第六章轉(zhuǎn)速功率扭矩檢測

1、輪輪 機(jī)機(jī) 測測 試試 技技 術(shù)術(shù)主講：陳益瑞2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 1第六章第六章轉(zhuǎn)速、功率和扭矩檢測轉(zhuǎn)速、功率和扭矩檢測2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 26-1 轉(zhuǎn)速測量 發(fā)動機(jī)或輸出軸及一些自動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速是重要的參數(shù)，必須隨時檢測。在實驗研究中，轉(zhuǎn)速也是最基本的測試項目之一。 轉(zhuǎn)速測量的方法有很多，通常分為模擬方式和數(shù)字方式兩大類。一、模擬方式轉(zhuǎn)速測量儀表機(jī)械式：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便， 動部分易損壞電氣式：便于遠(yuǎn)距離測量，一 般作為隨機(jī)檢測儀表 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 3（一）機(jī)械式轉(zhuǎn)速表（一）機(jī)械式轉(zhuǎn)速表 離

2、心式轉(zhuǎn)速表 手持離心式轉(zhuǎn)速表的工作原理是利用旋轉(zhuǎn)質(zhì)量(重環(huán))的離心力與旋轉(zhuǎn)角速度成比例的原理來測量被測軸的轉(zhuǎn)速。 為了擴(kuò)大量程，轉(zhuǎn)速表內(nèi)設(shè)有變速箱，可根據(jù)需要選擇量程范圍。同時備有多種形式、規(guī)格的接頭以供使用。 離心式轉(zhuǎn)速測量表結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，成本低。缺點是測量精度低，其誤差一般為1%8%。旋轉(zhuǎn)軸扭力彈簧重環(huán)軸指針扇形齒輪2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 4（二）電氣式轉(zhuǎn)速表（二）電氣式轉(zhuǎn)速表1.磁性轉(zhuǎn)速表 磁性轉(zhuǎn)速表是一種感應(yīng)式的電渦流轉(zhuǎn)速表，利用電磁感應(yīng)的原理來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。金屬杯在電磁力的作用下，向磁鐵旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)，從而帶動指針偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角與電磁力大小成正比，也即

3、是與磁鐵轉(zhuǎn)速成正比。磁性轉(zhuǎn)速表特點： 結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，刻度均勻，測速范圍大，對振動不敏感。 測量靈敏度稍差，讀數(shù)受環(huán)境溫度影響較大。測量誤差約為1.5%2%。 適用于車、船等振動較大情況使用杯形園盤指針永久磁鐵游絲鐵心2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 5永磁式低速直流測速發(fā)電機(jī)2.發(fā)電機(jī)式轉(zhuǎn)速表 由測速發(fā)電機(jī)、連接電纜和轉(zhuǎn)速指示器組成。測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速指示器轉(zhuǎn)速（連接電纜）電信號 測速發(fā)電機(jī)分交流和直流兩種，其轉(zhuǎn)子由被測軸驅(qū)動，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號輸出?？招谋D(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 6 與交流測速發(fā)電機(jī)相比，直流測速發(fā)電機(jī)不存在輸出

4、電壓相位問題；但其有換向片、電刷等部件，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜。交流測速發(fā)電機(jī)構(gòu)造和維護(hù)則較簡單，其輸出電壓相位問題采用相敏整流電路即可解決，因此得到更多的應(yīng)用。 發(fā)電機(jī)式轉(zhuǎn)速表的特點是傳遞的信號為電信號，可進(jìn)行瞬時轉(zhuǎn)速的測量，便于遠(yuǎn)距離測量和自動控制，可靠性高，測量范圍大，最大量程可達(dá)10000 r/min，誤差在1.5%2%左右。帶溫度補償永磁直流測速發(fā)電機(jī)2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 7二、數(shù)字方式轉(zhuǎn)速測量 數(shù)字方式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由測速傳感器和電子計數(shù)器（或數(shù)字頻率計）組成。 測速傳感器將被測轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，用電纜傳輸給電子計數(shù)器（或數(shù)字頻率計）進(jìn)行數(shù)字顯示。也

