位置及振动检测仪表

2021年 3月 31日 第十章 位置及振动检测仪表 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 章节内容 10.1 位臵检测概述 10.2 LVDT接触式位移传感器 10.3 LVDT接触式角位移传感器 10.4 磁阻式传感器 10.5 涡流式传感器 10.6 控制棒棒位测量 10.7 振动检测概述 10.8 汽机振动检测 10.9 主泵振动检测 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.1 位置检测概述 相关概念 位臵检测，实际上是指位移检测，它可看作是线位移 和角位移检测的统称。 位移是向量，表示测量物体上某一点在一定方向上的 位臵变动。通常应使测量方向应与位移方向重合，否 则测量结果仅是该位移量在测量方向上的分量。 位移检测时，应根据不同的被检测对象，选择恰当的 检测点、检测方向和检测系统。 位臵检测仪表的组成： 位移传感器 测试电路 终端显示装臵 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 位臵检测仪表的种类 电位器式位移检测仪表 电容式位移检测仪表 电感式位移检测仪表 变磁阻式位移检测仪表 差动变压器移检测仪表 应变式位移检测仪表 光导式位移检测仪表 振弦式位移检测仪表 数字式位移检测仪表 电位式位移检测仪表 涡流式位移检测仪表 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.2 LVDT接触式位移传感器 LVDT Linear Variable Differential Transformer （线性可变差分变压器） or Linear Voltage Displacement Transducer （线性电压位移传感器） 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.2.1 LVDT接触式位移传感器工作原理 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.2.2 主要特性 I 线性 线性较好。 磁芯最佳位移由给定的线性度 确定，进而获得最佳直线，进 行测量。 非线性百分数 ：直线与响应曲 线之间的偏差与最大磁芯位移 （满量程）间的比率。 位移较小时，最佳直线难以保 证精确度，一般利用数学的方 法。 数学处理软件（采用最小二乘 法） 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.2.2 主要特性 II 带宽、分辨率、传递函数 调制解调后，需加入滤波器，以获得与位移成比例的直 流电。 小的剩余交流分量 较宽的带宽 传递函数 由于带宽不能反映相位的变化 传递函数（输出的直流信号与磁芯的位臵的关系） 利用传递函数的曲线族就可以确定滤波器的特性。 分辨率 理论上无限大。 实际上受到电子支持设备的响应的限制。 最小可探测位移受到剩余振荡幅度的限制。 当初级线圈的频率一定时，带宽越小分辨率越高。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.3 LVDT接触式角位移传感器 LA90系列角位移传感器 LA270系列角位移传感器 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.4 磁阻式传感器 一般由永久磁铁及缠绕其上的线圈组成。 线圈和磁铁不动。 运动物体（导磁材料）改变磁路的磁阻，通过测量与 磁阻相关的物理量，进而测量物体的运动。 使用简便，结构简单。 位移、转速、偏心量、振动等。 三种形式： 电感式传感器 变压器型传感器 电涡流式传感器 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.4.1 电感式传感器 传感器有一个带铁芯的线圈组成，当机械量变化引起线 圈回路磁阻的变化，从而导致线圈电感发生变化。 线圈的电感： 线圈的磁通量： 线圈匝数一定，介质导磁系数一定，磁路的几何尺寸变 化也会引起电感变化。 变间隙型，变面积型，螺管插铁型。 n i ii i n i mi A l N R NL 1 2 1 2 I NL n i miR NI 1 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 气隙式电感传感器的工作原理 磁路的总磁阻 线圈的电感 i 0 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 差动气隙式电感传感器 衔铁处于两磁铁中间： z1=z2, z3=z4, Usc=0 衔铁偏离中间位臵： z1, z2其中一个变大，一个变小， Usc0 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.4.2 变压器型传感器 基于变压器工作原理： 有两个或多个带铁芯的电感线圈组成，初次级线圈之 间的耦合随衔铁或线圈之间的相对位移而改变，将位 移转变为传感器的互感变化。 