Технические измерения эксплуатационных параметров перегрузочных машин : учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ 
ВОДНОГО ТРАНСПОРТА 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Баржанский Е.Е. 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ МАШИН 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Альтаир–МГАВТ 
Москва  
2013 

МГАВТ

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ 
ВОДНОГО ТРАНСПОРТА 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Баржанский Е.Е. 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ МАШИН 
 
Учебное пособие 
 
 
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и 
транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для 
студентов вузов, обучающихся по специальности «Наземные транспортнотехнологические средства» (специализация «Подъёмно-транспортные, 
строительные, дорожные средства и оборудование») и направлению подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортно-технологических машин и 
комплексов» (профиль подготовки «Эксплуатация перегрузочного оборудования портов и транспортных терминалов») 
 
 
 
 
Альтаир–МГАВТ 
Москва  
2013 

УДК  53.084.2 + 531.781.2 + 621 
 
Баржанский Е.Е. Технические измерения эксплуатационных параметров перегрузочных машин. Учебное пособие. 2-е издание, исправленное и 
дополненное.— М.:  Альтаир–МГАВТ,  2013г.,  136 с. 
ISBN 978-5-905637-04-9 
Рассмотрены физические принципы действия средств измерения механических параметров машин. Приведены сведения об устройстве, особенностях 
применения и схемах включения датчиков кинематических и силовых параметров машин, принципы выбора датчиков и согласования их характеристик с рабочими параметрами машин. Значительное внимание уделено методам подавления помех при передаче сигналов и принципам действия информационноизмерительных систем. 
Для студентов и аспирантов технических специальностей вузов, являющихся потребителями средств измерения параметров машин в динамических 
режимах работы, учебное пособие может быть полезно инженерам и техникам, 
связанным с задачами измерения механических параметров. 
 
Рецензент: канд.техн.наук Ю.П. Захаров, с.н.с. ИМАШ РАН, к.т.н. Ивлев 

В.И., зав. кафедрой ППТМиР МГАВТ, к.т.н., проф. Леонова О.В. 
 
 
Рекомендован к изданию учебно-методическим советом МГАВТ. 
 
 
Рассмотрен и рекомендован к использованию в учебном процессе кафедрой Портовых подъемно-транспортных машин и робототехники МГАВТ (протокол №7 от 18 марта 2013). 
 
 
Ответственность за оформление и содержание представленных к изданию материалов несут автор и кафедра.  
 
ISBN 978-5-905637-04-9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Баржанский Е.Е., 2013 
 © МГАВТ, 2013 

Оглавление 
Введение ..................................................................................................................... 5 

Глава 1. Цели измерений. Основные понятия и определения. ............................. 9 

Контрольные вопросы к главе 1 ............................................................................ 14 

Глава 2. Пассивные преобразователи .................................................................... 15 

2.1.Виды первичных преобразователей ................................................................ 15 

2.2.Контактные преобразователи ........................................................................... 15 

2.3. Резисторные  преобразователи ....................................................................... 17 

2.4. Тензорезисторные преобразователи ............................................................... 21 

2.5.Индуктивные преобразователи ........................................................................ 26 

2.6.Емкостные преобразователи. ........................................................................... 33 

Контрольные вопросы к главе 2 ............................................................................ 38 

Глава 3. Активные преобразователи ..................................................................... 39 

3.1. Индукционные преобразователи .................................................................... 39 

3.2. Пьезоэлектрические преобразователи  (ПЭП) .............................................. 42 

3.3. Термоэлектрические   преобразователи ......................................................... 46 

Контрольные вопросы к главе 3 ............................................................................ 48 

Глава 4. Электрические схемы включения преобразователей ........................... 49 

4.1. Схемы включения при питании постоянным током..................................... 49 

4.1.1. Потенциометрические схемы включения. .................................................. 49 

4.1.2.Мостовые измерительные схемы ................................................................. 52 

4.2. Схемы и виды включения ПП при питании переменным током ................ 56 

4.2.1. Виды включения измирительных преобразователей (ИП)……………...57 
4.2.2.Мостовые измерительные схемы с согласующими трансформаторами .. 61 