5、可將測速傳感器與數(shù)字計數(shù)器制成一體（如反射式光電轉(zhuǎn)速表），進(jìn)行非接觸測量。 數(shù)字方式測量精度高，可進(jìn)行數(shù)字顯示，也可輸出數(shù)字信號給打印機(jī)和電子計算機(jī)，實現(xiàn)自動記錄及數(shù)據(jù)處理。數(shù)字方式可測量平均轉(zhuǎn)速，也可通過處理得到瞬時轉(zhuǎn)速。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 8（一）測速傳感器（一）測速傳感器 數(shù)字測速系統(tǒng)常用的測速傳感器有磁電式和光電式兩類。1.磁電式測速傳感器 根據(jù)電磁感應(yīng)原理,N 匝線圈里感應(yīng)電動勢e的大小取決于貫穿這線圈的磁通的變化率，即dtdNe(3-2) 磁電式測速傳感器正是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將被測軸轉(zhuǎn)速變換成電脈沖信號。 磁電式測速傳感器由帶齒輪的旋轉(zhuǎn)輪和磁電變換

6、器兩部分組成。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 9 齒輪通常制成60個齒，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一周時傳感器輸出60個脈沖信號。將此信號送入電子計數(shù)器，將計數(shù)器的計數(shù)時間定為1s，則電子計數(shù)器的顯示器即被顯示出被測量軸每分鐘的轉(zhuǎn)速n，即 min/min/6060rrHnnfZ 磁電式測速傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作安裝比較方便，無需傳感器電源，應(yīng)用較廣。 但是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的波形不規(guī)整，易產(chǎn)生干擾信號，當(dāng)干擾信號的幅值超過電子計數(shù)器的工作電平時，將會干擾電子計數(shù)器的正常工作，產(chǎn)生誤記。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 10 2.光電式測速傳感器 光電式測速傳感器是光電變換器所構(gòu)成的測

7、量轉(zhuǎn)速的傳感器。它將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為光通量的變化，進(jìn)而通過光電變換器轉(zhuǎn)換為電信號。 光電變換器的理論基礎(chǔ)是物質(zhì)的光電效應(yīng)（見P28）。某些金屬或半導(dǎo)體受到光子轟擊產(chǎn)生光電效應(yīng)： 1）電子逸出物體表面，稱外光電效應(yīng)。根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電變換器有光電管、光電倍增管等。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 11 光電管的特性主要取決于光電陰極的材料。 不同材料對不同波長的光線有不同的靈敏度（如右圖所示）。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 12 當(dāng)陽極電壓一定時，光電流（陽極電流）與光通量基本成正比。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 13 2）物體電

8、阻率發(fā)生變化，稱內(nèi)光電效應(yīng)。根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電變換器叫光敏電阻。用光敏電阻制成的器件稱為光導(dǎo)管。 光敏電阻在不受光照時的阻值稱為暗電阻，它越大越好，一般為兆歐數(shù)量級； 光敏電阻在受光照時的阻值稱為亮電阻，光照越強(qiáng)亮電阻越小，一般為千歐數(shù)量級。 常用作開關(guān)式電路中的光電信號轉(zhuǎn)換元件。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 143）物體產(chǎn)生一定方向的電動勢，稱阻擋層光電效應(yīng)。根據(jù)阻擋層光電效應(yīng)制成的光電變換器有光電池和光敏晶體管。 光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的元件，它是一個大面積的PN結(jié)。當(dāng)光線照射再PN結(jié)上時，便在PN結(jié)兩端出現(xiàn)電勢，P區(qū)為正極，N區(qū)為負(fù)極，此電勢稱光生電

