interno ha 8 segmenti (4 bianchi, 4 neri), l'anello successivo ha 10 segmenti ecc. Se ruoti il disco di 90 gradi, il motivo sull'anello interno non si sarà spostato.Se ruoti il disco di 72 gradi, il motivo sull'anello successivo non si sarà spostato.Quindi, con uno strobo a 60 Hz, puoi trovare quale anello sembra essere fermo.Chiama il numero di segmenti in quell'anello N, quindi il disco deve essersi spostato di 720 / N gradi in 1/60 di secondo.sono 2 / N giri in 1/60 di secondo, quindi 7200 / N RPM.

Fai una ricerca sul web per "RPM stroboscopico stampabile" per maggiori dettagli.

Ho fatto questo esperimento esatto durante il fine settimana - descrizione dettagliata di seguito. Fondamentalmente ha coinvolto un puntatore laser, un fotodiodo, due resistenze, un transistor e un Arduino. Imposta il timer di Arduino per funzionare a 10 kHz, e l'uscita del fotodiodo (nell'ingresso di interrupt di Arduino) innesca una "lettura" del timer. Quando è trascorso almeno un secondo, si stampa il rapporto, si azzerano i contatori e si ricomincia. Funziona davvero bene su un'ampia gamma di RPM. In realtà l'ho usato per misurare lo spindown di un fidget spinner, per dimostrare che il processo non è lineare, il che dimostra che la resistenza dell'aria gioca un ruolo.

Ecco una foto del "setup" (sulla scrivania disordinata nella mia "tana"):

Una semplice scatola di cartone conteneva un fotodiodo a sinistra (20 pezzi per \ $ 4,99 su Amazon ^* ) e un piccolo diodo laser a destra (10 per \ $ 6,99 su Amazon). Potrei tenere uno spinner rotante nel raggio e Arduino farebbe il resto.

E una traccia dell'oscilloscopio del segnale: (un po 'sfocata - la scala è di 20 ms per divisione, quindi ci sono circa 30 interruzioni al secondo mentre ho scattato la foto)

Ovviamente è utile avere un mirino per impostare correttamente qualcosa del genere, ma se hai un puntatore laser puntato verso il tuo fotodiodo e un modo per interrompere correttamente il raggio mentre la ruota gira, hai un bel molto margine di manovra.

AGGIORNAMENTO

Ecco il codice Arduino che ho usato per creare il misuratore RPM:

  // codice per creare un misuratore RPM basato su un raggio ottico interrotto
tempo lungo = 0; // tempo dall'ultima misurazione
clic lunghi = 0; // interruzioni ottiche dall'ultima misurazione
tempo totale lungo = 0; // tempo totale trascorso dal ripristino

void setup () {
  // configura il pin 2 per l'ingresso:
  pinMode (2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt (0, reportTime, FALLING);

  // setup timer:
  cli (); // ferma gli interrupt

  // imposta l'interrupt del timer1 a 10 kHz
  TCCR1A = 0; // imposta l'intero registro TCCR1A a 0
TCCR1B = 0; // lo stesso per TCCR1B
  TCNT1 = 0; // inizializza il valore del contatore a 0;
  // imposta il conteggio del timer per incrementi di 10 khz
  OCR1A = 199; // = (16 * 10 ^ 6) / (10000 * 8) - 1
  // attiva la modalità CTC
  TCCR1B | = (1 << WGM12);
  // Imposta bit CS11 per 8 prescaler
  TCCR1B | = (1 << CS11);
  // abilita l'interrupt di confronto del timer
  TIMSK1 | = (1 << OCIE1A);

  sei (); // consenti interruzioni
  // FINE IMPOSTAZIONE TIMER

  // attiva la porta seriale a 9600 baud:
  Serial.begin (9600);
}

void loop () {
// niente qui - tutto è interrotto
}

void reportTime () {
  click ++;
  if (time > 10000) {
    // è trascorso almeno un secondo intero
    totaltime + = tempo;
    Serial.print (totaltime);
    Serial.print ("\ t: \ t");
    Serial.print (600000 * click / float (time));
    Serial.write ("rpm \ r \ n");
    tempo = 0;
    clic = 0;
  }
}

ISR (TIMER1_COMPA_vect) {
  // Interrompi alla frequenza di 10 kHz
  time ++;
}
 

Lo schema del circuito è semplicissimo. Ho collegato un'alimentazione a 5 V al modulo del diodo laser (che ha il proprio regolatore di corrente interno); è possibile che possa funzionare con Arduino 5 V (ci vogliono solo 10 mA) ma non l'ho provato. Il pickup ottico è stato realizzato con questo circuito:

Quando il diodo è illuminato, la corrente viene suddivisa tra R1 e la base del transistor. Una volta che la tensione su R1 raggiunge 0,6 volt, il transistor si "accenderà" e trarrà corrente dal collettore. Questo abbassa il segnale che è collegato al pin 2 (utilizzando il pullup interno di Arduino). Quando il raggio viene interrotto, la corrente viene ridotta e il transistor si spegne. Attivare "on" (tirare verso il basso) è molto più veloce che "disattivare" con questo circuito, quindi attiviamo il fronte di discesa. Puoi rendere il circuito più sensibile aumentando R1: più è grande, minore è il livello di luce necessario per l'attivazione. Ma diventa anche più sensibile alla luce ambientale e la risposta è più lenta. Con il diodo laser, ho scoperto che 420 Ohm era un buon valore: risposta rapida, insensibile alla luce ambientale. Ma questo è sicuramente un valore con cui giocare.

