Il existe un moyen très intéressant de trouver la vitesse angulaire d'une roue qui tourne si vite que vous ne pouvez pas mesurer en utilisant une horloge. Nous utiliserons une lumière stroboscopique (une lumière qui clignote et s'éteint à plusieurs reprises) et un concept très intéressant connu sous le nom d ' effet Wagon Wheel dans des conditions stroboscopiques.

Un peu sur le concept:

L'effet Wagon Wheel est un phénomène dans lequel une roue qui tourne peut sembler immobile sous une lumière stroboscopique. La raison pour laquelle cela se produit est assez simple, la fréquence de rotation du rouet est un multiple entier de la fréquence d'allumage et d'extinction de la lumière stroboscopique. En conséquence, chaque fois que la lumière stroboscopique clignote, la roue revient dans la même position qu'avant. Cela crée l'illusion que la roue était stationnaire.

Mais comment allons-nous utiliser ce concept pour trouver le régime d'un rouet? Découvrons-le.

L'expérience:

Vous n'aurez besoin que d'une lumière stroboscopique (vous pouvez télécharger des applications de lumière stroboscopique pour Android et probablement aussi pour iOS) et de votre rouet. Dans cette réponse, j'utiliserai un fidget spinner pour démontrer.

Gardez la pièce aussi sombre que possible et mettez votre roue en mouvement. Allumez la lumière stroboscopique et commencez avec une fréquence de flash élevée et réduisez progressivement la fréquence jusqu'à ce que vous voyiez la roue devenir stationnaire. Nous faisons cela parce que nous ne voulons pas que d'autres multiples entiers de la fréquence correspondent à la roue qui tourne.

Notez la fréquence de la lumière stroboscopique $ \ nu $ . Dans mon cas, le spinner fidget semble stationnaire à une fréquence de 13,3 Hz. Comme nous l'avons mentionné précédemment, la roue n'apparaît stationnaire que lorsque les fréquences correspondent. Ainsi, la fréquence de la lumière stroboscopique est la fréquence de rotation de la roue. Donc, je peux dire que mon fidget spinner fait 13,3 tours par seconde. Et bien sûr, son rpm serait de 798.

J'espère que vous avez apprécié cette expérience amusante.Si vous avez des questions, veuillez les déposer dans les commentaires.Si vous avez une meilleure façon de trouver la vitesse angulaire, n'hésitez pas à écrire une réponse.

Un tachymètre laser:

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

Faites une marque en un point sur le moteur, puis faites-le tourner.Pointez le tachymètre vers lui.En projetant un laser sur la surface et en mesurant les changements de lumière renvoyée au passage de la marque, il peut déterminer le régime.

Une idée pour une approche peut être d'enregistrer le son produit par le moteur, puis de transformer ce signal de Fourier.L'hypothèse est que la fréquence que vous recherchez sera bien visible dans le spectre de ce signal.Bien sûr, il n'est pas clair si cette fréquence est aussi facilement identifiable qu'il y paraît.

Imprimez un disque qui ressemble à ceci:

Attachez-le à l'objet en rotation, puis observez-le avec une lumière stroboscopique à 60 Hz.En déterminant quelles sonneries semblent être arrêtées par un stroboscope à 60 Hz, vous pouvez déduire le régime de l'objet.

Comme vous pouvez le voir, la bague intérieure a 8 segments (4 blancs, 4 noirs), la bague suivante a 10 segments etc. Si vous faites pivoter le disque de 90 degrés, le motif de la bague intérieure ne s'est pas déplacé.Si vous faites pivoter le disque de 72 degrés, le motif de l'anneau suivant n'aura pas changé.Ainsi, avec un stroboscope à 60 Hz, vous pouvez trouver la sonnerie qui semble stationnaire.Appelez le nombre de segments de cet anneau N, puis le disque doit avoir bougé de 720 / N degrés en 1 / 60e de seconde.c'est 2 / N tours en 1 / 60'e de seconde, donc 7200 / N RPM.

Effectuez une recherche sur le Web pour "RPM stroboscopique imprimable" pour plus de détails.

Il se trouve que j'ai fait cette expérience exacte au cours du week-end - description détaillée ci-dessous. Fondamentalement, il s'agissait d'un pointeur laser, d'une photodiode, de deux résistances, d'un transistor et d'un Arduino. Réglez la minuterie Arduino pour qu'elle fonctionne à 10 kHz, et la sortie de la photodiode (dans l'entrée d'interruption de l'Arduino) déclenche une «lecture» de la minuterie. Lorsqu'au moins une seconde s'est écoulée, vous imprimez le rapport, réinitialisez les compteurs et recommencez. Fonctionne très bien sur une large plage de régime. Je l'ai en fait utilisé pour mesurer la rotation d'un spinner fidget - pour démontrer que le processus est non linéaire, ce qui prouve que la traînée de l'air joue un rôle.