9、動勢。 硅光電池適用于波長0.41.1m的光波，硒光電池適用于波長0.30.6m的光波2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 15 硅光電池的短路電流Isc與光強(qiáng)成線性關(guān)系。其開路電壓Uac與光強(qiáng)為非線性關(guān)系，在光照度2000lx(勒克斯)照射下就趨于飽和狀態(tài)。 把硅光電池作為測量元件使用時，應(yīng)把它作為電流源。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 16 光敏晶體管有兩個PN結(jié)，與普通晶體管非常相似。當(dāng)光線透過光孔照射到b極和e極間的PN結(jié)時，即獲得較大的電流輸出，光照越強(qiáng)電流越大。 該種管子的最大特點是它不但有光電轉(zhuǎn)換作用，而且還能對光信號進(jìn)行放大。 光敏晶體管外形如

10、圖所示。光敏晶體管的引腳多數(shù)為兩個，少數(shù)光敏晶體管為三個引腳，如圖所示，一般只有E、C兩引腳。 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 17 下圖虛線為光敏晶體管的光照特性，為輸出電流與光照度之間的關(guān)系。當(dāng)照度小于2000lx時，光照特性近似線性。硅管用于可見光；鍺管用于紅外光。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 18 光電測速傳感器是利用上述某種光電變換器，加上一些將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成光通量變化的部件構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)可分為透光式和反射式兩種。 透光式測速傳感器由帶孔或缺口的圓盤、光源和光電管組成。光線通過圓孔或缺口照射在光電管上時，其反向電阻很小，于是輸出一個脈沖信號。光源被

11、圓盤遮住時，光電管反向電阻很大，輸出端沒有信號輸出。這樣根據(jù)圓盤上的孔數(shù)或缺口數(shù)，即可測出被測軸的轉(zhuǎn)速。 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 19 光電式測速傳感器輸出信號的波形比較規(guī)整，接近標(biāo)準(zhǔn)方波，幾乎無干擾信號產(chǎn)生。但透光式往往由于振動會使光源壽命降低，因而在具有較強(qiáng)烈振動的條件下不宜采用。反射式的光源與被測軸無任何機(jī)械聯(lián)系，使用方便。 反射式測速傳感器是通過光的反射來得到脈沖信號的。投光器與反射面之間的距離一般為515cm。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 20手提式閃光測速手提式閃光測速/ /觀察儀觀察儀 能同時測量轉(zhuǎn)速及頻率，利用閃光和轉(zhuǎn)動頻率同步

12、的原理，使轉(zhuǎn)動的物體出現(xiàn)靜止的影像，無須停機(jī)便可作觀察及檢測工作，廣泛用于各行各業(yè)。測長測速儀測長測速儀 可測量紗線和金屬絲的速度/長度/轉(zhuǎn)速及表面速度 。亦可用作接觸式和非接觸式的轉(zhuǎn)速儀，測量軸/電機(jī)/皮帶輪等的轉(zhuǎn)速，或者運動表面的線速度，如：傳送帶/紙幅或纖維帶等 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 216-2 功率和扭矩測量發(fā)動機(jī)的有效功率Pe可以用下式表示nCMPke(4-1)式中，Mk發(fā)動機(jī)輸出扭矩； n輸出軸轉(zhuǎn)速； C與單位有關(guān)的常數(shù) 當(dāng)選用單位為Pe(kW)、Mk(Nm)、n(r/min)時，C為1/9550。 當(dāng)選用單位為Pe(hp)、Mk(kgfm)、n(r/

