機械量檢測儀表

1、核工程檢測技術2021-12-21核工程檢測技術2第七章 機械量檢測儀表2021-12-21核工程檢測技術3機械量機械量通常包括各種幾何量和力學量，如長度、位通常包括各種幾何量和力學量，如長度、位 移、厚度、轉矩、轉速、移、厚度、轉矩、轉速、 振動和力等。振動和力等。機械量機械量是表征機械運動的基本物理量，它不僅是機械是表征機械運動的基本物理量，它不僅是機械 制造工業(yè)的重要參數(shù)，而且還是很多非電量傳制造工業(yè)的重要參數(shù)，而且還是很多非電量傳 感器的中間參數(shù)。感器的中間參數(shù)。 2021-12-21核工程檢測技術4第一節(jié) 位移檢測儀表選擇適當?shù)倪x擇適當?shù)臏y量點測量點、測量方向測量方向和和測量系統(tǒng)。測

2、量系統(tǒng)。 用于位移測量的用于位移測量的傳感器傳感器很多，因測量范圍不同，所很多，因測量范圍不同，所用的傳感器是不同的。用的傳感器是不同的。 小位移小位移通常用應變式、電感式、差動變壓器式、電通常用應變式、電感式、差動變壓器式、電容式、霍爾式等傳感器來檢測，精度可達容式、霍爾式等傳感器來檢測，精度可達0.5%0.5%1.0%1.0%，其中其中電感式電感式和和差動變壓器式差動變壓器式傳感器測量范圍要大一些，傳感器測量范圍要大一些，有些可達有些可達100mm100mm。小位移傳感器測微小位移，從幾微米。小位移傳感器測微小位移，從幾微米到幾個毫米，如物體振動的振幅測量等。到幾個毫米，如物體振動的振幅測

3、量等。2021-12-21核工程檢測技術5 大的位移大的位移常用感應同步器、光柵、磁柵、編常用感應同步器、光柵、磁柵、編碼器等傳感器來測量，其特點是易實現(xiàn)數(shù)字化，碼器等傳感器來測量，其特點是易實現(xiàn)數(shù)字化，精度高，抗干擾能力強，沒有人為讀數(shù)誤差，安精度高，抗干擾能力強，沒有人為讀數(shù)誤差，安裝方便，使用可靠等，這些傳感器既可以裝方便，使用可靠等，這些傳感器既可以測線位測線位移移，也可以，也可以測角位移測角位移，還可用來，還可用來測長度測長度，它們在，它們在自動檢測和自動控制中得到日益廣泛的應用。自動檢測和自動控制中得到日益廣泛的應用。2021-12-21核工程檢測技術6一、差動變壓器式位移檢測儀表

4、一、差動變壓器式位移檢測儀表n(一)差動變壓器式位移檢測儀差動變壓器式位移檢測儀表的工作原理表的工作原理 n差動變壓器式位移檢測儀表是差動變壓器式位移檢測儀表是引用差動變壓器轉換元件將位引用差動變壓器轉換元件將位移的變化轉化為原、副兩邊繞移的變化轉化為原、副兩邊繞組互感系數(shù)的變化，從而使位組互感系數(shù)的變化，從而使位移量轉換為與其成相應關系的移量轉換為與其成相應關系的電信號輸出。電信號輸出。 2021-12-21核工程檢測技術7)(12MMdtdiudtdiMe.差動變壓器及其輸出特性差動變壓器及其輸出特性 2021-12-21核工程檢測技術8)(21.MMLjreju.erj L為定值為定值差

