面向核電狀態(tài)監(jiān)測用的壓電加速度傳感器設(shè)計

袁宇鵬，王登攀，李小飛，李 軍，胡 楊，曾翔豹，王音心，張祖?zhèn)?/p>

(1.中電科技集團(tuán) 重慶聲光電有限公司，重慶 401332；2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

中國核電從1985年起步，經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國核電產(chǎn)業(yè)已取得了巨大的成就。截止2018年4月，我國正在運行的商業(yè)核電機組達(dá)到了38臺，總額定裝機容量 35 807.16 MWe。2017年，我國商運核電機組累計發(fā)電量為2 474.69億千瓦時，約占全國累計發(fā)電量的3.94%，對我國構(gòu)建新能源結(jié)構(gòu)具有重大意義。

壓水堆型核電機組是國際未來30～40年的主力堆型[1]，我國的核電機組中大型壓水堆核電占比超過50%，主要包括俄羅斯 WWER2006 機組、 法國 AREVA 的 EPR 機組和美國西屋 AP1000 機組[2]等。壓水堆型核電機組中均設(shè)置了松脫部件檢測系統(tǒng)(LPMS)[3]等對核電站中反應(yīng)堆一回路內(nèi)松脫部件等進(jìn)行監(jiān)測。基于赫茲理論，當(dāng)反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)中出現(xiàn)松脫部件時，在主泵的驅(qū)動下，冷卻劑會帶動松脫部件撞擊主設(shè)備，撞擊力的大小正比于振動加速度，對加速度信號進(jìn)行采集、分析可實現(xiàn)對松脫部件的狀態(tài)監(jiān)測。

松脫部件檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)包括加速度傳感器、硬電纜、延長軟電纜、電荷轉(zhuǎn)換器及信號處理機柜[4]。壓電加速度傳感器因具有動態(tài)范圍大、頻響范圍寬、量程大等核心優(yōu)勢，是目前加速度測量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的傳感器類型。根據(jù)ASME OM S -G-2007核電站運行和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)則，松脫部件檢測系統(tǒng)中推薦安裝耐高溫耐輻射壓電加速度傳感器進(jìn)行安全振動監(jiān)測，做到視情維護(hù)。

我國核電領(lǐng)域使用的壓電加速度傳感器被瑞士Kister、Vibro-Meter公司、美國PCB公司及Endevco公司[5]等企業(yè)壟斷，國內(nèi)高溫抗輻射振動測量用傳感器研究起步相對較晚，受壓電陶瓷和傳感器結(jié)構(gòu)等限制，工作溫度和耐輻射能力始終無法提高，傳感器的穩(wěn)定性、可靠性與國外相比還有較大差距。因此，設(shè)計研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐高溫、高性能的壓電加速度傳感器具有重要意義[6]。針對核電廠對耐高溫耐輻射壓電加速度傳感器的重大需求，本文開展面向核電一回路中高溫、強輻射環(huán)境，提出一種寬動態(tài)范圍耐高溫耐輻射壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)，并基于有限元仿真平臺對加速度傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 壓電加速度傳感器測量原理

壓電加速度傳感器的工作原理是基于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)將待測物理的加速度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘朳7]。壓電式加速度傳感器以質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在外加加速度信號時，壓電轉(zhuǎn)換元件在質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力作用下發(fā)生形變，引起電荷量的變化，并進(jìn)一步設(shè)計電荷信號處理電路，實現(xiàn)電荷變化量向電壓輸出的轉(zhuǎn)換，即可計算出加速度輸出信號值[8]。

壓縮式壓電加速度傳感器的簡化物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。該傳感器物理結(jié)構(gòu)首先將待測輸入的絕對加速度信號轉(zhuǎn)換成質(zhì)量塊對殼體的相對位移，質(zhì)量塊與壓電陶瓷剛性連接，將質(zhì)量塊對殼體的相對位移轉(zhuǎn)換為壓電陶瓷的形變，產(chǎn)生電荷輸出。

圖1 壓電加速度傳感器的物理結(jié)構(gòu)

從力學(xué)分析角度而言，壓縮式壓電加速度傳感器是典型的二自由度系統(tǒng)，其固有頻率可通過如下運動方程和力學(xué)模型進(jìn)行計算：

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣;X為位移矩陣;C為阻尼系數(shù)矩陣;K為等效剛度矩陣;P為激勵矩陣。

假設(shè)壓電陶瓷、質(zhì)量塊接觸表面光滑且為彈性體，導(dǎo)電電極極薄且為剛體，則壓縮式壓電加速度傳感器的等效力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 壓縮式壓電加速度傳感器的等效力學(xué)模型

根據(jù)等效力學(xué)模型，可將傳感器的運動方程寫成如下形式[9]：

(2)

2 傳感器結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

根據(jù)壓電加速度傳感器測量原理和核電用松脫部件檢測系統(tǒng)中對壓電加速度傳感器的耐高溫、耐輻照的性能要求，本文提出采用剛性連接的壓縮型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計壓電加速度傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)

