第十章转速与功率测量_机械工程测试技术

1、机械工程测试技术机械工程测试技术 转速与功率测量（转速与功率测量（2） 第十章第十章 内容内容 1、转速测量、转速测量 2、功率测量、功率测量 3、测功器的应用、测功器的应用 重点重点：掌握各种转速与功率测量方法的原理、特掌握各种转速与功率测量方法的原理、特 点及应用场合点及应用场合 n接触式测量：直接接触被测轴接触式测量：直接接触被测轴 离心式转速表离心式转速表 磁性转速表磁性转速表 测速发电机测速发电机 n非接触测量：不必接触被测轴非接触测量：不必接触被测轴 磁电式磁电式 光电式光电式 霍尔式霍尔式 1 1、转速测量、转速测量 磁电式测速磁电式测速 n电磁学原理：磁通变化产生感应电动势电磁

2、学原理：磁通变化产生感应电动势 n实际应用实际应用 测旋转轴的转速测旋转轴的转速单位时间内的脉冲数除以齿数单位时间内的脉冲数除以齿数 1 1、转速测量、转速测量 dt d Ne 磁阻周期性变化，改变磁通量，感应电磁阻周期性变化，改变磁通量，感应电 动势动势 感应电压取决于感应电压取决于 转速转速/ /齿数齿数 探头端面距齿顶间隙（成反比）探头端面距齿顶间隙（成反比） 齿轮或转轴为非导磁材料时可否测量？齿轮或转轴为非导磁材料时可否测量？ N S 磁电式测速磁电式测速 n磁电式传感器优点磁电式传感器优点 能直接测量角速度能直接测量角速度 输出功率较大，并可用于远距离测量输出功率较大，并可用于远距离

3、测量 结构简单，工作可靠结构简单，工作可靠 n磁电式传感器缺点磁电式传感器缺点 不宜在高温及强磁场环境下工作不宜在高温及强磁场环境下工作 低速时信号弱，故不宜测低转速低速时信号弱，故不宜测低转速 对转轴有一定阻力矩，不宜测小扭矩对转轴有一定阻力矩，不宜测小扭矩 轴。为什么？轴。为什么？ 1 1、转速测量、转速测量 非磁性材料上感生信号的方法非磁性材料上感生信号的方法 传感器传感器 传感器传感器 钢片钢片 钢片钢片 非磁性轴非磁性轴 非磁性轴非磁性轴 光电式测速光电式测速 n测量原理测量原理 通过敏感元件来通过敏感元件来控制照于光电元件光通量的强弱控制照于光电元件光通量的强弱，从而产生与被，从而

4、产生与被 测轴转速成比例的电脉冲信号，再转化成相应的转速值测轴转速成比例的电脉冲信号，再转化成相应的转速值 n实际应用实际应用 反射式光电传感器反射式光电传感器 透射式光电传感器透射式光电传感器 n优点优点 测速范围可达每分钟几十万转测速范围可达每分钟几十万转 对被测轴无干扰对被测轴无干扰 1 1、转速测量、转速测量 光源光源 光电元件光电元件 转轴转轴 反光面反光面 透镜透镜透镜透镜 透镜透镜半透反光膜半透反光膜 转转 轴轴 多孔圆盘多孔圆盘 光光 源源 光电元件光电元件 支支 架架 转速较低时是否存在信号弱问题？转速较低时是否存在信号弱问题？ 光电式测速光电式测速 nDT-2234BDT-

5、2234B非接触转速表非接触转速表 1 1、转速测量、转速测量 量程量程599,999RPM 分辨率分辨率RPM 0.1RPM1,000RPM 1RPM1,000RPM 显示显示 5位，LCD，字高10mm 精度精度 (0.05%+1位) 采样时间采样时间 1秒(60 RPM)，晶振 探测距离探测距离 50150mm,最大300 mm由环境光线而定 电路电路 LSI专用单片微机集成电路 电池电池 1.5V AA 电池,4节 工作温度工作温度 050 记忆记忆 当前值、最大值、最小值 尺寸尺寸 1907237 mm 重量重量 250克 霍尔式测速霍尔式测速 n测量原理测量原理: :霍尔效应霍尔效

