有效功率測量概述課件

有效功率測量電阻應變式傳感器吸收式測功器扭矩儀各類測功器的比較轉速測量2023/12/5電阻應變式傳感器一、工作原理電阻式傳感器的工作原理是將被測量的變化轉化為電阻值的變化，通過測量電阻的變化來確定被測量。電阻應變式傳感器利用應變效應測量被測量。導體或半導體制成的電阻絲在機械變形時，其電阻將發(fā)生變化，這就是所謂的應變效應。2023/12/5電阻應變式傳感器2023/12/5電阻應變式傳感器一、工作原理電阻絲的電阻值取對數(shù)并微分得2023/12/5電阻應變式傳感器一、工作原理經變換后得上式表明，導體或半導體電阻的變化是由于幾何尺寸的變化與其電阻率變化的綜合結果。2023/12/5電阻應變式傳感器一、工作原理對于導體而言對半導體而言2023/12/5電阻應變式傳感器結論電阻絲受力變形后，其電阻變化率與其應變成正比，比例常數(shù)K0和K0ˊ為電阻絲的靈敏系數(shù)。導體K0通常為1.8～3.6；用半導體制成的電阻絲。其壓阻系數(shù)較大，πeE>>(1+2μ),因而靈敏系數(shù)K0ˊ≈πeE，該值可達100以上。2023/12/5電阻應變式傳感器二、應變片結構應變片由敏感元件1、基底2、蓋片4及引線3構成。

2023/12/5電阻應變式傳感器

絲式應變片

(a)絲繞式；(b)短接式

箔式應變片

2023/12/5敏感元件導體半導體絲式0.01～0.05箔式0.001～0.01絲繞式短接式2023/12/5電阻應變式傳感器

半導體應變片

溫度自補償半導體應變片

2023/12/5電阻應變式傳感器箔式應變片

2023/12/5電阻應變式傳感器

2023/12/5電阻應變式傳感器特點箔式：箔式應變片的敏感柵可以按需要制成任意形狀，容易制成小尺寸的應變片。由于箔片扁平，接觸面積大，傳遞應變好；散熱性能好，允許通過較大的工作電流，所以測量的靈敏度提高。同時其橫向靈敏度小，蠕變小，疲勞壽命長，因而使用廣泛。半導體式：最突出的優(yōu)點是靈敏度高，高靈敏度排除了測量微小信號的困難；體積小，可制作小型和超小型應變片；頻率響應高；機械滯后和橫向效應小，提高了測量的準確性。其缺點主要是電阻溫度系數(shù)大，對環(huán)境溫度的變化敏感，不能用于較高的溫度；測量大應變時，靈敏度的非線性嚴重。2023/12/5電阻應變式傳感器三、測量電路應變片電路的變化常用惠斯登電橋進行測量。按工作應變片的數(shù)目不同，在電橋中的聯(lián)接有1/4橋、半橋和全橋接法。

2023/12/5電阻應變式傳感器三、測量電路應變片在電橋中的接法

2023/12/5電阻應變式傳感器三、測量電路1/4電橋的接法

2023/12/5電阻應變式傳感器1/4電橋測量電路電橋的輸出電壓V0為:

如果R1=R2=R3=R4，則電橋輸出電壓V0為:2023/12/5電阻應變式傳感器一般ΔR<<R，故可以寫成:

輸出電壓V0與應變量ε成近似的線性關系。2023/12/5電阻應變式傳感器

全橋接法，其電橋輸出電壓：特點：1）靈敏度提高；

2）非線性得到改善；

3）補償了溫度效應。

2023/12/5電阻應變式傳感器四、應變片的溫度補償1、溫度影響的來源：1）電阻絲的電阻溫度效應

ΔR′=RαΔt

2）電阻絲與試件或彈性元件的線膨脹系數(shù)不同而引起的電阻變化。ΔR″=RK0(β1-β2)Δt

2023/12/5電阻應變式傳感器四、應變片的溫度補償1、溫度影響的來源：溫度變化Δt后，電阻絲電阻總的變化量為：ΔR=ΔR′+ΔR″=R［α+K0(β1-β2)］Δt

