第9次课第10章转速转矩与功率测量

热能与动力机械测试技术天津大学机械学院内燃机燃烧学国家重点实验室第一节转速测量第二节转矩测量第三节功率测量本章主要内容学习要求：☆了解常用转速和扭矩的测量方法。☆要求掌握常用的发动机功率测量方法和原理。☆了解常用测功器的种类。☆了解各自调节负荷的方法，以及工作特性。☆了解掌握如何进行测功器的正确选型。第十章转速、转矩和功率测量转速是在单位时间内转轴的旋转次数，单位：r/min，记为：n。按照接触与否可以分为接触式、非接触式两大类。●接触式转速表

●离心式转速表●磁性转速表●电动转速表●定时转速表特点：构造简单，消耗被测转轴的能量，精度一般较差，用于能量损失忽略不计且对精度要求不太高的场合第一节

转速测量●离心式转速表：利用离心力器件（重环或重锤）旋转产生与转速的平方成正比的离心力，通过克服弹簧的反作用力推动指示机构工作的，分手持式和固定式两种。●磁性转速表：利用回转圆盘在旋转磁场中感应出电涡流而产生转矩变化，从而带动指针偏转来测速的，故又称为电涡流式转速表。●电动转速表：由发送器、指示器和连接导线三部分组成。发送器实际上是一个小型永磁的交流或直流发电机。电动式转速表的测量方式：是将小型交流电动机的转速，保持与被测轴转速一致并发电。转速越高，产生的电动势越大。电动转速表通过电压表指示所测转速。电动式转速表有良好的抗震性，多用于柴油机和船舶等设备的转速测量。●定时转速表：在一定时间内通过累计转速来测量转速。手持式定时转速表采用钟表式传动机构。●原理：是利用光电元件（如光电池、光电管、光敏电阻等）对光的敏感性来测量转速。●非接触式转速表特点：不消耗被测转轴的转矩，测量精度高，但结构相对复杂；是动力机械测试中最常用的测速仪表，其关键部分是转速传感器●光电式转速传感器光电式转速传感器（a）双头投射式（b）单投反射式1、7光源2、遮光盘3、光电管4、透镜5、反光镜6、被测转轴8、光敏管分类:

照射式、反射式结构:

光源，遮光盘（反光盘）光电管，测频电路。特点:

高速时，光信号减弱测速：脉冲信号的频率f(Hz)为n为被测转轴的转速（r/min）；z为避光盘上狭缝（或孔）数目。

●磁电式转速传感器结构：齿轮（导磁材料，齿数z）,磁头（磁铁）,线圈,距齿顶约2mm;特点：结构简单,工作可靠,转速越高,输出信号越强;测速：齿轮随转轴旋转，每转一齿，切割一次磁力线，在线圈中产生一个感应电动势的脉冲信号。每转将产生z个电脉冲信号。●一、转矩测量方法分类测量原理的不同分为:传递法、平衡力法和能量转换法三大类。●传递法●原理：轴受到转矩作用时会产生变形、应力或应变，传递法就是通过测量变形、应力或应变来测量转矩的●根据传感器所感应的参数分为:变形型、应变型和应力型转矩传感器，分别感受转轴的变形、应变和应力。●根据转矩信号产生方式分为:电阻式、光学式、光电式、感应式、电容式、钢铉式、机械式转矩传感器等。●根据转矩信号传输方式分为:接触式和非接触式两大类。接触式转矩传感器包括机械式、液压式、气动式样、接触滑环式等；非接触式转矩传感器包括光波式、磁场式、电场式、微波式等。●根据转矩传感器安装方式分为:串装式和附装式两类。第二节

