专利名称：水下位移测量方法及其测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于位移测量方法和位移测量装置，具体涉及一种水下位移测量方法及其测量装置。
核燃料反应堆板型元件是由多层核燃料板组合而成的，为了保证新设计的核反应堆燃料组件的安全性，必须对燃料组件进行水力模拟实验，以确定在设计条件下板的振幅小于额定值。在核燃料板型元件的流致振动实验中，需要测出板状元件在水流中的动态位移，由于燃料组件板与板之间的间距为毫米级，而反应堆中零部件的布局一般都很紧凑，供放置传感器的空间非常小，要测出各板的动态位移，就要求水下位移测量方法稳定可靠、传感器自身体积很小，灵敏度高。一般的机械效应方法、机械一电子方法、电磁波测距等方法都不适合水下小空间的位移测量，而一般的机械电子类传感器体积大，存在机械接触，灵敏度和精密度较低；磁式传感器体积大，难于安装于狭小的空间。比较适合小空间安装的是电容式传感器，它具有测量范围大，灵敏度高，动态响应时间短，机械损失小，结构简单的优点，如1991年第2期《传感器技术》中的一篇文献“非接触距离传感器技术综述”中所提到的电容式传感器，但电容式传感器还存在如下不足寄生电容(指连接电容器极板的导线和传感器本身的泄漏电容)影响较大，降低了测量灵敏度；有一定的非线性输出，使传感器处于不稳定的工作状态；传感器工作于水下时，其极板和连接导线的防水要求非常严格，使工作相当困难。
本发明的目的在于提供一种适合于水下和小空间的测量精度高、工作状态稳定，使用简单的水下位移测量方法及其测量装置。
为了实现上述目的，本发明的水下位移测量方法包括以下步骤(I)将一带有工作电极和保护电极的传感器置于水中被测位移的一端A，传感器工作电极和保护电极面向另一端B，B端接地(仪表地)，当A、B两端发生位移时，其间隙改变，附置有传感器的一端A与另一端B之间的水电阻发生改变；
(II)利用载波发生器发出一频率为fc的载波并经可调功率放大稳流电路后，以高频交流电源恒定电流的形式加到传感器的工作电极上，工作电极输出一交流电压信号U，该信号经功率跟随器跟随后，产生一与U大小和相位相同的信号U1，并把U1加到传感器保护电极上，使传感器保护电极与传感器工作电极等电位；(III)水电阻的变化引起输出电压U的变化，信号U经精密全波检波器检波后，使振动信号从载波上解调下来，即得到反映被测物体相对位移的电压信号U0；(IV)根据相对位移d与电压的关系
(I为恒流源的输出电流，σ为水介质的电阻率，S为传感器的有效面积，均为已知值)，从而由U0得到被测物体的水下位移d0；本发明的水下位移测量装置包括通过导线依次串联的载波发生器、可调功率放大稳流电路、功率跟随器、精密全波检波器、四极点低通滤波器和通过屏蔽电缆与可调功率放大稳流电路、功率跟随器相连的传感器；所述的传感器包括一个工作电极和一个保护电极。
本发明的水下位移测量方法的原理是采用水介质作电阻，通过测量两物体之间水电阻的变化来测量被测物体的水下位移。当被测物体的位置发生变化时，水的量也发生变化，即被测物体的位置变化引起传感器电极间水介质的尺寸变化，导致水电阻变化，水电阻的变化引起输出电压的变化，在高频交流电源的激励下，输出电压信号，经检波、滤波，即得到相映被测物体相对位移的电压信号。根据传感器线性化后的相对位移d与输出电压U的关系，即
(I为恒流源的输出电流，σ为水介质的电阻率，S为传感器的有效面积)的关系，从而测出被测物体的水下相对位移。
