有效功率测量

2023/2/10电阻应变式传感器第1页/共97页第一页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器一、工作原理电阻丝的电阻值取对数并微分得第2页/共97页第二页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器一、工作原理经变换后得上式表明，导体或半导体电阻的变化是由于几何尺寸的变化与其电阻率变化的综合结果。第3页/共97页第三页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器一、工作原理对于导体而言对半导体而言第4页/共97页第四页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器结论电阻丝受力变形后，其电阻变化率与其应变成正比，比例常数K0和K0ˊ为电阻丝的灵敏系数。导体K0通常为1.8～3.6；用半导体制成的电阻丝。其压阻系数较大，πeE>>(1+2μ),因而灵敏系数K0ˊ≈πeE，该值可达100以上。第5页/共97页第五页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器二、应变片结构应变片由敏感元件1、基底2、盖片4及引线3构成。

第6页/共97页第六页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器

丝式应变片

(a)丝绕式；(b)短接式

箔式应变片

第7页/共97页第七页，共98页。2023/2/10第8页/共97页第八页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器

半导体应变片

温度自补偿半导体应变片

第9页/共97页第九页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器箔式应变片

第10页/共97页第十页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器

第11页/共97页第十一页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器特点箔式：箔式应变片的敏感栅可以按需要制成任意形状，容易制成小尺寸的应变片。由于箔片扁平，接触面积大，传递应变好；散热性能好，允许通过较大的工作电流，所以测量的灵敏度提高。同时其横向灵敏度小，蠕变小，疲劳寿命长，因而使用广泛。半导体式：最突出的优点是灵敏度高，高灵敏度排除了测量微小信号的困难；体积小，可制作小型和超小型应变片；频率响应高；机械滞后和横向效应小，提高了测量的准确性。其缺点主要是电阻温度系数大，对环境温度的变化敏感，不能用于较高的温度；测量大应变时，灵敏度的非线性严重。第12页/共97页第十二页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器三、测量电路应变片电路的变化常用惠斯登电桥进行测量。按工作应变片的数目不同，在电桥中的联接有1/4桥、半桥和全桥接法。

第13页/共97页第十三页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器三、测量电路应变片在电桥中的接法

第14页/共97页第十四页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器三、测量电路1/4电桥的接法

第15页/共97页第十五页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器1/4电桥测量电路电桥的输出电压V0为:

如果R1=R2=R3=R4，则电桥输出电压V0为:第16页/共97页第十六页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器一般ΔR<<R，故可以写成:

输出电压V0与应变量ε成近似的线性关系。第17页/共97页第十七页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器

全桥接法，其电桥输出电压：特点：1）灵敏度提高；

2）非线性得到改善；

3）补偿了温度效应。

第18页/共97页第十八页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器四、应变片的温度补偿1、温度影响的来源：1）电阻丝的电阻温度效应

ΔR′=RαΔt

2）电阻丝与试件或弹性元件的线膨胀系数不同而引起的电阻变化。ΔR″=RK0(β1-β2)Δt

第19页/共97页第十九页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器四、应变片的温度补偿1、温度影响的来源：温度变化Δt后，电阻丝电阻总的变化量为：ΔR=ΔR′+ΔR″=R［α+K0(β1-β2)］Δt

第20页/共97页第二十页，共98页。2023/2/10电阻应变式传感器四、应变片的温度补偿2、温度补偿1）贴补偿应变片法。2）自补偿法。当α+K0(β1-β2)=0时，ΔR=0，即可实现实现温度自补偿的目的。第21页/共97页第二十一页，共98页。2023/2/10第22页/共97页第二十二页，共98页。2023/2/10第23页/共97页第二十三页，共98页。2023/2/10第24页/共97页第二十四页，共98页。2023/2/10第25页/共97页第二十五页，共98页。2023/2/10第26页/共97页第二十六页，共98页。2023/2/10第27页/共97页第二十七页，共98页。2023/2/10第28页/共97页第二十八页，共98页。2023/2/10吸收式测功器有效功率：发动机输出轴上所发出的功率。式中M——发动机输出扭矩，N·m；n——输出轴的转速，r/min。发动机的有效功率是间接地从扭矩和转速的直接测量结果经上式计算得到。

第29页/共97页第二十九页，共98页。2023/2/10吸收式测功器扭矩的测定方法：1、吸收法

吸收法是用某种装置给轴以制动力矩，与发动机功相当的制动功以热的形式散发，测量这时的制动力矩就可求得发动机输出扭矩。由于是把发动机的功全部吸收，故称为吸收式测功器，或简称为测功器。2、传递法

