第七章速度及功率的測量

1、第七章 轉(zhuǎn)速和功率的測量7-1頻率計數(shù)法測量轉(zhuǎn)速編碼器黑發(fā)射管接收管12V12V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 比較法測速7-4 平衡力法扭矩測量7-4 平衡力法扭矩測量一、水力測動器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功率一樣）產(chǎn)生了制動力矩，使外殼偏轉(zhuǎn)一角度。當轉(zhuǎn)速一定時，進水量越大，水環(huán)越厚，制動力矩也就越大。水力測動器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10.左右軸承外殼11.左右側(cè)殼12.螺塞13.轉(zhuǎn)子14.外

2、殼15.封水圈16.測速齒輪17.轉(zhuǎn)速傳感器18.溢水管19.旋塞水力測功器的結(jié)構(gòu)原理主要特點：主要特點：l 轉(zhuǎn)子、定子均采用不銹鋼材料，凹坑式結(jié)構(gòu)。采用無接觸密封技術(shù)。l 通過控制排水蝶閥來改變內(nèi)腔工作壓力，從而改變吸收負載。l 快速響應(yīng)。因為通過改變排水閥的開度，內(nèi)腔工作壓力瞬間變化，通過電子控制儀器的自動閉環(huán)控制，可方便、迅速地穩(wěn)定到所需要的負荷值。從一個工況到另一個工況的過渡時間為4秒。l 體積小、安裝容易、維護方便、使用壽命長。l 適用范圍廣，功率型譜全。最小功率檔為120kW，最大檔可測試10000kW（國內(nèi)引進的最大測試功率為35000kW）。l 測試精度高，工作穩(wěn)定可靠。二電力

3、測力器交流電力測功器直流電力測功器OA段受限于最大激磁電流和最小負荷電阻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）汽車底盤測功機三電渦流測動器組成轉(zhuǎn)子、定子、支架、測功機構(gòu)。原理： 用渦電流起制動作用的扭矩測量儀 當在勵激線圈中通過直流電時，在它周圍勵磁體、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。 當齒槽進入A截面后，A截面空氣隙厚度變化將產(chǎn)生感應(yīng)電流,以阻止磁能量的減少.而B則相反,由此產(chǎn)生了制動力矩。 通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)制動力矩(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

4、大功率（散熱能力）BC段最高轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子離心力負荷）CO段空載（空氣阻力和摩擦阻力7-5 傳遞法測扭儀 當應(yīng)變片受拉伸時，電阻絲直徑變細，電阻值增大（R+R）,當應(yīng)變片受壓縮變形時，電阻絲直徑變粗，電阻值變?。≧-R）,從而輸出正比例電信號。實驗得知，由于電阻應(yīng)變片的電阻變化很小，所以必須將信號放大到05V后才能輸入單片機控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的處理。磁電相位差式扭矩儀速速 度度 測測 量量速度測量線速度測量（m/s，km/h) 角速度測量(rad/s) （轉(zhuǎn)速測量(轉(zhuǎn)/分）2 nRotary speed：revolutions per minute (r.p.m.)Angular VelocityL

5、inear Velocity7.1轉(zhuǎn)速測量方法概述測量原理：1.物體運動的線速度可以從物體在一定時間內(nèi)移動的距離或者從物體移動一定距離所需的時間求得，這種方法只能求某段距離或時間的平均速度。越越小，越接近瞬時速度。svt2. 角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化。vr3.利用物理參數(shù)測量：多普勒效應(yīng)、流體力學定律、電磁感應(yīng)原理7.2 轉(zhuǎn)速的測量傳感器一、光電式轉(zhuǎn)速傳感器7.2.1測量傳感器的分類二、電磁式轉(zhuǎn)速傳感器7.2.2 轉(zhuǎn)速的測量方法與與門門T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C7.3 常用 轉(zhuǎn)速測量方法1.數(shù)字式轉(zhuǎn)速表（1）測量原理： 數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由頻率式轉(zhuǎn)速傳感