壓電加速度傳感器包括基座、絕緣塊、壓電陶瓷、質(zhì)量塊、螺桿等主要結(jié)構(gòu)。其中核心傳感元件采用鋯鈦酸鋁(PZT)壓電陶瓷材料，其壓/介電性能的抗總劑量能力可以達(dá)到2×106Gy，滿足核電廠環(huán)境要求的抗總劑量要求(6×105Gy)。

3 傳感器結(jié)構(gòu)仿真建模與優(yōu)化

本文設(shè)計的壓電加速度傳感器(見圖3)采用軸對稱結(jié)構(gòu)，為了模擬其性能指標(biāo)，利用ANSYS建立了軸對稱模型，其中壓電陶瓷采用plane223單元，結(jié)構(gòu)件采用plane183單元。材料方面:壓電陶瓷選用PZT體系材料，絕緣層選用氧化鋁，基座及螺桿選用不銹鋼，質(zhì)量塊選用鎢，建立了壓縮式壓電加速度傳感器的軸對稱有限元模型，如圖4所示。

圖4 傳感器有限元模型

對上述模型進(jìn)行諧波響應(yīng)分析，頻率范圍選取為0～100 kHz，步數(shù)為1 000，得到輸出電壓的初始頻響曲線如圖5所示。圖5(a)為0～100 kHz內(nèi)的輸出響應(yīng)，為了針對核電應(yīng)用環(huán)境的設(shè)計需求，將0～10 kHz間的輸出響應(yīng)進(jìn)行放大(見圖5(b))。通過分析可知，初始頻率響應(yīng)的輸出電壓分布在25.6～26.5 mV，頻帶內(nèi)輸出電壓起伏3.4%，與目標(biāo)指標(biāo)±1%存在一定差距。

圖5 傳感器輸出電壓的初始頻響曲線

根據(jù)圖5中,輸出電壓的初始頻響曲線，可提取出壓縮型壓電加速度傳感器初始結(jié)構(gòu)的諧振點，因此對傳感器豎直方向上外加載荷進(jìn)行仿真，通過分布云圖的方式對此時諧振點對應(yīng)的振動位移進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 諧振點對應(yīng)的振動位移、應(yīng)力強度分析圖

通過位移及應(yīng)力分析可得，質(zhì)量塊的邊緣部分由于厚度、直徑及振動位移較大，在層間接觸點處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，故而需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化方案如圖7所示。圖中，t1為質(zhì)量塊厚度，t2為壓電陶瓷厚度，d1為陶瓷外徑，d2為中心通孔直徑，d3為螺桿直徑。本文通過對上述5項參數(shù)進(jìn)行分別研究，從而獲取最優(yōu)的傳感器輸出性能。參數(shù)優(yōu)化過程及仿真結(jié)果如圖8所示，仿真中僅對核電環(huán)境所需0～10 kHz頻率范圍的傳感器輸出電壓進(jìn)行分析。

圖7 傳感器優(yōu)化方案示意圖

由圖8(a)可知，t2=0.5～0.8 mm，壓電陶瓷厚度與傳感器的輸出性能呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)t2=0.8 mm時，傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±1.15%。由圖8(b)可知，t1=2～3.5 mm，質(zhì)量塊厚度與傳感器的輸出性能呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)t1=3.5 mm時，傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±1.15%。由圖8(c)可知，d3=1.5～1.8 mm，螺桿直徑與傳感器的輸出性能呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)d3=1.8 mm時，傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±1.13%。由圖8(d)可知，d2=2.0～2.6 mm，中心通孔直徑與傳感器的輸出性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)d2=2 mm時，傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±1.15%。由圖8(e)可知，d1=3.8～4.4 mm，陶瓷外徑與傳感器的輸出性能呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)d1=4.4 mm時，傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)為±0.85%。

圖8 參數(shù)優(yōu)化過程及仿真結(jié)果

由圖8可得，在0～10 kHz內(nèi)，本文設(shè)計的壓電加速度傳感器輸出電壓中心起伏最優(yōu)可達(dá)±0.85%，輸出電壓幅值高于11 mV。為分析參數(shù)優(yōu)化后的傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況，采用ANSYS仿真平臺進(jìn)一步開展了傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，傳感器結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力強度均未超過材料的應(yīng)力極限，驗證了傳感器結(jié)構(gòu)的可行性。

圖9 傳感器應(yīng)力強度分布云圖

5 結(jié)束語

核電站須裝備松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)，以實時監(jiān)測反應(yīng)堆及冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的松動件、脫落件和遺留的金屬零件，跟蹤監(jiān)測堆內(nèi)構(gòu)件和燃料組件的振動行為。本文針對核電領(lǐng)域的需求，基于壓電效應(yīng)原理，設(shè)計了一種抗輻射的壓縮式結(jié)構(gòu)壓電加速度傳感器。為了滿足核電應(yīng)用對傳感器的靈敏度的要求，本文采用ANSYS有限元仿真平臺對傳感器質(zhì)量塊厚度、壓電陶瓷厚度和陶瓷外徑等5項結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的傳感器輸出電壓起伏最優(yōu)可達(dá)0.85%，輸出電壓幅值高于11 mV,傳感器靈敏度高且結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度較低，在核電機組狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。