10.机械工程测试技术（课件）--同步教学《电气测量技术》(人教版第二版)

机械工程测试技术—— 转速与功率测量（2） 第十章 1 内容 1、转速测量 2、功率测量 3、测功器的应用 重点：掌握各种转速与功率测量方法的原理、特点及应用场合 论文工作共分7章：第1章绪论、第2章监控检测中的数字处理、第3至第6章是3个工程应用系统的研究开发、第7章结论 2 接触式测量：直接接触被测轴 离心式转速表 磁性转速表 测速发电机 非接触测量：不必接触被测轴 磁电式 光电式 霍尔式 1、转速测量 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 3 磁电式测速 电磁学原理：磁通变化产生感应电动势 实际应用 测旋转轴的转速——单位时间内的脉冲数除以齿数 1、转速测量 磁阻周期性变化，改变磁通量，感应电动势 感应电压取决于 转速/齿数 探头端面距齿顶间隙（成反比） 齿轮或转轴为非导磁材料时可否测量？ N S 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 4 磁电式测速 磁电式传感器优点 能直接测量角速度 输出功率较大，并可用于远距离测量 结构简单，工作可靠 磁电式传感器缺点 不宜在高温及强磁场环境下工作 低速时信号弱，故不宜测低转速 对转轴有一定阻力矩，不宜测小扭矩轴。为什么？ 1、转速测量 非磁性材料上感生信号的方法 传感器 传感器 钢片 钢片 非磁性轴 非磁性轴 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 5 光电式测速 测量原理 通过敏感元件来控制照于光电元件光通量的强弱，从而产生与被测轴转速成比例的电脉冲信号，再转化成相应的转速值 实际应用 反射式光电传感器 透射式光电传感器 优点 测速范围可达每分钟几十万转 对被测轴无干扰 1、转速测量 光源 光电元件 转轴 反光面 透镜 透镜 透镜 半透反光膜 转轴 多孔圆盘 光源 光电元件 支架 转速较低时是否存在信号弱问题？ 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 6 光电式测速 DT-2234B非接触转速表 1、转速测量 量程 5～99,999RPM 分辨率 RPM 0.1RPM ＜1,000RPM 1RPM ≥1,000RPM 显示 5位，LCD，字高10mm 精度 ±(0.05%+1位) 采样时间 1秒(≥60 RPM)，晶振 探测距离 50～150mm,最大300 mm由环境光线而定 电路 LSI专用单片微机集成电路 电池 1.5V AA 电池,4节 工作温度 0°～50℃ 记忆 当前值、最大值、最小值 尺寸 190×72×37 mm 重量 250克 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 7 霍尔式测速 测量原理:霍尔效应 实际应用:转子上的凸齿交替经过永久磁铁的空隙改变磁场霍尔元件（半导体材料）上霍尔电压 特点：保证在很低的速度下都有很强的信号 结构：根据待测对象结构特点，设计磁场和霍尔元件 1、转速测量 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 8 霍尔式测速 角速度ω测量 1、转速测量 脉冲 计数器 转盘 小磁钢 霍尔传感器 开关型霍尔传感器（OCH41） 输入频率:0～20KHz 输出信号:0～20V矩形脉冲 使用温度范围:-40～＋125℃ 工作电源:12V～24VDC/20mA 推荐安装间隙0.8～1.2 mm 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 9 数字式频率计——测量频率和时间的仪器 频率测量——提取转速信号的主频 标准的时基——计数闸门时间T 在T内计数为N 每转m个脉冲，则转速为n 1、转速测量 被测信号f 闸门时间T T 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 10 数字式频率计——测量频率和时间的仪器 周期测量——低速 转速信号计数闸门时间T 选择时基（高频信号）周期T0 计数 在T内计数为NT＝N.T0 每转m个脉冲，则转速为n 1、转速测量 被测信号T T 时基信号T0 T0 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 11 数字式频率计——测量频率和时间的仪器 1、转速测量 GFC-8010H 数字频率计 提供频率与周期量测 频率范围：1Hz ~ 120MHz 8 位数 0.3" LED 显示 Over-Flow 指示灯 高稳定时基：5ppm 具低通滤波器功能 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 