13、min)時，C為1/716.2。 因此，發(fā)動機(jī)的有效功率是從扭矩和轉(zhuǎn)速的直接測量結(jié)果，經(jīng)上式計算間接得到的。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 22 扭矩的測量方法有吸收法和傳遞法兩種。 吸收法用某種裝置給軸以制動力矩，與發(fā)動機(jī)功相當(dāng)?shù)闹苿庸σ詿岬男问缴l(fā)，測量這時的制動力矩就可以求得發(fā)動機(jī)輸出扭矩。由于把發(fā)動機(jī)的功全部吸收，故稱吸收式測功器，簡稱測功器。 傳遞法測定發(fā)動機(jī)與被驅(qū)動機(jī)械的連接軸的扭轉(zhuǎn)角位移或應(yīng)變，是測軸傳遞的扭矩，故稱為傳遞式測功器，或簡稱扭矩儀。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 23一、吸收式測功器（一）水力測功器（一）水力測功器 1.水力測

14、功器的基本工作原理： 利用在水中旋轉(zhuǎn)的運動物體使水產(chǎn)生渦流運動，形成摩擦力矩。在此過程中機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，使水的溫度升高。從而吸收內(nèi)燃機(jī)的功率。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 24 根據(jù)作用力矩與反作用力矩大小相等、方向相反的原理，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，水對外殼所產(chǎn)生的摩擦力矩等于內(nèi)燃機(jī)帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)傳給水的扭矩。實際上內(nèi)燃機(jī)所發(fā)出的扭矩應(yīng)等于外殼傳出的扭矩加上滾動軸承的摩擦力矩。但因后者很小，引起的誤差僅為測功器最大制動力矩的0.010.02，所以 可忽略不計。外殼偏轉(zhuǎn)所傳出的扭矩，可以從測力機(jī)構(gòu)上測量出來。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 25 設(shè)測力機(jī)構(gòu)測

15、得制動力為F，力臂為L，則制動力矩Mk=FL，所測得的制動功率為CFLnnCMPke（4-2） 當(dāng)擺錘偏轉(zhuǎn)角度很小時，由擺錘經(jīng)杠桿所產(chǎn)生的制動力F與成正比，與指針偏轉(zhuǎn)的指示值B也成正比，于是式（4-2）可表示為KBnPe（4-3）式中，K水力測功器常數(shù)。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 26 由上式可見，圓盤對水的摩擦力矩與摩擦損失系數(shù)、轉(zhuǎn)速的平方、圓盤外半徑與其浸入水層中的內(nèi)半徑的五次方的差數(shù)成正比。 調(diào)節(jié)測功器中的水量，也即改變圓盤浸濕內(nèi)半徑Rb的值，就能改變測功器吸收功率的大小。一般采用改變出水口的位置來改變Rb。552bamRRnM（4-7） 影響水力測功器制動力矩的

16、主要因素是尺寸和轉(zhuǎn)速。如圖43所示的測功器圓盤力學(xué)單元，整個圓盤對水的摩擦力矩為2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 27 2.水力測功器的結(jié)構(gòu)類型 根據(jù)水力測功器的結(jié)構(gòu)特點和制動力矩的調(diào)節(jié)方法，大致可分為以下幾種。 （1）圓盤式水力測功器 轉(zhuǎn)軸上固定有很多片圓盤，并在各圓盤上沿同心圓開孔。轉(zhuǎn)子圓盤由固定在外殼上的固定圓環(huán)相互隔開。固定圓環(huán)上也鉆有孔或鑄有凹坑，以增加對水的摩擦阻力。出水調(diào)節(jié)閥上有螺旋形出水窗口，當(dāng)轉(zhuǎn)動閥門手柄時，此出水窗口的通道截面能從最小過渡到最大，從而可以均勻地調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)水層的厚度。 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 28 （2）銷棒式水力測

