機械量檢測儀表課件

核工程檢測技術2023/12/51核工程檢測技術第七章機械量檢測儀表2023/12/52核工程檢測技術機械量通常包括各種幾何量和力學量，如長度、位移、厚度、轉矩、轉速、振動和力等。機械量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感器的中間參數(shù)。

2023/12/53核工程檢測技術第一節(jié)位移檢測儀表選擇適當?shù)臏y量點、測量方向和測量系統(tǒng)。用于位移測量的傳感器很多，因測量范圍不同，所用的傳感器是不同的。

小位移通常用應變式、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0.5%～1.0%，其中電感式和差動變壓器式傳感器測量范圍要大一些，有些可達100mm。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。2023/12/54核工程檢測技術大的位移常用感應同步器、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，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，這些傳感器既可以測線位移，也可以測角位移，還可用來測長度，它們在自動檢測和自動控制中得到日益廣泛的應用。2023/12/55核工程檢測技術一、差動變壓器式位移檢測儀表(一)差動變壓器式位移檢測儀表的工作原理

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，從而使位移量轉換為與其成相應關系的電信號輸出。

2023/12/56核工程檢測技術差動變壓器及其輸出特性

2023/12/57核工程檢測技術為定值差動變壓器輸出特性

2023/12/58核工程檢測技術(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:1.燃料在包殼內部的軸向膨脹或收縮的檢測；2.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；3.燃料元件彎曲度的檢測；2023/12/59核工程檢測技術4．控制棒或燃料元件振動的檢測；5．控制棒棒位的檢測；6．閥門位置指示；7．各種構件相對位置的檢測。

2023/12/510核工程檢測技術測量燃料和包殼伸長度的差動變壓器2023/12/511核工程檢測技術用于差動變壓器的插入式耦合變壓器示意圖2023/12/512核工程檢測技術(三)控制棒棒位的檢測

控制棒棒位檢測系統(tǒng)是用來檢測停堆棒、調節(jié)棒和短棒在堆芯中的位置，給出控制體的“棒到底”和“棒到頂”信號、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)鎖信號。控制棒棒位檢測系統(tǒng)一般由探測器、操作和信號變換裝置以及報警與指示器三部分組成。

反應堆控制棒棒位檢測系統(tǒng)結構2023/12/513核工程檢測技術二、電感式位移檢測儀表這種儀表實質上就是一個帶鐵芯線圈的儀表，它的工作原理基于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這一物理現(xiàn)象。線圈電感為磁通2023/12/514核工程檢測技術差動電感傳感器原理提高電感傳感器的靈敏度，減少測量誤差。

2023/12/515核工程檢測技術三、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，將一些非電量轉換為阻抗的變化(或電感的變化或品質因數(shù)的化)，從而進行非電量的檢測。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。2023/12/516核工程檢測技術(一)電渦流式檢測儀表的原理

一個通有交變電流i1的檢測線圈由于電流的變化，在線圈周圍產(chǎn)生一個交變磁場H1，如被測導體置于該磁場范圍之內，被測導體內便產(chǎn)生電渦流i2，電渦流也將產(chǎn)生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因數(shù)發(fā)生變化。2023/12/517核工程檢測技術電渦流傳感器原理圖2023/12/518核工程檢測技術(二)基本特性

電渦流傳感器等效電路電渦流傳感器化模型電渦流的貫穿深度為：2023/12/519核工程檢測技術(三)電渦流強度與距離的關系（1）電渦流強度與距離x呈非線性關系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。（2）當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)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2023/12/520核工程檢測技術(四)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)位移，量程可以為0～15μm(分辨率為0.05μm)，或0～500mm(分辨率為0.1%)。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。2023/12/521核工程檢測技術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意提高儀表靈敏度:l.線圈在滿足量程要求的前提下，盡可能?。?/p>

2.線圈薄時，靈敏度高；

3.減少線圈電阻，提高線圈的品質因數(shù)，盡可能選用電阻系數(shù)小的導線。

2023/12/522核工程檢測技術測量燃料伸長度的渦流型位移檢測儀表示意圖2023/12/523核工程檢測技術第二節(jié)轉速檢測儀表轉速的定義單位時間內，轉軸的平均旋轉速度，通常以每分鐘的轉數(shù)(轉/分)來表示。轉速測量方法分類1.機械式和電氣式通過適當?shù)膫鞲衅?，把旋轉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。

