1、核工程检测技术2022-12-15核工程检测技术2第七章 机械量检测仪表2022-12-15核工程检测技术3机械量机械量通常包括各种几何量和力学量，如长度、位通常包括各种几何量和力学量，如长度、位 移、厚度、转矩、转速、移、厚度、转矩、转速、振动和力等。振动和力等。机械量机械量是表征机械运动的基本物理量，它不仅是机械是表征机械运动的基本物理量，它不仅是机械 制造工业的重要参数，而且还是很多非电量传制造工业的重要参数，而且还是很多非电量传 感器的中间参数。感器的中间参数。2022-12-15核工程检测技术4第一节 位移检测仪表选择适当的选择适当的测量点测量点、测量方向测量方向和和测量系统。测量系
2、统。用于位移测量的用于位移测量的传感器传感器很多，因测量范围不同，所很多，因测量范围不同，所用的传感器是不同的。用的传感器是不同的。小位移小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、电通常用应变式、电感式、差动变压器式、电容式、霍尔式等传感器来检测，精度可达容式、霍尔式等传感器来检测，精度可达0.5%0.5%1.0%1.0%，其中其中电感式电感式和和差动变压器式差动变压器式传感器测量范围要大一些，传感器测量范围要大一些，有些可达有些可达100mm100mm。小位移传感器测微小位移，从几微米。小位移传感器测微小位移，从几微米到几个毫米，如物体振动的振幅测量等。到几个毫米，如物体振动的振幅测量等。2
3、022-12-15核工程检测技术5 大的位移大的位移常用感应同步器、光栅、磁栅、编常用感应同步器、光栅、磁栅、编码器等传感器来测量，其特点是易实现数字化，码器等传感器来测量，其特点是易实现数字化，精度高，抗干扰能力强，没有人为读数误差，安精度高，抗干扰能力强，没有人为读数误差，安装方便，使用可靠等，这些传感器既可以装方便，使用可靠等，这些传感器既可以测线位测线位移移，也可以，也可以测角位移测角位移，还可用来，还可用来测长度测长度，它们在，它们在自动检测和自动控制中得到日益广泛的应用。自动检测和自动控制中得到日益广泛的应用。2022-12-15核工程检测技术6一、差动变压器式位移检测仪表一、差动
4、变压器式位移检测仪表n(一)差动变压器式位移检测仪差动变压器式位移检测仪表的工作原理表的工作原理 n差动变压器式位移检测仪表是差动变压器式位移检测仪表是引用差动变压器转换元件将位引用差动变压器转换元件将位移的变化转化为原、副两边绕移的变化转化为原、副两边绕组互感系数的变化，从而使位组互感系数的变化，从而使位移量转换为与其成相应关系的移量转换为与其成相应关系的电信号输出。电信号输出。2022-12-15核工程检测技术7)(12MMdtdiudtdiMe.差动变压器及其输出特性差动变压器及其输出特性 2022-12-15核工程检测技术8)(21.MMLjreju.erj L为定值为定值差动变压器输
5、出特性差动变压器输出特性 2022-12-15核工程检测技术9(二二)差动变压器式位移检测仪表在反应堆和核电站中的应用差动变压器式位移检测仪表在反应堆和核电站中的应用 差动变压器位移检测仪表在反应堆和核电站中的差动变压器位移检测仪表在反应堆和核电站中的应用主要包括下列几个方面应用主要包括下列几个方面:1.1.燃料在包壳内部的轴向膨胀或收缩的检测；燃料在包壳内部的轴向膨胀或收缩的检测；2.2.由于温度或压力变化而可能导致燃料包壳的由于温度或压力变化而可能导致燃料包壳的 轴向增长的检测；轴向增长的检测；3.3.燃料元件弯曲度的检测；燃料元件弯曲度的检测；2022-12-15核工程检测技术104 4
6、控制棒或燃料元件振动的检测；控制棒或燃料元件振动的检测；5 5控制棒棒位的检测；控制棒棒位的检测；6 6阀门位置指示；阀门位置指示；7 7各种构件相对位置的检测。各种构件相对位置的检测。2022-12-15核工程检测技术11测量燃料和包壳伸长度的差动变压器测量燃料和包壳伸长度的差动变压器2022-12-15核工程检测技术12用于差动变压器的插入式耦合变压器示意图用于差动变压器的插入式耦合变压器示意图2022-12-15核工程检测技术13n(三三)控制棒棒位的检测控制棒棒位的检测 n控制棒棒位检测系统是用来检控制棒棒位检测系统是用来检测测停堆棒、调节棒和短棒停堆棒、调节棒和短棒在堆在堆芯中的位置