12 闪光测速仪 测量原理——视觉暂留现象 在短时间内（1/15~1/20s），人眼有保持已经从视野中消失的物体形象的能力 利用一个频率可调的闪光，照射转轴/盘上标记，当转速n与闪光频率f相等或成一个倍数时，转轴/盘上标记在视觉中就会呈现静止不动的状态，由此可测出被测转速 使用特点：不接触测量物体、测量精度高、量程范围宽(几十万转) 1、转速测量 原标记图样 n＝f单定象 n＝Nf单定象 n＝f/N重定象 n>f同向转 n<f反向转 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 13 数字式频闪仪 1、转速测量 DT2239A 闪频仪 显示: 4位超大屏幕液晶显示带背光 速度范围: 60～9,999RPM 测试精度：±0.05% 分辨率：＜1000RPM：0.1RPM 　　　　≥1000RPM：1RPM 电源：4×1.5V AA 电池 外型尺寸: 220×94×74mm 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 14 机械式转速表 离心式转速表 利用离心力大小与转速的平方成正比原理测量 特点 结构简单、使用方便、价格便宜 精度低，且在测量中会消耗部分功率 测量误差为±1％ 测速范围为30r/min～20000r/min 1、转速测量 滑块 转轴 齿条 指针 弹簧 重块 m 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 15 磁性转速表 利用磁力原理的机械式转速表 利用转轴上的永磁体，产生旋转磁场，在外边的金属罩上产生涡流，继而产生电磁旋转力，于游丝的反作用力矩相平衡，并带动指针指示出相应的被测转速 1、转速测量 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 16 发电式转速表 原理：测速发电机＋显示仪器 测速发电机的转子与被测轴相连接，当测速发电机的转子随被测轴一起转动并切割磁力线时，在转子线圈中就感应电动势 特点 测速电机容易受环境温度、湿度干扰，精度1%-2% 测速范围小于10000 r/min 反应快、信号易于采集记录，主要用于瞬变转速测量 1、转速测量 机械电子系统：机械和电子的有机集成，这种集成通过信息处理来实现的。从大的方面讲，机械电子系统由三个部分组成：机械系统、电气系统、计算机系统，实际上是将电子器件的信息处理和控制功能融入到机械系统中，使其硬件软性化，这种机械、电子、信息等技术的有机组织、渗透和综合，实现了机械电子系统…. 17 发电式转速表 1、转速测量 ZYS型永磁直流测速发电机 测量旋转体的转速，亦可用作转速反馈测速元件 输出电压与转速成线性，正反方向的输出特性对称 精度高，重量轻，尺寸小 18 一般方法 发电装置功率(W) 电压V与电流I的乘积 加工机械切削功率(kW) 切削力Fz和切削速度v的乘积 V—切削速度（m/s） ，Fz—切削力（N） 动力机械的轴功率(kW) 转速n与输出扭矩Me的乘积 Me—扭矩（m.N） 2、功率测量 19 扭矩测量 扭矩：使物体/轴发生转动的力——力x力矩 单位：牛.米(N.m)、公斤.米(kg.m) 敏感元件 扭矩作用下敏感元件扭转变形 测量轴 特制的联轴节 传动轴 测量扭矩方法 测量扭转角 测量轴表面切应力 2、功率测量 20 扭矩测量 应变式扭矩传感器 原理：应变原理 R1、R2变化相反 R1、R3变化相同、R2、R4变化相同 电桥测量 关键技术：旋转体上电信号的传递 集流环传递 无线传递 2、功率测量 21 扭矩测量 应变式扭矩传感器 水银槽式集流环：水银 适用于高速转轴的扭矩测量 径向刷式集流环：滑环——电刷 一般低速应变式扭矩传感器 端面刷式集流环：滑环——电刷 大直径轴、转速较高轴的测扭 2、功率测量 水银槽式集流环 引线 扭力轴 应变片 内运动环 水银层 绝缘层 外固定环 旋转轴 滑环 电刷 绝缘层 固定套 端面刷式集流环 22 扭矩测量 应变式扭矩传感器 2、功率测量 弹性轴、测量电桥、信号处理、数字发射、接收解调、接口电路 23 扭矩测量 应变式扭矩传感器 2、功率测量 0260动态扭矩传感器 量程：0.2、0.5、1、2、5、10、20、50 Nm 　　　 100、200、500、1000、2000、5000 Nm 精度：0.1％ （满量程）（0.05％可选） 安装方式：轴 扭矩信号：±5Vdc 信号传输：非接触式 最高转速：50,000 RPM 转速/转角信号：60/360 脉冲/转 24 扭矩测量 相位差式扭矩传感器 原理 在弹性变形范围内，中间轴上相隔一定长度的两截面上所产生扭转角的相位差△θ与扭矩△Me成正比 2、功率测量 在受扭轴的两端各安上一个齿轮，对着齿面再各装一个磁电传感器 传感器上感应出两个与动力轴非接触的交流信号 求出其信号的相位差 25 扭矩测量 相位差式扭矩传感器 在不承受扭矩时，两光栅的明暗区正好互相遮挡，光源的光线没有透过光栅照射到光敏元件上，无输出信号。 