转矩测量●平衡力法当匀速运转的动力机械的传动轴对外输出一定大小的转矩时，在其机壳上必然同时作用着大小相等、方向相反的平衡力矩。通过测量机壳上的平衡力矩来确定动力机械传动轴上工作力矩的方法称为平衡力法，又称支反力法。动机机械试验中常用的转矩测量方法就是典型的平衡力法平衡力法测量转矩原理1—机壳2—平衡支承3—力臂杆4—测力机构依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。能量转换法测转矩一般只在电机和液机方面有较多的应用。●能量转换法传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。三种方式的比较传递类转矩测量仪小巧轻便，既可以串接到被测设备的传动系统中去测量转矩，也可以附加在被测设备传动系统的传动轴上来测量转矩，测试时不需要改变被测设备传动系统的结构，也不需要移动被测设备，便于进行现场测试，测量准确度高，能够真实有效的反映机械的实际情况。平衡类转矩测量仪仅能够测量静态或匀速工作情况下的转矩，不能测量动态转矩。能量转换类转矩测量仪的测量为间接测量方式，测量误差比较大，常达±（10～15）%，所以只有在无法进行直接测量的场合下，才采用这种方法。●二、常用转矩测量仪器●钢铉转矩测量仪●原理：钢铉转矩测量仪是根据弹性扭轴的变化引起钢铉伸缩，从而使用钢铉振动的固有频率发生变化来测量转矩的。钢铉转矩测量仪的原理1-弹性扭矩2-卡盘3-凸臂4-钢铉在被测轴上相隔距离的两个面上固定安装着两个测量环，两根振弦分别被夹紧在测量环的支架上。当轴受转矩作用时，两个测量环之间产生一相对转角，引起振弦自振频率的变化。自振频率与所受外力的平方根成正比。振动频率差获得扭矩。在安装振弦时必须使其有一定的预紧力。当轴传递扭矩时，轴产生扭转形变，轴的两相邻截面就扭转一个角度，使装在卡筒上的两个振弦传感器中的一个受拉、一个受压。根据虎克定律,在弹性变形范围内,轴的扭转角度是与外加的扭矩成正比的，振弦的伸缩变形也就与外加的扭矩成正比。而振弦的振动频率的平方差与它所受应力成正比，因此可利用测量弦的振动频率的方法来测量轴所承受的扭矩。●测量原理图5-1振弦式传感器原理及间歇激励方式图（a）

自激式；

（b）

他激式；

（c）

激励与输出波形

激励方式——（1）间歇激励方式振弦的间歇激励有自激式和他激式两种方式。（1）图5-1（a）为自激式：在弦的两侧放一永久磁铁，工作时，弦中通以脉冲电流，脉冲电流受磁场作用使弦起振。起振后，弦作为导体在磁场中运动，感应出交变电动势，通过测量感应电动势的频率，即为振弦的自由振动频率。（2）图5-1（b）为他激式：在弦的两侧分别放一个激励线圈和测量线圈。激励线圈绕在软磁铁上，测量线圈绕在永久磁铁上，弦上固定一个软铁块。给激励线圈通以脉冲电流，振弦便被吸放一次，开始起振。振弦在振动中引起测量线圈磁路的交替变化，线圈中便感应出交变电动势，感应电动势的频率就等于振弦的自由振动频率。若振弦为铁磁材料，则可省去软铁块。频率测量方案●光电式转矩仪●原理：弹性扭轴两端的光学元件将转矩引起的弹性扭轴变形产生的相位差转换为电信号，再根据检测到的电信号确定作用于轴上的转矩。光电式转矩传感器示意图1、5-套筒2-光源3、3ˋ-光栅盘4-光电管6-弹性扭轴光栅盘（a）两光栅盘正视图(b)两光栅盘侧视图图示为两光栅盘相互位置处于使光通过最大的位置●结构：●测量原理:a.无转矩作用时，A、B光栅相互遮挡，光电管输出为零；b.转矩T作用时，轴的A、B端扭转一个角度φ，A、B光栅也错开φ角度，透过部分光线。T越大，φ也越大，光电管的输出越大。c.转速对转矩的测量无影响●测量波形图：光电式转矩传感器输出波形图方波的直流分量和它的占空比成正比，比方占空比为60，那么如果方波的幅度是10V,它的直流分量是6V。●光学式转矩仪●磁电式转矩仪●结构：相距L的两截面上装有2个齿轮以及2个相同的磁电式传感器，起磁头作用；●测量原理：轴每转一转，传感器产生一列脉冲信号；弹性轴转动受扭后，相距L的2只外齿轮扭转一个角度，发出的两列磁电脉冲信号产生相位差。测量此相位差信号并经过数据处理后，即可求出所测量转矩。磁电式转距仪工作原理图注意：在实际使用中，由于两个传感器安装时有误差存在，为此，转矩仪应设有补偿初始相位差的调零装置。磁电式转距传感器结构示意图1-弹性扭轴2-齿轮3-校准筒4-永久磁铁5-滚动轴承6-壳体7-电动机8-线圈磁电式转矩传感器结构示意图注：当弹性扭轴的转速低于600r/min时，测量精度降低，用电动机7带动校准筒反向旋转，提高齿轮对之间的相对速度，可以提高转矩仪的测量精度。●应变式转矩仪●原理：是利用应变原理来测量转矩的，它安装在动力机械和负荷之间。●测量原理:转轴承受转矩时要产生切应力（变），最大切应力（变）发生于圆周，方向为450和1350，它与转矩成正比，应变式转矩仪在转轴这两个方向粘贴应变片，用电桥测出其最大应变，从而测得转矩。