2023/12/5電阻應變式傳感器四、應變片的溫度補償2、溫度補償1）貼補償應變片法。2）自補償法。當α+K0(β1-β2)=0時，ΔR=0，即可實現(xiàn)實現(xiàn)溫度自補償?shù)哪康摹?023/12/52023/12/52023/12/52023/12/52023/12/52023/12/52023/12/52023/12/5吸收式測功器有效功率：發(fā)動機輸出軸上所發(fā)出的功率。式中M——發(fā)動機輸出扭矩，N·m；n——輸出軸的轉速，r/min。發(fā)動機的有效功率是間接地從扭矩和轉速的直接測量結果經上式計算得到。

2023/12/5吸收式測功器扭矩的測定方法：1、吸收法

吸收法是用某種裝置給軸以制動力矩，與發(fā)動機功相當?shù)闹苿庸σ詿岬男问缴l(fā)，測量這時的制動力矩就可求得發(fā)動機輸出扭矩。由于是把發(fā)動機的功全部吸收，故稱為吸收式測功器，或簡稱為測功器。2、傳遞法

測定發(fā)動機與被驅動機械的連接軸的扭轉或應變，即測軸傳遞的扭矩，故稱為傳遞式測功器，或簡稱扭矩儀。2023/12/5吸收式測功器一、水力測功器1、工作原理水力測功器的基本工作原理，是利用在水中旋轉的運動物體，使水產生渦流運動，形成摩擦阻力矩。在此過程中，機械能轉換成熱能，使水的溫度升高，從而吸收內燃機的功率。根據作用力矩與反作用力矩大小相等、方向相反的原理，當轉子轉速穩(wěn)定時，水對外殼所產生的摩擦力矩等于內燃機帶動轉子旋轉傳給水的扭矩。2023/12/5吸收式測功器

水力測功器結構原理圖

2023/12/5吸收式測功器

水力測功器的測力機構

2023/12/5吸收式測功器一、水力測功器1、工作原理設測力機構測得制動力為F(N)，力臂為L(m)，則制動力矩Mk=FL，所測得的制動功率為

2023/12/5吸收式測功器一、水力測功器1、工作原理對于某一具體的水力測功器而言，測力機構尺寸是確定的，所以制動功率為Pe=kFn（kW）式中k—為水力測功器常數(shù)，k=L/95502023/12/5吸收式測功器一、水力測功器2、影響水力測功器制動力矩的因素主要因素是尺寸和轉速，整個圓盤對水的摩擦力矩為：式中—圓盤摩擦損失系數(shù)；

Ra—圓盤的外半徑；Rb—浸入水層中的內半徑。調節(jié)測功器中的水量，改變圓盤浸濕內半徑Rb的值，就能改變測功器吸收功率的大小。2023/12/5吸收式測功器一、水力測功器3、水力測功器的結構類型1）圓盤式水力測功器2）銷棒式水力測功器它的優(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，在低負荷區(qū)尤為明顯。3）閘套式水力測功器工作穩(wěn)定，在低負荷時工作也比較平穩(wěn)，操作方便。缺點是結構復雜，不能反轉。

2023/12/5吸收式測功器

圓盤式水力測功器簡圖

2023/12/5吸收式測功器銷棒式水力測功器簡圖

2023/12/5吸收式測功器

閘套式水力測功器簡圖

2023/12/5吸收式測功器一、水力測功器4、水力測功器的供水系統(tǒng)對供水系統(tǒng)的要求：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，不至水溫過高，出水溫度保持在50～70℃以下。水量可以根據熱量平衡方程式求得：

2023/12/5吸收式測功器一、水力測功器4、水力測功器的供水系統(tǒng)供水系統(tǒng)的類型1）簡易的供水系統(tǒng)用于較小的發(fā)動機試驗臺，缺點是水不能回收。2）帶循環(huán)水池的供水系統(tǒng)用于較大型的發(fā)動機試驗臺，水的消耗僅限于水的蒸發(fā)損失。3）壓力供水系統(tǒng)用于閘套式水力測功器。

2023/12/5吸收式測功器簡易供水系統(tǒng)

2023/12/5吸收式測功器帶水池的測功器供水系統(tǒng)

2023/12/5吸收式測功器

壓力供水系統(tǒng)

2023/12/5吸收式測功器一、水力測功器5、水力測功器的特性曲線測功器所能吸收的功率或扭矩與轉速的關系，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，亦即表明了在不同轉速下測功器能吸收的最大及最小功率。吸收的最大功率：2023/12/5吸收式測功器

