第七章 速度及功率的測(cè)量

1、第七章 轉(zhuǎn)速和功率的測(cè)量 7-1頻率計(jì)數(shù)法測(cè)量轉(zhuǎn)速 編碼器 黑 發(fā)射管接收管12V 12V 白 整形 放大 穩(wěn)壓 電源 頻 率 表 光電轉(zhuǎn)速傳感器原理示意圖 7-2模擬式轉(zhuǎn)速表 7-3 比較法測(cè)速 7-4 平衡力法扭矩測(cè)量 7-4 平衡力法扭矩測(cè)量 一、水力測(cè)動(dòng)器 1工作原理 由于離心力作用，水被甩至內(nèi)壁面上，水與內(nèi) 壁的摩擦力在兩力作用下形成了旋轉(zhuǎn)水環(huán)。 （尤如螺旋漿吸收主機(jī)功率一樣）產(chǎn)生了制動(dòng) 力矩，使外殼偏轉(zhuǎn)一角度。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，進(jìn) 水量越大，水環(huán)越厚，制動(dòng)力矩也就越大。 水力測(cè)動(dòng)器 1.底座2.左右軸承座 3.主軸部件4.聯(lián)軸節(jié) 5.軸承壓板6.骨架油 封7.軸套8、9.雙金 屬軸套1

2、0.左右軸承 外殼11.左右側(cè)殼12. 螺塞13.轉(zhuǎn)子14.外 殼15.封水圈16.測(cè) 速齒輪17.轉(zhuǎn)速傳感 器18.溢水管19.旋 塞 水力測(cè)功器的結(jié)構(gòu)原理 主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： l 轉(zhuǎn)子、定子均采用不銹鋼材料，凹坑式結(jié)構(gòu)。采用無(wú) 接觸密封技術(shù)。 l 通過(guò)控制排水蝶閥來(lái)改變內(nèi)腔工作壓力，從而改變吸 收負(fù)載。 l 快速響應(yīng)。因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變排水閥的開度，內(nèi)腔工作壓 力瞬間變化，通過(guò)電子控制儀器的自動(dòng)閉環(huán)控制，可 方便、迅速地穩(wěn)定到所需要的負(fù)荷值。從一個(gè)工況到 另一個(gè)工況的過(guò)渡時(shí)間為4秒。 l 體積小、安裝容易、維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)。 l 適用范圍廣，功率型譜全。最小功率檔為120kW， 最大檔可測(cè)

3、試10000kW（國(guó)內(nèi)引進(jìn)的最大測(cè)試功率為 35000kW）。 l 測(cè)試精度高，工作穩(wěn)定可靠。 二電力測(cè)力器 交流電力測(cè)功器直流電力測(cè)功器 OA段受限于最大激 磁電流和最小負(fù)荷電阻 AB段受限于電樞最大 電流（轉(zhuǎn)矩） BC段受限于最大功率 （散熱能力） CD段最大轉(zhuǎn)速（電樞 繞組旋轉(zhuǎn)離心力） DO段空載（激磁電 流為零） 汽車底盤測(cè)功機(jī) 三電渦流測(cè)動(dòng)器 組成轉(zhuǎn)子、定子、支架、測(cè)功機(jī)構(gòu)。 原理： 用渦電流起制動(dòng)作用的扭矩測(cè)量?jī)x 當(dāng)在勵(lì)激線圈中通過(guò)直流電時(shí)，在它周圍勵(lì)磁體、渦 流環(huán)、空氣隙及感應(yīng)子的局部區(qū)域形成一閉合的磁力 線回路。 當(dāng)齒槽進(jìn)入A截面后，A截面空氣隙厚度變化將產(chǎn)生 感應(yīng)電流,以阻止

