CN103808428A - 用光纤布拉格光栅传感器测定温度和放射线的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用光纤布拉格光栅(fiberbragggrating，FGB)传感器同时测定温度和放射线量的装置及方法。具体地说，就是涉及一种使用两个光纤布拉格光栅传感器，在一个传感器上罩上中空型放射线屏蔽构件以将通过两个传感器获得的放射线量和温度值分离从而进行准确测定的技术。依据本发明，不论是在处于正常状态的核电站还是在产生放射线的设施等，可适用为同时测定温度和放射线量的常用传感器系统，并且可实现商业化。且当发生核电事故时，还可用作能够通过一根光纤线路同时远程测定对掌握事故环境内部信息起决定性因素的温度和放射线辐射量的传感器系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，FGB)传感器来同时测定温度和放射线量的装置及方法。具体地说，就是涉及一种使用两个光纤布拉格光栅传感器，在一个传感器上罩上中空型放射线屏蔽构件以通过两个传感器将放射线量和温度值分离从而可以进行准确测定的技术。
背景技术
福岛发生核事故时，由于初期应对措施的不足，导致事故处理延迟，直到1年后的今天仍然没有很好地解决。这是由于传感器设在事故现场，从而向测定温度、放射线量的传感器供给的电源被切断，传感器丧失了功能，由此导致事故现场的信息不能向外界传递。
作为解决上述问题的有力对策，可选用驱动时无需电源并可以在远距离测定远程环境的光纤传感器。光纤布拉格光栅温度传感器在数公里以外的地方，即使不向传感器供给电源，也能够通过测定光纤布拉格光栅反射的波长的位移从而精确测定所设置的环境温度。但是，上述波长的变化不仅受温度影响，而且也受放射线的影响。因此，使用一个光纤布拉格光栅传感器作为测定放射线环境的温度的传感器，存在一定的技术局限。
发明内容
技术问题
本发明就是为解决上述问题而研发的，本发明的目的在于，解决以下课题：
第一，在放射线照射的环境下，用于温度测量的线性频率位移量和放射线辐射量同时具有线性特性，因此，提供一种将两个值区分来进行传感的装置及方法。
第二，提供一种使用两个光纤布拉格光栅传感器，在一个传感器上罩上中空型放射线屏蔽构件以通过两个传感器将放射线量与温度值分离从而可以准确测定的新型装置及方法。
本发明所要解决的课题并不仅局限于以上提到的内容，未提到的其它课题，本领域技术人员通过下面的说明就会有明确的了解。
技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置，其包括：曝露于放射线下的光纤；设置在上述光纤的芯上的第1光纤布拉格光栅传感器和与上述第1光纤布拉格光栅传感器间隔设置的第2光纤布拉格光栅传感器；以及设置在上述第2光纤布拉格光栅传感器周围具有放射线屏蔽半值层厚度(B)的中空型放射线屏蔽构件。其中，将上述第1光纤布拉格光栅传感器测定的放射线量与被上述中空型放射线屏蔽构件包围的第2光纤布拉格光栅传感器测定的放射线量值比较，从而可以对温度和放射线量进行测定。
另外，利用上述装置的测定温度和放射线量的方法中，提供的利用光纤布拉格光栅传感器测定温度和放射线量的方法，其包括：从上述第1光纤布拉格光栅传感器及第2光纤布拉格光栅传感器测定波长位移量的S1步骤；计算出从第1光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量与从第2光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量差值的S2步骤；将与上述S2步骤中计算的波长位移量差值相等的放射线量乘以2求出总放射线量的S3步骤；从第1光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量减去因在S3步骤中求出的总放射线量所导致的波长位移量从而计算出因温度所导致的波长位移量的S4步骤；以及通过上述S4步骤中求出的因温度所导致的波长位移量求出温度的S5步骤。
有益效果