5、動變壓器輸出特性差動變壓器輸出特性 2021-12-21核工程檢測技術9( (二二) )差動變壓器式位移檢測儀表在反應堆和核電站中的應用差動變壓器式位移檢測儀表在反應堆和核電站中的應用 差動變壓器位移檢測儀表在反應堆和核電站中的差動變壓器位移檢測儀表在反應堆和核電站中的應用主要包括下列幾個方面應用主要包括下列幾個方面: :1.1.燃料在包殼內部的軸向膨脹或收縮的檢測；燃料在包殼內部的軸向膨脹或收縮的檢測；2.2.由于溫度或壓力變化而可能導致燃料包殼的由于溫度或壓力變化而可能導致燃料包殼的 軸向增長的檢測；軸向增長的檢測；3.3.燃料元件彎曲度的檢測；燃料元件彎曲度的檢測；2021-12-21核

6、工程檢測技術104 4控制棒或燃料元件振動的檢測；控制棒或燃料元件振動的檢測；5 5控制棒棒位的檢測；控制棒棒位的檢測；6 6閥門位置指示；閥門位置指示；7 7各種構件相對位置的檢測。各種構件相對位置的檢測。 2021-12-21核工程檢測技術11測量燃料和包殼伸長度的差動變壓器測量燃料和包殼伸長度的差動變壓器2021-12-21核工程檢測技術12用于差動變壓器的插入式耦合變壓器示意圖用于差動變壓器的插入式耦合變壓器示意圖2021-12-21核工程檢測技術13n( (三三) )控制棒棒位的檢測控制棒棒位的檢測 n控制棒棒位檢測系統(tǒng)是用來檢控制棒棒位檢測系統(tǒng)是用來檢測測停堆棒、調節(jié)棒和短棒停堆棒

7、、調節(jié)棒和短棒在堆在堆芯中的位置，給出控制體的芯中的位置，給出控制體的“棒到底棒到底”和和“棒到頂棒到頂”信號、信號、控制棒之間的失步信號以及為控制棒之間的失步信號以及為控制和保護系統(tǒng)提供必需的聯(lián)控制和保護系統(tǒng)提供必需的聯(lián)鎖信號。鎖信號。n控制棒棒位檢測系統(tǒng)一般由控制棒棒位檢測系統(tǒng)一般由探探測器、操作和信號變換裝置以測器、操作和信號變換裝置以及報警與指示器及報警與指示器三部分組成。三部分組成。 反應堆控制棒棒位檢測系統(tǒng)結構反應堆控制棒棒位檢測系統(tǒng)結構 2021-12-21核工程檢測技術14二、電感式位移檢測儀表二、電感式位移檢測儀表 這種儀表實質上就是一個帶鐵這種儀表實質上就是一個帶鐵芯線圈的

8、儀表，它的工作原理芯線圈的儀表，它的工作原理基于基于機械量變化引起線圈回路磁阻的變機械量變化引起線圈回路磁阻的變化，從而導致電感量變化化，從而導致電感量變化這一物理這一物理現(xiàn)象?，F(xiàn)象。INL線圈電感為線圈電感為nimiRNI1磁通磁通niiiinimAlNRNLi12122021-12-21核工程檢測技術15差動電感傳感器原理差動電感傳感器原理提高電感傳感器的靈提高電感傳感器的靈敏度，減少測量誤差。敏度，減少測量誤差。 2021-12-21核工程檢測技術16三、渦流型位移檢測儀表三、渦流型位移檢測儀表 電渦流式檢測儀表是利用電渦流效應，將一些非電電渦流式檢測儀表是利用電渦流效應，將一些非電量轉

9、換為阻抗的變化量轉換為阻抗的變化( (或電感的變化或品質因數(shù)的化或電感的變化或品質因數(shù)的化) )，從而進行非電量的檢測從而進行非電量的檢測。優(yōu)點：優(yōu)點： 可以實現(xiàn)非接觸檢測物體表面為金屬導體的多種物可以實現(xiàn)非接觸檢測物體表面為金屬導體的多種物理量，具有結構簡單、頻率響應范圍寬、靈敏度高、測理量，具有結構簡單、頻率響應范圍寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強、體積較小等特點。量線性范圍大、抗干擾能力強、體積較小等特點。2021-12-21核工程檢測技術17( (一一) )電渦流式檢測儀表的原理電渦流式檢測儀表的原理 一個通有交變電流一個通有交變電流i1 1的檢測線圈由于電流的變化，的檢測線