4、磁能量的減少.而B則相反,由此產(chǎn)生 了制動(dòng)力矩。 通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩(吸收功率) 電渦流原理 OA段受限于最大激磁 電流 AB段受限于最大功率 （散熱能力） BC段最高轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子 離心力負(fù)荷） CO段空載（空氣阻力 和摩擦阻力 7-5 傳遞法測(cè)扭儀 當(dāng)應(yīng)變片受拉伸時(shí)，電阻絲直徑變細(xì)，電阻值增大 （R+R）,當(dāng)應(yīng)變片受壓縮變形時(shí)，電阻絲直徑變粗， 電阻值變?。≧-R）,從而輸出正比例電信號(hào)。實(shí)驗(yàn) 得知，由于電阻應(yīng)變片的電阻變化很小，所以必須將 信號(hào)放大到05V后才能輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行相 應(yīng)的處理。 磁電相位差式扭矩儀 速速 度度 測(cè)測(cè) 量量 速度 測(cè)量 線速度測(cè)量（m/s，km/

5、h) 角速度測(cè)量(rad/s) （轉(zhuǎn)速測(cè)量(轉(zhuǎn)/分） 2 n Rotary speed：revolutions per minute (r.p.m.) Angular Velocity Linear Velocity 7.1轉(zhuǎn)速測(cè)量方法概述 測(cè)量原理： 1.物體運(yùn)動(dòng)的線速度可以從物體在一定時(shí)間內(nèi)移動(dòng) 的距離或者從物體移動(dòng)一定距離所需的時(shí)間求得， 這種方法只能求某段距離或時(shí)間的平均速度。越 越小，越接近瞬時(shí)速度。 s v t 2. 角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化。 vr 3.利用物理參數(shù)測(cè)量：多普勒效應(yīng)、流體 力學(xué)定律、電磁感應(yīng)原理 7.2 轉(zhuǎn)速的測(cè)量傳感器 一、光電式轉(zhuǎn)速傳感器 7.2.1測(cè)量傳感器

6、的分類 二、電磁式轉(zhuǎn)速傳感器 7.2.2 轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法 與與 門門 T TA A T TB B T TA A T TB B A A B B C C 7.3 常用 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 1.數(shù)字式轉(zhuǎn)速表 （1）測(cè)量原理： 數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由頻率式轉(zhuǎn)速傳感器、 數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示器等部分組成。首 先由傳感器把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)，再通過(guò) 測(cè)量信號(hào)的頻率或周期來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。 1）頻率法測(cè)轉(zhuǎn)速 在電子計(jì)數(shù)器采樣時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn) 速傳感器輸出的電脈沖信號(hào) 進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間控 制計(jì)數(shù)器閘門。當(dāng)計(jì)數(shù)器的 顯示值為N時(shí)，被測(cè)量的轉(zhuǎn)速 n為 60N n zt 式中，z為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出的電脈沖信 號(hào)數(shù)；t為

7、采樣時(shí)間(s)。 2）周期法測(cè)轉(zhuǎn)速 與頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換電路不同，其特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻 來(lái)提供計(jì)數(shù)時(shí)間，而計(jì)數(shù)器是對(duì)晶體振蕩器的輸出信號(hào)脈沖進(jìn)行 計(jì)數(shù)。這里用被測(cè)周期T來(lái)控制閘門，填充時(shí)間0進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) N。為了提高周期測(cè)量的準(zhǔn)確度，通過(guò)將周期信號(hào)分頻，使被測(cè)量 的周期得到倍乘。故被測(cè)量的轉(zhuǎn)速n為 0 0 60 KT N z k n zN k為周期倍乘數(shù)1，10，100. 晶振周期 N為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值 Z為傳感器細(xì)分?jǐn)?shù) 0 （2）轉(zhuǎn)速傳感器 把被測(cè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器 轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就輸出數(shù)目與白條 紋數(shù)目相同個(gè)電脈沖信