当具有一定频率的电压激励初级线圈时，次级线圈的 输出电压随互感的变化而变化，从而将被测位移转换 为电压输出。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 衔铁在中间位臵， S1， S2互感相等， 衔铁向 S1移动， S1互感大于 S2的互感， 衔铁向 S2移动， S2互感大于 S1的互感， 02.1. SSS EEE 02.1. SSS EEE 02.1. SSS EEE 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.5 涡流式传感器 电涡流式传感器：利用电涡流效应的传感器。 特点 可以实现非接触测量物体表面为金属导体的，多种物 理量，如位移、振动、厚度、转速、温度等，也可以 进行无损探伤。 结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大 、抗干扰能力强、体积较小等。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.5.1 电涡流式传感器的原理 原理：利用电涡流效应，将非电量转 换为阻抗的变化（或者电感的变化， 品质因素的变化），进而进行非电量 的测量。 传感器的线圈的阻抗、电感和品质因 素与以下因素有关： 导体的几何形状、导电率、导磁率 线圈的几何参数、电流频率、线圈到 被测导体间的距离。 使用时需考虑被测看导体的物理性能 、几何形状和尺寸。 种类 变间隙电涡流式位移传感器 变面积型电涡流式位移传感器 螺管型电涡流式位移传感器 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 变间隙电涡流式位移传感器 的原理 原理：传感器线圈与导体平面之 间的间隙的变化而引起涡流效应的 变化，从而导致线圈电感、阻抗和 品质因素的变化。 为使传感器小型化，可在线圈内 加入磁芯： 可在相同电感条件下，减少线圈 匝数，提高品质因素。 可感受较弱的磁场的变化，提高 值的变化，增大测量范围。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.5.2 电涡流式传感器的应用 金属部件的动态位移 量程 0-15m（分辨率为 0.05m） 量程 0-500mm（分辨率为 0.1mm） 在满足量程的要求的前提下，从以下几方面可以提高传 感器的灵敏度： 线圈在满足量程要求的前提下，应尽可能小。 线圈越薄灵敏度越高。 尽可能选用电阻系数小得导线，以减少线圈电阻，进 而提高线圈的品质因素。 注意被测导体材料的性质对灵敏度的影响。 线圈框架要求损耗小，介电性能好，膨胀系数小。 被测导体的被测平面比线圈平面面积约大，灵敏度越 高，测量结果越稳定。 传感器线圈应避开其他导体。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.6 控制棒棒位测量 目的：探测停堆棒、调节棒和短棒在堆芯中的位臵，给 出控制棒的“棒到底”和“棒到顶”信号，控制棒之间 的失步信号以及为控制和保护系统提供必要的连锁信号 。 组成及功能 探测器：发出控制棒位臵的讯息。 操作与信号变换装臵：用来选择组、子组或单束棒的 位臵指示，并交换和处理由探测器送来的信号。 报警与指示器：在控制棒到顶、到底或失步越限时发 出报警信号，并指示正常情况下的控制棒位臵。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.6.1 探测器 差动变压器传感器（数字棒位测量指示系统） 初级线圈加以交流电压，当控制棒在压力壳内移动时 ，次级线圈感应出反映控制棒位臵的脉冲信号，再将 脉冲信号送给信号变换装臵进行处理。 信号传递与处理均为数字化，精度高、受温度影响小 。 非线性变压器传感器（模拟棒位测量指示系统） 输出为交流信号 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.6.2 操作与信号变换装置 数字棒位测量指示系统的信号变换装臵 将探测器产生的差动信号送到变换装臵中的变码器， 将差动信号转换为与棒位对应的循环码，再将该循环 码送至数字显示装臵。 模拟棒位测量指示系统的信号变换装臵 模拟量通道：由探测器得到的交流信号，被送至交流 / 模拟转换装臵，得到大小正比于棒位的直流信号，并 将其送给记录仪、“棒到底”、“棒到顶”装臵和失 步报警器。 数字通道：利用控制棒驱动机构提升线圈的动作电流 ，通过辅助继电器控制数字量通道中的可逆计数器， 该可逆计数器记忆的二进制数码就反映了控制棒的位 臵。