10、圈由于電流的變化，在線圈周圍產生一個交變磁場在線圈周圍產生一個交變磁場H1 1，如被測導體置于該，如被測導體置于該磁場范圍之內，被測導體內便產生電渦流磁場范圍之內，被測導體內便產生電渦流i2 2，電渦流，電渦流也將產生一個新磁場也將產生一個新磁場H2 2，H2 2與與H1 1方向相反，因而抵方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因數(shù)發(fā)生變化。因數(shù)發(fā)生變化。2021-12-21核工程檢測技術18電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖 2021-12-21核工程檢測技術19( (二二) )基本特性基本特性 電渦流傳感器等效電路電渦

11、流傳感器等效電路 電渦流傳感器化模型電渦流傳感器化模型 210)(fhr電渦流的貫穿深度為：電渦流的貫穿深度為：2021-12-21核工程檢測技術20( (三三) ) 電渦流強度與距離的關系電渦流強度與距離的關系 )(1212212asrxxII（1 1）電渦流強度與距離）電渦流強度與距離x x呈非線性關系，且隨著呈非線性關系，且隨著x/rasx/ras的增加而迅速減小。的增加而迅速減小。（2 2）當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在）當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/rasx/ras 11 ( (一般取一般取0.050.050.15)0.15)的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度

12、。的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度。 電渦流強度與距離歸一化曲線圖電渦流強度與距離歸一化曲線圖2021-12-21核工程檢測技術21( (四四) )電渦流型位移檢測儀表應用電渦流型位移檢測儀表應用 電渦流型位移檢測儀表可以測量金屬零件的動態(tài)電渦流型位移檢測儀表可以測量金屬零件的動態(tài)位移，量程可以為位移，量程可以為0 015m(15m(分辨率為分辨率為0.05m)0.05m)，或，或0 0500mm(500mm(分辨率為分辨率為0.1%)0.1%)。凡是可變換成位移量的參。凡是可變換成位移量的參數(shù)，都可用電渦流型檢測儀表來測量，如汽輪機主軸數(shù)，都可用電渦流型檢測儀表來測量，如汽輪機主軸的軸

13、向竄動，金屬材料的熱膨脹系數(shù)，鋼水液位、紗的軸向竄動，金屬材料的熱膨脹系數(shù)，鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。線張力、流體壓力等。2021-12-21核工程檢測技術22 在滿足量程的要求的前提下，我們總希望儀表有在滿足量程的要求的前提下，我們總希望儀表有盡可能高的靈敏度。因此我們必須從以下幾個方面注盡可能高的靈敏度。因此我們必須從以下幾個方面注意意提高提高儀表靈敏度儀表靈敏度: : l. l.線圈在滿足量程要求的前提下，盡可能?。痪€圈在滿足量程要求的前提下，盡可能??； 2.2.線圈薄時，靈敏度高；線圈薄時，靈敏度高； 3.3.減少線圈電阻，提高線圈的品質因數(shù)，盡可能減少線圈電阻，提高線圈的品質因

14、數(shù)，盡可能 選用電阻系數(shù)小的導線。選用電阻系數(shù)小的導線。 2021-12-21核工程檢測技術23測量燃料伸長度的渦流型位移檢測儀表示意圖測量燃料伸長度的渦流型位移檢測儀表示意圖2021-12-21核工程檢測技術24第二節(jié) 轉速檢測儀表n轉速的定義轉速的定義n 單位時間內，轉軸的平均旋轉速度，通常以每分鐘單位時間內，轉軸的平均旋轉速度，通常以每分鐘的轉數(shù)的轉數(shù)( (轉轉/ /分分) )來表示。來表示。n轉速測量方法分類轉速測量方法分類n1.1.機械式機械式和和電氣式電氣式通過適當?shù)膫鞲衅?，把旋轉體在一通過適當?shù)膫鞲衅鳎研D體在一定時間內的轉動數(shù)，轉換為與轉軸轉速相應的，在一定時間內的轉動數(shù)，轉