依据本发明的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置及方法，当发生核事故时可以对核电站内部区域的温度分布进行实时测定，当发生放射线泄漏时可以对放射线量及泄漏位置进行测定。因此，通过测定温度和放射线量，可以诊断核电站内部的状态，迅速查明事故原因，防止事故扩大。
另外，在处于正常状态的核电站或是在产生放射线的设施等，可适用为对其温度和放射线量信息同时进行测定的常用传感器系统，并且可实现商用化。同时，当发生核电事故时，本发明还可用作通过一个光纤线路同时远程测定掌握事故环境内部信息的决定性因素，即，温度和放射线辐射量的传感器系统，从而发挥重要的功能。特别是，即使是在电源缺失的状态下，也能够在离事故现场数公里以外的地方进行远程测定。因此，可以为事故处理提供重要信息，发挥其核心作用。
本发明的效果并非仅局限于上面提到的部分，未提到的其它效果，本领域技术人员通过下面的说明会有明确的了解。
附图说明
图1是依据本发明的光纤布拉格光栅的概念图。
图2是依据本发明一个实施例的光纤布拉格光栅传感器的构成图。
图3是罩有中空型放射线屏蔽构件的光纤布拉格光栅传感器剖面图。
图4是在中空型放射线屏蔽构件上设置支撑构件并显示其与光纤的连接关系的剖面图。
附图编号说明
100：光纤
101：芯
102：覆层
103：护套
104：光栅
110：第1光纤布拉格光栅传感器
111：第2光纤布拉格光栅传感器
120：放射线屏蔽构件
121：支撑构件
具体实施方式
下面，将参照附图对将本发明的光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置及其方法的优选实施例进行详细说明。首先，要注意的是关于为各附图中的构成要素附加的附图编号，相同的构成要素即使显示在不同的附图中也尽量使用了相同的附图编号。另外，在对本发明进行说明时，如果认为相关的公知构成或功能的详细说明与本发明的主旨无关，就省略详细说明。
光纤内光的传播原理是全反射原理，即当光从折射率高的物质向折射率低的物质传播时，距其界面一定角度范围内的光全部被反射。另外，向光纤芯入射的光在折射率高的芯层与折射率低的覆层的界面被反射后沿光纤芯部分传播。这种光纤的主要成份是二氧化硅玻璃，其构造由为提高折射率而添加锗的光纤中心，即，芯部分和对中心进行保护的包层即覆层部分构成。
光纤布拉格光栅排列型传感器是一种利用在一根光纤上按一定长度镂刻多个光纤布拉格光栅后，随温度或强度等外部条件变化各个光栅反射的光的波长也随之发生变化这一特性的传感器。一般情况下，为了使光纤芯比覆层折射率高而普遍添加锗(Ge)物质，在使这种物质附着于二氧化硅玻璃上的过程中，可能会发生结构上的缺陷(defect)。在这种情况下，如果用较强的紫外线照射光纤芯，锗的结合构造就会变形，同时光纤的折射率也会发生变化。光纤布拉格光栅就是利用这种现象使光纤芯的折射率周期性地发生变化。这种光栅只反射满足布拉格条件的波长，除此之外的波长会原样透过。如果光栅周边温度发生变化或者光栅被拉伸，光纤的折射率或者长度就会发生变化。因此，它反射的光的波长也会发生变化。所以，通过测定光纤布拉格光栅反射的光的波长就可以检测温度或拉伸、压力、弯曲等。
光纤布拉格光栅排列型传感器在一根光纤上使用多个光栅，这种情况下，使各个光栅的反射波长都不相同，从而就很容易通过反射光的光谱区分特定光栅经历的物理量。这种方法被称为波长分割方式，这种方法通过光源的限定线宽能够同时测定的光栅个数受到一定的制约。作为增加可测定的光栅个数的方法，也可以采用将波长分割方式和时间分割方式并行的方法。
布拉格光栅传感器阵列的最大应用之一就是诊断构造物状态的智能结构（smart structure）。在修建桥梁、堤坝、建筑物等工程时，通过在混凝土内部铺设光纤光栅阵列，检测构造物内部的拉伸分布或者弯曲程度等可以诊断构造物的安全状态。另外，还可应用于诊断航空器或者直升飞机等的机翼状态。
如图1所示，一般情况下，光纤布拉格光栅以芯101为中心设置覆层102，在形成的覆层102外面再设置护套103。当芯101曝露于紫外线下时，为提高折射率而形成利用锗(Ge)等的光栅104。因此，向芯101入射的入射波(I)通过光栅104按不同的折射率进行过滤并被反射。所以，将放射线照射前和照射后的光纤布拉格光栅反射的反射波(R)的光功率（optical power）进行比较，就可以测定随着放射线照射量的光纤的放射线输入损失。同时，还可以构建能够随着光纤的输入损失大小测定放射线量的放射线测定传感器。这种传感器不会产生由电磁波等引发的噪音，同时还可以测定光纤的输入损失和与之相关的放射线量。