6、应 n实际应用实际应用: :转子上的凸齿交替经过永久磁铁的空隙转子上的凸齿交替经过永久磁铁的空隙改改变磁场变磁场 霍尔元件（半导体材料）上霍尔元件（半导体材料）上霍尔电压霍尔电压 n特点：特点：保证在很低的速度下都有很强的信号保证在很低的速度下都有很强的信号 n结构：结构：根据待测对象结构特点，设计磁场和霍尔元件根据待测对象结构特点，设计磁场和霍尔元件 1 1、转速测量、转速测量 HH UBK I 霍尔式测速霍尔式测速 n角速度角速度测量测量 1 1、转速测量、转速测量 脉冲脉冲 计数器计数器 转盘转盘 小磁钢小磁钢 霍尔传感器霍尔传感器 开关型霍尔传感器（开关型霍尔传感器（OCH41OCH4

7、1） 输入频率输入频率:0:020KHz20KHz 输出信号输出信号:0:020V20V矩形脉冲矩形脉冲 使用温度范围使用温度范围:-40:-40125125 工作电源工作电源:12V:12V24VDC/20mA24VDC/20mA 推荐安装间隙推荐安装间隙0.80.81.2 mm1.2 mm 数字式频率计数字式频率计测量频率和时间的仪器测量频率和时间的仪器 n频率测量频率测量提取转速信号的主频提取转速信号的主频 标准的时基标准的时基计数闸门时间计数闸门时间T T 在在T T内计数为内计数为N N 每转每转m m个脉冲，则转速为个脉冲，则转速为n n 1 1、转速测量、转速测量 放大放大 整形

8、整形 计数计数 闸门闸门 频率频率 显示显示 控制控制 电路电路 振荡器振荡器 时基分频器时基分频器 f f K Tn T mT N n.60 被测信号f 闸门时间T T 数字式频率计数字式频率计测量频率和时间的仪器测量频率和时间的仪器 n周期测量周期测量低速低速 转速信号转速信号计数闸门时间计数闸门时间T T 选择时基（高频信号）周期选择时基（高频信号）周期T T0 0 计数计数 在在T T内计数为内计数为N NT TN.N.T T0 0 每转每转m m个脉冲，则转速为个脉冲，则转速为n n 1 1、转速测量、转速测量 放大放大 整形整形 计数计数 闸门闸门 频率频率 显示显示 控制控制 电

9、路电路 f f 时基分时基分 频器频器 K Tn T 振荡器振荡器 0 1 60 mNT n 被测信号T T 时基信号T0 T0 数字式频率计数字式频率计测量频率和时间的仪器测量频率和时间的仪器 1 1、转速测量、转速测量 GFC-8010H GFC-8010H 数字频率计数字频率计 提供频率与周期量测提供频率与周期量测 频率范围：频率范围：1Hz 120MHz1Hz 120MHz 8 8 位数位数 0.3 LED 0.3 LED 显示显示 Over-Flow Over-Flow 指示灯指示灯 高稳定时基：高稳定时基：5ppm5ppm 具低通滤波器功能具低通滤波器功能 闪光测速仪闪光测速仪 n

10、测量原理测量原理视觉暂留现象视觉暂留现象 在短时间内（在短时间内（1/151/20s1/151/20s），人眼有），人眼有保持已经从视野中消失的物保持已经从视野中消失的物 体形象的能力体形象的能力 利用一个频率可调的闪光，照射转轴利用一个频率可调的闪光，照射转轴/ /盘上盘上标记标记，当转速，当转速n n与闪光与闪光 频率频率f f相等或成一个相等或成一个倍数倍数时，转轴时，转轴/ /盘上标记在视觉中就会呈现静盘上标记在视觉中就会呈现静 止不动的状态，由此可测出被测转速止不动的状态，由此可测出被测转速 n使用特点：使用特点：不接触测量物体、测量精度高、量程范围宽不接触测量物体、测量精度高、量程

11、范围宽( (几十万转几十万转) ) 1 1、转速测量、转速测量 0 1 60 mNT n 原标记图样原标记图样 nf单定象单定象 nNf单定象单定象 nf/N重定象重定象 nf同向转同向转 nf反向转反向转 数字式频闪仪数字式频闪仪 1 1、转速测量、转速测量 DT2239A DT2239A 闪频仪闪频仪 显示显示: 4: 4位超大屏幕液晶显示带背位超大屏幕液晶显示带背 光光 速度范围速度范围: 60: 609,999RPM 9,999RPM 测试精度：测试精度：0.05% 0.05% 分辨率：分辨率：1000RPM1000RPM：0.1RPM0.1RPM 1000RPM1000RPM：1RP