水力測功器的工作范圍

2023/12/5吸收式測功器一、水力測功器5、水力測功器的特性曲線選擇測功器的要求：1）內燃機的外特性要全部落在曲線圖內；2）盡量靠近oab線，以保證工作的穩(wěn)定性。2023/12/5吸收式測功器二、電力測功器1、平衡式電力測功器的原理及特點當電力測功器的電樞1被動力機械帶動在磁場中勻速轉動時，有電磁力阻止電樞轉動，電力測功器的定子2像水力測功器的外殼那樣可以在滾動軸承3中擺動，并帶動一套測力機構，當電樞1轉動時，由于電磁力的作用使定子2順著電樞1旋轉的方向擺動，此種擺動被測力機構所平衡。當動力機械的扭矩和電力測功器的阻力矩相等時，電樞勻速旋轉，測力機構指針的指示值反映了動力機械扭矩的大小。平衡式電力測功器有直流和交流兩種。2023/12/5吸收式測功器

平衡式電力測功器原理圖

2023/12/5吸收式測功器二、電力測功器2、平衡式直流電力測功器平衡式直流電力測功器三個組成部分：

(1)平衡電機即測功電機，包括直流電機和測力機構。(2)交直流變流機組。由一臺三相交流電機和一臺直流電機組成。(3)激磁機組（小型變流機組）。

2023/12/5吸收式測功器交直流變流機組功用：倒拖時測功時小功率測功器不設變流機組，直接用負荷電阻消耗。

外電源交流電機直流電機直流電平衡電機平衡電機直流電機交流電機交流電外網2023/12/5吸收式測功器二、電力測功器3、平衡式交流電力測功器

工作原理和測力機構與直流電力測功器基本相同。

平衡電機為交流電機，吸收或發(fā)出的電流都是交流電，便于和外電網并用，而不需要另設一套價格昂貴的交直流變流機組。如交流電力測功器用三相交流電機與外電源的三相電路并網工作，要加裝價格較高的調頻調壓設備。2023/12/5吸收式測功器4、電力測功器特性曲線當測功電機作為發(fā)電機工作時，其輸出的電壓與磁通量及轉速成正比：V=cΦn令cΦ=a，所以：V=a×n設負荷電阻為R，則測功器發(fā)出的電流強度為：

2023/12/5吸收式測功器4、電力測功器特性曲線則測功電機所吸收的功率為：令則

注：不同的勵磁電流，B值不同。2023/12/5吸收式測功器電力測功器特性曲線

2023/12/5課外思考題1、溫度對應變片有何影響？溫度誤差如何補償？2、影響水力測功器制動力矩的主要因素是什么？3、畫出水力測功器特性曲線，并說明各線段的含義？水力測功器有何選用要求？2023/12/5扭矩儀工作原理：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，軸所產生的扭轉變形與傳動扭矩的大小成比例。根據材料的力學性能知道：或

2023/12/5扭矩儀彈性軸扭轉變形示意圖2023/12/5扭矩儀一、電阻應變式扭矩儀

根據測定的應變值計算輸出軸扭矩M：

式中：E——軸材料的彈性模量；ε——全橋電橋測得的應變值；D——軸的直徑；μ——軸材料的泊松比。2023/12/5扭矩儀電阻應變式扭矩儀滑環(huán)式輸出2023/12/5扭矩儀電阻應變式扭矩儀耦合變壓器輸出2023/12/5扭矩儀二、光電式扭矩儀

光電式扭矩儀的基本工作原理是把被測軸的扭轉變形轉換為光通量的變化，再利用光電變換器轉換為相應的電量輸出，測量此電量則可求得扭矩。2023/12/5扭矩儀2023/12/5扭矩儀三、鋼弦測功儀1、工作原理鋼弦的固有振動頻率為：鋼弦的自振頻率f0、張力T、伸長量ΔL與扭矩M之間具有下列關系：

f02∝T∝ΔL∝M

2023/12/5扭矩儀三、鋼弦測功儀2、鋼弦測功器構造及組成1）鋼弦傳感器2）接收儀2023/12/5扭矩儀鋼弦傳感器示意圖

2023/12/5扭矩儀鋼弦傳感器原理圖

2023/12/5扭矩儀CG-2型接收儀原理圖

2023/12/5扭矩儀三、鋼弦測功儀3、扭矩的測定選用適當?shù)呐ぞ亓砍蘉H的扭矩傳感器“CG—2”型接收儀的刻度盤分為250格，每格度盤所表示的扭矩MK為：

