功率、转速、扭矩、扭振
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2、光电式
组成：发光管、光敏二极管、光 孔盘、控制电路。
2、光电式 组成：发光管、光敏二极管、光孔盘、控
制电路。
内燃机轴系的扭振测量
扭振基本概念：
振动分为直线振动和角振动； 角振动分为滚振和扭振。 滚振：各部件作为刚体一起作角振动。 扭振：各部件角振动幅值和相位不同。 扭振分为无阻尼自由、有阻尼自由、有阻 尼强迫。 共振：作用在曲轴上的激振力频率ω =曲 轴扭振的某一固有频率P。 扭振的研究方法：扭振计算，扭振测量。
磁力产生制动力矩M制动= Me 定子外壳同样受到 大小与Me相同的力矩，使定子外壳摆动一个角度，测 力机构可据此测出力矩转矩仪，已知Me和n，就可算
出被测动力机械的输出功率。
二、扭矩的测量：采用转矩仪
基本原理：
转矩仪安装在内燃机和制动器之间，当轴系转速稳
定时，转矩仪两端扭矩都为Me ，由材料力学知，圆 轴在一对扭矩的Me作用下，产生的相对扭转角为
扭振测量技术的发展与存在的问题
传统仪器： 惯性式扭振仪
(a) 采样频率需达到数MHz； (b) 受数据存储量限制，采样时 间极短。
智能仪器： 非接触式电子扭振仪
虚拟仪器： 1. A/D高频计数法PC仪 2. 信号调理法PC仪
(a) 无法与其他采样信号 同步测量，对比分析； (b) 信号调理卡会额外占 用计算机插槽； (c) 采用专用的计算机插 卡，设计、制造、调试 成本高，使用维修不便。 (d)采样数据存储量受限， 计数频率要求高。
θ (º)
0.14
0.12
0.1
syn
0.08
0.5
0.06
1
3
0.04
0.02
0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
f (KHz)
结论：内燃机轴系采用A/D采样拟合法进行曲轴角振
动测量时，采样频率数百 KHz即可达到数MHz的测量 精度，完全满足工程上对精度的要求。
力学原理
1、水力测功机
构造：主体为制动器，由转子和定子组成，外
壳由轴承支承，可摆动，并带动测力机构工 作；转子与定子间的传力媒介为水。
工作原理：
内燃机主轴 转轴1 转盘2 水受离心力在 制动器内腔形成旋转水环 旋转水环摩擦外壳 内壁，测力机构测出力，乘以力臂长度即可
求出外壳所受力矩M壳，也是内燃机地输出力 矩Me ，再结合转速可算出内燃机有效功率。
功率、扭矩、转速的测量
n，Me，Ne间的关系
Ne
Me •n 9550
Ne：有效功率（kw，输出的净功率） Me —— 有效扭矩（N·m） n —— 发动机转速（r/min）
一、有效功率的测量：采用测功机 测功机的组成：
制动器； 测力机构； 测速装置。
测功机的分类：
水力测功机； 电力测功机； 磁粉测功机等。
转矩为0，时间差为0的情况 转矩不为0，时间差不为0的情况
三、转速的测量
转速传感器分类：磁电式、光电式、 霍尔式等。
1、磁电式
组成：导磁材料制做的测量齿盘， 永磁铁定子、线圈。
原理：齿盘转动一齿→磁隙变 化一次→磁通变化一次→线圈 产生脉冲电压→整形后，由矩 形波频率f，即可得转速。
n=60f/z （z为齿数）
LM e
GI p
式中L为扭转轴长度；Ip为扭转轴截面的极惯性矩； G为轴材料的切变模量。
同理，如能利用转矩仪测出轴的相对扭转角，也可
求出内燃机输出的转矩
Me
GI
L
p
相位差式（磁电）转矩仪工作原理：
转矩仪扭转轴两端装有相同的测量齿盘与磁电传感 器，当轴转动，两个磁电传感器各产生一系列脉冲 信号，用测量电路或其他方法计算扭转变形造成的 两列脉冲信号的时间差，再将时间差换算成相对扭 转角，根据上述公式即可求出内燃机输出的转矩。
扭转振动可以用角位移、角速
度(常称为瞬时转速)和角加速
度描述。求出Δti后，可计算出 瞬时转速。
i
0
ti
信号调理法Δti的计算
ti m
A/D高频计数法Δti的计算
ti
mts
m fs
按照软件加通 用硬件替代专 用仪器的虚拟 仪器设计思想