7、，给出控制体的芯中的位置，给出控制体的“棒到底棒到底”和和“棒到顶棒到顶”信号、信号、控制棒之间的失步信号以及为控制棒之间的失步信号以及为控制和保护系统提供必需的联控制和保护系统提供必需的联锁信号。锁信号。n控制棒棒位检测系统一般由控制棒棒位检测系统一般由探探测器、操作和信号变换装置以测器、操作和信号变换装置以及报警与指示器及报警与指示器三部分组成。三部分组成。反应堆控制棒棒位检测系统结构反应堆控制棒棒位检测系统结构 2022-12-15核工程检测技术14二、电感式位移检测仪表二、电感式位移检测仪表 这种仪表实质上就是一个带铁这种仪表实质上就是一个带铁芯线圈的仪表，它的工作原理芯线圈的仪表，它
8、的工作原理基于基于机械量变化引起线圈回路磁阻的变机械量变化引起线圈回路磁阻的变化，从而导致电感量变化化，从而导致电感量变化这一物理这一物理现象。现象。INL线圈电感为线圈电感为nimiRNI1磁通磁通niiiinimAlNRNLi12122022-12-15核工程检测技术15差动电感传感器原理差动电感传感器原理提高电感传感器的灵提高电感传感器的灵敏度，减少测量误差。敏度，减少测量误差。2022-12-15核工程检测技术16三、涡流型位移检测仪表三、涡流型位移检测仪表 电涡流式检测仪表是利用电涡流效应，将一些非电电涡流式检测仪表是利用电涡流效应，将一些非电量转换为阻抗的变化量转换为阻抗的变化(或
9、电感的变化或品质因数的化或电感的变化或品质因数的化)，从而进行非电量的检测从而进行非电量的检测。优点：优点：可以实现非接触检测物体表面为金属导体的多种物可以实现非接触检测物体表面为金属导体的多种物理量，具有结构简单、频率响应范围宽、灵敏度高、测理量，具有结构简单、频率响应范围宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积较小等特点。量线性范围大、抗干扰能力强、体积较小等特点。2022-12-15核工程检测技术17(一一)电涡流式检测仪表的原理电涡流式检测仪表的原理 一个通有交变电流一个通有交变电流i1 1的检测线圈由于电流的变化，的检测线圈由于电流的变化，在线圈周围产生一个交变磁场在线圈周围
10、产生一个交变磁场H1 1，如被测导体置于该，如被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流i2 2，电涡流，电涡流也将产生一个新磁场也将产生一个新磁场H2 2，H2 2与与H1 1方向相反，因而抵方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。因数发生变化。2022-12-15核工程检测技术18电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图 2022-12-15核工程检测技术19(二二)基本特性基本特性 电涡流传感器等效电路电涡流传感器等效电路 电涡流传感器化模型电涡流传感器化模型 210
11、)(fhr电涡流的贯穿深度为：电涡流的贯穿深度为：2022-12-15核工程检测技术20(三三)电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 )(1212212asrxxII（1 1）电涡流强度与距离）电涡流强度与距离x x呈非线性关系，且随着呈非线性关系，且随着x/rasx/ras的增加而迅速减小。的增加而迅速减小。（2 2）当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在）当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/rasx/ras 11 (一般取一般取0.050.050.15)0.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。电涡流强度与距离归一化曲线图电涡流