12、M1RPM 电源：电源：4 41.5V AA 1.5V AA 电池电池 外型尺寸外型尺寸: 220: 220949474mm 74mm 机械式转速表机械式转速表 n离心式转速表离心式转速表 利用离心力大小与转速的平方成正比利用离心力大小与转速的平方成正比 原理测量原理测量 n特点特点 结构简单、使用方便、价格便宜结构简单、使用方便、价格便宜 精度低，且在测量中会精度低，且在测量中会消耗消耗部分功率部分功率 测量误差为测量误差为1 1 测速范围为测速范围为30r/min30r/min20000r/min20000r/min 1 1、转速测量、转速测量 22 ) 60 2 ( n mrmrF 滑块

13、滑块 转轴转轴 齿条齿条 指针指针 弹簧弹簧 重块重块 m 磁性转速表磁性转速表 n利用磁力原理的机械式转速表利用磁力原理的机械式转速表 利用转轴上的永磁体，产生利用转轴上的永磁体，产生旋转磁场旋转磁场，在外边的，在外边的金属罩金属罩上产生涡上产生涡 流，继而产生电磁旋转力，于游丝的反作用力矩相平衡，并带流，继而产生电磁旋转力，于游丝的反作用力矩相平衡，并带 动指针指示出相应的被测转速动指针指示出相应的被测转速 1 1、转速测量、转速测量 发电式转速表发电式转速表 n原理：原理：测速发电机显示仪器测速发电机显示仪器 测速发电机的转子与被测轴相连接，当测速发电机的转子随被测速发电机的转子与被测轴

14、相连接，当测速发电机的转子随被 测轴一起转动并切割磁力线时，在转子线圈中就测轴一起转动并切割磁力线时，在转子线圈中就感应电动势感应电动势 n特点特点 测速电机容易受环境温度、湿度干扰，精度测速电机容易受环境温度、湿度干扰，精度1%-2%1%-2% 测速范围小于测速范围小于10000 r/min10000 r/min 反应快、信号易于采集记录，主要用于瞬变转速测量反应快、信号易于采集记录，主要用于瞬变转速测量 1 1、转速测量、转速测量 NnKE 发电式转速表发电式转速表 1 1、转速测量、转速测量 ZYS型永磁直流测速发电机型永磁直流测速发电机 测量旋转体的转速，亦可用作转速反馈测速元件测量旋

15、转体的转速，亦可用作转速反馈测速元件 输出电压与转速成线性，正反方向的输出特性对称输出电压与转速成线性，正反方向的输出特性对称 精度高，重量轻，尺寸小精度高，重量轻，尺寸小 一般方法一般方法 发电装置功率发电装置功率(W)(W) 电压电压V V与电流与电流I I的乘积的乘积 加工机械切削功率加工机械切削功率(kW)(kW) 切削力切削力F Fz z和切削速度和切削速度v v的乘积的乘积 V V切削速度（切削速度（m/sm/s） ，F Fz z切削力（切削力（N N） 动力机械的轴功率动力机械的轴功率(kW)(kW) 转速转速n n与输出与输出扭矩扭矩M Me e的乘积的乘积 M Me e扭矩（

16、扭矩（m.Nm.N） 2 2、功率测量、功率测量 VIKN e . 3 10. vFN Ze 3 1060 2 . nM MN e ee 扭矩测量扭矩测量 扭矩：使物体扭矩：使物体/轴发生转动的力轴发生转动的力力力x力矩力矩 单位：牛单位：牛.米米(N.m)、公斤、公斤.米米(kg.m) n敏感元件敏感元件 扭矩作用下扭矩作用下敏感元件敏感元件扭转变形扭转变形 测量轴测量轴 特制的联轴节特制的联轴节 传动轴传动轴 n测量扭矩方法测量扭矩方法 测量扭转角测量扭转角 测量轴表面切应力测量轴表面切应力 2 2、功率测量、功率测量 扭矩测量扭矩测量 n应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 原理：应变原理原

17、理：应变原理 R1、R2变化相反变化相反 R1、R3变化相同、变化相同、R2、R4变化相同变化相同 电桥测量电桥测量 关键技术：旋转体上电信号的传递关键技术：旋转体上电信号的传递 集流环传递集流环传递 无线传递无线传递 2 2、功率测量、功率测量 扭矩测量扭矩测量 n应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 水银槽式集流环：水银槽式集流环：水银水银 适用于高速转轴的扭矩测量适用于高速转轴的扭矩测量 径向刷式集流环：滑环径向刷式集流环：滑环电刷电刷 一般一般低速低速应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 端面刷式集流环：滑环端面刷式集流环：滑环电刷电刷 大直径轴、转速较高轴的测扭大直径轴、转速较高轴的测扭 2

