第10章转速转矩和功率测量

热能与动力机械 测试技术
天津大学机械学院 内燃机燃烧学国家重点实验室
State Key Laboratory of Engines, Tianjin University
第十章 转速、转矩和功率测量
本章主要内容
第一节 第二节 第三节
转速测量 转矩测量 功率测量
学习要求： ☆了解常用转速和扭矩的测量方法。 ☆ 要求掌握常用的发动机功率测量方法和原理。 ☆了解常用测功器的种类。 ☆了解各自调节负荷的方法，以及工作特性。 ☆了解掌握如何进行测功器的正确选型。
频率测量方案
1. 激励方式——间歇激励方式 振弦的间歇激励有自激式和他激式两种方式。 （ 1 ） 图 5-1 （ a ）为自激式：在弦的两侧放一永久磁铁， 工作时，弦中通以脉冲电流，脉冲电流受磁场作用使弦起振。 起振后，弦作为导体在磁场中运动，感应出交变电动势，通过 测量感应电动势的频率，即为振弦的自由振动频率。 （2） 图5-1（b）为他激式：在弦的两侧分别放一个激励线 圈和测量线圈。激励线圈绕在软磁铁上，测量线圈绕在永久磁 铁上，弦上固定一个软铁块。给激励线圈通以脉冲电流，振弦 便被吸放一次，开始起振。振弦在振动中引起测量线圈磁路的 交替变化，线圈中便感应出交变电动势，感应电动势的频率就 等于振弦的自由振动频率。若振弦为铁磁材料，则可省去软铁 块。
●平衡力法
当匀速运转的动力机械的传动轴对外输出一定大小的转矩时，在其机壳上必然同 时作用着大小相等、方向相反的平衡力矩。通过测量机壳上的平衡力矩来确定动 力机械传动轴上工作力矩的方法称为平衡力法，又称支反力法。
平衡力法测量转矩原理 1—机壳 2—平衡支承 3—力臂杆 4—测力机构
动机机械试验中常用的转矩测量方法就是典型的平衡力法
在安装振弦时必须使其有一定的 预紧力。
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●测量原理
当轴传递扭矩时，轴产生扭转形 变，轴的两相邻截面就扭转一个 角度，使装在卡筒上的两个振弦 传感器中的一个受拉、一个受压。 根据虎克定律 , 在弹性变形范围 内 , 轴的扭转角度是与外加的扭 矩成正比的，振弦的伸缩变形也 就与外加的扭矩成正比。
●光电式转速传感器
分类: 照射式、 反射式 结构: 光源，遮光盘（反光盘）
光电管，测频电路。
特点: 高速时，光信号减弱
测速：脉冲信号的频率f(Hz)为
光电式转速传感器（a）双头投射式（b）单投反射式 1、7光源 2、遮光盘 3、光电管 4、透镜 光镜 6、被测转轴 8、光敏管 5、反
n为被测转轴的转速（r/min）；
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在被测轴上相隔距离的两个面上固定安装着两个测量环， 两根振弦分别被夹紧在测量环的支架上。 当轴受转矩作用时，两个测量环 之间产生一相对转角，引起振弦 自振频率的变化。
自振频率与所受外力的平方根成 正比。振动频率差获得扭矩。
测量原理的不同分为:传递法、平衡力法和能量转换法三大类。
●传递法
●原理 ：轴受到转矩作用时会产生变形、应力或应变，
传递法就是通过测量变形、应力或应变来测量转矩的
●根据传感器所感应的参数分为:变形型、应变型和应力型转矩传感器，分别感 受转轴的变形、应变和应力。 ●根据转矩信号产生方式分为:电阻式、光学式、光电式、感应式、电容式、钢
而振弦的振动频率的平方差与它 所受应力成正比，因此可利用测 量弦的振动频率的方法来测量轴 所承受的扭矩。
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图5-1 （a） 自激式； （b） 他激式； （c） 激励与输出波形
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铉式、机械式转矩传感器等。
●根据转矩信号传输方式分为:接触式和非接触式两大类。 • 接触式转矩传感器包括机械式、液压式、气动式、接触滑环式等； • 非接触式转矩传感器包括光波式、磁场式、电场式、微波式等。 ●根据转矩传感器安装方式分为:串装式和附装式两类。
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特点：结构简单,工作可靠,转速越高, 输出信号越强; 测速：齿轮随转轴旋转，每转一齿， 切割一次磁力线，在线圈中产 生一个感应电动势的脉冲信号。 每转将产生z个电脉冲信号:
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第二节 转矩测量
●一、转矩测量方法分类
应变式转矩仪测量原理简图
●原理 ：是利用应变原理来测量转矩的，它安装在动力机械和负荷之间。
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●应变片具体布臵：
为了提高测量灵敏度，可用4个应变片，按承受的拉、压应力平均分配， 两个承受拉应力的应变片分别贴在轴的外圆00、1800处并与轴线成1350夹角， 两个承受压应力的应变片分别贴在轴的外圆900、2700处并与轴线成450夹角， 4个应变片组成全桥回路，以保证测量值为纯转矩。
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●离心式转速表：利用离心力器件（重环或重锤）旋转产生与 转速的平方成正比的离心力，通过克服弹簧的反作用力推动 指示机构工作的，分手持式和固定式两种。
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c.转速对转矩的测量无影响
●测量波形图：
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方波的直流分量和它的占空比成正比，比 方占空比为60，那么如果方波的幅度是 10V,它的直流分量是6V。
光电式转矩传感器输出波形图
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第一节 转速测量
