激光测振技术的可靠性试验研究

刘家正，干富军，龚圣捷，顾汉洋

（1.上海核工程研究设计院，上海 2 00233；2.上海交通大学，上海 2 00240）

激光测振技术的可靠性试验研究

刘家正1，干富军1，龚圣捷2，顾汉洋2

（1.上海核工程研究设计院，上海 2 00233；2.上海交通大学，上海 2 00240）

燃料组件在冷却剂高速冲刷下会产生流致振动，可能导致格架条带和燃料棒包壳的结构破坏，影响核电厂的安全性和经济性。激光可以穿透可视化试验段和冷却剂，打到格架条带表面，通过非接触方式测量其振动响应。非接触式激光测振技术在国内燃料研发过程中也具有重大应用价值与广泛的应用前景，试验中使用非接触式激光测振仪和传统的接触式单轴加速度计，测量了1 000 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz三种不同激振频率下模拟燃料棒在空气环境、有机玻璃空气环境和有机玻璃水环境三种工况下的轴向与横向振动响应，验证了激光测振技术的可靠性。数据分析表明，激光测振技术相比加速度计具有更好的测量精度。

燃料组件；流致振动；激光测振仪；加速度计；可靠性

压水堆核电厂正常运行时，核燃料会发生裂变反应产生大量热量，冷却剂流过堆芯冷却燃料组件并带走热量。在这一过程中，燃料组件在冷却剂高速冲刷下不可避免会产生振动。过度的流致振动会导致格架条带和燃料棒包壳之间发生磨损，当包壳磨损量超出限值后会导致包壳结构破坏，从而影响核电厂的安全性和经济性。因此，在燃料组件研发过程中需开展流致振动试验，充分论证流致振动对燃料组件结构的影响。但是在冷却剂高速冲刷条件下，格架条带上的振动响应无法通过接触式加速度传感器测量得到，而激光测振技术则可以有效克服上述困难。激光穿透可视化试验段和冷却剂，打到格架条带表面，通过这种非接触方式测量其振动响应，避开了接触式传感器安装不便的缺点，以及加速度传感器对结构附近流场和振动响应测量数据的不利影响。非接触式激光测振技术具有得天独厚的技术优势，目前在西屋电气等国外核电企业的燃料研发过程中得到了广泛的应用。激光测振技术在国内燃料组件格架研发过程中也具有重大应用价值与广泛的应用前景。但是，将激光测振技术应用到格架研发试验前，有必要针对该技术开展可靠性试验研究。因此，文章使用非接触式激光测振仪和传统的接触式单轴加速度计，开展了单圆管高频振动测量试验，测量了频率分别为1 000 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz时，不同激振力作用下模拟燃料棒在空气环境（工况1）、有机玻璃空气环境（工况2）和有机玻璃水环境（工况3）三种工况中的轴向与横向振动响应。试验数据的对比分析表明，激光测振技术相比加速度计具有更好的测量精度。

1 试验设备

单圆管振动试验测量示意图如图1所示。圆管外径为10 mm，壁厚1 mm，长度为2 m。圆管下端固定，中间连接一个边长为30 mm的方形密封盒。密封盒两个竖直相邻内表面上分别安装单轴加速度传感器，如图2所示。加速度传感器引线从圆管顶部穿出，连接到数据采集卡。加速度传感器测点对应的密封盒外表面位置，为一维激光测振仪测点。圆管顶端与激振器连接，固定激振频率下，改变作用于圆管顶端的激振力幅值，然后通过单轴加速度计和激光测振仪，同步测量同一位置内外表面的加速度和速度响应。采集到的试验数据通过数据采集卡，实时传输到分析软件中进行同步分析与记录。

图1 单圆管振动试验测量示意图Fig.1 Dummy rod vibration measurement test

图2 单圆管振动试验件示意图Fig.2 Schematic of dummy rod vibration measurement test

单圆管高频振动试验的测量仪器包括单轴加速度传感器和一维激光测振仪。加速度传感器测量内表面的振动加速度，激光测振仪通过有机玻璃管壁测量对应外表面的振动速度。试验中用到的单轴加速度传感器分辨率为0.000 1g，频率测量范围为0.5～8 kHz；激光测振仪分辨率0.02☒m/s，速度测量范围为0.005～1 m/s。