4.3. Многоточечные схемы измерений ................................................................. 63 

Контрольные вопросы к главе 4 ............................................................................ 65 

Глава 5. Датчики кинематических параметров .................................................... 66 

5.1. Общие сведения. ............................................................................................... 66 

5.2. Измерение перемещений. ................................................................................ 66 

5.2.1. Датчики линейного перемещения. .............................................................. 66 

5.2.2. Датчики угловых перемещений (ДУП) ....................................................... 70 

5.3. Измерение скоростей ....................................................................................... 75 

5.3.1. Датчики линейной скорости......................................................................... 76 

5.3.2. Датчики угловой скорости ........................................................................... 78 

5.4. Измерение ускорений ...................................................................................... 82 

5.4.1. Общие сведения ............................................................................................. 82 

5.4.2. Датчики линейных ускорений ..................................................................... 82 

5.4.3.Датчики угловых ускорений ......................................................................... 86 

5.5. Измерение вибрационных параметров .......................................................... 87 

5.6. Тарировка датчиков кинематических параметров ........................................ 90 

Контрольные вопросы к главе 5 ............................................................................ 93 

Глава 6. Датчики силовых параметров ................................................................. 95 

6.1. Общие сведения ................................................................................................ 95 

6.2.Датчики силы и напряжения ............................................................................ 96 

6.2.1.Датчики, встроенные в силовую цепь .......................................................... 96 

6.2.2. Датчики, устанавливаемые параллельно силовой цепи ............................ 98 

6.3. Датчики для измерения крутящих моментов .............................................. 102 

6.4. Тарировка датчиков силы и момента ........................................................... 105 

6.5. Датчики давления ........................................................................................... 106 

Контрольные вопросы к главе 6 .......................................................................... 110 

Глава 7. Выбор датчиков, усилителей и линий связи ........................................ 111 

7.1. Общие сведения .............................................................................................. 111 

7.2. Выбор характеристик датчиков кинематических параметров .................. 111 

7.3. Выбор характеристик датчиков  силовых параметров ............................... 112 

7.4. Источники питания и усилители .................................................................. 113 

7.5. Соединение датчиков с измерительной системой ...................................... 118 

7.6. Модуляция передаваемых сигналов ............................................................. 121 

Контрольные вопросы к главе 7 .......................................................................... 124 

Глава 8. Регистрирующая аппаратура и информационно – измерительные 
системы ..................................................................................................................... 125 

8.1. Виды регистрирующей аппаратуры ............................................................. 125 

8.2. Виды информационно-измерительных систем ........................................... 126 

8.3. Проверка качества и достоверности информации ...................................... 129 

Контрольные вопросы к главе 8 .......................................................................... 132 

Заключение ............................................................................................................. 133 

Список литературы ............................................................................................... 134 

 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебное пособие «Технические измерения эксплуатационных параметров перегрузочных машин» предназначено для студентов МГАВТ, обучающихся 
по 
специальности 
190109.65 
— 
Наземные 
транспортнотехнологические средства, специализация «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование» и направления подготовки бакалавров 190600.62 — Эксплуатация транспортно-технологических машин и 
комплексов (профиль подготовки «Эксплуатация перегрузочного оборудования портов и транспортных терминалов»). 
Пособие может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям 
других технических специальностей, являющихся потребителями средств измерения параметров машин, режимах работы в процессе обучения, при постройке машин, их диагностировании или при создании систем автоматического управления машинами 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В настоящее время перед нашей страной особенно остро стоит задача выпуска конкурентоспособной на мировом рынке продукции. Это относится ко 
всем отраслям промышленности и в первую очередь требует создания высокоточных технических и транспортных машин, отличающихся высоким быстродействием, низким энергопотреблением и совместимостью с современными 
средствами управления, основанными на микропроцессорной технике. 
Создание таких машин и настройка их рабочих режимов невозможны без 
широкого использования средств измерения кинематических и силовых параметров машин. Для нормальной эксплуатации машин многие параметры требуют постоянного контроля, для чего практически в любой достаточно сложной машине имеется встроенная информационно-измерительная система, информирующая о текущих значениях параметров либо человека-оператора в виде показаний приборов, сигнальных ламп или линеек, либо систему автоматического управления в виде электрических сигналов, пропорциональных значениям контролируемых параметров. Во всех случаях наиболее рациональным 
путем получения необходимой информации является преобразование механической величины в электрический сигнал, фактически являющийся сигналом 
обратной связи от машины к человеку или системе управления. 
Основное внимание в учебном пособии уделено принципам действия разных видов датчиков кинематических и механических параметров машин, вариантам их конструктивных исполнений и особенностям применения, а так же 
схемам 
электрических 
соединений 
датчиков 
с 
информационноизмерительными системами, способам подавления производственных помех 
при передаче электрических сигналов, их усилению при работе с разными видами датчиков и общей структуре информационно-измерительных систем, т.е. 
основам электрических измерений механических параметров машин и грамотной эксплуатации информационно — измерительных систем. Особенно актуальными эти вопросы становятся в настоящее время в связи с общей тенденцией оснащения практически всех грузоподъемных машин ограничителями грузоподъемности и развитием сети автоматизированных складов, имеющих в том 
числе полностью роботизированные участки. 
 