18、 2、功率测量、功率测量 水银槽式集流环水银槽式集流环 引线引线 扭力轴扭力轴应变片应变片 内运动环内运动环 水银层水银层 绝缘层绝缘层 外固定环外固定环 旋转旋转 轴轴 滑环滑环 电刷电刷 绝缘层绝缘层 固定套固定套 端面刷式集流环端面刷式集流环 扭矩测量扭矩测量 n应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 2 2、功率测量、功率测量 弹性轴、测量电桥、信号处理、数字发射、接收解调、接口电路弹性轴、测量电桥、信号处理、数字发射、接收解调、接口电路 扭矩测量扭矩测量 n应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 2 2、功率测量、功率测量 02600260动态扭矩传感器动态扭矩传感器 量程：量程：0.20.2、

19、0.50.5、1 1、2 2、5 5、1010、2020、50 Nm50 Nm 100100、200200、500500、10001000、20002000、5000 Nm5000 Nm 精度：精度：0.10.1 （满量程）（满量程）（0.050.05可选）可选） 安装方式：轴安装方式：轴 扭矩信号：扭矩信号：5Vdc5Vdc 信号传输：非接触式信号传输：非接触式 最高转速：最高转速：50,000 RPM50,000 RPM 转速转速/ /转角信号：转角信号：60/360 60/360 脉冲脉冲/ /转转 扭矩测量扭矩测量 n相位差式扭矩传感器相位差式扭矩传感器 原理原理 在弹性变形范围内，中

20、间轴上相隔一定长度的两截面上所在弹性变形范围内，中间轴上相隔一定长度的两截面上所 产生扭转角的相位差产生扭转角的相位差与扭矩与扭矩MeMe成正比成正比 2 2、功率测量、功率测量 在在受扭轴受扭轴的两端各安上一个齿轮，对着齿面再各装一个磁电传感器的两端各安上一个齿轮，对着齿面再各装一个磁电传感器 传感器上感应出两个与动力轴非接触的交流信号传感器上感应出两个与动力轴非接触的交流信号 求出其信号的相位差求出其信号的相位差 扭矩测量扭矩测量 n相位差式扭矩传感器相位差式扭矩传感器 在不承受扭矩时，两光栅的明暗区正好互相遮挡，光源的在不承受扭矩时，两光栅的明暗区正好互相遮挡，光源的 光线没有透过光栅照

21、射到光敏元件上，无输出信号。光线没有透过光栅照射到光敏元件上，无输出信号。 当转轴受扭矩后，转轴变形将使两光栅出现相对转角，部当转轴受扭矩后，转轴变形将使两光栅出现相对转角，部 份光线透过光栅照射到光敏元件上产生输出信号。份光线透过光栅照射到光敏元件上产生输出信号。扭矩愈扭矩愈 大，扭转角愈大，穿过光栅的光通量愈大大，扭转角愈大，穿过光栅的光通量愈大，输出信号愈大。，输出信号愈大。 2 2、功率测量、功率测量 光源光源 光敏光敏 传感器传感器 弹性转轴弹性转轴 圆盘圆盘 光栅光栅 驱驱/ /发动机的有效功率：驱动轴上所发出的功率发动机的有效功率：驱动轴上所发出的功率 测量方案：测量方案： 驱动

22、轴上的有效扭矩驱动轴上的有效扭矩 驱动机的转速驱动机的转速 n吸收式测功器吸收式测功器 扭矩和转速测量扭矩和转速测量 吸收吸收驱动机所发出的功率驱动机所发出的功率负载负载 常用吸收式测功器常用吸收式测功器 水力测功器水力测功器 电力测功器电力测功器 电涡流测功器电涡流测功器 3 3、测功器应用、测功器应用 n水力测功器水力测功器 利用物体在水中运动所受到的利用物体在水中运动所受到的阻力阻力，来对输出功率的，来对输出功率的 动力机械动力机械施加反扭矩施加反扭矩，从而，从而吸收吸收功率功率 3 3、测功器应用、测功器应用 驱动轴驱动轴 23 4 6 7 1 5 h 出水阀出水阀 进水阀进水阀 外壳