12、强度与距离归一化曲线图2022-12-15核工程检测技术21(四四)电涡流型位移检测仪表应用电涡流型位移检测仪表应用 电涡流型位移检测仪表可以测量金属零件的动态电涡流型位移检测仪表可以测量金属零件的动态位移，量程可以为位移，量程可以为0 015m(15m(分辨率为分辨率为0.05m)0.05m)，或，或0 0500mm(500mm(分辨率为分辨率为0.1%)0.1%)。凡是可变换成位移量的参。凡是可变换成位移量的参数，都可用电涡流型检测仪表来测量，如汽轮机主轴数，都可用电涡流型检测仪表来测量，如汽轮机主轴的轴向窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位、纱的轴向窜动，金属材料的热膨胀系数，钢水液位、
13、纱线张力、流体压力等。线张力、流体压力等。2022-12-15核工程检测技术22 在满足量程的要求的前提下，我们总希望仪表有在满足量程的要求的前提下，我们总希望仪表有尽可能高的灵敏度。因此我们必须从以下几个方面注尽可能高的灵敏度。因此我们必须从以下几个方面注意意提高提高仪表灵敏度仪表灵敏度:l.l.线圈在满足量程要求的前提下，尽可能小；线圈在满足量程要求的前提下，尽可能小；2.2.线圈薄时，灵敏度高；线圈薄时，灵敏度高；3.3.减少线圈电阻，提高线圈的品质因数，尽可能减少线圈电阻，提高线圈的品质因数，尽可能 选用电阻系数小的导线。选用电阻系数小的导线。2022-12-15核工程检测技术23测量
14、燃料伸长度的涡流型位移检测仪表示意图测量燃料伸长度的涡流型位移检测仪表示意图2022-12-15核工程检测技术24第二节 转速检测仪表n转速的定义转速的定义n 单位时间内，转轴的平均旋转速度，通常以每分钟单位时间内，转轴的平均旋转速度，通常以每分钟的转数的转数(转转/分分)来表示。来表示。n转速测量方法分类转速测量方法分类n1.1.机械式机械式和和电气式电气式通过适当的传感器，把旋转体在一通过适当的传感器，把旋转体在一定时间内的转动数，转换为与转轴转速相应的，在一定时间内的转动数，转换为与转轴转速相应的，在一定时间内的电脉冲数，通过测频仪测出信号频率进而定时间内的电脉冲数，通过测频仪测出信号频
15、率进而得出相应的转速。得出相应的转速。n2.2.频率计数法、模拟法、比较法。频率计数法、模拟法、比较法。2022-12-15核工程检测技术25n频率计数法测转速频率计数法测转速n将待测转速通过转速传感器转化成为与转速成正比将待测转速通过转速传感器转化成为与转速成正比的电脉冲信号，再用电子计数器测出该电脉冲信号的电脉冲信号，再用电子计数器测出该电脉冲信号的频率或周期，从而求得待测转速。的频率或周期，从而求得待测转速。n测周法测周法测量转速的实质是测量转速的实质是:使计数器累计数在一个使计数器累计数在一个待测脉冲信号周期待测脉冲信号周期Tx内的标准脉冲数内的标准脉冲数N0，从而求得从而求得待测转速
16、待测转速n。60(/min)xnrzT2022-12-15核工程检测技术26测频法测频法测量转速的实质是测量转速的实质是:测定在预定的标准时基内进入测定在预定的标准时基内进入计数器的待测信号脉冲的个数计数器的待测信号脉冲的个数 ，从而求得待测转速，从而求得待测转速n。60(/min)xNnrzt式中：式中：n为待测转速；为待测转速；t为选定的标准时基；为选定的标准时基；Z为被测轴每一转所产生的电脉冲信号数；为被测轴每一转所产生的电脉冲信号数；Nx为待测信号脉冲数。为待测信号脉冲数。2022-12-15核工程检测技术27n模拟法测量转速模拟法测量转速n 模拟法测量转速是利用被测轴旋转时引起的某种
17、物模拟法测量转速是利用被测轴旋转时引起的某种物理量的变化，例如离心力，发电机输出电压等，以转理量的变化，例如离心力，发电机输出电压等，以转速为单位，连续指示在刻度盘上的一种测速方法。速为单位，连续指示在刻度盘上的一种测速方法。n比较法测转速比较法测转速n 用已知频率的闪光去照射被测轴，利用频率比较的用已知频率的闪光去照射被测轴，利用频率比较的方法来测量转速，它的原理是基于人的视觉残留现象，方法来测量转速，它的原理是基于人的视觉残留现象，即物体在人的视野中消失之后仍能保留一定时间的视即物体在人的视野中消失之后仍能保留一定时间的视觉印象。觉印象。2022-12-15核工程检测技术28霍尔转速传感器