测定发动机与被驱动机械的连接轴的扭转或应变，即测轴传递的扭矩，故称为传递式测功器，或简称扭矩仪。第30页/共97页第三十页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器1、工作原理水力测功器的基本工作原理，是利用在水中旋转的运动物体，使水产生涡流运动，形成摩擦阻力矩。在此过程中，机械能转换成热能，使水的温度升高，从而吸收内燃机的功率。根据作用力矩与反作用力矩大小相等、方向相反的原理，当转子转速稳定时，水对外壳所产生的摩擦力矩等于内燃机带动转子旋转传给水的扭矩。第31页/共97页第三十一页，共98页。2023/2/10吸收式测功器

水力测功器结构原理图

第32页/共97页第三十二页，共98页。2023/2/10吸收式测功器

水力测功器的测力机构

第33页/共97页第三十三页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器1、工作原理设测力机构测得制动力为F(N)，力臂为L(m)，则制动力矩Mk=FL，所测得的制动功率为

第34页/共97页第三十四页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器1、工作原理对于某一具体的水力测功器而言，测力机构尺寸是确定的，所以制动功率为Pe=kFn（kW）式中k—为水力测功器常数，k=L/9550第35页/共97页第三十五页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器2、影响水力测功器制动力矩的因素主要因素是尺寸和转速，整个圆盘对水的摩擦力矩为：式中—圆盘摩擦损失系数；

Ra

—圆盘的外半径；Rb—浸入水层中的内半径。调节测功器中的水量，改变圆盘浸湿内半径Rb的值，就能改变测功器吸收功率的大小。第36页/共97页第三十六页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器3、水力测功器的结构类型1）圆盘式水力测功器2）销棒式水力测功器它的优点是测功器尺寸不大，而功率储备较大。但其工作状况不够稳定，在低负荷区尤为明显。3）闸套式水力测功器工作稳定，在低负荷时工作也比较平稳，操作方便。缺点是结构复杂，不能反转。

第37页/共97页第三十七页，共98页。2023/2/10吸收式测功器

圆盘式水力测功器简图

第38页/共97页第三十八页，共98页。2023/2/10吸收式测功器销棒式水力测功器简图

第39页/共97页第三十九页，共98页。2023/2/10吸收式测功器

闸套式水力测功器简图

第40页/共97页第四十页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器4、水力测功器的供水系统对供水系统的要求：1）测功器的供水压力要稳定。2）要求具有一定的循环水量，不至水温过高，出水温度保持在50～70℃以下。水量可以根据热量平衡方程式求得：

第41页/共97页第四十一页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器4、水力测功器的供水系统供水系统的类型1）简易的供水系统用于较小的发动机试验台，缺点是水不能回收。2）带循环水池的供水系统用于较大型的发动机试验台，水的消耗仅限于水的蒸发损失。3）压力供水系统用于闸套式水力测功器。

第42页/共97页第四十二页，共98页。2023/2/10吸收式测功器简易供水系统

第43页/共97页第四十三页，共98页。2023/2/10吸收式测功器带水池的测功器供水系统

第44页/共97页第四十四页，共98页。2023/2/10吸收式测功器

压力供水系统

第45页/共97页第四十五页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器5、水力测功器的特性曲线测功器所能吸收的功率或扭矩与转速的关系，称为测功器的特性。测功器的特性曲线表明了它的工作范围，亦即表明了在不同转速下测功器能吸收的最大及最小功率。吸收的最大功率：第46页/共97页第四十六页，共98页。2023/2/10吸收式测功器

水力测功器的工作范围

第47页/共97页第四十七页，共98页。2023/2/10吸收式测功器一、水力测功器5、水力测功器的特性曲线选择测功器的要求：1）内燃机的外特性要全部落在曲线图内；2）尽量靠近oab线，以保证工作的稳定性。第48页/共97页第四十八页，共98页。2023/2/10吸收式测功器二、电力测功器1、平衡式电力测功器的原理及特点当电力测功器的电枢1被动力机械带动在磁场中匀速转动时，有电磁力阻止电枢转动，电力测功器的定子2像水力测功器的外壳那样可以在滚动轴承3中摆动，并带动一套测力机构，当电枢1转动时，由于电磁力的作用使定子2顺着电枢1旋转的方向摆动，此种摆动被测力机构所平衡。当动力机械的扭矩和电力测功器的阻力矩相等时，电枢匀速旋转，测力机构指针的指示值反映了动力机械扭矩的大小。平衡式电力测功器有直流和交流两种。第49页/共97页第四十九页，共98页。2023/2/10吸收式测功器