单圆管高频振动试验中，为了校验非接触式激光测振仪测量结果的可靠性和数据准确性，采用加速度振动传感器进行实时对比测量。为了获得更好的信号输出，加速度振动传感器将测量所得的加速度信号通过调理放大器（MI-2004）进行信号放大，然后通过动态信号采集分析仪将采集的测量结果实时显示，同时进行频谱分析（FFT），研究振动的时域和频域情况。非接触式激光测振仪采用两个一维激光测振仪，其测量获得的直接信号是振动速度。测量获得的数据由动态信号测试分析仪进行采集并存储于电脑存储器，同时采用相应的DHDAS动态信号集成系统软件对采集的数据进行实时分析或后处理。

为了能直观地比较两种方法得到的测量结果，加速度传感器测量得到的振动加速度幅值a通过公式（f为振动频率）转化成振动速度幅值v。DHDAS动态信号集成系统可以实时显示振动的时域波形图，并用FFT频域分析方法可以获得激振频率值。

2 试验工况

根据燃料组件在格架条带堆内振动频率响应情况，设定单圆管振动测试的频率范围为1 000～3 000 Hz，分别采用激光测振仪和加速度传感器，开展空气环境、有机玻璃空气环境和有机玻璃水环境三种工况下的对比振动测量试验。

3 标定试验

单圆管振动试验进行前，先采用振动传感器校准仪（JX-3B）对激光测振仪和加速度振动传感器进行了标定试验。设定振动传感器校准仪在各个频率下的基准振动输出，分别用激光测振仪和加速度传感器测量相同位置的振动情况。

4 工况1

试验中将加速度传感器固定在外表面时，同时用激光测振仪同步测量同一表面不同位置时的振动情况。结果表明，两种测量方法测量所得的结果有较大的差异。结果分析表明，这一现象是由于不同位置的振动存在较大差异引起的。因此，在测量过程中，必须保证激光测振仪测点位置（外表面）与加速度传感器测点位置（内表面）完全重合。

5 工况2

将测试本体安装在有机玻璃方管内进行振动对比试验。结果发现，激光测振仪测量的振动速度时域波形信号有较大的噪声。经过频谱分析发现，激振频率不会受到干扰，但测量得到的振动速度会有较大的波动，对测量精度有很大的影响。分析表明，这一问题的产生是激光测振仪入射光通过有机玻璃表面时，会产生部分反射光，干扰了测量信号造成的。

将激光测振仪的入射光线与测量面法线形成一个极小角度的夹角，使入射光通过有机玻璃表面产生的镜面反射光不参与多普勒干涉。采用上述方法得到的试验数据具有良好的稳定性。

6 工况3

当被测物体浸没在水中时，由于光在水中与光在空气中传播特性的差异，激光测振仪测得的振动速度信号需要根据公式进行修正。

7 试验结果及讨论

根据上述的试验方法，分别开展标定试验和三种不同环境下振动试验，每次试验的激振频率分别为1 000 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz。

8 标定试验结果

对振动波形图的频谱测量频率分析表明，加速度传感器与激光测振仪均能准确地捕捉激振频率，与振动传感器校准仪输出的频率完全一致，上、中、下分别为激振器、加速度传感器和激光测振仪波形时域和频域图，图中所示激光测振仪测量的结果比加速度传感器测量的结果更接近激振器输出。

对振动速度测量数据分析表明，加速度传感器和激光测振仪测量的结果与振动传感器校准仪的输出有良好的一致性。加速度传感器的测量误差均在10%以内，平均误差为6.9%；而激光测振仪具有更小的测量偏差，测量误差均在6%以内，平均误差为2.2%；加速度传感器与激光测振仪之间的测量误差保持在9%以内。

9 工况1的试验结果

加速度传感器和激光测振仪测量得到的主振动方向上，不同激振频率下的振动速度与激振力的变化关系：激振频率分别为1 000 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz，随着激振力的增大，振动速度线性增加，加速度传感器和激光测振仪测量的振动速度具有很好的一致性，测量的频率值和激振源完全一样，测量得到的振动速度也很接近；激振频率分别为1 000 Hz和2 000 Hz时，两种不同测量方法的测量误差在5%以内，激振频率分别为3 000 Hz时，两种不同测量方法的测量误差在10%以内。