图2是依据本发明一个实施例的光纤布拉格光栅传感器的构成图。
在光纤100的芯101上设置有第1光纤布拉格光栅传感器110，保持一定的间隔再设置第2光纤布拉格光栅传感器111。通常情况下，上述间隔一般为20cm至30cm。上述第2光纤布拉格光栅传感器111被中空型放射线屏蔽构件120包围。光纤布拉格光栅传感器随着温度的变化和放射线量辐射量分别显示出线性输出波长的位移特性。所以，如果将上述两个光纤布拉格光栅传感器测定的两个测定量进行区分，就可以只使用一根光纤100同时对温度和放射线量进行测定。
在曝露于放射线下的一根光纤100上靠近设置第1光纤布拉格光栅传感器110和第2光纤布拉格光栅传感器111。此时，在第2光纤布拉格光栅传感器111周围设置中空型放射线屏蔽构件120。上述放射线屏蔽构件120必须具有测定环境中占优势(dominant)放射线屏蔽半值层厚度。
由于已经通过实验求出了具有代表性物质的半值层厚度与γ线能量间的关系。因此，本发明中可以利用上述结果求出放射线量。放射线屏蔽构件120一般由钨或者铅材质构成，但是也可以使用半值层厚度与γ线能量间关系已公知的任何材质。
图3是罩有中空型放射线屏蔽构件的光纤布拉格光栅传感器剖面图。作为光纤布拉格光栅传感器周围被中空型放射线屏蔽构件120包围的结构，通过支撑构件121设置上述放射线屏蔽构件120。设置放射线屏蔽构件120时与光纤布拉格光栅传感器之间保留一定的空间，这主要是为了能够更加准确地测定放射线量而为光纤布拉格光栅传感器营造与外部环境相同的条件。图4中显示了支撑构件121与光纤100结合的过程，上述支撑构件121可以只设置在放射线屏蔽构件120的入口部分与出口部分，而为了确保支撑更加稳固，也可以在内侧一个以上的空间内设置。图4中显示了在入口部分利用3个支撑构件121与光纤100结合的实施例。但并没有限定支撑构件121的数量，只要外部条件与放射线屏蔽构件120的内部条件相同，就可以自由使用。
光纤布拉格光栅传感器的长度L通常在10mm至20mm，如图3所示，放射线屏蔽构件120的长度最好达到能够充分包围光纤布拉格光栅传感器的程度即“1.5×光纤布拉格光栅传感器的长度L”至“3×光纤布拉格光栅传感器的长度L”。当放射线屏蔽构件120的长度小于1.5×L时，光纤布拉格光栅传感器被辐射的放射线量就会产生误差，当大于3×L时，就会因放射线屏蔽构件120的重量而导致光纤100线路负荷过重。
另外，优选地，放射线屏蔽构件120的厚度(B)必须达到测定环境中占优势的放射线屏蔽半值层厚度，放射线屏蔽构件120的内侧直径达到光纤直径D的1.1×D至3×D左右。
根据图2所示的结构，在第2光纤布拉格光栅传感器111测定的放射线量是第1光纤布拉格光栅传感器110测定的放射线量值的一半。因此，第1光纤布拉格光栅传感器110和第2光纤布拉格光栅传感器111测定的波长位移量的差值(P=第1光纤布拉格光栅传感器110测定的波长位移量-第2光纤布拉格光栅传感器111测定的波长位移量)是在设置上述构成的环境中被辐射放射线量的一半。由此，可以直接求出总体放射线辐射量是由与2×P波长位移量相等的放射线量值求出(在这种情况下，由于两个传感器特性类似，因此假设因温度所导致的波长位移量相同)。
然后，从第1光纤布拉格光栅传感器110的波长位移量除去根据总放射线量的波长位移量(2×P)，其值就是因温度所导致的波长位移量，从而可以对温度和放射线量进行独立测定。
下面，将对依据本发明的利用光纤布拉格光栅传感器测定温度和放射线量的方法进行说明。
首先，第1光纤布拉格光栅传感器110及被中空型放射线屏蔽构件120包围的第2光纤布拉格光栅传感器111测定波长位移量的S1步骤。
然后，计算出在第1光纤布拉格光栅传感器110测定的波长位移量与在第2光纤布拉格光栅传感器111测定的波长位移量差值(P)的S2步骤。
然后，将与S2步骤中计算的波长位移量差值(P)相等的放射线量乘以2求出总放射线量的S3步骤。