6、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，再通過測量信號的頻率或周期來測量轉(zhuǎn)速。 1）頻率法測轉(zhuǎn)速 在電子計數(shù)器采樣時間內(nèi)對轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號進行計數(shù)。利用標準時間控制計數(shù)器閘門。當計數(shù)器的顯示值為N時，被測量的轉(zhuǎn)速n為60Nnzt式中，z為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出的電脈沖信號數(shù)；t為采樣時間(s)。2）周期法測轉(zhuǎn)速 與頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換電路不同，其特點是通過對被測信號進行分頻來提供計數(shù)時間，而計數(shù)器是對晶體振蕩器的輸出信號脈沖進行計數(shù)。這里用被測周期T來控制閘門，填充時間0進入計數(shù)器計數(shù)N。為了提高周期測量的準確度，通過將周期信號分頻，使被測量的周期得到倍乘

7、。故被測量的轉(zhuǎn)速n為0060KTNzknzNk為周期倍乘數(shù)1，10，100.晶振周期N為計數(shù)器計數(shù)值Z為傳感器細分數(shù)0（2）轉(zhuǎn)速傳感器 把被測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號。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)目相同個電脈沖信號。1）光電式轉(zhuǎn)速傳感器2）磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器 當安裝在被測轉(zhuǎn)軸上的齒輪(導(dǎo)磁體)旋轉(zhuǎn)時，其齒依次通過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u0。隨著轉(zhuǎn)速下降輸出電壓幅值減小，當轉(zhuǎn)速低到一定程度時，電壓幅值將會減小到無法檢測出來的程度。故這種傳

8、成器不適合于低速測量。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轉(zhuǎn)速，還需要進一步把傳感器輸傳感器輸出信號的頻率或周期轉(zhuǎn)換成數(shù)字量出信號的頻率或周期轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于數(shù)字顯示。一般對中、高轉(zhuǎn)速采用頻率法，對低轉(zhuǎn)速采用周期法測量。時基電路的功能是提供時間基準(又稱為時標)，它由晶體振蕩器和分頻器電路組成。振蕩器輸出的標準頻率信號經(jīng)放大整形和分頻后，產(chǎn)生出以脈沖寬度形式表示的時間基準，來控制計數(shù)門(其中fv振蕩器的輸出頻率，n為分頻數(shù)12nvtf（4）數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)整個測量系統(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，由于實際測量總是在一段時間內(nèi)連續(xù)進行的，因

9、此在每個測量循環(huán)開始之前，必須首先對時基電路、計數(shù)器和顯示器進行清零。另外也需要使顯示延長一定的時間，以便觀察測量結(jié)果。故系統(tǒng)中還應(yīng)沒有完成這些功能的控制邏輯電路。2. 閃光測轉(zhuǎn)速法閃光測轉(zhuǎn)速法閃光測轉(zhuǎn)速法是利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象來測量轉(zhuǎn)速。一個閃光目標，當閃動頻率大于10Hz時，人眼看上去就是連續(xù)發(fā)亮的。根據(jù)這一原理，用一個頻率連續(xù)可調(diào)的閃光燈照射被測旋轉(zhuǎn)軸上的某一固定標記(如齒輪的齒，圓盤的輻條或在旋轉(zhuǎn)軸上涂以黑白點)，并調(diào)節(jié)閃光頻率f，直到旋轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)一個單定象為止，即達到n=f的條件，這時便可以從電子計數(shù)器或圓刻度盤上讀出被測的轉(zhuǎn)速值。但是若在連續(xù)兩次閃光的時間間隔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過整數(shù)倍

10、的因數(shù)時，即nk0f時，也會出現(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，即當閃光頻率比被測轉(zhuǎn)速高二倍、三倍、m倍時，則會出現(xiàn)二重象、三重象以至于m重象。f=mn3.測速發(fā)電機 橫穿導(dǎo)體的磁通發(fā)生變化時，該導(dǎo)體將產(chǎn)生電勢。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。測速發(fā)電機是利用電磁感應(yīng)原理制成的一種把轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)換成電信號輸出的裝置，與普通發(fā)電機不同之處是它有較好的測速特性，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。測速發(fā)電機也分為直流和交流兩類。4.直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機的平均直流輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速N大體上成正比，表達式為

