一种管束与支承板之间撞击力的测力传感器及系统的制作方法

本发明涉及应变式测力传感器及其测量系统的研制领域，具体地，涉及一种管束与支承板之间撞击力的测力传感器及系统。

背景技术：

在核动力主要设备中蒸汽发生器是其中的一个关键设备，承担着一、二回路之间的能量交换，同时也是一回路放射性物质的屏障，是防止放射性物质从一回路泄漏到二回路的重要实体保证，其安全可靠地运行在经济上和核安全上都非常重要。蒸汽发生器的传热管在二次侧的两相流作用下容易发生振动，管束的振动会引起一系列传热管的力学问题。其中最为明显的是在管束和支撑之间有间隙的地方发生微振磨蚀。磨蚀会导致传热管的管壁减薄，从而管束的力学性能急剧下降而成为安全隐患。传热管管束一旦出现破损，带有防射性的一回路水会泄露进二回路，引起极其严重的核泄漏事故。因此认识和研究传热管与支撑之间的磨蚀问题显得尤为重要。而要认识和评估传热管和支撑结构之间的磨蚀问题，需要测量传热管和支撑结构之间的撞击力。

力是物体之间的相互作用，通常采用间接的方法来测量：①将被测力转化成为弹性元件的变形/应变，然后测量变形；②将力转换成为石英晶体表面的载荷，然后测量石英晶体输出电荷。第一类应变式传感器最为常用，通常设计为杆状变形体和管状变形体两种形式。

当力作用在变形体(杆状或者管状)上的时候，产生的应变由电阻应变片测量。因为传感器的受力面很大，偏载会导致变形不均匀；设计的时候在对称的位置布置几个应变片，用他们平均值作为输出测试值。一般来说，管状变形体的对称性好于柱状变形体。

第二类压力传感器是在两个钢环之间配置压电晶体片，传感器受力传递到石英晶体上、产生电荷，两晶体片之间为一电极，用于接收晶体产生的电荷；同样，它使用环状晶体或者对称布置的晶体来解决偏载问题。这两类力传感器都有成熟的商品，然而他们具有一个共同的问题就是“体积大”。

蒸汽发生器传热管和支承板之间间隙较小。一般而言蒸汽发生器的传热管和支承板之间的间隙很小，只有零点几毫米，支承板的厚度也比较小只有几毫米厚，这么小的空间对传感器的安装具有限制。在小空间且不影响液体的流动，要求传感器大小和支座的大小相当，现有的电学原理的力传感器均不满足这一安装的体积要求。如果考虑防水传感器的弹性元件的尺寸不能做的很小，而尺寸如果过大则有限的安装空间不容易实施，因此需要研究具有满足安装空间、防水、防电磁干扰的测力传感器。

技术实现要素：

本发明针对在核动力设备蒸汽发生器传热管束流致振动堆外模拟试验中，测量蒸汽发生器传热管束和支承板之间的撞击力时，受到二者之间的间隙过小且安装空间有限的特点，发明一种具有高灵敏度的传感器及系统，该传感器既能解决安装空间的限制难题，又不能影响流体的流动，具有防水和防电磁干扰的特点。

为实现上述发明目的，本申请一方面提供了一种管束与支承板之间撞击力的测力传感器，测力传感器包括：安装基台、受力弹性元件、反射镜、准直光纤与反射镜连接件、准直光纤；测力传感器安装于蒸汽发生器的支承板上，安装基台开设有安装槽，受力弹性元件下端延伸在安装槽内，受力弹性元件上端固定在安装基台上用于进行受力检测；反射镜安装在安装槽内，准直光纤一端延伸至安装基台的空腔内，安装基台的空腔与安装槽连通，准直光纤通过准直光纤与反射镜连接件与反射镜连接，从准直光纤传输的光信号传输至反射镜表面后经过90度折射，折射后的光信号传输至受力弹性元件下表面；光学测试系统用于为测力传感器提供入射光，进入测力传感器的光路通过反射镜进行90°方向的转向，投射到受力弹性元件下表面，并形成反射光路，在受力弹性元件下表面和反射镜的上表面形成法珀干涉腔，通过光学干涉的方法测量受力弹性元件下表面与反射镜的上表面之间的距离来计算受力弹性元件的变形。该传感器能够应用于空间比较小而常规的电学测量技术不能实施的地方，且具有防水性能，可应用于水下测量，也能用于高温、高压环境。

另一方面，本申请还提供了一种管束与支承板之间撞击力的测力系统，所述测力系统包括：

测力传感器和光学测试系统，光学测试系统与测力传感器通过光纤进行连接；测力传感器安装于蒸汽发生器的支承板上，安装基台开设有安装槽，受力弹性元件下端延伸在安装槽内，受力弹性元件上端固定在安装基台上用于进行受力检测；反射镜安装在安装槽内，准直光纤一端延伸至安装基台的空腔内，安装基台的空腔与安装槽连通，准直光纤通过准直光纤与反射镜连接件与反射镜连接，从准直光纤传输的光信号传输至反射镜表面后经过90度折射，折射后的光信号传输至受力弹性元件下表面；光学测试系统用于为测力传感器提供入射光，进入测力传感器的光路通过反射镜进行90°方向的转向，投射到受力弹性元件下表面，并形成反射光路，在受力弹性元件下表面和反射镜的上表面形成法珀干涉腔，通过光学干涉的方法测量受力弹性元件下表面与反射镜的上表面之间的距离来计算受力弹性元件的变形。