8、號(hào)。 1）光電式轉(zhuǎn)速傳感器 2）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導(dǎo)磁體) 旋轉(zhuǎn)時(shí)，其齒依次通過(guò)永久磁鐵兩磁 極間的間隙，使磁路的磁阻和磁通發(fā) 生周期性變化，從而在線圈上感應(yīng)出 頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成此例的交流 電壓信號(hào)u0。 隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速低到一定程度時(shí)，電 壓幅值將會(huì)減小到無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的程度。故這種傳成器不適合 于低速測(cè)量。 3）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 (3)數(shù)字化電路 為了讀出被測(cè)轉(zhuǎn)速，還需要進(jìn)一步把傳感器輸傳感器輸 出信號(hào)的頻率或周期轉(zhuǎn)換成數(shù)字量出信號(hào)的頻率或周期轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于數(shù) 字顯示。一般對(duì)中、高轉(zhuǎn)速采用頻率法，對(duì)低 轉(zhuǎn)速采

9、用周期法測(cè)量。 時(shí)基電路的功能是提供時(shí)間基準(zhǔn)(又稱為時(shí)標(biāo))，它由晶體振 蕩器和分頻器電路組成。振蕩器輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)經(jīng)放大 整形和分頻后，產(chǎn)生出以脈沖寬度形式表示的時(shí)間基準(zhǔn)， 來(lái)控制計(jì)數(shù)門(其中fv振蕩器的輸出頻率，n為分頻數(shù) 1 2n v t f （4）數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng) 整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)除應(yīng)包括轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)字化轉(zhuǎn)換 電路和顯示器外，由于實(shí)際測(cè)量總是在一段時(shí)間 內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的，因此在每個(gè)測(cè)量循環(huán)開始之前， 必須首先對(duì)時(shí)基電路、計(jì)數(shù)器和顯示器進(jìn)行清零。 另外也需要使顯示延長(zhǎng)一定的時(shí)間，以便觀察測(cè) 量結(jié)果。故系統(tǒng)中還應(yīng)沒(méi)有完成這些功能的控制 邏輯電路。 2. 閃光測(cè)轉(zhuǎn)速法閃光測(cè)轉(zhuǎn)速法 閃光測(cè)轉(zhuǎn)速法

10、是利用人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。一 個(gè)閃光目標(biāo)，當(dāng)閃動(dòng)頻率大于10Hz時(shí)，人眼看上去就是連續(xù) 發(fā)亮的。根據(jù)這一原理，用一個(gè)頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射 被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標(biāo)記(如齒輪的齒，圓盤的輻條或在 旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點(diǎn))，并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出 現(xiàn)一個(gè)單定象為止，即達(dá)到n=f的條件，這時(shí)便可以從電子計(jì) 數(shù)器或圓刻度盤上讀出被測(cè)的轉(zhuǎn)速值。 但是若在連續(xù)兩次閃光的時(shí)間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)整數(shù)倍的 因數(shù)時(shí)，即nk0f時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)單定象。式中的k0為單定象 停留的次數(shù)(1、2、3、)。 還可能出現(xiàn)另一種情況，即當(dāng)閃光頻率比被測(cè)轉(zhuǎn)速高二倍、 三倍、m倍時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)二重象、三重象以至于m重

11、象。 f=mn 3.測(cè)速發(fā)電機(jī) 橫穿導(dǎo)體的磁通發(fā)生變化時(shí)，該導(dǎo)體將產(chǎn) 生電勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)作用。這 樣產(chǎn)生的電壓稱為感應(yīng)電勢(shì)。測(cè)速發(fā)電機(jī) 是利用電磁感應(yīng)原理制成的一種把轉(zhuǎn)動(dòng)的 機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的裝置，與普通 發(fā)電機(jī)不同之處是它有較好的測(cè)速特性， 例如輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間有較好的線性關(guān) 系，較高的靈敏度等。測(cè)速發(fā)電機(jī)也分為 直流和交流兩類。 4.直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的平均直流輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速N大體上 成正比，表達(dá)式為 5.交流測(cè)速發(fā)電機(jī) 加速度是表征物體在空間運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的一個(gè)基本物理量。因此， 可以通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例如，