转速是在单位时间内转轴的旋转次数，单位：r/min，记为：n。 按照接触与否可以分为接触式、非接触式两大类。
● 接触式转速表
特点：构造简单，消耗被测转轴的能量，精度一般较差，用于 能量损失忽略不计且对精度要求不太高的场合 ●离心式转速表 ●磁性转速表 ●电动转速表 ●定时转速表
●磁性转速表：利用回转圆盘在旋转磁场中感应出电涡流而产 生转矩变化，从而带动指针偏转来测速的，故又称为电涡流 式转速表。
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●电动转速表：由发送器、指示器和连接导线三部分组成。发 送器实际上是一个小型永磁的交流或直流发电机。
●光学式转矩仪
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●磁电式转矩仪
●结构：相距L的两截面上装有2个齿轮以及2个相同的 磁电式传感器，起磁头作用； ●测量原理：轴每转一转，传感器产生一列脉冲信号； 弹性轴转动受扭后，相距L的2只外齿轮扭转一个角度， 发出的两列磁电脉冲信号产生相位差。测量此相位差 信号并经过数据处理后，即可求出所测量转矩。
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●光电式转矩仪
●原理 ：弹性扭轴两端的光学元件将转矩引起的弹性扭轴变形产生的 相位差转换为电信号，再根据检测到的电信号确定作用于轴上的转矩。
光电式转矩传感器示意图 1、5-套筒 2-光源 3、3ˋ-光栅盘
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●二、常用转矩测量仪器
●钢铉转矩测量仪
●原理 ：钢铉转矩测量仪是根据弹性扭轴的变化引起钢铉伸缩，
从而使用钢铉振动的固有频率发生变化来测量转矩的。
钢铉转矩测量仪的原理
1-弹性扭矩 2-卡盘 3-凸臂 4-钢铉
光栅盘
（a）两光栅盘正视图 (b) 两光栅盘侧视图 图示为两光栅盘相互位臵处于使光通过最大的位臵
4-光电管
6-弹性扭轴
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●结构：
●测量原理: a.无转矩作用时，A、B光栅相互遮挡，光电管输出为零； b. 转矩T作用时，轴的A、B端扭转一个角度φ，A、B光栅也错开φ角度， 透过部分光线。T 越大，φ也越大，光电管的输出越大。
传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最 广泛。
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三种方式的比较
传递类转矩测量仪小巧轻便，既可以串接到被测设备 的传动系统中去测量转矩，也可以附加在被测设备 传动系统的传动轴上来测量转矩，测试时不需要改 变被测设备传动系统的结构，也不需要移动被测设 备，便于进行现场测试，测量准确度高，能够真实 有效的反映机械的实际情况。 平衡类转矩测量仪仅能够测量静态或匀速工作情况下 的转矩，不能测量动态转矩。 能量转换类转矩测量仪的测量为间接测量方式，测量 误差比较大，常达±（10～15）%，所以只有在无 法进行直接测量的场合下，才采用这种方法。
注：当弹性扭轴的转速低于600r/min时，测量精度降低，用电动机7带动校 准筒反向旋转，提高齿轮对之间的相对速度，可以提高转矩仪的测量精度。
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●应变式转矩仪
●测量原理:转轴承受转矩时要产生切应力（变），最大切应力 （变）发生于圆周，方向为450和1350，它与转矩成正比，应变 式转矩仪在转轴这两个方向粘贴应变片，用电桥测出其最大应 变，从而测得转矩。
●定时转速表：在一定时间内通过累计转速来测量转速。手持 式定时转速表采用钟表式传动机构。
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● 非接触式转速表
特点：不消耗被测转轴的转矩，测量精度高，但结构相对复杂；是动 力机械测试中最常用的测速仪表，其关键部分是转速传感器
磁 电 式 转 距 仪 工 作 原 理 图
注意：在实际使用中，由于两个 传感器安装时有误差存在，为此 ，转矩仪应设有补偿初始相位差 的调零装臵。
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磁电式转矩传感器结构示意图
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磁电式转距传感器结构示意图 1-弹性扭轴 2-齿轮 3-校准筒 4-永久磁铁 5-滚动轴承 6-壳体 7-电动机 8-线圈
z为避光盘上狭缝（或孔）数目。
●原理 ：是利用光电元件（如光电池、光电管、光敏电阻等） 对光的敏感性来测量转速。
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●磁电式转速传感器 结构：齿轮（导磁材料，齿数z）,磁头
（磁铁）,线圈,距齿顶约2mm;
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● 能量Leabharlann Baidu换法
依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能 参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能 量转换法。 从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测 量的方法。能量转换法测转矩一般只在电机和液机方面有 较多的应用。
电动式转速表的测量方式：是将小型交流电动机的转速，保 持与被测轴转速一致并发电。转速越高，产生的电动势越大。 电动转速表通过电压表指示所测转速。
电动式转速表有良好的抗震性，多用于柴油机和船舶等设备 的转速测量。
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