17、功器 這種測功器的外殼內(nèi)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)鼓上裝有多排菱形或方形鋼銷，兩者相互錯開。測功器工作時，轉(zhuǎn)子上的鋼銷攪動外殼內(nèi)的水形成渦流水圈，并沖擊外殼內(nèi)的鋼銷，使外殼承受一定的力矩，由測力機(jī)構(gòu)測出。測功器的水量由進(jìn)出水閥調(diào)節(jié)。 目前國產(chǎn)D 系列水力測功器均為這種結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點是測功器尺寸不大，而功率儲備較大。但其工作狀況不夠穩(wěn)定，在低負(fù)荷區(qū)尤為明顯。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 29 （3）閘套式水力測功器（渦流壓力式水力測功器） 這種測功器在工作時，進(jìn)、出水閥均打開，測功器體殼內(nèi)充滿了水。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，水在殼體內(nèi)和轉(zhuǎn)子間作強(qiáng)烈的環(huán)形渦流運動。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩通過旋轉(zhuǎn)流體轉(zhuǎn)移到外殼上，使殼

18、體擺動，并通過測力機(jī)構(gòu)測出。負(fù)荷是通過手輪、齒輪及正反兩段螺紋的絲桿加以調(diào)節(jié)。絲桿轉(zhuǎn)動時，帶動安裝在定子與轉(zhuǎn)子之間的半圓形閘套合攏或分開，從而改變了通道面積和在凹槽內(nèi)作渦流運動的水量，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的。 由于測功器內(nèi)一直充滿著水，依靠閘套位置調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，因此受水壓影響較小，工作穩(wěn)定，在低負(fù)荷區(qū)工作也比較平穩(wěn)，操作方便。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能反轉(zhuǎn)。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 30渦流壓力式水力測功器2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 31 3.水力測功器的供水系統(tǒng) 水力測功器屬于吸收式測功器。工作中機(jī)械能轉(zhuǎn)換為水的動能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱能使水溫升高，為不影響正常工作，

19、測功器中的水要不斷循環(huán)。通常水溫保持在5070OC以下。 為使測功器能穩(wěn)定工作，對其供水系統(tǒng)提出了以下要求： (1)測功器的供水壓力要穩(wěn)定； (2)要求具有一定的循環(huán)水量，不致水溫過高。 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 32式中，C水的比熱容； C4.186kJ/(kg.K)； Pe內(nèi)燃機(jī)的有效功率； qm每秒通過測功器的水量； t1測功器的進(jìn)水溫度； t2測功器的出水溫度。 對于功率較小的發(fā)動機(jī)試驗臺，可采用簡易的供水系統(tǒng)，如圖47所示。 這種供水系統(tǒng)的缺點是水不能回收。水力測功器每小時需流過的水量可以根據(jù)熱平衡方程式求得：（4-8）12ttCPqem供水管蓄水箱上水管泵

20、溢流管排水管測功器水位調(diào)節(jié)閥2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 33 對于發(fā)動機(jī)功率較大的試驗臺，必須考慮水的回收，否則浪費太大，故通常應(yīng)建立循環(huán)水池。圖48為有水池的測功器供水系統(tǒng)。 供水管蓄水箱地下水池上水管泵吸水管溢流管排水管測功器2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 34 閘套式水力測功器在工作時，工作腔內(nèi)始終充滿著水，以防止葉片受蝕損壞。要求水必須具備一定的壓力，并隨內(nèi)燃機(jī)的工作狀況而變化，因此通常采用壓力供水系統(tǒng)，如圖49所示。 蓄水箱地下水池壓力表泵壓力調(diào)節(jié)閥溢流管排水管測功器2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 35 4.水力測功器的

21、特性曲線 測功器所能吸收的功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，稱為測功器的特性。測功器的特性曲線表明了它的工作范圍。 0a為(立方拋物線)表示測功器水量最大時所能吸收的功率，a點達(dá)到測功器轉(zhuǎn)動部分允許扭矩強(qiáng)度的最大制動力矩。 ab為最大制動力矩線。為保證扭矩不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，需減小測功器中的水層厚度。 bc為最大功率限制線。由測功器的出水溫度及最大循環(huán)水量確定。 cd為最大轉(zhuǎn)速限制線。它受測功器轉(zhuǎn)子的離心力負(fù)荷的限制。 d0為空載線。表示測功器中沒有水時所能吸收的最小功率。由空氣阻力和轉(zhuǎn)子軸承的摩擦力矩確定。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 36 曲線0abcd0所包圍的圖形，即為測功器的工