本发明利用光学原理测量弹性受力元件的变形量，并将变形量转换成撞击力。本发明设计了测力传感器的弹性元件，并用光纤法-珀技术测量该弹性元件在受力作用下的应变，并利用应变与受力的关系将弹性元件的应变量转换成作用在上面的撞击力。本发明设计了专用安装基台，受力装置，受力弹性元件，锁紧螺孔等进行了封装形成了一个整体结构，在结构中用反射镜对光信号进行了90°的方向转变可以将传感器的厚度降低，并通过传导光纤与测试系统进行连接，实现光学信号与电学信号的转换，最终将力学信号进行记录和转换。

进一步的，所述安装基台上还设有锁紧螺孔，锁紧螺孔用于对准直光纤进行螺纹连接锁紧。

进一步的，光学测试系统包括：耦合器、宽带光源、柱面反射镜、匹配光楔、ccd；宽带光源通过光纤和耦合器为测力传感器提供入射光，测力传感器反射光路沿光纤耦合器传输到柱面反射镜进行校准和分配变成平行光，平行光照射匹配光楔上并在光楔光程与测力传感器光程差匹配处形成亮条纹被ccd采集和读取。

进一步的，条纹的宽度与弹性元件的变形量成正比，比例系数用标定装置进行确定，对测力传感器进行标定，确保在测量范围内的相关参数。

进一步的，测力传感器用于测量蒸汽发生器传热管和支承板之间的撞击力。

进一步的，测力传感器采用封装的方式进行组装。

进一步的，本申请利用的结构引线是光纤，是实心的具备防水功能。另外整个传感器部分没有电学信号，也不会对电学信号进行响应，因此具有抗电磁干扰性能。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)体积小、防水、防电磁干扰。

(2)利用光纤法-珀技术测量应变精度高。

(3)安装位置灵活，可以根据不同的结构进行适应性的设计。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中管束与支承板之间撞击力的测力传感器的结构示意图；

图2是本申请中管束与支承板之间撞击力的测量系统的组成示意图；

图3为传感器的输入和输出关系图；

图4为加载力与测量力之间的关系示意图；

图5为连续敲击结果示意图；

图6为敲击信号放大图；

图7为测量撞击信号图；

图8为受力分析示意图；

其中，1-安装基台；2-受力弹性元件；3-反射镜；4-准直光纤与反射镜连接件；5-准直光纤；6-锁紧螺孔，7-测力传感器；8-耦合器；9-大功率宽带光源；10-柱面反射镜；11-匹配光楔；12-ccd。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-2，本申请提供了一种管束与支承板之间撞击力的测力传感器及系统，图1的传感器安装于蒸汽发生器的支承板上，其中尺寸可以根据具体的测量对象进行设计。

首先图2中大功率宽带光源9会通过光纤和耦合器8为测力传感器提供入射光。进入传感器的光路会通过图1中的反射镜3进行90°方向的转向，直接投射到测力弹性元件2的下表面，并形成反射光路，在测力弹性元件下表面和反射镜的上表面形成了法珀干涉腔，工作的时候通过光学干涉的方法测量这两个反射面之间的距离(光程差)，反过来计算弹性元件的变形。当图1中的测力弹性元件2受到撞击力时，弹性元件会发生弯曲变形，弹性件的下表面会发生上下位移，反射光路发生变化，反射光路沿光纤和图2中耦合器8传输到图16中柱面反射镜10进行校准和分配变成平行光。平行光照射图2中的匹配光楔11上并在光楔光程与传感器光程差匹配的地方形成亮条纹被ccd采集和读取，条纹的宽度与弹性元件的变形量成正比，比例系数用标定装置进行确定。对传感器进行标定，确保在测量范围内的相关参数；将该传感器安装于需要测量的位置测量结构之间的撞击力。

本发明将测力传感器的弹性元件和光纤法-珀传感器进行了封装并设计了光学测量系统，通过测量弹性元件的应变的方式测量传热管和管座之间的撞击力。该传感器的结构简单，安装方便的特点，实施容易的特点，并具有防水、防电磁干扰，测试系统容易实施的特点。经过实际结构的验证该类传感器测量的经度和线性度等指标满足jjg391-2009力传感器的0.1级要求。

为了证实本申请中传感器的效果进行了相应的实验，该类型传器研制完成后所有指标满足jjg391-2009力传感器的0.1级要求。

进行力锤敲击试验：用标准力锤敲击传感器进行标定，输入和输出的线性度见图3所示。测量结果可以看出输入和输出的线性度很好，测量的结果和输入的结果波形一致，测量的精度较高。

静态标定结果：用静力标定装置对传感器进行标定，结果见图4所示。二者吻合的很好。

落锤试验，结果情况图5-图6。

某核级设备蒸汽发生器传热管束流致振动堆外模拟试验的应用：本传感器在某核级设备蒸汽发生器传热管束流致振动堆外模拟试验中得到应用，测量结果见图7，其中7中上半部分为整个试验结果，下半部分为单次放大结果，与国外的测量结果相当。

关于在结构中用反射镜对光信号进行了90°的方向转变可以将传感器的厚度降低，请参考图8的受力分析示意图，由于测量的力f是侧向力，限制了h的厚度。很明显光路从a进入，然后从a出来的方法可以让h的厚度减少很多。而如果沿b向出入，则为了保证合适的腔长，则h会做的很厚，因此，本申请可以将传感器的厚度降低。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。