《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第9章 转速、转矩和功率测量(黄老师)

第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
e.磁致伸缩式转矩仪 原理：磁致伸缩效应 ①铁磁物体的磁化特性在机械力作用下会发生显著变化；②铁磁物体 在外界磁场作用下会发生机械变形。 “磁桥”: A与B为绕在铁心上的交流励磁 线圈;C与D为绕在铁心上的感应线圈; 两铁心成直角，测量头接近用铁磁 材料制成的测量轴，铁心与测量轴 表面约有1~2mm的间隙。 优点： 无触点、坚固耐用、输出电 压高（可达10V）、对仪器材料无 特殊要求（一般采用低、中碳钢 即可）、对温度和干扰不敏感
第9章转速、转矩和功率测量
9.3 功率测量
负荷电阻控制方式直流电力测功机的基本特性如下图所示。
图中同时给出转矩Tt、测量功率PT、驱动转矩Tm、驱动功率 P与转速n 的关系。在测功状态下，A为最大电流线，此时对应于最大励磁电流和最小 负荷电阻，即为负荷调节处于最大位置时的固有特性；A1、A2分别为负荷 调节处于中间位置时的固有特性；B为最大转矩线，受电枢的机械强度限制； C为最大功率线，受电机散热条件限制；D为最高转速线，受旋转部分所能 承受的最大离心力限制；E为最小吸收转矩或功率线，此时虽无励磁电流通 过，但仍存在轴承及空气阻力，因而在E线之下存在不能测定区（图上剖面 线范围）。
I E / R K1n / R
当作为发电机运行（测功）时，由电磁力产生的制动转矩（即被测动力 机械的输出转矩）Tt与定子磁通ф及电枢电流I成正比，即
Tt k 2 I
于是有
Tt K1 K 2 2 n / R pe K 3 2 n 2 / R
式中，K2、K3为比例系数。
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轴受到转矩
作用时会产生变
根据转矩信号的产生方式可分为电阻式、光学式、 形、应力或应变， 光电式、感应式、电感式、钢铉式、机械式转矩传感 传递法就是通过 器等。 测量变形、应力 或应变来测量扭 矩的，它又可作 根据转矩信号的传输方式可分为接触式和非接触 式两大类。 根据转矩传感器的安装方式可分串装式和附装式 两类。
a.直流电力测功机
直流电力测功机结构简图
1-防护罩 2-轴承座 3-连轴器 4-转矩、转速传感器 5-连轴器 6-直 流电机 7-底座
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9.3 功率测量
直流电机的感应电动势E为
E K1n
式中，K1为电机的电动势系数，Φ为定子励磁绕组的磁通，n为转速。 若在电枢回路中串联负载电阻R，并忽略电枢内阻，则电枢回路中流过 的电流I为
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9.1 转速测量
b.磁电式转速传感器
1-传感器壳体 2-输出信号线 3-保护层 4-永磁体 5-感应线圈 6-杆销 7-触发齿轮 G-气隙
触发齿轮7由导磁材料制成，有z个齿，安装在被测速转轴上。永磁体 4和感应线圈5组成磁头，安装在紧靠齿轮边缘约 2mm处。齿轮每转过1个 齿就切割1次磁力线，产生1个来自线圈感应电动势的脉冲信号。齿轮每一 圈就发出z个电脉冲信号。 与光电式转速传感器相比，磁电式转速传感器结构简单，无需配置专 门的电源装置，且脉冲信号不会因转速过高而减弱，测速范围广，因此使 用范围非常广泛。
1－弹性扭轴 2－卡盘 3－凸臂 4－钢铉
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
假设弹性扭轴处于自由状态时，钢铉的固有频率为f0，受转矩T作用时 频率为f，则
T K ' ( f 2 f 02 )
式中，K’是常数，它由弹性扭轴的刚度、钢铉的尺寸及测量仪的特性 等决定。 测得频率f则可测量出转矩T。
如下分类。
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9.2 转矩测量
b.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，又称作 支反力法。 动力机械试验中常用的测功机中转矩的测量方法就是典型的平衡力法。 其原理如下图所示，机壳1安装在摩擦力矩很小的平衡支承2上，力臂杆3被 固定在机壳上。力F通过测力机构4作用在力臂上。假设动力机械处于匀速 运转状态，测得的平衡力矩T＝F×l必定与传动轴输出的转矩T大小相等。