Ho testato il circuito a frequenze fino a 1 MHz (pilotando il laser con un generatore di segnali con un'onda quadra), ed è andato tutto bene, quindi il tempo di risposta è ben al di sotto di 1 us. Questo dovrebbe renderlo abbastanza veloce per molte applicazioni.

Un esempio di utilizzo di questo per misurare l'RPM di un fidget spinner:

Ci sono 3 interruzioni per giro sullo spinner e non ho problemi a misurare 1200 giri / min (3600 interruzioni al minuto = 60 al secondo). Guidando il laser con un generatore di segnali, sono stato in grado di andare molto più veloce ... fino a 30 kHz. A quel punto, c'è un po 'di overflow nel programma ei numeri non hanno senso (sospetto che Arduino non sia abbastanza veloce da gestire 10.000 interruzioni di clock e 30.000 interruzioni ottiche; alcune modifiche al ridimensionamento potrebbero estendere l'intervallo, ma tu non ne avrà bisogno per la maggior parte degli scopi).

Facendo funzionare il laser a 1 kHz, vedevo 59988 rpm - che ovviamente è "60.000" con qualche errore di arrotondamento numerico (o l'orologio di Arduino non è esattamente 16 MHz, o ...), quindi va bene.Quando spingi troppo il circuito, le interruzioni si ostacoleranno a vicenda.La lettura "corretta" più alta che ho ottenuto è stata con 3 kHz in ingresso, 179904 rpm in uscita.Dovrebbe essere abbastanza buono per la maggior parte delle applicazioni ... Anche una ruota di bicicletta (con 32 raggi) che fa 100 giri al secondo (circa 2/3 della velocità del suono) potrebbe essere cronometrata con questo.Ovviamente la ruota si spezzerebbe molto prima di raggiungere quella velocità ...

^* Non sono affiliato con Amazon o le società che producono questi componenti;volevo solo aiutarti a trovare queste parti

Collega il tuo motore a un riduttore.Misurare la velocità angolare dell'uscita e moltiplicare per il rapporto di riduzione per ottenere la velocità angolare originale.

Tieni presente che le persone attualmente stampano in 3-d 11 milioni: 1 o miliardi: 1 riduttori. Esempio.Inoltre, l'uscita di un cambio può essere l'ingresso per quello successivo (sebbene si dovrebbe essere consapevoli delle perdite per attrito e della coppia minima richiesta), quindi la velocità angolare del motore ridicolmente veloce può essere ridotta a un'uscita essenzialmente stazionaria.

Collega un motore CC e misura il suo EMF, tracciando la tensione misurata sui collegamenti che normalmente alimenteresti il motore CC, se lo avessi usato come motore.

La maggior parte dei semplici motori a corrente continua ha 3 bobine, quindi su un oscilloscopio vedrai qualcosa di simile all'assoluto di un seno, dove tre di queste "colline" corrisponderanno a un giro completo.

Probabilmente è molto più semplice da installare rispetto a un cambio e avrai molti meno problemi con l'attrito, soprattutto se la velocità è davvero elevata.

Il mio primo tentativo sarebbe un video al rallentatore sul mio smartphone, conta i giri per 10 secondi e moltiplicalo per 6 per avere un'idea). Tuttavia, i framerate potrebbero essere troppo bassi per te.(C'è un nuovo smartphone Sony con una sbavatura di 1000 fotogrammi al secondo, ovvero 60.000 fotogrammi al minuto. Il Samsung S5 ha 120 fps.).

La mia opinione su questa domanda si basa su questo video.L'idea alla base di questo è che se riesci a trasferire la velocità angolare dal motore a un disco rotante e crei il setup dal video, puoi, in base alla geometria del setup e alla velocità di precessione, calcolare la velocità angolare delil motore.

Il calcolo può essere trovato qui, pagine 4-6, problema Soluzione del giroscopio sospeso con problemi di tabella W14D3-2 .Alla fine del problema hai la seguente formula dove tutti i parametri sono definiti nel documento:

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

Per il tuo scenario, puoi utilizzare la formula precedente, ma per calcolare $ \ omega_s $ misurando $ \ Omega $.

Spero che questo aggiunga una prospettiva diversa al problema rispetto a quanto suggerito finora.

Come si è visto, ci sono dozzine di esperimenti che potrebbero aiutarti, ma un modo più semplice e abbastanza accurato può essere quello di attaccare una luce molto piccola in qualsiasi punto casuale della ruota e accenderla.Quindi puoi far girare la ruota al numero di giri desiderato e attaccare una sorta di sensore di luce ad alta intensità (uguale alla piccola luce attaccata alla tua ruota).Quindi il sensore può contare, in quanto tempo è stata rilevata la luce di una determinata intensità, è possibile modificarla in modo tale che ogni volta che viene rilevato un raggio di luce di una determinata intensità, il sensore lo contrassegni con un segnale acustico e conteggi il numero totale dibip.