平衡式电力测功器原理图

第50页/共97页第五十页，共98页。2023/2/10吸收式测功器二、电力测功器2、平衡式直流电力测功器平衡式直流电力测功器三个组成部分：

(1)平衡电机即测功电机，包括直流电机和测力机构。(2)交直流变流机组。由一台三相交流电机和一台直流电机组成。(3)激磁机组（小型变流机组）。

第51页/共97页第五十一页，共98页。2023/2/10吸收式测功器交直流变流机组功用：倒拖时测功时小功率测功器不设变流机组，直接用负荷电阻消耗。

外电源交流电机直流电机直流电平衡电机平衡电机直流电机交流电机交流电外网第52页/共97页第五十二页，共98页。2023/2/10吸收式测功器二、电力测功器3、平衡式交流电力测功器

工作原理和测力机构与直流电力测功器基本相同。

平衡电机为交流电机，吸收或发出的电流都是交流电，便于和外电网并用，而不需要另设一套价格昂贵的交直流变流机组。如交流电力测功器用三相交流电机与外电源的三相电路并网工作，要加装价格较高的调频调压设备。第53页/共97页第五十三页，共98页。2023/2/10吸收式测功器4、电力测功器特性曲线当测功电机作为发电机工作时，其输出的电压与磁通量及转速成正比：V=cΦn令cΦ=a，所以：V=a×n设负荷电阻为R，则测功器发出的电流强度为：

第54页/共97页第五十四页，共98页。2023/2/10吸收式测功器4、电力测功器特性曲线则测功电机所吸收的功率为：令则

注：不同的励磁电流，B值不同。第55页/共97页第五十五页，共98页。2023/2/10吸收式测功器电力测功器特性曲线

第56页/共97页第五十六页，共98页。2023/2/10课外思考题1、温度对应变片有何影响？温度误差如何补偿？2、影响水力测功器制动力矩的主要因素是什么？3、画出水力测功器特性曲线，并说明各线段的含义？水力测功器有何选用要求？第57页/共97页第五十七页，共98页。2023/2/10扭矩仪工作原理：扭矩仪的基本工作原理是基于输出轴（中间传动轴）在承受扭矩作用时，轴所产生的扭转变形与传动扭矩的大小成比例。根据材料的力学性能知道：或

第58页/共97页第五十八页，共98页。2023/2/10扭矩仪弹性轴扭转变形示意图第59页/共97页第五十九页，共98页。2023/2/10扭矩仪一、电阻应变式扭矩仪

根据测定的应变值计算输出轴扭矩M：

式中：E——轴材料的弹性模量；ε——全桥电桥测得的应变值；D——轴的直径；μ——轴材料的泊松比。第60页/共97页第六十页，共98页。2023/2/10扭矩仪电阻应变式扭矩仪滑环式输出第61页/共97页第六十一页，共98页。2023/2/10扭矩仪电阻应变式扭矩仪耦合变压器输出第62页/共97页第六十二页，共98页。2023/2/10扭矩仪二、光电式扭矩仪

光电式扭矩仪的基本工作原理是把被测轴的扭转变形转换为光通量的变化，再利用光电变换器转换为相应的电量输出，测量此电量则可求得扭矩。第63页/共97页第六十三页，共98页。2023/2/10扭矩仪第64页/共97页第六十四页，共98页。2023/2/10扭矩仪三、钢弦测功仪1、工作原理钢弦的固有振动频率为：钢弦的自振频率f0、张力T、伸长量ΔL与扭矩M之间具有下列关系：

f02∝T∝ΔL∝M

第65页/共97页第六十五页，共98页。2023/2/10扭矩仪三、钢弦测功仪2、钢弦测功器构造及组成1）钢弦传感器2）接收仪第66页/共97页第六十六页，共98页。2023/2/10扭矩仪钢弦传感器示意图

第67页/共97页第六十七页，共98页。2023/2/10扭矩仪钢弦传感器原理图

第68页/共97页第六十八页，共98页。2023/2/10扭矩仪CG-2型接收仪原理图

第69页/共97页第六十九页，共98页。2023/2/10扭矩仪三、钢弦测功仪3、扭矩的测定选用适当的扭矩量程MH的扭矩传感器“CG—2”型接收仪的刻度盘分为250格，每格度盘所表示的扭矩MK为：

式中R——工作弦与轴心距离，m；L——两个偶合环之间的轴长度，m；G、Jp——弹性轴的参数。第70页/共97页第七十页，共98页。2023/2/10扭矩仪三、钢弦测功仪式中C－钢弦传感器系数（钢弦常数），表示“CG—2”型接收仪的刻度盘上，每格读数对应的钢弦伸长量。设拉弦和压弦的两只钢弦传感器分别有系数C1和C2。令再令K1=KC1K2=KC2拉弦格数变化为：ΔS1=S1-S01