 
 
 
 

ГЛАВА 1. ЦЕЛИ ИЗМЕРЕНИЙ.  
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
Учебное пособие по предмету «Технические измерения технических параметров перегрузочных машин» посвящено в основном средствам измерений, используемых при испытаниях перегрузочных машин (ПМ), их диагностике, автоматизации производственных процессов, в которых используются 
самые разнообразные виды ПМ — краны всех видов, автоматические манипуляторы (АМ), перегрузчики и дозаторы непрерывного действия, промышленные роботы(ПР). 
При выборе любых видов ПМ, особенно входящих в автоматизированную 
систему, потребителя в основном интересуют вопросы, прежде всего связанные 
с производительностью, максимальной грузоподъемностью (для роботов и манипуляторов — диапазоном грузоподъемности), надежностью и долговечностью перегрузочных машин. Для ПМ, работающих в автоматические режиме 
(без участия человека) — к ним относятся прежде всего производственные и 
складские АМ и ПР, краны-штабелеры, особую важность приобретают вопросы, связанные с точностью позиционирования транспортируемых изделий. 
Во всех рассмотренных случаях требуется достаточно точное представление не только о предельно допустимых параметрах машин, но и о том, как 
именно они выполняют заданный технологический цикл работы: какие силы 
действуют на элементы этих машин, как выполняется закон движения транспортируемого груза и с какими кинематическими параметрами груз подходит к 
точке позиционирования. 
В общем случае кинематические характеристики движения по любой координате машин циклового действия с любым видом привода имеют вид, показанный нарис. 1.1. 

 
Рис.1.1. Кинематические характеристики приводов механизмов: а) для машин с 
электромеханическим и гидравлическим приводом; б) для машин с пневматическим приводом. 

Величины перемещений x, скоростей Vi,ускоренийV i, а также времена 
разгонаtp, торможения и установившегося движенияtуст фактически определяют 
время выполнения цикла перемещения грузов и непосредственно связаны с 
производительностью ПМ: 
max
Х
 характеризует величину зоны обслуживания, 

Vср — определяет время рабочего цикла, ускорения V не только влияют на 
время рабочего цикла и определяют динамические нагрузки на элементы конструкции ПМ, но так же являются причиной раскачки груза (при его подвеске 
на канате) или всей конструкции (например, у ПР и АМ). 
Силовые параметры ПМ, к которым относятся нагрузки в элементах металлоконструкций, развиваемые приводами усилия, реакции опор и т.д. также 
непосредственно связаны с характеристиками ПМ, в первую очередь с грузоподъемностью и величинами действующих ускорений. Эта связь достаточно 
очевидна из анализа уравнений движения любого механизма ПМ, которое м.б. 
выведено исходя из уравнения Лагранжа II рода или на основании принципа 
д’Аламбера. 
Для поступательного и вращательного движения эти уравнения соответственно имеют вид 