应变式转矩仪测量原理简图●应变片具体布置：为了提高测量灵敏度，可用4个应变片，按承受的拉、压应力平均分配，两个承受拉应力的应变片分别贴在轴的外圆00、1800处并与轴线成1350夹角，两个承受压应力的应变片分别贴在轴的外圆900、2700处并与轴线成450夹角，4个应变片组成全桥回路，以保证测量值为纯转矩。●电桥的两种输出信号：应变式转矩仪电桥的输出信号有两种，一是通过集流器引入应变仪测出平均应变值；二是采用遥测应变仪来测量转矩，其发射机外形尺寸很小，可装在轴上，通过环形天线，由应变仪的接受机接受。后者在具有良好抗干扰措施的情况下测量精度较高，而前者精度较低。●磁致伸缩式转矩仪●磁致伸缩效应：铁磁物体的机械状态和磁状态相互作用引起的现象有两种：一是铁磁物体的磁化特性在机械力作用下会发生显著变化：二是铁磁物体在外界磁场作用下会发生机械变形。●测量原理:

●特点：转矩测量仪器使用注意事项：●标定；●最大瞬时转矩；●弹性连接及同轴度；●消除安装的误差。第三节功率测量●功率测量方法:1、通过电功率测量动力机械由电动机直接驱动，先测出电动机的输入功率，再利用损耗分析计算电动机的输出功率，即为动力机械的轴功率。又称损耗分析法;2、通过转矩间接测量由于动力机械的轴功率正比于转矩与转速的乘积，故常采用间接测量方法。分别测量转矩和转速，计算公式为:具体测量包括:（1）用测功机作为负载进行功率测量（2）采用转矩仪测量转矩●常用测功机测量原理：常用的测功机有电力测功机、水力测功机和磁粉测功机等。均基于平衡力法（作用转矩与反作用转矩大小相等）转矩测量：作用在测功机上的旋转力矩或作用在被测动力机械上的反力矩来指示。●运用:将制动器外壳（定子）支承在一对轴承上，使其可绕本身轴线作自由摆动。当被测动力机械输出转矩传递给制动器外壳时，就可通过与外壳相连的力臂将力传给测力机构。T=F×L一、电力测功机电力测功机分为:直流电力测功机、交流电力测功机和电涡流测功机●●结构：由转子，定子外壳（浮动于支座），测力机构（拉压力传感器）构成直流电力测功机直流电力测功机结构简图1-转子2-定子3-励磁绕组4-电枢绕组5-测力机构6-力臂●工作过程：（1）测功机作发电机当被测动力机械的输出轴与直流电力测功机的转子1连接在一起旋转时，电枢绕组4切割定子绕组磁场的磁力线，在电枢绕组中产生感应电动势，即产生一个与旋转方向相反的制动转矩，电机作发电机运行，以实现作为负荷进行测功的目的。（2）测功机作电动机当电枢回路有电流通过，磁场中会受到电磁力的作用而产生一个与旋转方向相同的驱动力矩，电机作电动机运行，用来拖动动力机械转动。计算公式：电枢绕组中的感应电动势E为：Φ—定子励磁绕组的磁通K1—电机电动势系数n—转子转速K2、K3为比例系数电枢回路流过的电流:制动力矩：功率：●直流电力测功机控制方式:负荷电阻控制方式和自动馈网控制方式两类直流电力测功机的特性与控制方式有关，根据试验目的和试验方法、电源和经济多种因素选控制方式。●负荷电阻控制方式负荷电阻控制方式直流DC:直流电源S1、S2:开关V:细调节变阻器 W:粗调节变阻器P:主调节变阻器 C-C:串励磁绕组 H-H:电枢