18、霍尔转速传感器 霍尔转速传感器的结构原理如图霍尔转速传感器的结构原理如图,它实际上是利用霍它实际上是利用霍尔开关尔开关(接近开关接近开关)测量转速。待测物上粘贴一对或多对测量转速。待测物上粘贴一对或多对小磁钢，小磁钢愈多，分辨率愈高。小磁钢，小磁钢愈多，分辨率愈高。霍霍尔开关固定在磁尔开关固定在磁钢附近，待测物以角速度旋转时，每一个小磁钢转霍尔钢附近，待测物以角速度旋转时，每一个小磁钢转霍尔开关集成电路，霍尔开关便产生一个相应脉冲，检测出开关集成电路，霍尔开关便产生一个相应脉冲，检测出单位时间的脉冲数，即可确定待测物的转速。单位时间的脉冲数，即可确定待测物的转速。2022-12-15核工程检测
19、技术29 霍尔转速传感器还有另外一种形式，即霍尔转速传感器还有另外一种形式，即霍尔数字式转霍尔数字式转速器速器，如图，将导磁材料的齿轮固定在被测的转轴上，对，如图，将导磁材料的齿轮固定在被测的转轴上，对着齿轮的齿端面固定着一块磁钢。霍尔元件则贴在磁钢的着齿轮的齿端面固定着一块磁钢。霍尔元件则贴在磁钢的一个端面上，随着齿轮转动，元件的输出也呈周期性的变一个端面上，随着齿轮转动，元件的输出也呈周期性的变化，传感器输出频率与转速成正比，此信号经放大和数字化，传感器输出频率与转速成正比，此信号经放大和数字显示即成数字式转速器。显示即成数字式转速器。2022-12-15核工程检测技术30离心式转速器离心
20、式转速器原理原理：测量质量：测量质量m旋转时所产生的离心力旋转时所产生的离心力22)30(nmrmrF重块式重块式圆环式圆环式2022-12-15核工程检测技术31磁性转速器磁性转速器磁性转速器结构原理磁性转速器结构原理n永久磁铁跟随待测轴永久磁铁跟随待测轴同步旋转，铝制园盘同步旋转，铝制园盘靠近永久磁铁，二者靠近永久磁铁，二者产生相对运动，从而产生相对运动，从而在铝制园盘中形成涡在铝制园盘中形成涡流。该涡流产生的磁流。该涡流产生的磁场跟永久磁铁产生的场跟永久磁铁产生的磁场相互作用，使铝磁场相互作用，使铝制园盘产生一定的转制园盘产生一定的转矩矩M，该转矩跟待测该转矩跟待测物的转速物的转速n成正
21、比成正比 。n=KM，K是与结构有关的系数是与结构有关的系数 优点优点是结构简单、维护和使用是结构简单、维护和使用方便等方便等缺点缺点是精度不高，检是精度不高，检测范围测范围(1(120000)r20000)rminmin，精，精度度1.51.52020。2022-12-15核工程检测技术32电容式转速器电容式转速器n当电容极板与齿轮相对时电容当电容极板与齿轮相对时电容量最大，而电容极板与齿隙相量最大，而电容极板与齿隙相对时电容量最小。当齿轮旋转对时电容量最小。当齿轮旋转时，电容量发生周期性变化，时，电容量发生周期性变化，通过电路即可得到脉冲信号，通过电路即可得到脉冲信号，频率计显示的频率代表
22、转速大频率计显示的频率代表转速大小小 。若若齿数为齿数为z，计数器得到的频率为，计数器得到的频率为f，则转数为，则转数为n=60f/z电容式转速器结构原理电容式转速器结构原理2022-12-15核工程检测技术33电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 电涡流式转速传感器的电涡流式转速传感器的工作工作原理原理如图所示，在轴上开一键如图所示，在轴上开一键槽，靠近轴表面安装电涡流传槽，靠近轴表面安装电涡流传感器，轴转动时便能检测出传感器，轴转动时便能检测出传感器与轴表面的间隙变化，从感器与轴表面的间隙变化，从而得到跟转速成正比的脉冲频而得到跟转速成正比的脉冲频率信导。率信导。电涡流式转速传感器电涡流式
23、转速传感器的工作原理的工作原理 这种传感器对油污等介质不敏感，能进行非接触检测，可安装在轴这种传感器对油污等介质不敏感，能进行非接触检测，可安装在轴近旁长期监视转速。检测范围可达近旁长期监视转速。检测范围可达6000000r6000000rminmin。2022-12-15核工程检测技术34电涡流式转速传感器的电路方框图电涡流式转速传感器的电路方框图n在轴上开一键槽，宽度为在轴上开一键槽，宽度为d，间隙变化间隙变化d引起传感器引起传感器线圈的电感改变线圈的电感改变L，振荡器的电压幅值和振荡频率同振荡器的电压幅值和振荡频率同时改变。峰值包络检波器检测出电压幅值的改变量时改变。峰值包络检波器检测出