然后，从第1光纤布拉格光栅传感器110测定的波长位移量减去因在S3步骤中求出的总放射线量所导致的波长位移量(2×P)从而计算出因温度所导致的波长位移量的S4步骤。
最后，通过上述S4步骤中求出的因温度所导致的波长位移量求出温度的S5步骤，从而计算出温度和放射线量。
在上述说明中，仅对本发明的技术思想进行了示例说明。通过上述的说明，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的修改以及变形。以上实施例是为了对本发明进行更好地说明，并不限定本发明的技术思想。因此，本项发明的技术性范围并不局限于说明书的内容，必须要根据权利要求来确定其技术范围。与其同等范围内的所有技术思想均包含在本发明的权利范围内。
Claims (7)
1.一种将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置，其特征在于：
包括：曝露于放射线下的光纤；设置在上述光纤的芯上的第1光纤布拉格光栅传感器及与上述第1光纤布拉格光栅传感器间隔设置的第2光纤布拉格光栅传感器；设置在上述第2光纤布拉格光栅传感器周围具有放射线屏蔽半值层厚度(B)的中空型放射线屏蔽构件；
其中，将上述第1光纤布拉格光栅传感器测定的放射线量与被上述中空型放射线屏蔽构件包围的第2光纤布拉格光栅传感器测定的放射线量值比较，从而可以对温度和放射线量进行测定。
2.如权利要求1所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置，其特征在于：
上述中空型放射线屏蔽构件由钨或者铅构成。
3.如权利要求2所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置，其特征在于：
上述放射线量的测定是将上述第1光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量与第2光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量差值乘以2求出总放射线量，上述温度的测定是从上述第1光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量减去因上述总放射线量所导致的波长位移量从而求出因温度所导致的波长位移量。
4.如权利要求2所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置，其特征在于：
在上述中空型放射线屏蔽构件内侧还设置有能支撑上述光纤的支撑构件。
5.如权利要求2所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置，其特征在于：
上述中空型放射线屏蔽构件以光纤布拉格光栅长度(L)的1.5至3倍长度包围上述第2光纤布拉格光栅传感器。
6.如权利要求2所述的将光纤布拉格光栅传感器同时作为温度和放射线量传感器的装置，其特征在于：
上述中空型放射线屏蔽构件的内侧直径为光纤布拉格光栅直径(D)的1.1至3倍。
7.一种利用光纤布拉格光栅传感器测定温度和放射线量的方法，即对于利用权利要求1至6中的任意一项所述的装置测定温度和放射线量的方法来说，其特征在于，包括：
从上述第1光纤布拉格光栅传感器及第2光纤布拉格光栅传感器测定波长位移量的S1步骤；计算出第1光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量与第2光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量差值的S2步骤；将与上述S2步骤中计算的波长位移量差值相等的放射线量乘以2求出总放射线量的S3步骤；从第1光纤布拉格光栅传感器测定的波长位移量减去因在S3步骤中求出的总放射线量所导致的波长位移量从而计算出因温度所导致的波长位移量的S4步骤；通过上述S4步骤中求出的因温度所导致的波长位移量求出温度的S5步骤。
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