针对角振 动信号测 量的关键 技术难点
以数值计 算和误差 分析理论 为基础
A/D采样拟合法及其改进算法
优点： 延长采样时间
减少硬件、降低成本 提高通用性
实现与其他信号的同步测量
A/D采样拟合法基本原理
B0 B1 xj B2 xj 2 Bm xj m tj
B0 xபைடு நூலகம் B1 xj 2 B2 xj3 Bm xj m1 tjxj
B0 xj m
B1
x m1 j
Me = M水环内 = M水环外 = M壳
2、（直流）电力测功机
构造：与一般直流电机相似，不同之处有两点
（1）定子外壳由轴承支承，可绕轴线摆动； （2）定子外壳固定一个力臂，并与测力机构连接。
工作原理：
内燃机主轴 转子1转动，转子带动电枢绕组4转动， 切割定子绕组磁场的磁力线，产生感生电动势 电
常用扭振测量虚拟仪器工作原理
目前最先进的扭转振动测量虚拟仪器由传感器 部分、信号调理（采集）卡和软件包3个基本部分 组成。仪器的核心部分为插入计算机中的专用信号
调理卡，其参数设计决定了扭转振动的测量精度。
目前扭转振动测量的传感器一般采用非接触式
传感器，最常用的是磁电式传感器。传感器交装在 轴系上测量齿盘旁，其作用是将轴系的转速变化转 变成电信号周期的变化，每转过一个齿，传感器输 出的电压信号就变化一次输出一个电压脉冲信号。
B2
x m2 j
Bm xj mm
tjxj m
t B0 B1x B2x2 Bmxm
A/D采样拟合法基本原理
B0 B1 xj B2 xj 2 Bm xj m tj
B0 xj B1 xj 2 B2 xj3 Bm xj m1 tjxj
B0 xj m
B1
x m1 j
B2
x m2 j
Bm xj mm
tjxj m
t B0 B1x B2x2 Bmxm
为验证A/D采样拟合法的测量准确 性和实用性，进行了大量实验研究
精度分析：
采样频率与 角振动测量 精度的关系
A/D采样拟合 法实验研究
实用性验证：
1.曲轴角振动测量 2.停缸号诊断
采样频率与角振动测量精度的关系
组成：发光管、光敏二极管、光 孔盘、控制电路。
2、光电式 组成：发光管、光敏二极管、光孔盘、控
制电路。
内燃机轴系的扭振测量
扭振基本概念：
振动分为直线振动和角振动； 角振动分为滚振和扭振。 滚振：各部件作为刚体一起作角振动。 扭振：各部件角振动幅值和相位不同。 扭振分为无阻尼自由、有阻尼自由、有阻 尼强迫。 共振：作用在曲轴上的激振力频率ω =曲 轴扭振的某一固有频率P。 扭振的研究方法：扭振计算，扭振测量。
磁力产生制动力矩M制动= Me 定子外壳同样受到 大小与Me相同的力矩，使定子外壳摆动一个角度，测 力机构可据此测出力矩转矩仪，已知Me和n，就可算
出被测动力机械的输出功率。
二、扭矩的测量：采用转矩仪
基本原理：
转矩仪安装在内燃机和制动器之间，当轴系转速稳
定时，转矩仪两端扭矩都为Me ，由材料力学知，圆 轴在一对扭矩的Me作用下，产生的相对扭转角为
扭振测量技术的发展与存在的问题
传统仪器： 惯性式扭振仪
(a) 采样频率需达到数MHz； (b) 受数据存储量限制，采样时 间极短。
智能仪器： 非接触式电子扭振仪
虚拟仪器： 1. A/D高频计数法PC仪 2. 信号调理法PC仪
(a) 无法与其他采样信号 同步测量，对比分析； (b) 信号调理卡会额外占 用计算机插槽； (c) 采用专用的计算机插 卡，设计、制造、调试 成本高，使用维修不便。 (d)采样数据存储量受限， 计数频率要求高。
θ (º)
0.14
0.12
0.1
syn
0.08
0.5
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0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
f (KHz)
结论：内燃机轴系采用A/D采样拟合法进行曲轴角振
动测量时，采样频率数百 KHz即可达到数MHz的测量 精度，完全满足工程上对精度的要求。
力学原理
1、水力测功机
构造：主体为制动器，由转子和定子组成，外