11、5.交流測速發(fā)電機加速度是表征物體在空間運動本質(zhì)的一個基本物理量。因此，可以通過測量加速度來測量物體的運動狀態(tài)通過測量加速度來測量物體的運動狀態(tài)。例如，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過飛行器的加速度來測量它的加速度、速度(地速)、位置、已飛過的距離以及相對于預(yù)定到達點的方向等。通常還通過測量加速度來判斷運動機械系統(tǒng)所承受的加通過測量加速度來判斷運動機械系統(tǒng)所承受的加速度負荷的大小速度負荷的大小，以便正確設(shè)計其機械強度和按照設(shè)計指標正確控制其運動加速度，以免機件損壞。對于加速度，常用絕對法測量，即把慣性型測量裝置安裝在運動體上進行測量。7.3 加速度測量加速度測量當前測量加速度的傳感器基本上都是基于圖所示的

12、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量系統(tǒng)。質(zhì)量塊通過彈簧和阻尼器與傳感器基座相連接。傳感器基座與被測運動體相固連，因而隨運動體一起相對于運動體之外慣性空間的某一參考點作相對運動。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。當慣性力與彈簧反作用力相平衡時，質(zhì)量塊相對于基座的位移與加速度成正比例，質(zhì)量塊相對于基座的位移與加速度成正比例，故可通過該位移或慣性力來測量加速度故可通過該位移

13、或慣性力來測量加速度。設(shè)傳感器基座相對于慣性空間參考坐標的位移為xb，質(zhì)量塊m相對于慣性空間參考坐標的位移為x，質(zhì)量塊相對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)量塊的相對位移轉(zhuǎn)變成與加速度成比例的電信號，就可構(gòu)成各種類型的位移式加速度傳感器。byxx（a)是一種變磁阻式加速度傳感器，它是以通過彈簧片與殼體相連的質(zhì)量塊m作為差動變壓器的銜鐵。當質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生相對位移時，差動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，輸出電壓的相位相應(yīng)地改變180。位移式

14、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)，它是以通過彈簧片支承的質(zhì)量塊作為差動電容器的活動極板，并利用空氣阻尼。電容式加速度傳感器的特點是頻率響應(yīng)范圍寬，測量范圍大。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)，同極性相對安裝著一對永久磁鐵，以形成線性磁場。當質(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，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UH。這類基于測量質(zhì)量塊相對位移的加速度傳

15、感器一般靈敏度都比較低，所以當前廣泛采用基于測量慣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，再通過彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過壓電彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過壓電元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量，然后通過測量應(yīng)變、元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量，然后通過測量應(yīng)變、應(yīng)力或電荷來間接測量加速度。應(yīng)力或電荷來間接測量加速度。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，但都可簡化為圖622所示的形式。等強度彈性懸臂梁固定安裝在傳感器的

16、基座上，梁的自由端固定一質(zhì)量塊m，在梁的根部附近兩面上各貼一個(成兩個)性能相同的應(yīng)變片，應(yīng)變片接成對稱差動電橋。aFma當質(zhì)量塊感受加速度而產(chǎn)生慣性力Fa時，在力Fa的作用下，懸臂梁發(fā)生彎曲變形，其應(yīng)變?yōu)檎迟N在梁兩面上的應(yīng)變片分別感受正(拉)應(yīng)變和負(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 功率測量系統(tǒng)7.4.1 功率測量常用的三種方法測量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的方法 2. 測量電機輸入功率和效率的方法 3. 熱平衡法 30nMMNemeeiNNmcrcgggQQhhmN)(127.4.2 轉(zhuǎn)矩的測量 扭矩測量基本方法： （1）傳遞法 （2）力平衡法 （3）能量

17、轉(zhuǎn)換法7.4.3 力矩測量q對旋轉(zhuǎn)軸測量力矩，可以確定輸出的功也可以監(jiān)測剪切應(yīng)力下的材料失效。q力矩（轉(zhuǎn)矩）測量常常和功率、轉(zhuǎn)速測量聯(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=TF: 半徑 r處的切向力T: 作用在軸上使其旋轉(zhuǎn)的力矩22TrnnTr力矩測量的基本方法：（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，測量各種電機的轉(zhuǎn)矩 (1)當力矩作用在彈性軸上，軸會產(chǎn)生扭曲變形、剪切應(yīng)變和應(yīng)力/ppMlGIMI GlG: 材料的切變模量；: 扭轉(zhuǎn)角；IP : 極慣性矩432pdI 一、傳遞法測力矩一、傳遞法測力矩 測量扭轉(zhuǎn)角: 測量剪切應(yīng)力 : 測量軸的應(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)矩儀在被測軸上，沿軸線的45?；?35。方向?qū)?yīng)變片粘貼上，當轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