式中R——工作弦與軸心距離，m；L——兩個偶合環(huán)之間的軸長度，m；G、Jp——彈性軸的參數(shù)。2023/12/5扭矩儀三、鋼弦測功儀式中C－鋼弦傳感器系數(shù)（鋼弦常數(shù)），表示“CG—2”型接收儀的刻度盤上，每格讀數(shù)對應的鋼弦伸長量。設拉弦和壓弦的兩只鋼弦傳感器分別有系數(shù)C1和C2。令再令K1=KC1K2=KC2拉弦格數(shù)變化為：ΔS1=S1-S01

（格）壓弦格數(shù)變化為：ΔS2=S2-S02

（格）則被測扭矩M為：

2023/12/5各類測功器的比較水力測功器電力測功器扭矩儀精度足夠（1％）高足夠（1％）穩(wěn)定性低負荷差好好操作使用麻煩過渡慢方便迅速方便適用范圍廣中小功率廣能量利用不能可回收不消耗倒拖功能沒有可具備沒有設備費用低高低適用場合試驗臺試驗臺現(xiàn)場2023/12/5轉速測量

在內燃機試驗中，轉速也是最基本的測試項目之一。通過測定內燃機輸出軸的平均轉速，可以計算內燃機的有效功率，繪制內燃機的有關特性曲線。

平均轉速是指被測軸在某一時間間隔內轉速的平均值。內燃機轉速通常是指其輸出軸在某一穩(wěn)定工況下的平均轉速，以轉/分為單位。測量轉速的儀表稱為轉速表或轉速計。轉速測量的方法很多，通?？煞譃槟M方式和數(shù)字方式兩大類。模擬方式測量轉速的儀表通常有機械式和電氣式兩種。機械轉速表的特點是結構簡單，使用方便。但傳動部分容易損壞，遠距離測量比較困難。電氣式轉速表便于遠距離測量，一般作為隨機監(jiān)測儀表。2023/12/5轉速測量一、模擬方式1、離心式轉速表原理：利用旋轉質量的離心力與旋轉角速度成比例的原理來測量被測軸的轉速。特點：離心式轉速表結構簡單，使用方便，成本低。缺點是測量精度低，其誤差一般為1%～8%。量程：30～24000r/min。

2023/12/5轉速測量手持離心式轉速表

2023/12/5轉速測量手持離心式轉速表

固定離心式轉速表

2023/12/5轉速測量一、模擬方式2、磁性轉速表原理：磁性轉速表是一種感應式的電渦流轉速表，利用電磁感應的原理來實現(xiàn)轉速測量。其原理如圖4-18所示。特點：磁性轉速表的優(yōu)點是結構簡單，尺寸小，刻度均勻，測速范圍較大，缺點是靈敏度差，讀數(shù)受環(huán)境溫度影響較大，其測量誤差約為1.5%～2%。量程：0～10000r/min。

2023/12/5轉速測量磁性轉速表示意圖

2023/12/5轉速測量磁性轉速表2023/12/5轉速測量一、模擬方式3、發(fā)電機式轉速表原理：發(fā)電機式轉速表由測速電機、連接電纜和轉速指示器組成，發(fā)電機式轉速表是利用感應電壓與轉速成正比的原理進行測量。特點：發(fā)電機式轉速表的特點是：可以遠距離測量，遙測距離可達25m，可靠性較高，誤差在1.5%～2.0%左右。量程：0～25000r/min。

2023/12/5轉速測量發(fā)電機式轉速表

2023/12/5轉速測量發(fā)電機式轉速表

2023/12/5轉速測量二、數(shù)字方式數(shù)字方式轉數(shù)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速信號轉換為電脈沖信號，用電纜傳輸給電子計數(shù)器(或數(shù)字頻率計)進行數(shù)字顯示。也可將測速傳感器與電子計數(shù)器制成一體(如反射式光電測速器)，進行非接觸測量。數(shù)字方式測量精度高，可進行數(shù)字顯示，也可輸出數(shù)字信號給打印機和電子計算機，實現(xiàn)自動記錄及數(shù)據處理。

2023/12/5轉速測量1、測速傳感器數(shù)字測速系統(tǒng)常用的測速傳感器可分為磁電式和光電式兩種類型。1）磁電式其工作原理是基于電磁感應原理將被測軸轉速變換為電脈沖信號。磁電式測速傳感器由帶齒的旋轉輪和磁電變換器兩部分組成。

2023/12/5轉速測量磁電式測速傳感器

2023/12/5轉速測量磁電傳感器結構原理圖

2023/12/5轉速測量磁電傳感器2023/12/5轉速測量1）磁電式圓盤通常制成