2.頻率計數(shù)法、模擬法、比較法。

2023/12/524核工程檢測技術頻率計數(shù)法測轉速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頻率或周期，從而求得待測轉速。測周法測量轉速的實質是:使計數(shù)器累計數(shù)在一個待測脈沖信號周期Tx內的標準脈沖數(shù)N0，從而求得待測轉速n。2023/12/525核工程檢測技術測頻法測量轉速的實質是: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)，從而求得待測轉速n。式中：n為待測轉速；t為選定的標準時基；Z為被測軸每一轉所產(chǎn)生的電脈沖信號數(shù)；Nx為待測信號脈沖數(shù)。2023/12/526核工程檢測技術模擬法測量轉速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，以轉速為單位，連續(xù)指示在刻度盤上的一種測速方法。比較法測轉速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，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。2023/12/527核工程檢測技術霍爾轉速傳感器霍爾轉速傳感器的結構原理如圖,它實際上是利用霍爾開關(接近開關)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。霍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開關集成電路，霍爾開關便產(chǎn)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。2023/12/528核工程檢測技術

霍爾轉速傳感器還有另外一種形式，即霍爾數(shù)字式轉速器，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。霍爾元件則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)字顯示即成數(shù)字式轉速器。2023/12/529核工程檢測技術離心式轉速器原理：測量質量m旋轉時所產(chǎn)生的離心力重塊式圓環(huán)式2023/12/530核工程檢測技術磁性轉速器磁性轉速器結構原理永久磁鐵跟隨待測軸同步旋轉，鋁制園盤靠近永久磁鐵，二者產(chǎn)生相對運動，從而在鋁制園盤中形成渦流。該渦流產(chǎn)生的磁場跟永久磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，使鋁制園盤產(chǎn)生一定的轉矩M，該轉矩跟待測物的轉速n成正比。n=KM

，K是與結構有關的系數(shù)

優(yōu)點是結構簡單、維護和使用方便等．缺點是精度不高，檢測范圍(1～20000)r／min，精度1.5％～20％。2023/12/531核工程檢測技術電容式轉速器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對時電容量最小。當齒輪旋轉時，電容量發(fā)生周期性變化，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小。若齒數(shù)為z，計數(shù)器得到的頻率為f，則轉數(shù)為n=60f/z電容式轉速器結構原理2023/12/532核工程檢測技術電渦流式轉速傳感器電渦流式轉速傳感器的工作原理如圖所示，在軸上開一鍵槽，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與軸表面的間隙變化，從而得到跟轉速成正比的脈沖頻率信導。電渦流式轉速傳感器的工作原理

這種傳感器對油污等介質不敏感，能進行非接觸檢測，可安裝在軸近旁長期監(jiān)視轉速。檢測范圍可達6000000r／min。2023/12/533核工程檢測技術電渦流式轉速傳感器的電路方框圖在軸上開一鍵槽，寬度為Δd，間隙變化Δd引起傳感器線圈的電感改變ΔL，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ΔV，然后通過跟隨器和整形電路輸出脈沖信號fn，fn接到頻率計即可指示出頻率值，接至轉速表即可指示轉速。

2023/12/534核工程檢測技術第三節(jié)振動測量傳感器振動傳感器的分類無源式(又稱參量式)

測振傳感器將振動而引起的電學參量(如電阻、電容、電感等)的變化轉換成電信號。由于它本身不能直接產(chǎn)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、電渦流式、變壓器式及變阻式等。有源式(又稱發(fā)電式)

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(又稱電動式或電磁式)，壓電式、熱電式、光電式等。

2023/12/535核工程檢測技術CD-l型振動速度傳感器1-圓形彈簧；2-圓環(huán)形阻尼器；3-永久磁鐵；4-鋁架；5-心軸；6-工作線圈；7-殼體；9-引線磁電感應式振動速度傳感器2023/12/536核工程檢測技術壓電式測振傳感器壓電效應：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(chǎn)生變形時，在它們的表面會產(chǎn)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態(tài)，這種現(xiàn)象叫壓電效應。順壓電效應：當壓電晶體受力而產(chǎn)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。逆壓電效應：當在壓電晶體上施加電場時，則晶體會產(chǎn)生變形，當時加的電場是交變電場時，則晶體便產(chǎn)生振動，這種效應叫逆壓電效應。因此，利用順壓電效應可制成測振傳感器，利用逆壓電效應可制成激振器。2023/12/537核工程檢測技術原理：利用壓電晶體的順壓電效應將振動參量轉變?yōu)殡娦盘?；通常用來測量振動物體的加速度。組成：慣性質量塊，壓電晶體，底座和外殼等。加速度傳感器。結構原理力學模型2023/12/538核工程檢測技術電渦流式振動位移傳感器電渦流式傳感器是利用電渦流感應原理而傳感信號的。眾所周知，當金屬物體置于交變磁場中時，在金屬體內會產(chǎn)生感應電流，此電流在金屬體內自成回路，故稱為渦電流(渦流)。渦電流一旦形成后，它亦會產(chǎn)生磁場，此磁場將阻