12、慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)就是通過(guò)飛行器的加速度來(lái)測(cè)量它的加速度、速度 (地速)、位置、已飛過(guò)的距離以及相對(duì)于預(yù)定到達(dá)點(diǎn)的方向 等。通常還通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)所承受的加通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)所承受的加 速度負(fù)荷的大小速度負(fù)荷的大小，以便正確設(shè)計(jì)其機(jī)械強(qiáng)度和按照設(shè)計(jì)指標(biāo) 正確控制其運(yùn)動(dòng)加速度，以免機(jī)件損壞。對(duì)于加速度，常用 絕對(duì)法測(cè)量，即把慣性型測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量。 7.3 加速度測(cè)量加速度測(cè)量 當(dāng)前測(cè)量加速度的傳感器基本上都是基于 圖所示的基本結(jié)構(gòu)。通常是質(zhì)量彈簧 阻尼二階慣性系統(tǒng)。由質(zhì)量塊m、彈簧k 和阻尼器c所組成的慣性型二階測(cè)量系統(tǒng)。 質(zhì)量塊通過(guò)彈簧和阻尼器與傳感器

13、基座相 連接。傳感器基座與被測(cè)運(yùn)動(dòng)體相固連， 因而隨運(yùn)動(dòng)體一起相對(duì)于運(yùn)動(dòng)體之外慣性 空間的某一參考點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 由于質(zhì)量塊不與傳感器基座相固連，因而在慣性作用 下將與基座之間產(chǎn)生相對(duì)位移。質(zhì)量塊感受加速度并 產(chǎn)生與加速度成比例的慣性力，從而使彈簧產(chǎn)生與質(zhì) 量塊相對(duì)位移相等的伸縮變形，彈簧變形又產(chǎn)生與變 形量成此例的反作用力。當(dāng)慣性力與彈簧反作用力相 平衡時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)于基座的位移與加速度成正比例，質(zhì)量塊相對(duì)于基座的位移與加速度成正比例， 故可通過(guò)該位移或慣性力來(lái)測(cè)量加速度故可通過(guò)該位移或慣性力來(lái)測(cè)量加速度。 設(shè)傳感器基座相對(duì)于慣性空間參考坐標(biāo)的位移為xb，質(zhì) 量塊m相對(duì)于慣性空間參考坐標(biāo)的位

14、移為x，質(zhì)量塊相對(duì) 于傳感器基座的位移為y，則有 如上所述，質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)可以把加速度轉(zhuǎn)換成與之 成比例的質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移，采用位移傳感器 作為變換器，把質(zhì)量塊的相對(duì)位移轉(zhuǎn)變成與加速度成比例的 電信號(hào)，就可構(gòu)成各種類型的位移式加速度傳感器。 b yxx （a)是一種變磁阻式加速度傳感器，它是以通過(guò)彈簧片與 殼體相連的質(zhì)量塊m作為差動(dòng)變壓器的銜鐵。當(dāng)質(zhì)量塊感 受加速度而產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，差動(dòng)變壓器就輸出與位移(也 即與加速度)成近似線性關(guān)系的電壓，加速度方向改變時(shí)， 輸出電壓的相位相應(yīng)地改變180。 位移式加速度傳感器位移式加速度傳感器 (b)是電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)，它是以通

15、過(guò)彈簧 片支承的質(zhì)量塊作為差動(dòng)電容器的活動(dòng)極板，并利用空 氣阻尼。電容式加速度傳感器的特點(diǎn)是頻率響應(yīng)范圍寬， 測(cè)量范圍大。 圖(c)是霍爾式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是在固定 在傳感器殼體上的彈性懸臂梁的中部裝有一感受加速度 的質(zhì)量塊m，梁的自由端固定安裝著測(cè)量位移的霍爾元 件H。在霍爾元件的上下兩側(cè)，同極性相對(duì)安裝著一對(duì)永 久磁鐵，以形成線性磁場(chǎng)。當(dāng)質(zhì)量塊感受上下方向的加 速度而產(chǎn)生與之成比例的慣性力使梁發(fā)生彎曲變形時(shí)， 自由端就產(chǎn)生與加速度成比例的位移，霍爾元件就輸出 與加速度成比例的霍爾電勢(shì)UH。 這類基于測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)位移的加速度傳感器一般靈 敏度都比較低，所以當(dāng)前廣泛采用基于測(cè)量慣