2
(
)
( )
( )
2
x
с
c
дв
d
dm
F
F
F x
m dt
dx








 
 
 
(1.1) 

и 

2
( , )
( )
( )
2

n
c
c
n
дв
dJ
d
M
M
M
J
dt
d


 







,  
 
(1.2) 

 
где 
(
)
x
дв
F

 и 
( , )
äâ
M
  — развиваемые приводом сила и момент, как правило зависящие от скорости; 
( )
cF  и 
( )
c
M  — зависящие от скорости силы и 
моменты сопротивления (трение и др. виды потерь); 
)
(x
Fc
и 
)
(
c
M
— силы и 
моменты сопротивлении, зависящие, кроме веса металлоконструкции и пере
мещаемого груза, от положения груза; 
d
m dt

  и 
d
J dt

  — постоянные состав
ляющие сил и моментов инерции, зависящие от масс подвижных частей, их 

компоновки и ускорения 

2

2
dm
dx

 и 

2

2

n
dJ
d


  — переменные составляющие сил и 

моментов инерции, зависящие от изменения масс или их взаимного положения. 
Внутренние силы, действующие в металлоконструкции ПМ и определяющие напряжения в ней, а следовательно и ее надежность и долговечность, зависящие от силовых и кинематических факторов, входящих в уравнение движения. Для обеспечения значений этих факторов, при которых соблюдаются заданные эксплуатационные параметры ПМ, требуется информация о истинных 
величинах кинематических и силовых параметров. 
Для ПМ, управляемых человеком — оператором частично эта информация 
поступает визуально; точность ее восприятия зависит от качества обучения и 
опыта оператора. При этом желательно, чтобы машина имела возможность 
корректировать некоторые неправильные действия оператора, вызванные не

точностью восприятия и обработки информации, ее неполнотой. Одним из способов информирования операторов является оснащение ПМ ограничителями 
грузоподъемности. 
В современных ПМ, оснащенных ограничителями грузоподъемности кранов (ОГК) в простейшем случае используется силоизмерительные датчики с 
тензометрическими или индуктивными чувствительными элементами (например, в мостовых или козловых кранах), в случае использования ОГК на стреловых кранах  для ограничения грузоподъемности требуется более обширная информация — следует знать все факторы, влияющие на устойчивость крана: вылет стрелы, угол поворота стрелы относительно осей опорной поверхности, 
угол наклона вертикальной оси крана, скорость ветра и его направление. Следовательно, дополнительно к силоизмерительным датчикам в состав ОГК входят датчики угловых и линейных (для кранов с телескопируемыми  стрелами) 
перемещений, датчики крена, анемометры. Совокупность всей информации позволяет микропроцессорной системе ОГК определить реальную грузоподъемность крана для каждого рабочего цикла. 
Современные ОГК, дополненные регистраторами рабочих циклов, выполняют еще одну важную функцию — знание реальных нагрузок на узлы крана в 
каждом рабочем цикле и их суммирование регистратором позволяет уточнять 
сроки проведения ремонтных работ, проводить достаточно точную диагностику 
крана, определить остаточный ресурс и параметры надежности, а в конечном 
итоге — сделать работу крана более надежной и безопасной, в гораздо меньшей 
степени зависящей от субъективных факторов, прежде всего — человеческого. 
Для автоматизированных ПМ-АМ и ПР-  требуется наличие более или менее сложной измерительно-информационной системы, обеспечивающей получение требуемой информации и ввод ее в систему управления для формирования требуемых законов движения по координатам с учетом дополнительных 
требований, предъявляемых к машинам, например — ограничение ускорений 
при разгоне и торможении, ограничение напряжений в опасных элементах конструкций, обеспечения требуемой точности позиционирования и т.д. 
В целом как количественные, так и качественные характеристики требуемой информации определяются функциональным назначением конкретной машины и требованиями к ее системе управления, наличием внутренней или 
внешней системы контроля работоспособности и диагностики, требуемой надежностью машины, ее быстродействием, наличием и интенсивностью производственных помех (в основном электромагнитной природы), длиной соединительных линий и т.д. 
Простейшая структурная схема измерений любого механического или кинематического параметра показана на рис. 1.2. 