壳由轴承支承，可摆动，并带动测力机构工 作；转子与定子间的传力媒介为水。
工作原理：
内燃机主轴 转轴1 转盘2 水受离心力在 制动器内腔形成旋转水环 旋转水环摩擦外壳 内壁，测力机构测出力，乘以力臂长度即可
求出外壳所受力矩M壳，也是内燃机地输出力 矩Me ，再结合转速可算出内燃机有效功率。
功率、扭矩、转速的测量
n，Me，Ne间的关系
Ne
Me •n 9550
Ne：有效功率（kw，输出的净功率） Me —— 有效扭矩（N·m） n —— 发动机转速（r/min）
一、有效功率的测量：采用测功机 测功机的组成：
制动器； 测力机构； 测速装置。
测功机的分类：
水力测功机； 电力测功机； 磁粉测功机等。
转矩为0，时间差为0的情况 转矩不为0，时间差不为0的情况
三、转速的测量
转速传感器分类：磁电式、光电式、 霍尔式等。
1、磁电式
组成：导磁材料制做的测量齿盘， 永磁铁定子、线圈。
原理：齿盘转动一齿→磁隙变 化一次→磁通变化一次→线圈 产生脉冲电压→整形后，由矩 形波频率f，即可得转速。
n=60f/z （z为齿数）
LM e
GI p
式中L为扭转轴长度；Ip为扭转轴截面的极惯性矩； G为轴材料的切变模量。
同理，如能利用转矩仪测出轴的相对扭转角，也可
求出内燃机输出的转矩
Me
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相位差式（磁电）转矩仪工作原理：
转矩仪扭转轴两端装有相同的测量齿盘与磁电传感 器，当轴转动，两个磁电传感器各产生一系列脉冲 信号，用测量电路或其他方法计算扭转变形造成的 两列脉冲信号的时间差，再将时间差换算成相对扭 转角，根据上述公式即可求出内燃机输出的转矩。
扭转振动可以用角位移、角速
度(常称为瞬时转速)和角加速
度描述。求出Δti后，可计算出 瞬时转速。
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信号调理法Δti的计算
ti m
A/D高频计数法Δti的计算
ti
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按照软件加通 用硬件替代专 用仪器的虚拟 仪器设计思想
针对角振 动信号测 量的关键 技术难点
以数值计 算和误差 分析理论 为基础
A/D采样拟合法及其改进算法
优点： 延长采样时间
减少硬件、降低成本 提高通用性
实现与其他信号的同步测量
A/D采样拟合法基本原理
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Me = M水环内 = M水环外 = M壳
2、（直流）电力测功机
构造：与一般直流电机相似，不同之处有两点
（1）定子外壳由轴承支承，可绕轴线摆动； （2）定子外壳固定一个力臂，并与测力机构连接。
工作原理：
内燃机主轴 转子1转动，转子带动电枢绕组4转动， 切割定子绕组磁场的磁力线，产生感生电动势 电
常用扭振测量虚拟仪器工作原理
目前最先进的扭转振动测量虚拟仪器由传感器 部分、信号调理（采集）卡和软件包3个基本部分 组成。仪器的核心部分为插入计算机中的专用信号
调理卡，其参数设计决定了扭转振动的测量精度。
目前扭转振动测量的传感器一般采用非接触式
传感器，最常用的是磁电式传感器。传感器交装在 轴系上测量齿盘旁，其作用是将轴系的转速变化转 变成电信号周期的变化，每转过一个齿，传感器输 出的电压信号就变化一次输出一个电压脉冲信号。
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A/D采样拟合法基本原理
B0 B1 xj B2 xj 2 Bm xj m tj
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为验证A/D采样拟合法的测量准确 性和实用性，进行了大量实验研究
精度分析：
采样频率与 角振动测量 精度的关系
A/D采样拟合 法实验研究
实用性验证：
1.曲轴角振动测量 2.停缸号诊断
采样频率与角振动测量精度的关系