Voici une image de la "configuration" (sur le bureau en désordre dans ma "tanière"):

Une simple boîte en carton contenait une diode photo à gauche (20 pièces pour \ 4,99 $ sur Amazon ^* ), et une petite diode laser à droite (10 pour \ 6,99 $ sur Amazon). Je pourrais tenir un spinner fidget rotatif dans le faisceau, et l'Arduino ferait le reste.

Et une trace de portée du signal: (un peu floue - l'échelle est de 20 ms par division, donc il y a environ 30 interruptions par seconde lorsque j'ai pris la photo)

De toute évidence, il est utile d'avoir une lunette pour régler correctement quelque chose comme ça - mais si vous avez un pointeur laser pointé vers votre photodiode et un moyen d'interrompre correctement le faisceau lorsque la roue tourne, vous avez tout à fait un beaucoup de marge de manœuvre.

MISE À JOUR

Voici le code Arduino que j'ai utilisé pour créer le compteur RPM:

  // code pour créer un compteur RPM basé sur un faisceau optique interrompu
longue durée = 0; // temps depuis la dernière mesure
clics longs = 0; // interruptions optiques depuis la dernière mesure
temps total long = 0; // temps total écoulé depuis la réinitialisation

void setup() {
  // configurer la broche 2 pour l'entrée:
  pinMode (2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt (0, reportTime, FALLING);

  // configuration de la minuterie:
  cli (); // arrêter les interruptions

  // règle l'interruption du timer1 à 10 kHz
  TCCR1A = 0; // met tout le registre TCCR1A à 0
TCCR1B = 0; // idem pour TCCR1B
  TCNT1 = 0; // initialise la valeur du compteur à 0;
  // définir le compte de la minuterie pour des incréments de 10 kHz
  OCR1A = 199; // = (16 * 10 ^ 6) / (10000 * 8) - 1
  // activer le mode CTC
  TCCR1B | = (1 << WGM12);
  // Définit le bit CS11 pour 8 prescaler
  TCCR1B | = (1 << CS11);
  // activer la minuterie de comparaison d'interruption
  TIMSK1 | = (1 << OCIE1A);

  sei (); // autorise les interruptions
  // FIN DE LA CONFIGURATION DE LA MINUTERIE

  // activer le port série à 9600 bauds:
  Serial.begin (9600);
}

boucle void () {
// rien ici - tout est interrompu
}

void reportTime () {
  clics ++;
  if (heure > 10000) {
    // au moins une seconde complète s'est écoulée
    totaltime + = temps;
    Serial.print (temps total);
    Serial.print ("\ t: \ t");
    Serial.print (600000 * clics / float (temps));
    Serial.write ("rpm \ r \ n");
    temps = 0;
    clics = 0;
  }
}

ISR (TIMER1_COMPA_vect) {
  // Interruption à une fréquence de 10 kHz
  time ++;
}
 

Le schéma de circuit est super simple. J'ai connecté une alimentation 5 V au module de diode laser (qui a son propre régulateur de courant interne); il est possible qu'il puisse fonctionner avec l'Arduino 5 V (cela ne prend que 10 mA) mais je n'ai pas essayé cela. Le capteur optique a été fait avec ce circuit:

Lorsque la diode est allumée, le courant est partagé entre R1 et la base du transistor. Une fois que la tension aux bornes de R1 atteint 0,6 volts, le transistor «s'allumera» et tirera le courant du collecteur. Cela réduit le signal connecté à la broche 2 (en utilisant le pullup interne de l'Arduino). Lorsque le faisceau est interrompu, le courant est réduit et le transistor se bloque. Mettre "on" (tirer vers le bas) est beaucoup plus rapide que "off" avec ce circuit, donc nous déclenchons le front descendant. Vous pouvez rendre le circuit plus sensible en augmentant R1 - plus il est grand, plus le niveau de lumière nécessaire au déclenchement est petit. Mais il devient également plus sensible à la lumière ambiante et la réponse est plus lente. Avec la diode laser, j'ai trouvé que 420 Ohm était une bonne valeur: réponse rapide, insensible à la lumière ambiante. Mais c'est définitivement une valeur avec laquelle jouer.

J'ai testé le circuit à des fréquences allant jusqu'à 1 MHz (pilotant le laser avec un générateur de signal avec une onde carrée), et tout allait bien - le temps de réponse est donc bien inférieur à 1 us. Cela devrait le rendre assez rapide pour de nombreuses applications.