本发明的测量装置的工作原理是由载波发生器发出的频率为fc的载波经可调功率放大稳流电路后，以高频交流电源恒定电流的形式加到传感器的工作电极上，产生一交流电压信号U，该信号经功率跟随器跟随后，产生一与U大小和相位相同的信号加到传感器保护电极上，使传感器保护电极与传感器工作电极等电位。信号U经精密全波检波器检波后，使振动信号从载波上解调下来，经四极点低通滤波器后，输出信号，供标定位移；该信号还可经20dB增益的低通滤波器处理，输出另一信号，可以进一步修正位移。
由于本发明采用电阻测量方法，电阻值较小，其上感应的干扰电压值也较小，所以测量精度高；本发明将传感器设计成带保护电极的结构，在传感器工作电极附近形成一局部均匀的电场，实现了敏感元件的线性化，消除了远场边界条件的影响，传感器抗干扰能力的强弱，直接关系到测试数据的准确性和仪器的稳定性，在传感器保护电极的作用下，使测点附近形成一局部的均匀电场，外部干扰不易进入，在传输过程中，电缆屏蔽层与输出阻抗仅几欧姆的功率跟随器相连，有极强的抗干扰能力，所以工作状态稳定；本发明极板和连接导线的防水要求不是特别严格，而且在使用时直接把传感器置于被测位移的一端即可，所以使用简单。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述
图1是本发明装置的方框连接示意图；图2是本发明传感器的结构示意图；图3是本发明传感器在测量时的放置示意图。
如图1、图2、图3所示，本发明的测量装置包括通过导线依次串联的载波发生器1、可调功率放大稳流电路2、功率跟随器4、精密全波检波器5、可输出位移信号8的四极点低通滤波器6和通过屏蔽电缆10与可调功率放大稳流电路2、功率跟随器4相连的传感器3。屏蔽电缆10为双层屏蔽电缆。传感器3带有一个工作电极13和一个保护电极14。图2所示的传感器3为薄片式结构的导体，它包括一个通过传感器引线16及屏蔽电缆10与可调功率放大稳流电路2、功率跟随器4相连的工作电极13和一个通过传感器引线17及屏蔽电缆10与功率跟随器4相连的保护电极14，工作电极13置于保护电极14的里面，所述的工作电极13和保护电极14固定在传感器绝缘层15上。屏蔽电缆10的芯线12的一端通过导线与可调功率放大稳流电路2和功率跟随器4相连，另一端与传感器引线16连接，从而与传感器工作电极13相连，屏蔽电缆10的内屏蔽层11的一端通过导线与功率跟随器4相连，另一端通过传感器引线17与传感器保护电极14相连，外屏蔽层21接地(仪表地)。传感器引线16、17分别从传感器工作电极13和传感器保护电极14穿过传感器绝缘层15引出。在四极点低通滤波器6的后面还可连接有20dB低通滤波器7，20dB低通滤波器7可输出位移修正信号9，以对位移信号8作进一步修正。
测量时，将传感器3置于水中被测位移的两端，如测量反应堆中两块燃料板18、19之间的相对位移，这时燃料板18相当于A端，燃料板19相当于B端，传感器3有引线16、17的一面贴在两板中的其中一个板18上，传感器工作电极13和保护电极14面向另一个板19，板19接地(仪表地)。当18、19两板发生位移时，两板之间的间隙20被改变，传感器工作电极13与燃料板之间的水电阻也发生改变，水电阻的变化引起输出电压的变化；由载波发生器1发出一频率为fc的载波经可调功率放大稳流源电路2后，以高频交流电源恒定电流(19KHZ正弦波恒流源)的形式加到传感器工作电极13上，产生一交流电压信号U，该信号经放大后送至功率跟随器4，同时经过双屏蔽电缆10的芯线12、传感器引线16送至传感器工作电极13，功率跟随器4输出一个与输入信号U同相等幅的信号U1，该信号U1经过屏蔽电缆10的内屏蔽层11、传感器引线17送至传感器保护电极14，使传感器保护电极14与传感器工作电极13等电位；同时功率跟随器4输出一个信号到精密全波检波器5，检波后的信号送至四极点低通滤波器6滤波，输出位移信号8，供标定位移，该信号还可经20dB增益的2极点低通滤波器7处理，输出位移修正信号9，可以进一步修正位移，信号U经精密全波检波器检波后，使振动信号从载波上解调下来，即得到反映被测物体相对位移的电压信号U0，据位移与电压的关系