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9.1 转速测量
2.非接触式转速表
非接触转速表是当前动力机械测量中最常用的测速仪表，它不消耗被测速转轴 的扭矩，且测量精度高，但结构相对复杂。
a.光电式转速传感器 原理：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
投射式（图a)） 反射式（图b)）
9.3 功率测量
直流电力测功机的控制方式有负荷电阻控制方式和自动馈网控制方式两类，直 流电力测功机的特性与控制方式有关，要根据动力机械的试验目的和试验方法以及 电源和经济方面的多种因素综合考虑选定测功机的控制方式。
（1）负荷电阻控制方式
下图为以电阻作为负荷的控制方式的直流电力测功机电路简图。
DC－直流电源 S1、S2－开关 V－细调节变阻器 W－粗调节变阻器 P－主调节变阻器 C-C－串励绕组 H-H－电枢 F-F－励磁绕组 RL－负荷
当弹性轴上无负载时，相对旋转 的齿轮对使磁路中气隙不断变化，在 线圈8中感应出交变的电势；当承受 转矩时，弹性轴两端产生一转角，使 线圈8中的感应电势相位发生变化， 变化的程度反映了待测转矩的大小。
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9.2 转矩测量
e.应变式转矩仪 应变式转矩仪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。当处于动力机械和负荷之间的被测轴(应变式转矩仪轴)承受转矩时， 最大应力发生在轴的外圆周面上，两个主应力轴线成45°和135°夹角。因 此，把应变片粘贴在测点的主应力方向上测出应变值，从而测得转矩。
磁致伸缩式转矩仪工作原理图
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9.3 功率测量
1.功率基本测量方法
主要测量方法： （1）通过电功率测量。又称损耗分析法，动力机械由电动机直接驱动，先测出 电动机的输入功率，再利用损耗分析计算电动机的输出功率，即为动力机械的轴功 率。 （2）通过转矩间接测量。由于动力机械的轴功率正比于转矩与转速的乘积，故 常采用间接测量方法。分别测量转矩和转速，再按下式求得功率
《热能与动力工程测试技术》·第3版
第9章 转速、转矩和功率测量
9.1 转速测量
9.2 转矩测量
9.3 功率测量
9.1 转速测量
转速、转矩和功率是描述动力机械运转状况的重要技术参数，所有动力机械的 工作能力与工作状况都可以用它们来描述。所以，转速、转矩和功率的精确测量具 有十分重要的意义。
1.接触式转速表 手持式 固定式 优点是简单通用，且稳定性好；缺点是测量精度较低（不优于1至2级）， 故虽然应用较广，但多用作试验时检查动力机械的参考读数。 b.磁性转速表 原理：利用回转圆盘在旋转磁场中感应出电涡流而产生扭矩变化，从而带 动指针偏转来测速。 优点是结构简单，对振动的敏感性小，测速范围宽，故应用范围也较广， 典型应用是汽车和船用转速表；缺点是这种转速表虽然精度不高（1.5～2 级）， a.离心式转速表 原理：利用离心力器件（重环或重锤）旋转后产生与转速的平方 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。
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9.2 转矩测量
转矩又称扭矩，它往往与动力机械的工作能力、能量消耗、效率、运转寿命及 安全等因素紧密联系，是动力机械性能试验中需测量的重要参数之一。
1.转矩测量方法分类 a传递法 根据传感器所感应的参数可分为变形型、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。
b) 磁电式转矩传感器结构示意图
1－弹性轴 2－齿轮 3－校准筒 4－永磁体 5－滚动轴承 6－壳体 7－电动机
在相距L的两截面上装有两个齿轮 以及两个相同的磁电式传感器，轴每 转一转，传感器产生一列脉冲信号， 在轴传递转矩而产生扭转变形时，从 两个磁电传感器上所得的两列脉冲波 形间将产生一个与扭转角成正比的相 位差。测量此相位差信号并经数据处 理后，即可求出所测量转矩。
9.2 转矩测量
光栅盘3和3’通过套筒1、5分别固 定在扭轴6的A、B两端，由两片直径相 同的圆盘制成，沿径向做成放射状透光 和不透光部分相间的图形。当弹性转轴 6没有受到转矩的作用时，光栅3上的透 光部分正好与光栅3’上的不透光部分重
叠，光源2发出的光照射不到光电管4上，