15、換為與轉軸轉速相應的，在一定時間內的電脈沖數(shù)，通過測頻儀測出信號頻率進而定時間內的電脈沖數(shù)，通過測頻儀測出信號頻率進而得出相應的轉速。得出相應的轉速。 n2.2.頻率計數(shù)法、模擬法、比較法。頻率計數(shù)法、模擬法、比較法。 2021-12-21核工程檢測技術25n頻率計數(shù)法測轉速頻率計數(shù)法測轉速n將待測轉速通過轉速傳感器轉化成為與轉速成正比將待測轉速通過轉速傳感器轉化成為與轉速成正比的電脈沖信號，再用電子計數(shù)器測出該電脈沖信號的電脈沖信號，再用電子計數(shù)器測出該電脈沖信號的頻率或周期，從而求得待測轉速。的頻率或周期，從而求得待測轉速。n測周法測周法測量轉速的實質是測量轉速的實質是: :使計數(shù)器累計數(shù)

16、在一個使計數(shù)器累計數(shù)在一個待測脈沖信號周期待測脈沖信號周期Tx內的標準脈沖數(shù)內的標準脈沖數(shù)N0，從而求得從而求得待測轉速待測轉速n。 60( /min)xnrzT2021-12-21核工程檢測技術26測頻法測頻法測量轉速的實質是測量轉速的實質是: :測定在預定的標準時基內進入測定在預定的標準時基內進入計數(shù)器的待測信號脈沖的個數(shù)計數(shù)器的待測信號脈沖的個數(shù) ，從而求得待測轉速，從而求得待測轉速n。60( /min)xNnrzt式中：式中：n為待測轉速；為待測轉速；t為選定的標準時基；為選定的標準時基； Z為被測軸每一轉所產生的電脈沖信號數(shù)；為被測軸每一轉所產生的電脈沖信號數(shù)； Nx為待測信號脈沖數(shù)

17、。為待測信號脈沖數(shù)。2021-12-21核工程檢測技術27n模擬法測量轉速模擬法測量轉速n 模擬法測量轉速是利用被測軸旋轉時引起的某種物模擬法測量轉速是利用被測軸旋轉時引起的某種物理量的變化，例如離心力，發(fā)電機輸出電壓等，以轉理量的變化，例如離心力，發(fā)電機輸出電壓等，以轉速為單位，連續(xù)指示在刻度盤上的一種測速方法。速為單位，連續(xù)指示在刻度盤上的一種測速方法。n比較法測轉速比較法測轉速n 用已知頻率的閃光去照射被測軸，利用頻率比較的用已知頻率的閃光去照射被測軸，利用頻率比較的方法來測量轉速，它的原理是基于人的視覺殘留現(xiàn)象，方法來測量轉速，它的原理是基于人的視覺殘留現(xiàn)象，即物體在人的視野中消失之后

18、仍能保留一定時間的視即物體在人的視野中消失之后仍能保留一定時間的視覺印象。覺印象。2021-12-21核工程檢測技術28霍爾轉速傳感器霍爾轉速傳感器 霍爾轉速傳感器的結構原理如圖霍爾轉速傳感器的結構原理如圖, ,它實際上是利用霍它實際上是利用霍爾開關爾開關( (接近開關接近開關) )測量轉速。待測物上粘貼一對或多對測量轉速。待測物上粘貼一對或多對小磁鋼，小磁鋼愈多，分辨率愈高。小磁鋼，小磁鋼愈多，分辨率愈高?；艋魻栭_關固定在磁爾開關固定在磁鋼附近，待測物以角速度旋轉時，每一個小磁鋼轉霍爾鋼附近，待測物以角速度旋轉時，每一個小磁鋼轉霍爾開關集成電路，霍爾開關便產生一個相應脈沖，檢測出開關集成電路