F-F:励磁绕组RL:负荷●控制方法:(1)电机以发电机状态运行作为测功使用时，开关S2合向G一边。负荷的大小可通过变阻器P、W、V进行调整。(2)当电机以电动机状态进行作为驱动使用时，开关S2合向M一边。当主变阻器P的电阻值逐档减小时，主电流（电枢电流）逐级加大，电机的转速也逐级升高。●负荷电阻控制方式直流电力测功机的基本特性:负荷电阻控制方式结构简单，但测功机所测的功率基本上消耗在负荷电阻上，不能加以利用，因此这种控制方式只适用于中、小功率动力机械的功率测量。负荷电阻控制方式直流电力测功机的特性曲线A为最大电流线；B为最大转矩线；C为最大功率线；D为最高转速线；E为最小吸收转矩或功率线。A－受限于最大激磁电流和最小负荷电阻；B－受限于电枢最大电流（转矩），即电枢的机械强度限制；C－受限于最大功率（散热能力）；D－最大转速（电枢绕组旋转离心力；E－空载（激磁电流为零）（不能测定区）●自动馈网控制方式馈网式直流电力测功机线路简图1-被测动力机械2-测功电机3-主变流机组4-励磁变流机组5-励磁调整电阻6-励磁绕组馈网式直流电力测功机包括:一个由三相交流异步电动机和直流电机组成的主变机组3，当测功机作为电动机运行时，它将三相交流电变为直流电再向测功机供电；当测功机作为发电机运行时，它将测功机输出的直流电变为交流电再反馈给电网。励磁电流由（4）提供，其大小通过励磁调整电阻调节。●交流电力测功机●特点:直流电力测功机由于机构方面的限制，其功率容量较小，一般用于测量中小功率的动力机械。对大功率动力机械的功率测量，多采用交流电力测功机。●三相交流发电机测量动力机械功率可以有两种方法：（1）用被测动力机械直接驱动三相交流发电机，测得有效功率Pe为（2）将交流电力测功机的定子外壳也做成可以绕转轴摆动的平衡式结构，通过测量动力机械的输出转矩和转速进行功率测量，与直流电力测功机相似。交流电力测功机也有两种工作方式：既作电动机运行，也作发电机运行。

交流电力测功机主要有三种：三相同步电机测功机、绕线式异步电机测功机和无换向器电机测功机1.三相同步电机测功机特点:

当频率突变或者测功机过载时，电机容易失步;同步转速下，电能可馈入外源电网加以利用；在其他转速下,频率不一致，无法并网;同步电机转速等于旋转磁场转速,即：Z为极对数；f为定子供电频率（Hz）n为同步电机的转速（r/s）2.绕线式异步电机测功机特点:绕线式异步电机测功机通过增加电枢电路中的电阻来增加转差功率损耗，使转速降低。由于损耗主要发生在电机外部，低速时电机不会过热的，但效率很低，经济性差。绕线式异步电机常用改变转子电路中串联电阻的方法实现调速。