Un exemple d'utilisation de ceci pour mesurer le RPM d'un spinner fidget:

Il y a 3 interruptions par tour sur le spinner - et je n'ai aucun problème à mesurer 1200 tr / min (3600 interruptions par minute = 60 par seconde). En pilotant le laser avec un générateur de signaux, j'ai pu aller beaucoup plus vite ... jusqu'à 30 kHz. À ce stade, il y a un certain débordement dans le programme et les chiffres sont absurdes (je soupçonne que l'Arduino n'est pas assez rapide pour traiter 10000 interruptions d'horloge et 30000 interruptions optiques; certaines modifications de la mise à l'échelle peuvent étendre la plage, mais vous n'en aura pas besoin dans la plupart des cas).

En exécutant le laser à 1 kHz, je voyais 59988 tr / min - c'est évidemment "60 000" avec une erreur d'arrondi numérique (ou l'horloge sur l'Arduino n'est pas exactement 16 MHz, ou ...), donc c'est bien.Lorsque vous poussez le circuit trop fort, les interruptions se gênent mutuellement.La lecture "correcte" la plus élevée que j'ai obtenue était avec une entrée de 3 kHz, une sortie de 179904 tr / min.Cela devrait suffire pour la plupart des applications ... Même une roue de vélo (avec 32 rayons) faisant 100 tours par seconde (environ 2/3 de la vitesse du son) pourrait être chronométrée avec cela.Bien sûr, la roue se déchirerait bien avant d'atteindre cette vitesse ...

^* Je ne suis pas affilié à Amazon ou aux sociétés fabriquant ces composants;je voulais juste vous faciliter la recherche de telles pièces

Fixez votre moteur à un réducteur.Mesurez la vitesse angulaire de la sortie et multipliez par le rapport de réduction pour obtenir la vitesse angulaire d'origine.

Notez que les gens impriment actuellement en 3D des réducteurs à 11 millions: 1 ou milliards: 1. Exemple.En outre, la sortie d'une boîte de vitesses peut être l'entrée de la suivante (bien qu'il faille être conscient des pertes par frottement et du couple minimal requis), de sorte que la vitesse angulaire du moteur ridiculement rapide peut être réduite à une sortie essentiellement stationnaire.

Branchez un moteur à courant continu et mesurez son EMF, en traçant la tension que vous mesurez aux connexions que vous fourniriez généralement au moteur à courant continu, si vous l'aviez utilisé comme moteur.

La plupart des moteurs à courant continu simples ont 3 bobines, donc sur un oscilloscope, vous verrez quelque chose de similaire à l'absolu d'un sinus, où trois de ces "collines" correspondront à une révolution complète.

C'est probablement beaucoup plus simple à installer qu'une boîte de vitesses, et vous aurez beaucoup moins de problèmes de friction surtout si la vitesse est vraiment rapide.

Ma première tentative serait une vidéo au ralenti sur mon smartphone, compter les révolutions pendant 10 secondes et la multiplier par 6 pour avoir une idée). Les fréquences d'images peuvent cependant être trop faibles pour vous.(Il existe un nouveau smartphone Sony avec 1 000 images par seconde bave , soit 60 000 images par minute. Le Samsung S5 a 120 images par seconde.)

Mon opinion sur cette question est basée sur cette vidéo.L'idée derrière cela est que si vous parvenez à transférer la vitesse angulaire du moteur vers un disque rotatif et à créer la configuration à partir de la vidéo, vous pouvez, en fonction de la géométrie de la configuration et de la vitesse de précession, calculer la vitesse angulaire dumoteur.

Le calcul peut être trouvé ici, pages 4-6, problème W14D3-2 Table Problème Solution Gyroscope Suspendu .A la fin du problème vous avez la formule suivante où tous les paramètres sont définis dans le document:

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

Pour votre scénario, vous pouvez utiliser la formule ci-dessus, mais pour calculer $ \ omega_s $ en mesurant $ \ Omega $.

J'espère que cela ajoute une perspective différente au problème que ce qui a été suggéré jusqu'à présent.

Comme on le voit, il existe des dizaines d'expériences qui pourraient vous aider, mais un moyen plus simple et assez précis peut être de fixer une très petite lumière à n'importe quel point aléatoire de la roue et de l'allumer.Ensuite, vous pouvez faire tourner la roue à votre régime désiré et y attacher une sorte de capteur de lumière d'une intensité élevée (égale à la petite lumière fixée sur votre roue).Ensuite, le capteur peut compter, combien de temps la lumière d'une intensité donnée a été détectée, vous pouvez la modifier de telle sorte que chaque fois qu'un faisceau lumineux d'intensité donnée est détecté, le capteur le marque avec un bip et compte le nombre total debip.