(I为恒流源的输出电流，σ为水介质的电阻率，S为传感器的有效面积，均为已知值)，从而由U0得到被测物体的水下位移d0，经显示仪表显示就是燃料板18、19的相对位移距离，从而测出燃料板的水下位移。
本发明方法可靠、频率响应宽，测量装置量程大、灵敏度高，动态和静态皆可测量，特别适合传感器安放空间很小的物体的水下位移测量，使用简单，可以广泛地应用于水下物体的振动、运动，如反应堆零部件、民用蒸汽发生器管道的振动等场合的水下位移测量。
权利要求
1.一种水下位移的测量方法，其特征在于它包括以下步骤(I)将一带有工作电极和保护电极的传感器置于水中被测位移的一端A，传感器工作电极和保护电极面向另一端B，B端接地(仪表地)，当A、B两端发生位移时，其间隙改变，附置有传感器的一端A与另一端B之间的水电阻发生改变；(II)利用载波发生器发出一频率为fc的载波并经可调功率放大稳流电路后，以高频交流电源恒定电流的形式加到传感器的工作电极上，工作电极产生一交流电压信号U，该信号经功率跟随器跟随后，产生一与U大小和相位相同的信号U1，并把U1加到传感器保护电极上，使传感器保护电极与传感器工作电极等电位；(III)水电阻的变化引起输出电压U的变化，信号U经精密全波检波器检波后，使振动信号从载波上解调下来，即得到反映被测物体相对位移的电压信号U0；(IV)根据相对位移d与电压的关系
(I为恒流源的输出电流，σ为水介质的电阻率，S为传感器的有效面积，均为已知值)，从而由U0得到被测物体的水下位移d0；
2.一种用于权利要求1所述方法中的水下位移测量装置，其特征在于它包括通过导线依次串联的载波发生器(1)、可调功率放大稳流电路(2)、功率跟随器(4)、精密全波检波器(5)、四极点低通滤波器(6)和通过屏蔽电缆(10)与可调功率放大稳流电路(2)、功率跟随器(4)相连的传感器(3)，所述的传感器(3)带有一个工作电极(13)和一个保护电极(14)。
3.如权利要求2所述的水下位移测量装置，其特征在于所述的传感器(3)为薄片式结构的导体，它包括一个通过传感器引线(16)及屏蔽电缆(10)与可调功率放大稳流电路(2)、功率跟随器(4)相连的工作电极(13)和一个通过传感器引线(17)及屏蔽电缆(10)与功率跟随器(4)相连的保护电极(14)，工作电极(13)置于保护电极(14)的里面，所述的工作电极(13)和保护电极(14)固定在传感器绝缘层(15)上。
4.如权利要求2或3所述的水下位移测量装置，其特征在于在所述的四极点低通滤波器(6)的后面还连接有20dB低通滤波器(7)；所述的屏蔽电缆(10)为双层屏蔽电缆。
全文摘要
本发明提供了一种水下位移测量方法及其测量装置。本方法是采用水介质作电阻,通过测量被测物体之间水电阻的变化来测量被测物体的水下位移。测量装置包括载波发生器、可调功率放大稳流电路、传感器、功率跟随器、精密全波检波器、四极点低能滤波器和屏蔽电缆。通过对传感器的特殊设计,使敏感元件特性实现了线性化。本发明测量精度高、工作状态稳定、使用简单,特别适合于传感器安放空间很小的物体的水下位移测量。
文档编号G01B7/14GK1252519SQ9912373
公开日2000年5月10日 申请日期1999年11月18日 优先权日1999年11月18日
发明者李天勇, 丛滨, 连明华, 卢琰琰 申请人:中国核动力研究设计院