10 工况2的试验结果

在有机玻璃空气环境下，加速度传感器和激光测振仪测量得到的不同频率下振动速度与激振力的变化关系，随着激振力的增大，振动速度呈线性增加。加速度传感器和激光测振仪测量得到的振动速度具有很好的一致性，测量的频率值和激振源完全一样，测量的振动速度也很接近。两种不同测量方法的测量误差在8%以内。

11 工况3的试验结果

在有机玻璃水环境下，加速度传感器和激光测振仪在不同频率下的振动速度与激振力的变化关系，随着激振力的增大，振动速度呈线性增加。加速度传感器和激光测振仪测量的频率值和激振源完全一样；用两种测量方法测量的振动速度在1 000 Hz频率下误差很小，在3%以内，随着激振频率的升高，误差也随之增大，在3 000 Hz频率下，误差达到20%以上，分析表明由于密封胶对试验件和加速度传感器进行了密封，影响了加速度测振传感器的测量精度，特别是在高频率的测试工况下。

12 结论

文章研究了单圆管在空气环境、有机玻璃空气环境和有机玻璃水环境工况下在不同激励条件下的振动特性，得出如下结论：

1) 在试验工况条件下，加速度传感器和激光测振仪都能100%的准确测量激振频率。

2) 校准仪标定试验表明：加速度传感器对振动速度的测量误差在10%以内，平均误差为6.9%；激光测振仪对振动速度的测量误差在6%以内，平均误差为2.2%；加速度传感器与激光测振仪之间的测量误差在9%以内。

3) 空气环境下，加速度传感器和激光测振仪进行同步对比测试结果表明：两种测量方法测量得到的振动速度测量误差在10%以内，与标定试验中9%的测量误差一致。

4) 有机玻璃空气环境下，激光测振仪入射光与有机玻璃管平面垂直时，振动速度测量会出现较大的干扰。当入射光与有机玻璃管平面垂直线呈小角度入射时，可以避免出现信号干扰的问题。测量结果表明：加速度传感器和激光测振仪在主振动方向上测量得到的振动速度误差在8%以内。

5) 有机玻璃水环境下的测量结果表明：用两种测量方法测量得到的主振动方向上的振动速度在1 000 Hz频率下误差很小，在3%以内。说明激光测振仪可以在有机玻璃水环境下进行准确测量。随着激振频率的升高，由于防水密封胶影响了加速度测振传感器的测量精度误差，使加速度传感器与激光测振仪误差达到20%左右。

综上所述，激光测振仪相比传统的加速度传感器，具有较高的测量精度，且有效避免了安装条件对测量精度的影响。因此，激光测振仪适用于燃料组件零部件流致振动的试验研究。

Reliability Verif i cation of the Laser Vibrometer Technique

LIU Jia-zheng1，GAN Fu-jun1, GONG Sheng-jie2, GU Han-yang2
(1.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai2 00233, China；2.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 2 00240，China)

Flow-induced vibration occurs when the fuel assembly is in high speed coolant, which may damage the grid and fuel cladding. High frequency vibration test of fuel assembly need to be carried out during fuel design. But，it is hard to measure the vibration responses directly using accelerometers, which is impossible to be mounted on the surfaces of grid strip in the water surroundings. While with the help of the laser vibrometer, it is easy to measure the vibration responses of grid strip indirectly, because the laser can easily passes through the flow housing and coolant. The above technique has been employed widely during fuel design abroad, and has good application prospect during fuel design in China. The laser vibrometer and traditional accelerometer are both used to measure the simulated fuel rod vibration under three different excitation frequencies in three different operation conditions simultaneously. Measured results comparison shows that the laser vibrometer has better accuracy.

fuel assembly；flow-induced vibration；laser vibrometer；accelerometer；reliability

TL35 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0296-05

TL35

A

1674-1617(2013)04-0296-05

2013-05-21

刘家正（1980—），男，江苏人，工程师，硕士，从事燃料设计研究。