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(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(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(kāi)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)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

3、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(chē)底盤(pán)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?chē)鷦?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,以阻止磁能量的減少.而B(niǎo)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

4、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/h) 角速度測(cè)量(rad/s) （轉(zhuǎn)速測(cè)量(轉(zhuǎn)/分）2 nRotary speed：revolutions per minute (r.p.m.)Angular VelocityL

5、inear Velocity7.1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。svt2. 角速度和線速度的相互轉(zhuǎn)化。vr3.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)量傳感器的分類(lèi)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(mén)門(mén)T TA AT TB BT TA AT TB BA AB BC C7.3 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

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(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(mén)。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(hào)數(shù)；t為采樣時(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(mén)，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

7、。故被測(cè)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(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

8、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(mén)(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(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

9、此在每個(gè)測(cè)量循環(huán)開(kāi)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(pán)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(pán)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

10、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重象。f=mn3.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(lèi)。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

11、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，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

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(cè)量系統(tǒng)。質(zhì)量塊通過(guò)彈簧和阻尼器與傳感器基座相連接。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

13、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(lèi)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(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

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(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(lèi)基于測(cè)量質(zhì)量塊相對(duì)位移的加速度傳

15、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

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(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。aFma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)檎迟N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 30nMMNemeeiNNmcrcgggQQhhmN)(127.4.2 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 （3）能量

17、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=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(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/ppMlGIMI GlG: 材料的切變模量；: 扭轉(zhuǎn)角；IP : 極慣性矩432pdI 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