（格）压弦格数变化为：ΔS2=S2-S02

（格）则被测扭矩M为：

第71页/共97页第七十一页，共98页。2023/2/10各类测功器的比较水力测功器电力测功器扭矩仪精度足够（1％）高足够（1％）稳定性低负荷差好好操作使用麻烦过渡慢方便迅速方便适用范围广中小功率广能量利用不能可回收不消耗倒拖功能没有可具备没有设备费用低高低适用场合试验台试验台现场第72页/共97页第七十二页，共98页。2023/2/10转速测量

在内燃机试验中，转速也是最基本的测试项目之一。通过测定内燃机输出轴的平均转速，可以计算内燃机的有效功率，绘制内燃机的有关特性曲线。

平均转速是指被测轴在某一时间间隔内转速的平均值。内燃机转速通常是指其输出轴在某一稳定工况下的平均转速，以转/分为单位。测量转速的仪表称为转速表或转速计。转速测量的方法很多，通常可分为模拟方式和数字方式两大类。模拟方式测量转速的仪表通常有机械式和电气式两种。机械转速表的特点是结构简单，使用方便。但传动部分容易损坏，远距离测量比较困难。电气式转速表便于远距离测量，一般作为随机监测仪表。第73页/共97页第七十三页，共98页。2023/2/10转速测量一、模拟方式1、离心式转速表原理：利用旋转质量的离心力与旋转角速度成比例的原理来测量被测轴的转速。特点：离心式转速表结构简单，使用方便，成本低。缺点是测量精度低，其误差一般为1%～8%。量程：30～24000r/min。

第74页/共97页第七十四页，共98页。2023/2/10转速测量手持离心式转速表

第75页/共97页第七十五页，共98页。2023/2/10转速测量手持离心式转速表

固定离心式转速表

第76页/共97页第七十六页，共98页。2023/2/10转速测量一、模拟方式2、磁性转速表原理：磁性转速表是一种感应式的电涡流转速表，利用电磁感应的原理来实现转速测量。其原理如图4-18所示。特点：磁性转速表的优点是结构简单，尺寸小，刻度均匀，测速范围较大，缺点是灵敏度差，读数受环境温度影响较大，其测量误差约为1.5%～2%。量程：0～10000r/min。

第77页/共97页第七十七页，共98页。2023/2/10转速测量磁性转速表示意图

第78页/共97页第七十八页，共98页。2023/2/10转速测量磁性转速表第79页/共97页第七十九页，共98页。2023/2/10转速测量一、模拟方式3、发电机式转速表原理：发电机式转速表由测速电机、连接电缆和转速指示器组成，发电机式转速表是利用感应电压与转速成正比的原理进行测量。特点：发电机式转速表的特点是：可以远距离测量，遥测距离可达25m，可靠性较高，误差在1.5%～2.0%左右。量程：0～25000r/min。

第80页/共97页第八十页，共98页。2023/2/10转速测量发电机式转速表

第81页/共97页第八十一页，共98页。2023/2/10转速测量发电机式转速表

第82页/共97页第八十二页，共98页。2023/2/10转速测量二、数字方式数字方式转数测量系统由测速传感器和电子计数器(或数字频率计)组成。测速传感器将被测转速信号转换为电脉冲信号，用电缆传输给电子计数器(或数字频率计)进行数字显示。也可将测速传感器与电子计数器制成一体(如反射式光电测速器)，进行非接触测量。数字方式测量精度高，可进行数字显示，也可输出数字信号给打印机和电子计算机，实现自动记录及数据处理。

第83页/共97页第八十三页，共98页。2023/2/10转速测量1、测速传感器数字测速系统常用的测速传感器可分为磁电式和光电式两种类型。1）磁电式其工作原理是基于电磁感应原理将被测轴转速变换为电脉冲信号。磁电式测速传感器由带齿的旋转轮和磁电变换器两部分组成。

第84页/共97页第八十四页，共98页。2023/2/10转速测量磁电式测速传感器

第85页/共97页第八十五页，共98页。2023/2/10转速测量磁电传感器结构原理图

第86页/共97页第八十六页，共98页。2023/2/10转速测量磁电传感器第87页/共97页第八十七页，共98页。2023/2/10转速测量1）磁电式圆盘通常制成60个齿，并将计数器的计数时间定为1秒，则电子计数器的显示器即显示出被测轴每分钟的转速n，即：磁电式测速传感器结构简单，制作安装比较方便，应用较广。其缺点是电磁感应产生的波形不规整，易产生干扰信号，当干扰信号的幅值超过电子计数器的工作电平时，将会干扰电子计数器的正常工作，产生误记。

第88页/共97页第八十八页，共98页。2023/2/10转速测量2）光电式测速传感器光电式测速传感器的工作原理是基于光电变换原理将被测轴的转速