22、作范圍。它是選擇被測發(fā)動機(jī)與測功器相匹配的依據(jù)。 選擇測功器時，要求內(nèi)燃機(jī)的外特性要全部落在曲線圖內(nèi)，并盡量靠近0ab線，以保證工作的穩(wěn)定性。 圖中E、F表示兩臺發(fā)動機(jī)的外特性線。從圖中可以看出發(fā)動機(jī)F的外特性線在低速低負(fù)荷區(qū)的一段越出了測功器的工作范圍，這說明其不匹配。而發(fā)動機(jī)E的匹配是合適的。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 37（二）電力測功器（二）電力測功器 電力測功器的最簡單形式是由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動普通的直流或交流發(fā)電機(jī)，然后根據(jù)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率和效率，用下列關(guān)系式求出發(fā)動機(jī)的有效功率： 對于直流發(fā)電機(jī) 對于交流發(fā)電機(jī)UIPecos3UIPe（4-9）（4-10）式

23、中，U發(fā)電機(jī)的電壓， 對于三相電機(jī)為相電壓； I發(fā)電機(jī)的輸出電流； 發(fā)電機(jī)的效率； cos交流發(fā)電機(jī)的功率因素。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 38 由于發(fā)電機(jī)的效率與發(fā)電機(jī)工作時的銅損失、鐵損失、摩擦損失等復(fù)雜因素有關(guān)，且是隨負(fù)荷及轉(zhuǎn)速而變化的，因此很難確定的準(zhǔn)確值，也很難得到功率測量的精確結(jié)果。 在實際的發(fā)動機(jī)功率測量中，這種方法較少采用，而廣泛采用平衡式結(jié)構(gòu)的電力測功器。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 39 1.平衡式直流電力測功器 平衡式直流電力測功器實際上是一臺直流電機(jī)，電樞1旋轉(zhuǎn)于定子4的軸承3、5之中。定子4外殼與普通電機(jī)不同，它是由軸承2

24、、6支撐，可繞電樞軸線擺動，并且在定子外殼上與水力測功器一樣裝有稱量機(jī)構(gòu)。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 40 當(dāng)電樞勻速轉(zhuǎn)動時，由于電磁力的作用使定子（即殼體）順著電樞轉(zhuǎn)動的方向擺動，該擺動被測力機(jī)構(gòu)所平衡，測力機(jī)構(gòu)指針的指示值反映了發(fā)動機(jī)輸出扭矩的大小。直流電機(jī)發(fā)出的直流電可利用或直接由負(fù)荷電阻消耗掉。 實際測量中，電力測功器的風(fēng)扇、軸承、整流子等均會產(chǎn)生阻力矩，此附加扭矩用M表示。M是隨轉(zhuǎn)速而變化的，對某一臺具體的測功器可用試驗的方法求得M 的變化曲線，如圖413所示。于是可用下列公式對所測得的力矩進(jìn)行修正 MD=MW+ M (4-11)式中， MD發(fā)動機(jī)輸出扭矩；

25、MW測功器秤量力矩。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 41 2.平衡式電力測功器的秤量機(jī)構(gòu) （1）精密擺錘式秤 為了提高測量精度，在普通擺錘式秤量機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展了精密擺錘式秤。它將普通擺錘式秤量機(jī)構(gòu)的滑動摩擦變成了滾動摩擦，因此提高了測量精度。 電力測功器還可以作為電動機(jī)拖動發(fā)動機(jī)起動或測量發(fā)動機(jī)的摩擦功率，從而得到發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率。作為電動機(jī)運行測量發(fā)動機(jī)摩擦功率MDm時，力矩修正公式為 MDm MMW （4-12） 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 42 （2）電子秤 在測功器的測力機(jī)構(gòu)中，電子秤也獲得了廣泛的應(yīng)用。電子秤有拉壓傳感器及其測量控制電路組