19、，霍爾開關便產生一個相應脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定待測物的轉速。單位時間的脈沖數(shù)，即可確定待測物的轉速。2021-12-21核工程檢測技術29 霍爾轉速傳感器還有另外一種形式，即霍爾轉速傳感器還有另外一種形式，即霍爾數(shù)字式轉霍爾數(shù)字式轉速器速器，如圖，將導磁材料的齒輪固定在被測的轉軸上，對，如圖，將導磁材料的齒輪固定在被測的轉軸上，對著齒輪的齒端面固定著一塊磁鋼?；魻栐t貼在磁鋼的著齒輪的齒端面固定著一塊磁鋼?；魻栐t貼在磁鋼的一個端面上，隨著齒輪轉動，元件的輸出也呈周期性的變一個端面上，隨著齒輪轉動，元件的輸出也呈周期性的變化，傳感器輸出頻率與轉速成正比，此信號經(jīng)放大和數(shù)字化

20、，傳感器輸出頻率與轉速成正比，此信號經(jīng)放大和數(shù)字顯示即成數(shù)字式轉速器。顯示即成數(shù)字式轉速器。2021-12-21核工程檢測技術30離心式轉速器離心式轉速器原理原理：測量質量：測量質量m旋轉時所產生的離心力旋轉時所產生的離心力22)30(nmrmrF重塊式重塊式圓環(huán)式圓環(huán)式2021-12-21核工程檢測技術31磁性轉速器磁性轉速器磁性轉速器結構原理磁性轉速器結構原理n永久磁鐵跟隨待測軸永久磁鐵跟隨待測軸同步旋轉，鋁制園盤同步旋轉，鋁制園盤靠近永久磁鐵，二者靠近永久磁鐵，二者產生相對運動，從而產生相對運動，從而在鋁制園盤中形成渦在鋁制園盤中形成渦流。該渦流產生的磁流。該渦流產生的磁場跟永久磁鐵產生

21、的場跟永久磁鐵產生的磁場相互作用，使鋁磁場相互作用，使鋁制園盤產生一定的轉制園盤產生一定的轉矩矩M，該轉矩跟待測該轉矩跟待測物的轉速物的轉速n成正比成正比 。n=KM ， K是與結構有關的系數(shù)是與結構有關的系數(shù) 優(yōu)點優(yōu)點是結構簡單、維護和使用是結構簡單、維護和使用方便等方便等缺點缺點是精度不高，檢是精度不高，檢測范圍測范圍(1(120000)r20000)rminmin，精，精度度1.51.52020。2021-12-21核工程檢測技術32電容式轉速器電容式轉速器n當電容極板與齒輪相對時電容當電容極板與齒輪相對時電容量最大，而電容極板與齒隙相量最大，而電容極板與齒隙相對時電容量最小。當齒輪旋轉

22、對時電容量最小。當齒輪旋轉時，電容量發(fā)生周期性變化，時，電容量發(fā)生周期性變化，通過電路即可得到脈沖信號，通過電路即可得到脈沖信號，頻率計顯示的頻率代表轉速大頻率計顯示的頻率代表轉速大小小 。若若齒數(shù)為齒數(shù)為z，計數(shù)器得到的頻率為，計數(shù)器得到的頻率為f，則轉數(shù)為，則轉數(shù)為n=60f/z電容式轉速器結構原理電容式轉速器結構原理2021-12-21核工程檢測技術33電渦流式轉速傳感器電渦流式轉速傳感器 電渦流式轉速傳感器的電渦流式轉速傳感器的工作工作原理原理如圖所示，在軸上開一鍵如圖所示，在軸上開一鍵槽，靠近軸表面安裝電渦流傳槽，靠近軸表面安裝電渦流傳感器，軸轉動時便能檢測出傳感器，軸轉動時便能檢測