16、性力的 加速度傳感器，例如電阻應(yīng)變式、壓阻式和壓電式加 速度傳感器。它們的工作原理是:敏感質(zhì)量塊感受加敏感質(zhì)量塊感受加 速度，而產(chǎn)生與之成正比的慣性力速度，而產(chǎn)生與之成正比的慣性力Fma，再通過(guò)，再通過(guò) 彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過(guò)壓電彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過(guò)壓電 元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量，然后通過(guò)測(cè)量應(yīng)變、元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量，然后通過(guò)測(cè)量應(yīng)變、 應(yīng)力或電荷來(lái)間接測(cè)量加速度。應(yīng)力或電荷來(lái)間接測(cè)量加速度。 應(yīng)變式加速度傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器的具體結(jié)構(gòu)形式很多，但都可簡(jiǎn)化 為圖622所示的形式。等強(qiáng)度彈性懸臂梁固定安裝在傳 感器的基座上，梁的自由端固定一質(zhì)量塊

17、m，在梁的根部 附近兩面上各貼一個(gè)(成兩個(gè))性能相同的應(yīng)變片，應(yīng)變片 接成對(duì)稱差動(dòng)電橋。 a Fma 當(dāng)質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生慣性力Fa時(shí)，在力Fa的作用 下，懸臂梁發(fā)生彎曲變形，其應(yīng)變?yōu)?粘貼在梁兩面上的應(yīng)變片分別感受正(拉)應(yīng)變和 負(fù)(壓)應(yīng)變而電阻增加和減小，電橋失去平衡而 輸出與加速度成正比的電壓U0，即 7.4 功率測(cè)量系統(tǒng) 7.4.1 功率測(cè)量常用的三種方法 1.測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的方法 2. 測(cè)量電機(jī)輸入功率和效率的方法 3. 熱平衡法 30 n MMNe meei NN mcrcggg QQhhmN)( 12 7.4.2 轉(zhuǎn)矩的測(cè)量 扭矩測(cè)量基本方法： （1）傳遞法 （2）力平衡法

18、 （3）能量轉(zhuǎn)換法 7.4.3 力矩測(cè)量 q對(duì)旋轉(zhuǎn)軸測(cè)量力矩，可以確定輸出的功也可以監(jiān)測(cè) 剪切應(yīng)力下的材料失效。 q力矩（轉(zhuǎn)矩）測(cè)量常常和功率、轉(zhuǎn)速測(cè)量聯(lián)系在一 起。 力所作的功力在力方向上的位移 每秒所作的功=F2rn= 旋轉(zhuǎn)軸所傳遞的功率2nT=T F: 半徑 r處的切向力 T: 作用在軸上使其旋轉(zhuǎn)的力矩 22 T rnnT r 力矩測(cè)量的基本方法： （1）傳遞法（Transmission method ） （扭軸法）：轉(zhuǎn)矩使彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形 （2）力平衡法（Force balance method ） （3）能量轉(zhuǎn)換法（Power transformation method）: E1=E2+E，測(cè)量各種電機(jī)的轉(zhuǎn) 矩 (1)當(dāng)力矩作用在彈性軸上，軸會(huì)產(chǎn)生扭曲變形、 剪切應(yīng)變和應(yīng)力 / p p Ml GI MI Gl G: 材料的切變模量；: 扭轉(zhuǎn)角；IP : 極慣性矩 4 32 p d I 一、傳遞法測(cè)力矩一、傳遞法測(cè)力矩 測(cè)量扭轉(zhuǎn)角: 測(cè)量剪切應(yīng)力 : 測(cè)量軸的應(yīng)變: 45、135 : 沿著和軸成45o、135o 夾角方向的 主應(yīng)變。 1. 電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀 在被測(cè)軸上，沿軸線的45?；?35。方向?qū)?yīng)變片粘 貼上，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