26、成，如圖4-5所示。拉壓傳感器將測功器的被秤量力變換為相應(yīng)的電信號，由測量電路進(jìn)行放大等處理，最后信號以數(shù)字形式顯示出來。拉壓傳感器的形式很多，如電阻應(yīng)變式、電感式、壓電式、壓磁式等等。 電子秤信號可以遠(yuǎn)傳，測量精度高，讀數(shù)直觀，便于實現(xiàn)試驗臺自動化和數(shù)據(jù)處理。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 43 3.電力測功器的特性曲線 該特性曲線表示電力測功器所吸收的功率與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。選用電力測功器時，發(fā)動機(jī)的外特性曲線也必須在測功器的特性曲線之內(nèi)。 01為最小負(fù)荷電阻和最大激磁電流下功率隨轉(zhuǎn)速的增長線。 12為最大轉(zhuǎn)矩限制線，或者是電樞最大電流限制線。它由轉(zhuǎn)動機(jī)件所允許的最大轉(zhuǎn)矩

27、或電樞所允許的最大電流來確定。 23為最大功率限制線。它由電機(jī)所允許的最大溫升及散熱條件確定。 34為最大轉(zhuǎn)速限制線。它由轉(zhuǎn)動機(jī)件（電樞繞組）所允許的離心力負(fù)荷確定。 04空載特性線，此時激磁電流為零2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 44 （三）電渦流測功器（三）電渦流測功器 它由轉(zhuǎn)子（包括發(fā)動機(jī)驅(qū)動軸與感應(yīng)子）和搖動架（包括產(chǎn)生制動力矩的渦流環(huán)、鐵心和激磁線圈）組成，是利用電渦流起制動作用來測量扭矩的。 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 45 當(dāng)感應(yīng)子轉(zhuǎn)動時，在渦流環(huán)的截面處由于齒槽與渦流環(huán)之間的間隙增厚，磁阻增加，磁力線密度減小，由電磁感應(yīng)原理可知，在處

28、將產(chǎn)生一感應(yīng)電流，以阻止磁通量的減少。在處則相反。感應(yīng)電流與產(chǎn)生它的磁力線相互作用，使定子受一電磁力（與同向）的作用，故整個搖動架受到一個方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的扭矩作用，由測力機(jī)構(gòu)指示出其讀數(shù)。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 46 電渦流測功器的制動力力矩是通過改變激磁電流來調(diào)節(jié)的。激磁電流由專門的電流控制柜提供。測功器所吸收的機(jī)械能通過電渦流轉(zhuǎn)化為熱能，再由冷卻水進(jìn)行散熱。出水溫度不宜超過6570oC。應(yīng)使用軟水，否則會在測功器內(nèi)形成水垢，影響散熱，而溫度過高會使測功器的絕緣遭到破壞。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 47 下圖為電渦流傳感器的功率特性

29、及其工作范圍， 01段激磁電流最大時所能吸收的功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線； 12段測功器所能測量的最大功率線，其值受測功器所允許的最高工作溫度的限制； 23段允許使用的最大轉(zhuǎn)速，受轉(zhuǎn)子離心力負(fù)荷的限制； 30段無激磁電流通過時的制動功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，由空氣阻力和摩擦阻力所形成。 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 48二、扭矩儀 上述的各種測功設(shè)備僅適用于試驗臺上測量發(fā)動機(jī)的扭矩。要測運行中的發(fā)動機(jī)輸出扭矩及扭矩的變化，須借助扭矩儀。 扭矩儀的基本工作原理是基于輸出軸（中間傳動軸）在承受扭矩作用時，軸所產(chǎn)生的扭矩變形與傳動扭矩的大小成比例。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測