23、出傳感器與軸表面的間隙變化，從感器與軸表面的間隙變化，從而得到跟轉速成正比的脈沖頻而得到跟轉速成正比的脈沖頻率信導。率信導。電渦流式轉速傳感器電渦流式轉速傳感器的工作原理的工作原理 這種傳感器對油污等介質不敏感，能進行非接觸檢測，可安裝在軸這種傳感器對油污等介質不敏感，能進行非接觸檢測，可安裝在軸近旁長期監(jiān)視轉速。檢測范圍可達近旁長期監(jiān)視轉速。檢測范圍可達6000000r6000000rminmin。2021-12-21核工程檢測技術34電渦流式轉速傳感器的電路方框圖電渦流式轉速傳感器的電路方框圖n在軸上開一鍵槽，寬度為在軸上開一鍵槽，寬度為d，間隙變化間隙變化d引起傳感器引起傳感器線圈的電感

24、改變線圈的電感改變L，振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率同振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率同時改變。峰值包絡檢波器檢測出電壓幅值的改變量時改變。峰值包絡檢波器檢測出電壓幅值的改變量V，然后通過跟隨器和整形電路輸出脈沖信號然后通過跟隨器和整形電路輸出脈沖信號fn，fn接到頻接到頻率計即可指示出頻率值，接至轉速表即可指示轉速。率計即可指示出頻率值，接至轉速表即可指示轉速。 2021-12-21核工程檢測技術35第三節(jié)振動測量傳感器振動傳感器的分類振動傳感器的分類n無源式無源式( (又稱參量式又稱參量式) )n 測振傳感器將振動而引起的電學參量測振傳感器將振動而引起的電學參量( (如電阻、電如電阻、電容、電感等容

25、、電感等) )的變化轉換成電信號。由于它本身不能的變化轉換成電信號。由于它本身不能直接產生信號，因此它必須接入具有輔助電源的基直接產生信號，因此它必須接入具有輔助電源的基本測量電路中。常見形式：電感式、電容式、電渦本測量電路中。常見形式：電感式、電容式、電渦流式、變壓器式及變阻式等。流式、變壓器式及變阻式等。 n有源式有源式( (又稱發(fā)電式又稱發(fā)電式) ) n 測振傳感器將被振動的參量直接變成電信號。常測振傳感器將被振動的參量直接變成電信號。常見形式：感應式見形式：感應式( (又稱電動式或電磁式又稱電動式或電磁式) )，壓電式、，壓電式、熱電式、光電式等。熱電式、光電式等。 2021-12-2

26、1核工程檢測技術36CD-lCD-l型振動速度傳感器型振動速度傳感器1-1-圓形彈簧；圓形彈簧；2-2-圓環(huán)形阻尼器；圓環(huán)形阻尼器；3-3-永久磁鐵；永久磁鐵；4-4-鋁架；鋁架；5-5-心軸；心軸；6-6-工作線圈；工作線圈；7-7-殼體；殼體；9-9-引線引線磁電感應式振動磁電感應式振動速度傳感器速度傳感器881010avdxEBlWBl WV()dt伏2021-12-21核工程檢測技術37壓電式測振傳感器壓電式測振傳感器n壓電效應壓電效應：某些晶體物質，當沿一定方向對其施加拉力、：某些晶體物質，當沿一定方向對其施加拉力、壓力或剪力而使之產生變形時，在它們的表面會產生電荷，壓力或剪力而使之產生變形時，在它們的表面會產生電荷，當外力除去，變形消失后，它們又重新回到不帶電荷的狀當外力除去，變形消失后，它們又重新回到不帶電荷的狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫壓電效應。態(tài)，這種現(xiàn)象叫壓電效應。n順壓電效應順壓電效應：當壓電晶體受力而產生變形時，在其表面上：當壓電晶體受力而產生變形時，在其表面上會出現(xiàn)電荷，這種壓電效應叫順壓電效應。會出現(xiàn)電荷，這種壓電效應叫順壓電效應。n逆壓電效應逆壓電效應：當在壓電晶體上施加電場時，則晶體會產生：當在壓電晶體上施加電場時，則晶體會產生變形，當時加的電場是交變電場時，則