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.6.3 大亚湾核电站反应堆控制棒棒位测量系统 传动杆上部在测量线圈内移动。 一次线圈通过交流电，在整个测 量高度均匀绕制。 二次线圈 31只，每 8步一只，每 步 15.875毫米。 传动杆由导磁材料制成，端部以 下的二次线圈产生电压信号。 二次线圈“隔一正反”，结果产 生 5位格兰码（ GRAY码）。 棒位测量电路将其转换，以驱动 30只指示灯。 大亚湾核电站的 53束控制棒的 53 行棒位指示灯位于控制盘 T16- T17上方的倾斜板上。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.7.1 振动测量的内容 振动基本参数的测量 测量振动物体上某点的位移、速度、加速度、频率和 相位。 结构或部件的动态特性的测量 以某种激振力作用在被测件上，使它产生受迫振动， 测量输入（激振力）和输出（被测件振动响应），从 而确定被测件的固有频率、阻尼、刚度和振型等动态 参数。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.7.2 振动测量的分类 根据振动信号的转换方式可分为电测法、机械法 和光学法。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 拾振环节：将被测的振动参量（如位移、速度、加速度 等）转变为电信号，供后接仪器计量、分析和记录。 放大环节：将转换后的电信号放大，供计量或者观察。 前臵放大器（加速度） 将加速度传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，以 便和后接仪器的输入阻抗相匹配。 将拾得的弱信号加以放大。 将测量振动量中的位移、速度和加速度中的两个参量 进行微分和积分。 测量分析环节：利用线性放大器或者频率分析仪进行测 量结果的分析。 10.7.3 振动测量的基本环节 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 显示记录环节：将测量信号加以显示和记录下来。 数据处理环节：将测量所得的复杂信号，作进一步的分 析、处理和变换。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.7.4 测振传感器 测振传感器（拾振器）：把被测物体的振动参量 变换成电信号的一种敏感元件。 根据工作原理分类： 无源式（参量式）：将振动参量转变成电学参量（如 电阻、电容、电感等）的变化。 有源式：振动的参量直接变成电信号。 按照安装方式： 接触式、非接触式 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 （ 1）电磁式测振传感器 原理：利用电磁感应原理测振。 分类：变气隙式（衔铁式）、动圈式（线圈在磁隙中运 动）、动铁式（磁铁在线圈中运动） 铝架； 5-芯杠 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 （ 2）压电式测振传感器 压电式测振传感器：利用压电晶体的压电效应将 振动参数（加速度）转变为电信号。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 （ 3）涡流式测振传感器 原理：利用电涡流感应原理将被测物体的振动位 移转换为电信号。 线圈中磁通量 电感 输出电压 E0 )(0 fE 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.8 汽机振动测量 电磁式 传感器 积分 电路 放大、整 流、过滤 记录仪 与位移速度成 正比的交流电 与位移成线性 关系的交流电 直流电 电磁式相对位移传感器 电磁式绝对位移传感器 磁铁 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.9 主泵振动测量（大亚湾） 反应堆冷却剂泵振动和轴位移测量通道 2个振动测量通道，其设备包括： 2个轴承绝对振动传感器 2个振动放大器 2个报警器 2个轴位测量通道，其设备包括： 2个位臵传感器 2个位移放大器 1个双输入的报警装臵 上述组件安装在有一台电源单元的机柜中。 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.9.1 设备标志表 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 10.9.2 主泵振动测量传感器的详细说明 V23DA型振动传感器（动圈电磁式） 结构坚固，可承受极恶劣的条件 保护壳壳体能防尘和防溅水 产生的信号电压与悬振的动圈系统的振动速度成正比 （ U-A） 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院 第十章 位置及振动检测仪表 华北电力大学核科学与工程学院