24、电压幅值的改变量V，然后通过跟随器和整形电路输出脉冲信号然后通过跟随器和整形电路输出脉冲信号fn，fn接到频接到频率计即可指示出频率值，接至转速表即可指示转速。率计即可指示出频率值，接至转速表即可指示转速。2022-12-15核工程检测技术35第三节振动测量传感器振动传感器的分类振动传感器的分类n无源式无源式(又称参量式又称参量式)n 测振传感器将振动而引起的电学参量测振传感器将振动而引起的电学参量(如电阻、电如电阻、电容、电感等容、电感等)的变化转换成电信号。由于它本身不能的变化转换成电信号。由于它本身不能直接产生信号，因此它必须接入具有辅助电源的基直接产生信号，因此它必须接入具有辅助电源的
25、基本测量电路中。常见形式：电感式、电容式、电涡本测量电路中。常见形式：电感式、电容式、电涡流式、变压器式及变阻式等。流式、变压器式及变阻式等。n有源式有源式(又称发电式又称发电式)n 测振传感器将被振动的参量直接变成电信号。常测振传感器将被振动的参量直接变成电信号。常见形式：感应式见形式：感应式(又称电动式或电磁式又称电动式或电磁式)，压电式、，压电式、热电式、光电式等。热电式、光电式等。2022-12-15核工程检测技术36CD-lCD-l型振动速度传感器型振动速度传感器1-1-圆形弹簧；圆形弹簧；2-2-圆环形阻尼器；圆环形阻尼器；3-3-永久磁铁；永久磁铁；4-4-铝架；铝架；5-5-心
26、轴；心轴；6-6-工作线圈；工作线圈；7-7-壳体；壳体；9-9-引线引线磁电感应式振动磁电感应式振动速度传感器速度传感器881010avdxEBlWBl WV()dt伏2022-12-15核工程检测技术37压电式测振传感器压电式测振传感器n压电效应压电效应：某些晶体物质，当沿一定方向对其施加拉力、：某些晶体物质，当沿一定方向对其施加拉力、压力或剪力而使之产生变形时，在它们的表面会产生电荷，压力或剪力而使之产生变形时，在它们的表面会产生电荷，当外力除去，变形消失后，它们又重新回到不带电荷的状当外力除去，变形消失后，它们又重新回到不带电荷的状态，这种现象叫压电效应。态，这种现象叫压电效应。n顺压
27、电效应顺压电效应：当压电晶体受力而产生变形时，在其表面上：当压电晶体受力而产生变形时，在其表面上会出现电荷，这种压电效应叫顺压电效应。会出现电荷，这种压电效应叫顺压电效应。n逆压电效应逆压电效应：当在压电晶体上施加电场时，则晶体会产生：当在压电晶体上施加电场时，则晶体会产生变形，当时加的电场是交变电场时，则晶体便产生振动，变形，当时加的电场是交变电场时，则晶体便产生振动，这种效应叫逆压电效应。这种效应叫逆压电效应。n 因此，利用顺压电效应可制成测振传感器，利用逆压电因此，利用顺压电效应可制成测振传感器，利用逆压电效应可制成激振器。效应可制成激振器。2022-12-15核工程检测技术38n原理原
28、理：利用压电晶体：利用压电晶体的顺压电效应将振动的顺压电效应将振动参量转变为电信号；参量转变为电信号；通常用来测量振动物通常用来测量振动物体的加速度。体的加速度。n组成组成：惯性质量块，：惯性质量块，压电晶体，底座和外压电晶体，底座和外壳等。壳等。n加速度传感器。加速度传感器。结构原理结构原理力学模型力学模型2022-12-15核工程检测技术39电涡流式振动位移传感器电涡流式振动位移传感器 电涡流式传感器是利用电涡流感应原理而传电涡流式传感器是利用电涡流感应原理而传感信号的。众所周知，当金属物体置于交变磁场感信号的。众所周知，当金属物体置于交变磁场中时，在金属体内会产生感应电流，此电流在金中时
29、，在金属体内会产生感应电流，此电流在金属体内自成回路，故称为属体内自成回路，故称为涡电流涡电流(涡流涡流)。涡电流。涡电流一旦形成后，它亦会产生磁场，此磁场将阻止原一旦形成后，它亦会产生磁场，此磁场将阻止原来产生涡流的磁场的变化。来产生涡流的磁场的变化。2022-12-15核工程检测技术40涡流传感器原理图涡流传感器原理图 电感线圈电感线圈L与电容器与电容器C并联，并联，构成构成LC谐振回路。谐振回路。当两磁场叠加后，使电感当两磁场叠加后，使电感值值L发生变化，因此发生变化，因此LC谐振回谐振回路失谐，其阻抗发生变化，从路失谐，其阻抗发生变化，从而使输出电压而使输出电压E0发生变化。发生变化。当被测对象确定后，当被测对象确定后，E0的的变化就仅与传感器和被测物体变化就仅与传感器和被测物体之间的距离之间的距离的变化有关，因此，的变化有关，因此，E0的变化可表示为的变化可表示为的单值函数的单值函数E0f()。2022-12-15核工程检测技术41本章内容结束！本章内容结束！