当转轴受扭矩后，转轴变形将使两光栅出现相对转角，部份光线透过光栅照射到光敏元件上产生输出信号。扭矩愈大，扭转角愈大，穿过光栅的光通量愈大，输出信号愈大。 2、功率测量 光源 光敏 传感器 弹性转轴 圆盘 光栅 26 驱/发动机的有效功率：驱动轴上所发出的功率 测量方案： 驱动轴上的有效扭矩 驱动机的转速 吸收式测功器 扭矩和转速测量 吸收驱动机所发出的功率——负载 常用吸收式测功器 水力测功器 电力测功器 电涡流测功器 3、测功器应用 27 水力测功器 利用物体在水中运动所受到的阻力，来对输出功率的动力机械施加反扭矩，从而吸收功率 3、测功器应用 驱动轴 2 3 4 6 7 1 5 h 出水阀 进水阀 外壳 滚动轴承 转轴 定搅棒 动搅棒 水环 转轴转动动搅棒划水离心力形成水环传扭到外壳力臂摆动测力读数 定搅棒+水：吸收功率 8 9 10 力臂 测力机构 表盘 外壳 28 水力测功器 测功器的特性曲线：吸收功与水层厚度有关 包围区域表示测功器所能吸收功率范围 OA段——最大水层厚度线(hmax) AB段——最大制动扭矩线 BC段——等功率曲线 CD段——最高转速线 DO段——空载线（h=0） 优点：结构简单、工作可靠、价格便宜、功率储备大、使用方便 缺点：转速较低时制动力矩比较小 3、测功器应用 Ne n 0 A B C D 水力测功器选择： 测功器的特性曲线 测功器的最大吸收功率 水力测功器(ＹＰ系列) 29 水力测功器 测功器的特性曲线 功率匹配 3、测功器应用 1 2 应用：上图为某一水力测功器特性曲线0-A-B-C-D 某一发动机最大功率为70kW，最高运行转速为2000rpm （输出功率曲线1） 高端：测功机165kW/5000rpm、115kW/2000rpm——满足 低端：测功机30kW/1000rpm，无法吸收和测量发动机的功率 适用：发动机（输出功率曲线2） 30 水力测功器 3、测功器应用 31 电力测功器（发电机结构） 3、测功器应用 原理 转子转动电枢绕组切割磁场（定子产生）产生感应电势/流——发电电磁力矩（阻止转向）传扭到外壳力臂摆动测力读数 平衡式直流电力测功器结构简图 转子 外壳 励磁绕组 电枢绕组 力臂 测力机构 32 电力测功器 测功器的特性曲线 包围区域表示测功器所能吸收功率范围 OA段——最大激励电流和最小负载电阻线 AB段——最大制动扭矩线 BC段——最大功率曲线 CD段——最高转速线 DO段——空载线 优点：低转速时制动力矩大——测量精度高 （在低速时，其制动力矩与转速的平方成正比） 3、测功器应用 Ne n o A B C D 33 电涡流测功器 利用形成的电涡流吸收动力机械的输出功率 3、测功器应用 电涡流测功器结构示意图 转子/感应子（凸凹齿）转动改变磁通密度涡流环表面产生强烈的电涡流发热/电磁力（阻止转向）传扭到外壳力臂摆动测力读数 l－气隙 L 定子磁轭 感应子-凸凹齿 励磁线圈 涡流环 特点 结构简单、控制方便、测量精度高 很宽的转速范围： 1000～25000 r/min 很大的功率范围： 可达数千kW 34 电涡流测功器 3、测功器应用 电涡流测功器的激磁电流控制特性 功率 Ne 35 3、测功器应用 测功器名称 综合结构尺寸 应用功率范围 测量精度 适用范围 对安装及操作的要求 成本 低速制动力矩 工作稳定条件 其它说明 水利 测功器 中 各种功率 1%~2% 中等转速 安装保养简单，操作方便 低 小 进水压头平稳 电力 测功器 大 中小功率 0.5%~1% 中等转速 安装简单，保养级高，操作方便，调节精细 高 中 电网电压稳定 可以回收能量 电涡流测功器 小 各种功率 普通级2% 精密级0.5%～1% 中高转速 冷却水和转子轴承精度等级要求高，精细保养 高 大 电网电压稳定 易于实现自动控制 各种 扭矩仪 最小 各种功率 0.25%~1% 各种转速 安装要求高，否则引起附加力矩 较高 现场测量,不吸收功率 选择测功器的一般原则 36 评价测功器的重要指标：制动力矩 3、测功器应用 三种测功器低速制动力矩比较 n M 电涡流测功器 电力测功器 水力测功器 0 37 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be 写在最后 38 感谢聆听 不足之处请大家批评指导 Please Criticize And Guide The Shortcomings 结束语 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日 时基分频器 振荡器 控制 电路 频率 显示 计数 闸门 放大 整形 f f K Tn T 时基分频器 振荡器 控制 电路 频率 显示 计数 闸门 放大 整形 f f K Tn T $$