23、外壳 滚动滚动 轴承轴承 转轴转轴 定搅棒定搅棒 动搅动搅 棒棒 水环水环 转轴转动转轴转动动搅棒动搅棒划水划水离心力离心力形成水环形成水环传传扭扭到外壳到外壳 力臂摆动力臂摆动测力测力读数读数 定搅棒定搅棒+ +水：吸收功率水：吸收功率 8 9 10力臂力臂 测力测力 机构机构 表盘表盘 外壳外壳 n水力测功器水力测功器 测功器的特性曲线：测功器的特性曲线：吸收功与水层厚度有关吸收功与水层厚度有关 包围区域表示测功器所能包围区域表示测功器所能吸收功率吸收功率范围范围 OAOA段段最大水层厚度线最大水层厚度线(h(hmax max) ) ABAB段段最大制动扭矩线最大制动扭矩线 BCBC段段等

24、功率曲线等功率曲线 CDCD段段最高转速线最高转速线 DODO段段空载线（空载线（h=0h=0） 优点：结构简单、工作可靠、价格便宜、优点：结构简单、工作可靠、价格便宜、 功率储备大、使用方便功率储备大、使用方便 缺点：转速较低时制动力矩比较小缺点：转速较低时制动力矩比较小 3 3、测功器应用、测功器应用 Ne n0 A B C D 水力测功器选择：水力测功器选择： 测功器的特性曲线测功器的特性曲线 测功器的最大吸收功率测功器的最大吸收功率 水力测功器水力测功器(系列系列) n水力测功器水力测功器 测功器的特性曲线测功器的特性曲线 功率匹配功率匹配 3 3、测功器应用、测功器应用 1 2 应用

25、：上图为某一水力测功器特性曲线应用：上图为某一水力测功器特性曲线0-A-B-C-D0-A-B-C-D 某一发动机最大功率为某一发动机最大功率为70kW70kW，最高运行转速为，最高运行转速为2000rpm2000rpm （输出功率输出功率曲线曲线1 1） 高端：测功机高端：测功机165kW/5000rpm165kW/5000rpm、115kW/2000rpm115kW/2000rpm满足满足 低端：测功机低端：测功机30kW/1000rpm30kW/1000rpm，无法吸收和测量发动机的功率，无法吸收和测量发动机的功率 适用：发动机（输出适用：发动机（输出功率曲线功率曲线2 2） n水力测功器

26、水力测功器 3 3、测功器应用、测功器应用 n电力测功器（电力测功器（发电机发电机结构结构） 3 3、测功器应用、测功器应用 原理原理 转子转动转子转动电枢绕组切割磁场（定子产生）电枢绕组切割磁场（定子产生）产生感应电势产生感应电势/ /流流 发电发电电磁力矩（电磁力矩（阻止阻止转向）转向）传传扭到外壳扭到外壳力臂摆动力臂摆动测力读数测力读数 平衡式平衡式直流电力测功器结构简图直流电力测功器结构简图 3 4 5 6 转子转子 外壳外壳 励磁绕组励磁绕组 电枢绕组电枢绕组 力臂力臂 测力机构测力机构 n电力测功器电力测功器 测功器的特性曲线测功器的特性曲线 包围区域表示测功器所能包围区域表示测功

27、器所能吸收功率吸收功率范围范围 OAOA段段最大激励电流和最小负载电阻线最大激励电流和最小负载电阻线 ABAB段段最大制动扭矩线最大制动扭矩线 BCBC段段最大功率曲线最大功率曲线 CDCD段段最高转速线最高转速线 DODO段段空载线空载线 优点：低转速时制动力矩大优点：低转速时制动力矩大测量精度高测量精度高 （在低速时，其在低速时，其制动力矩与转速的平方成正比制动力矩与转速的平方成正比） 3 3、测功器应用、测功器应用 Ne n o A BC D n电涡流测功器电涡流测功器 利用利用形成的电涡流形成的电涡流吸收动力机械的输出功率吸收动力机械的输出功率 3 3、测功器应用、测功器应用 电涡流测功器结构示意图电涡流测功器结构示意图 转子转子/感应子（感应子（凸凹齿凸凹齿）转动）转动改变磁通密度改变磁通密度涡流环表面产生强烈的电涡流涡流环表面产生强烈的电涡流 发热发热/电磁力（电磁力（阻止转向阻止转向）传传扭到外壳扭到外壳力臂摆动力臂摆动测力读数测力读数 l气隙气隙 L 定子磁轭定子磁轭 感应子感应子-凸凹齿