绕线式异步电机的转速—转矩特性测功机在低于同步转速下测功，测功机发出的电能将全部消耗在转子电路中的负荷电阻上。测功机在高于电机的同步转速下运行时，只有少许能量损耗于变阻器，而大部分能量均将输入外源电网。3.无换向器电机测功机无换向器电机又称晶闸管电机，是一种用晶闸管控制的变频调速电机变频调速原理：自制式，基准频率振荡器置于系统内部，由电机的转速和频率所决定，因而不存在他制式变频方式的失步问题。调速特性与直流电机一样。无换向器，使用时不会产生火花。特点:可以四象限运行，可用于瞬态工况测量；结构简单，便于维护；电能可以馈入电网；控制特性好，实现自动控制；效率高,测量精度高、响应速度快。●电涡流测功机●特点：结构简单、控制方便、转速范围和功率范围宽，能满足各种动力机械功率测量要求，但不能发出电力反馈电网，不能作为电动机来倒拖驱动动力机械。1.电涡流测功机机构与原理电涡流测功机的基本组成与磁路图1-磁轭定子2-磁力线3-励磁绕组4-涡流环5-空气隙6-感应子●工作原理:感应子为齿型。当感应子旋转时，涡流环各处的磁通密度不断变化，产生感应电动势形成涡电流，力图阻止磁通的变化，从而对感应子产生制动力矩。2.电涡流测功机的特性与控制方式●特性：电涡流测功机在低转速区域内运行时，制动转矩随励磁电流和转速的增加而迅速增大。但当励磁电流一定时，转矩在某一转速附近达到饱和；转速一定，励磁电流增加到使磁路的磁通达到饱和时，转矩也不再增大。因此，电涡流测功机有手动调整励磁电流的控制方式和自动控制装置。电涡流测功机的控制方式及其特性a)手动控制b)自动控制c)恒励磁电流特性d)恒转速特性e)比例控制特性E-被测动力机械ED-电涡流测功机RL-励磁调节电阻TD-转速传感器AD-比例控制特性●控制：OA段－受限于最大激磁电流AB段－受限于最大功率（散热能力）BC段－最高转速（转子离心力负荷）CO段－空载（空气阻力和摩擦阻力直流、交流、电涡流测功机特点及优缺点比较二、水力测功机基本知识:●测量原理:利用水对旋转的转子形成的摩擦力矩吸收并传递动力机械的输出功率。●结构形式:以水为工质的液力测功装置，主体为水力制动器，由转子和外壳组成，外壳由滚动轴承支承，可以自由摆动。●类型：圆盘式、销柱式、叶轮式和涡流式。圆盘式水力测功机●工作过程:工作时，转子通过联轴器与被测动力机械一起旋转。经进水阀4注入外壳中的水由转盘带动旋转并受离心力的作用被抛向外壳的内腔形成旋转的水环，水环的旋转运动受到外壳内壁摩擦力的作用。这样，水和壁面间的摩擦作用使被测动力机械输出的有效转矩由转子传递到外壳上。也就是，水对测功机转子生产制动转矩的同时，有一大小相等、方向相反的反作用转矩作用于测功机的外壳上，在通过固定在外壳上的力臂传递给测力装置，从而指示出力的大小。圆盘式水力测功机机构简图1-转轴2-转盘3-进水口4-进水阀5-外壳6-出水管7-蜗轮8-引水管●原理：圆盘式水力测功机是通过改变水层厚度来调节制动转矩的2.涡流室式水力测功机涡流室式水力测功机是通过改变水压或改变作用面积来调节制动转矩的，前者通过控制排水阀的开度改变内腔水压及水量来调节制动转矩的大小；后者靠闸套的位置移动调节转矩，而内腔始终充满着水，这种水力测功机称为闸套式水力测功机。涡流室示意图1-转子小室2-闸套3-外壳小室曲线A为测功机在最大负荷调节位置时的特性曲线。曲线B为测功机的最大转矩下的强度限制线。曲线C为测功机能吸收和测量的最大功率。曲线D为最高转速限制线。曲线E为测功机空转时能测量的最小转矩和功率限制线。水力测功机的工作范围水力测功机工作范围为线段A、B、C、D、E围的面积·Ａ－Ｂ段：扭矩限制在ＡＢ段转速范围内的最大扭矩段。A段：最大水量限制测动器最大充水量时所能吸收的功率随n的变化曲线。B段：受传动轴机械强度限制Ｃ段：最大功率线受介质温度、最大水温影响（65℃）。水温过高，易产生气泡，工作不稳定。Ｄ段：最高转速限制受转子离心力限制。E段－空载负荷限制空气阻力与轴承摩擦阻力。尤其要注意低速、大扭矩的点是否落在其工作特性区域内