Рис. 1.2. Структурная схема измерений параметров механизма. 
 
Чувствительный элемент ЧЭ воспринимает входное воздействие (силу, 
давление, перемещение, деформацию, скорость и т.д.) и преобразует ее к виду, 
удобному для последующей трансформации входного механического или кинематического воздействия в электрический выходной сигнал. Измерительный 
преобразователь ИП обеспечивает трансформацию входного воздействия в 
электрический выходной сигнал. Усилитель У обеспечивает повышение мощности выходного сигнала до уровня, гарантирующего надежное представление 
информации для последующей обработки, передачи или восприятия. Измерительное устройство ИУ обеспечивает визуальное или иное представление информации в виде, удобном для восприятия пользователем. 
В зависимости от конкретного вида измерительной системы в показанной 
структурной схеме могут быть некоторые изменения: например, чувствительный элемент может быть совмещен с измерительным преобразователем, ИП 
может не требовать внешнего источника питания и иметь достаточно мощный 
выходной сигнал, то есть не требуется усилитель; вместо измерительного устройства может быть канал входа в систему управления или в процессор обработки информации. 
Кроме того, структура измерительной системы зависит от требуемого частотного диапазона, в котором эта система с достаточно точностью должна преобразовывать входной сигнал; при этом различают следующие диапазоны собственных частот процесса 
cf : 
1) статический: fc=0; 
2) квазистатический: fc=0…1Гц; 
3) статодинамический: fc=0…102Гц; 
4) динамический: fc=0…> 102Гц; 
Рабочий диапазон частот входного сигнала во многом определяет вид устройств, используемых для измерения, преобразования и представления информации. Если для диапазонов 1) и 2) возможно использование стрелочных или 
цифровых измерительных приборов, то для диапазонов 3) и 4) требуется использование измерительных преобразователей, собственная частота которых 
отвечает требованию fип(о)>1,5fcmax, а регистрация параметров производится путем записи на осциллографную бумагу, магнитную ленту, дискеты или заносится в оперативную память ЭВМ. 

Для измерения статических и квазистатических механических параметров 
существует ряд серийных приборов на определенные диапазоны измерения, 
очень часто в них используются методы прямого измерения, то есть прямой 
трансформации механического входного сигнала в изменение положения индикатора показывающего прибора. 
Для измерения статодинамических и динамических параметров чаще всего 
используются методы, связанные с промежуточной трансформацией входного 
параметра в электрический сигнал, вызывающий изменение положения индикатора показывающего прибора. 
В соответствии с таким способом измерений изменены и некоторые определения, относящиеся к измерению механических параметров: 
Входная величина — механическая величина, воздействующая на чувствительный элемент преобразователя и трансформирующаяся в электрический 
сигнал; 
Выходная величина — электрический сигнал, получаемый на выходе как 
результат преобразования, усиления и других трансформаций сигнала; 
Чувствительность измерительного устройства — отношение изменения 
выходной величины 
Y
  к изменению входной 
X
Y
S
X




/
;
 — размерность 
определяется размерностями входной и выходной величины (мВ/м; мА/м; 
мВ/МПа…); 
Порог чувствительности — минимальное изменение входной величины, 
которое можно уверенно обнаружить с помощью данного преобразователя; 
Предел преобразования — максимальное значение входного сигнала, которое может быть воспринято и трансформировано преобразователем без искажения и повреждения преобразователя; 
Функция преобразования — зависимость между выходной и входной величинами в диапазоне от порога чувствительности до предела преобразования; 
Динамический диапазон измерения — диапазон изменения входных величин, 
измерение которых производится без заметных искажений функций преобразования в диапазоне от порога чувствительности до предела преобразования. 
В диапазоне до предела преобразования предпочтительнее использовать 
измерительные устройства с линейной функцией преобразования (рис. 1.3) это 
повышает точность измерения и упрощает обработку результатов. 

 
Рис.1.3. Виды функций преобразования: 1 — линейная функция преобразования; 2 — 
функция преобразования с диапазоном нечувствительности 
X

 

У

Х

x

1
2