光电管输出电流为零；当弹性扭转轴6 受到转矩的作用时发生扭转变形，光栅 盘3与3’相对错开一定位置，形成一个
a）两光栅盘正视图 b）两光栅盘侧视图
透光口，此时光源发出的光能穿过两光 栅盘，转矩越大，透光口的开度就越大， 光通量就越大。
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
c.光学式转矩仪
1－望远镜 2－反射光线 3－扭转应变轴 4－弹性传递轴 5－镜子 6－平行光线投射器 7－光线入射孔 8－直射光线
1－转轴 2－转盘 3－进水口 4－进水阀 5－外壳 6－出水管 7－涡轮 8－引水管
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9.3 功率测量
b.涡流室式水力测功机 涡流式水力测功机通过改变水压或改变作用面积调节制动转矩，前者 通过控制排水阀的开度改变内腔水压及水量来调节制动转矩的大小；后者 靠闸套的位置移动调节转矩，而内腔始终充满着水。 下图为闸套式水力测功机的涡流室示意图
1.用测功机作为负载进行功率测量 2.采用转矩仪测量转矩
电力测功机、水力测功机和磁粉测功机
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9.3 功率测量
2.水力测功机
水力测功机的主体为水力制动器，它由转子和外壳组成，外壳由滚动轴承支承， 因而可以自由摆动。
a.圆盘式水力测功机 圆盘式水力测功机是通过改变水层厚度调节制动转矩的，下图为其结 构简图。
图示为光学式转矩仪结构和光路示意图。 轴扭转后，轴的两端产生相对位移，这种位移通过弹性传递轴使两 面镜子也产生了相对位移，因而使光路发生变化，根据这个变化量即可 测得转矩的大小。 通过平行光线投射器和望远镜可实现读数。
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9.2 转矩测量
d.磁电式转矩仪
a) 磁电式转矩仪工作原理图
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9.2 转矩测量
b.光电式转矩仪 原理：利用扭轴两端的光学元件将转矩引起的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扭矩。 下图为光电式转矩仪传感器示意图与光栅盘结构图：
1、5－套筒 2－光源 3、3’－光栅盘 4－光电管 6 －弹性扭轴
第9章转速、转矩和功率测量
1－转子小室 2－闸套 3－外壳小室
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9.3 功率测量
3.电力Biblioteka Baidu功机
电力测功机的转子和定子都是以磁通作为传递媒介进行工作的。转子和定子之 间的作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以只要将定子做成能绕其轴线自由 摆动的结构，便可测定转子的制动转矩，即定子的反力矩。 电力测功机分为直流电力测功机、交流电力测功机和电涡流测功机三种型式。
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9.1 转速测量
c.电动转速表 电动转速表一般由发送器、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，由被测速轴通过联轴节直接带 动发电，转速越高，产生的电动势越大。通过电压表指示所测转速。 电动转速表工作时产生的电动势受磁场强度、温度等因素的影响，精 度不高（1.5级）。 d.定时转速表 原理：在一定时间内通过累计转数来测量转速 定时转速表使用方便，精度较高（可达0.5级），测量上限可达 10000r/min，可以用于内燃机等高速机械的转速测量。
1－机壳 2－平衡支承 3－力臂杆 4－测力机构
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9.2 转矩测量
2.常用转矩测量仪器 a.钢铉转矩测量仪 原理：弹性扭轴的变形引起钢铉伸缩，从而使钢铉振动的固有频率发 生变化。 1 钢铉的固有振动频率为 f 2l 0 度。 式中，l0为钢铉的自由长度； σ为钢铉绷紧时的拉应力； ρ为钢铉的密 左图为钢铉转矩测量仪的原理 图。 两只卡盘2固定在弹性扭轴1上， 每只卡盘上有一凸臂3，钢铉4的两 端分别安装在两个凸臂上，钢铉与 扭轴相对固定。弹性扭轴在转矩的 作用下发生弹性变形时，两只卡盘 之间产生相对角位移，固定在卡盘 凸臂上的钢铉长度发生变化，改变 了钢铉的固有频率。