三、测功机使用方法●测功机的选型依据选择测功机的要求:1.工作范围:测功机必须能够覆盖被测机械的工作范围2.测量精度:符合测量精度要求,通常使被测最大功率与测功机的最大功率之比不低于3：4

3.响应速度测功机的测力机构及选用的力传感器的动态特性要好，动态误差要小;一般电力的响应速度快于水力测功机，直流和交流电力测功机的响应速度又快于电涡流测功机4.工作稳定性:平衡工况的稳定程度，主要取决于测功机的制动转矩与转速的关系，即取决于测功机的固有特性。见图分析5.低速制动性低速制动性也是测功机的一项重要性能指标。见图分析对某一动力机械选择测功机的基本条件是，它的被测特性曲线必须位于测功机的工作范围内；水力测功机与内燃机特性曲线的匹配例如，有三种内燃机的外特性曲线，分别是曲线1、2、3如图所示：•此种水力测功机不适用于特性曲线1所指内燃机的试验；•对于特性曲线2所指内燃机，亦只能作出转速高于2500r/min那一段的特性试验；•对于特性曲线3所指内燃机，可以在4000r／min以下进行试验。测功机的工况平衡图a)T1e为某一内燃机的转矩特性曲线；T1d、T1h分别为电力测功机和水力测功机的固有特性曲线，它们相交于平衡点O。若转速由n变化为n±△n,则在测功机中出现了转矩差±△T1，它将力图使动力机械恢复到原来的转速。±△T1越大，内燃机的恢复能力就越强。b)测功机的工作稳定性还与制动转矩产生的原理有关。c)单纯从测功机的固有特性的对比来看，水力测功机的工作稳定性最佳。从制动转矩的产生过程分析，制动转矩的恒定性才是良好的。交流电力测功机的固有特性具有持续等速的特性，几乎不受转矩变动的影响，稳定性良好。平衡工况的稳定程度分析:低速制动性分析:a)三种不同测功机的固有特性曲线，它们在转速nˊ时具有相等的最大制动转矩Tn。b)曲线1为水力测功机的固有特性曲线，它的制动转矩随转速的二次方变化；c)曲线2直流电力测功机的固有特性曲线，它的制动转矩与转速成正比；d)曲线3为电涡流测功机的固有特性曲线,它的制动转矩随转速的变化关系在低速区域类似于对数函数的关系。测功机低速制动性能的比较●扩大测功机量程的方法●采用组合测功机:扩大测功机工作范围，且还能改善其使用性能。通常将水力测功机和电力测功机相连，前者为主要测功机，后者为辅助测功机，这样就克服了水力测功机不能倒拖驱动动力机械以及低速时测量转矩小的缺点。●采用变速器:安装变速器，改变测功机的转速。对测功机进行减速，以满足低速大转矩的需要；增速，满足高速时测功的需要。但必须考虑机械效率，以对测功机读数进行修正。测功机转矩的测量误差分析●测功机中可摆动的定子通常用滚动轴承支承，定子的摆动首先要克服滚动轴承的摩擦转矩，然后才作用在测力机构上，因此作用在测力机构上的转矩小于动力机械传递给定子的转矩。为此，要选用摩擦小