30、試 技 術(shù) 49 由上式可知，當(dāng)軸的幾何形狀、尺寸、材料及測量基長L一定時，扭轉(zhuǎn)變形角 與扭矩M成比例，且為線性關(guān)系。因此，只要測出扭轉(zhuǎn)角的大小，即可間接計算出M值。再根據(jù)同時測出的轉(zhuǎn)n，就可以確定發(fā)動機(jī)的輸出功率Pe。MGILp（4-18）根據(jù)材料力學(xué)知道，傳動軸在外扭矩M作用下所產(chǎn)生的扭矩轉(zhuǎn)變形為式中，軸上相距L的兩截面間的 相對扭轉(zhuǎn)角度； G軸材料的剪切彈性模量； Ip軸截面的慣性矩。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 50（一）電阻應(yīng)變式扭矩儀（一）電阻應(yīng)變式扭矩儀 等圓截面的傳動軸在承受扭矩時，在軸的外圓面上產(chǎn)生最大的剪應(yīng)力，兩個主應(yīng)力與軸線成45oC與135oC的夾

31、角。電阻應(yīng)變式扭矩儀基于這個原理，在軸表面產(chǎn)生主應(yīng)力的方向上粘貼電阻應(yīng)變片，通過動態(tài)應(yīng)變儀測量軸扭轉(zhuǎn)變形所引起的應(yīng)變值。 由于應(yīng)變片貼在轉(zhuǎn)軸上，應(yīng)變片橋路的供電信號和輸出通常采用接觸式和非接觸式兩種。碳刷集流器2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 51 接觸式信號的引出是采用拆卸的、半圓式碳刷集流器。由于油脂及灰塵的污染、軸系振動、轉(zhuǎn)速的變化、溫度及濕度的變化使得測量誤差較大，因此測量精度不高。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 52 非接觸式信號的引出是采用耦合變壓器輸出，這種非接觸式傳遞，測量精度比接觸式高。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù)

32、53（二）振弦式扭矩儀（二）振弦式扭矩儀 1.振弦式扭矩儀工作原理 因為頻率信號從轉(zhuǎn)軸上引出比較可靠，因此將傳動軸轉(zhuǎn)矩變換為頻率信號進(jìn)行測量的振弦式扭矩儀被廣為采用，船舶上用其測量發(fā)動機(jī)輸出軸功率。 2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 54 振弦式扭矩儀的變換元件為振弦式變換器。一根長為l的鋼弦，以力T將其張緊，則其固有振動頻率為Tlf21式中，振弦單位長度的質(zhì)量。 由于鋼弦張力的變化，會引起弦振動頻率的變化，所以可以通過測量鋼弦振動頻率的變化來測量被測軸的扭矩。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 55 振弦的振動頻率信號是利用磁電式變換器原理轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)弦

33、振動時，改變了弦與永久磁鋼間的間隙，從而改變了磁路的磁阻，引起線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率即為弦振動頻率，該信號經(jīng)放大器放大后輸出，同時反饋到激振線圈，使弦持續(xù)振動。2021-11-25輪 機(jī) 工 程 測 試 技 術(shù) 56 測量振弦的振動頻率有兩種方法： 一是直接測量法，即將振弦式傳感器輸出的感應(yīng)電勢信號送數(shù)字頻率顯示器顯示其頻率，再根據(jù)頻率與扭矩的關(guān)系計算扭矩，或?qū)⒄駝觽鞲衅鞯母袘?yīng)電勢與轉(zhuǎn)速信號一起送計算機(jī)，經(jīng)處理計算后直接數(shù)字顯示輸出軸的有效功率。 另一種方法是間接測頻法，也叫比較法，即將測量弦輸出信號與一基準(zhǔn)弦輸出信號比較?；鶞?zhǔn)弦的頻率、張力或伸長量可調(diào)可知。因此可由基準(zhǔn)弦與測量弦比較調(diào)節(jié)的讀數(shù)，得知