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1、功率的测量,汇报人：姜波,目录,1.功率的概述 2.功率测量的分类及方法 3.功率传感器的原理及应用,2/24,3/24,功率,功率是表征机械动力性能的一个重要参数 功率是指物体在单位时间内所做的功，即功率是描述做功快慢的物理量 功率的测量包括机床工作功率监测，光的功率检测，电信号的功率测量，电源功率检测，噪声功率测量等。 测量对象不同，测量方法也不一样。光的功率检测、电信号的功率检测，多用功率计直接测量，例如测量电信号的功率计有：测热电阻型功率计、热电偶型功率计 、量热式功率计 、晶体检波式功率计等。,Welcome to Power Measurement Basics,4/24,功率测量
2、的概述,功率的测定方法根据具体机械类型来确定： 机床等加工机械切削功率的测量则是通过切削力F和切削速度v的乘积而获得的，即：P=Fv。 电功率=用电器两端电压与电流的乘积，即:P=UI 机床功率是指机床主电机的输出功率P输出， 它由净切削功率P 、空载功率P空 和机床传动系统的摩擦所消耗的附加功率P附加组成。一般在测量中，用电机的输入功率代替机床功率。 而对于多数以轴作为输入和输出的装置的动力机械来说，其轴功率一般由输出扭矩和角速度的乘积获得，即：P=M。例如：在汽车检测和汽车制造过程中, 功率的测量是非常重要和频繁的,功率则是转矩和转速的乘积。,5/24,用电机的输入功率代替机床功率,电机输
3、出功率检测较为困难，所以在试验中一般检测主电机输入功率 ， 主电机输入功率P入由机床功率(主电机输出功率)P及其内部损耗功率P电损组成，如下式所示： P入=P+P电损 电机内部损耗功率P电损包括由铜损，铁损和机械损耗， 机械损耗在电机转速变化不大时可认为是常数， 铁损近似与电机端电压成正比，铜损贝目随电机负载的增大而增大。但是在试验中，与加工状态的变化引起的功率变化相比，可认为电机损耗的功率变化不大 。因此可以用电机的输入功率代替机床功率。,6/24,检测机床工作功率的意义,当机床进行切削时，随着刀具的磨损，机床主轴电动机的负荷及其电流，电压与电流间的相位角将发生变化，导致功率改变。利用这一变
4、化规律可实现对刀具磨损动态在线自动监控。当功率改变到一定数值时(即刀具磨损到应重磨的程度)，自动检测监控装置发出报警信号，刀架自动退出，机床自动停止运转，操作工人即可及时换刀、磨刀和排除故障。还可通过监控电动机功率来间接监控主轴扭矩的大小，达到定扭矩监控。 因此机床的功率测量在机械加工中很重要。,7/24,加工功率检测原理,经过机床主驱动电动机的，由电流传感器、电压传感器检出电流、电压信号，经低通滤波器后分别进行波形变换、整形，获得两个可调节的方波脉冲和直流电平信号。两个方波和直流信号送入到单片机的AD转换器变成数字量信号，经过单片机CPU进行比较，得到电机的功率值，再与预定的功率阀值进行比较
5、达到自动监控。功率的检测是通过单片机进行动态采样运算，用荧光数码管显示出所检出的功率值。,8/24,磨削功率 砂轮磨削工件就产生了磨削力。对于切入磨削（无论是平面磨削或是外圆磨削），砂轮对工件的总磨削力可分解为切向力Ft和径向力Fn两部分。 磨削功率P可表为： 式中“”号表示逆磨,“”号表示“顺磨”。,因一般情况下，vw比vs小得多，所以功率可简化为： 对于多数磨削情况，上式关系均成立。与纵向进给速度和横向进给速度相关的功率部分一般可不计。,9/24,加工功率测量所需的传感器,1.电流传感器 霍尔电流传感器和全光纤电流传感器等。 2.电压传感器 电压传感器有很多种，从测量原理上分可以有霍尔电压
6、传感器，光电隔离电压传感器，电隔离电压传感器，电压互感器原理(电磁感应原理)等。,10/24,霍尔电流传感器原理,霍尔电流传感器是基于霍尔效应的一种传感器，它是基于霍尔效应将电流转换成电动势输出的传感器。,11/24,霍尔电流传感器实物图,12/24,霍尔电压传感器,霍尔效应元件的输出电压u是穿过霍尔效应元件的磁通密度B和它的控制电流I之乘积U=B*l*K，式中k是常数。霍尔电压传感器的工作原理与霍尔电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。可以测量直流电压，交流电压和混合波形的电压。 这种特性用于有功功率的测量，尤其是那些不连续的电流和电压波形。被测电流流过线圈并产生磁场。霍尔效应元件插在线圈
7、的空气隙里。用电压采样产生供霍尔效应元件的电流，电流和电压两者成比例这两个量的乘积，也就是霍尔效应元件的输出电压，就能直接用来衡量有功功率。再利用电路将电流和电压相乘，就得到了功率。,13/24,霍尔功率传感器,霍尔功率传感器是利用霍尔元件作为敏感元件检测有功功率的传感器。 该传感器输出与有功功率成正比的模拟电压。特点：灵敏度高、线性好等特点 霍尔效应指在磁场中的导体或半导体当有电流通过时，其横向不仅受到力的作用，同时还产生电压，该电压称为霍尔电势。霍尔电势Uh= ，KH称为霍尔元件灵敏系数，被测电压 ，被测电流 ，因此霍尔元件的霍尔电势与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比。又经取样电路和磁
8、路得BH=K1I, IH=KaU,则: 霍尔元件的乘法器性能是霍尔式功率传感器的基本原理。 活儿功率传感器检测原理：,14/24,功率计和功率传感器的工作原理,功率计由功率传感器和功率指示器两部分组成。功率传感器也称功率计探头，它把高频电信号通过能量转换为可以直接检测的电信号。功率指示器包括信号放大、变换和显示器。显示器直接显示功率值。功率传感器和功率指示器之间用电缆连接。为了适应不同频率、不同功率电平和不同传输线结构的需要，一台功率计要配若干个不同功能的功率计探头。,功率测量仪器的组成,按功率传感器技术类型，可把功率计分为3类：热敏电阻型功率计，热电偶型功率计和晶体检波式功率计。,15/24
9、,16/10,热敏电阻功率传感器,热敏电阻是一种由金属氧化物的化合物制成的电阻器，随温度呈现大的电阻变化。若将热敏电阻用于形成功率传感器的终端，则它的电阻将随外加功率引起的温升而变。 下图说明了热敏电阻功率计的基本原理。图2（a）的电路表明对于射频输入端上出现的信号，两个热敏电阻如何被布置成并联以及如何与功率计相串联。功率计的连接跨接在射频旁路电容器两端，以避免热敏电阻那边的射频泄露。,图2 热敏电阻功率计的基本工作原理（a)热敏电阻功率传感器；（b）自动平衡电桥）,Prf=(Vc2-Vrf2)/4R 式中，Prf为射频功率；Vc为加到补偿电桥上的电压；Vrf为加到射频电桥上的电压；R为热敏电
10、阻传感器在平衡时的电阻。,热敏电阻功率传感器的实物图,17/24,18/10,热电偶功率传感器,热电偶功率传感器的优点：宽动态范围、低漂移和小驻波比，且一台仪器能够容纳宽的频率范围。 两种相异导体的连接形成一对热电偶结，这些结两端存在的任何温度梯度将产生电压。功率传感器的热电偶结构被设计成包括一个耗散大部分外加功率的电阻器。电阻器的的温度升高，在附件的热电偶结两端便形成温度梯度，从而产生与功率成正比的电压。两组这类结构实际上可以这样取向，使由电阻器耗散的功率产生的温升引起两个热电偶结构产生相加的温差电压，而由环境温度变化产生的温度梯度则引起相抵消的温差电压，因而将零读数的漂移减至最小。该电阻器
11、的阻值被设计成为传输线提供良好匹配的终端。 功率传感器中使用的热电偶元件可能由金、（n)型硅和氮化钽电阻材料构成，而薄膜结构则提供工作在超过40GHz频率上所需的小尺寸和精密几何形状。图5是利用这些技术的热电偶传感器的示意图。,19/10,热电偶功率传感器的实物图,20/10,二极管功率传感器,利用半导体二极管作为检波元件有可能测量极低的功率电平。下图示出了二极管传感器的最简单形式。可以看出，它包含隔直流电容器，终端电阻器，二极管和射频旁路电容器。流过二极管的电流是负载电阻器两端出现的外加电压的非线性函数。某些二极管在很低的外加电压（mV级）下将传导显著电流（uA级)，但仍然存在非线性关系，并
12、引起遵循外加电压平方（即平方律响应）的整流输出，因而服从幂次关系。研究表明，工作在平方律区域时，检测二极管的输出直接效仿输入功率变化。由于检波机理服从幂次关系，故平方律二极管传感器将指示复合波形总功率的正确值。,二极管功率传感器的检波电路,二极管功率传感器的输出电压随输入功率的变化,21/10,二极管功率传感器的实物图,22/10,峰值功率传感器,一些专用功率计可以用于测量脉冲调制信号，它们往往包括与示波器相似的显示器，以给出测得的结果随时间的变化。检测元件通常设计成具有快速输出响应时间的二极管。这类传感器的输出精确地仿效已调信号的包络，而与这类传感器配用的功率计则兼具连续波功率计和示波器的特性。如下图所示。,峰值功率计原理简图,峰值功率计可以测试平均功率和峰值功率，所以传感器也有两个通道,23/24,峰值功率传感器的实物图,请老师与同学批评指正！ 谢谢！,
