CN104517659B - 水下抗辐照激光测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水下抗辐照激光测量设备，包括两个密封箱体、设于两个密封箱体内的抗辐照屏蔽层、以及分别设于两个密封箱体内的激光发射组件和激光接收组件，两个密封箱体均一侧设有开口，两者开口处均连接有抗辐照玻璃板。激光发射组件和激光接收组件均包括反射镜，激光发射组件还包括激光器、激光发射镜头及两面镜，两面镜的同一镜面同时面对激光发射组件中反射镜的镜面和激光器，激光发射组件中反射镜的镜面同时面对两面镜的镜面和激光发射镜头。激光接收组件还包括光电转换器和激光接收镜头，激光接收组件中反射镜的镜面同时面对光电转换器和激光接收镜头。本发明用于燃料棒直径、间隙测量时能提升测量精度，能为反应堆的安全运行提供保障。

Description

水下抗辐照激光测量设备

技术领域

本发明涉及核电站燃料组件检测技术，具体是水下抗辐照激光测量设备。

背景技术

压水堆核电站的堆芯包括燃料组件、控制棒组件及其它相关组件，其中，燃料组件是堆芯最重要的组件之一，其包括燃料棒、下管座、上管座、控制棒及定位格架。压水堆燃料组件在加深燃耗运行中，其会发生“S”型或香蕉型变形，严重的变形会导致控制棒无法抽拔，直接影响核安全。因此，在压水堆核电站换料检修过程中，需要对运行一段时间后的燃料组件中燃料棒直径、燃料棒之间的间隙进行检测。由于辐照后燃料组件具有很强的放射性，须存放在含硼酸的深水中，目前对燃料棒直径、燃料棒之间的间隙进行检测时受测量设备的限制，无法近距离测量，这导致测量的精度较低，不能为反应堆的安全运行提供有效保障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种水下抗辐照激光测量设备，其应用时设于含硼酸的深水中对燃料棒直径、燃料棒之间的间隙进行测量，能提升测量精度，进而能为反应堆的安全运行提供保障。

本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：水下抗辐照激光测量设备，包括两个密封箱体、设于两个密封箱体内的抗辐照屏蔽层、以及分别设于两个密封箱体内的激光发射组件和激光接收组件，两个密封箱体均一侧设有开口，且两者开口处均连接有封闭开口的抗辐照玻璃板；所述激光发射组件和激光接收组件均包括反射镜，两者的反射镜均倾斜设置且远离密封箱体的开口侧；所述激光发射组件还包括激光器、激光发射镜头及倾斜设置的两面镜，所述两面镜、激光器及激光发射镜头均靠近密封箱体开口侧设置，激光发射镜头正对抗辐照玻璃板，两面镜的同一镜面同时面对激光发射组件中反射镜的镜面和激光器，激光发射组件中反射镜的镜面同时面对两面镜的镜面和激光发射镜头；所述激光接收组件还包括光电转换器和激光接收镜头，所述光电转换器和激光接收镜头均靠近密封箱体开口侧设置，激光接收镜头正对抗辐照玻璃板，激光接收组件中反射镜的镜面同时面对光电转换器和激光接收镜头。本发明应用时不局限于在水下对燃料棒直径、燃料棒之间的间隙进行测量，还可以在水下对辐照后的控制棒组件及相关组件的棒外径及间隙进行测量。

本发明用于检测燃料组件中燃料棒直径、燃料棒之间的间隙时，使两面镜旋转，激光器发射的激光束投射到旋转的两面镜上，经激光发射组件的反射镜反射后依次经过激光发射镜头、抗辐照玻璃板及激光接收镜头，再经过激光接收组件的反射镜由光电转换器接收。本发明通过测量由扫描的激光束造成的高电平和低电平区域之间的计时差别达到测量被测物体外径和物体间隙的目的，其中，具体测量过程为由两面镜的旋转产生激光束在两面透镜之间形成扫描场，当激光束以速度v在时间Δt₁内扫过被测物体时，光电接收器接收黑暗区信号为低电平；在时间Δt₂内扫过被测物体之间间隙时，光电接收器接收明亮区信号为高电平。显然，被测物宽度D=v×Δt₁，被测物间隙d=v×Δt_2。通过测出时间Δt₁和Δt2，即可求出宽度D和间隙d。

进一步的，所述激光发射组件和激光接收组件的数量均为两个，两个激光发射组件设于同一密封箱体内，两个激光发射组件水平高度相同且在纵向上间隔一定距离设置；两个激光接收组件设于同一密封箱体内，两个激光接收组件水平高度相同且在纵向上间隔一定距离设置。

进一步的，所述激光发射镜头和激光接收镜头均采用含铈玻璃材料制成，所述抗辐照屏蔽层采用铅制成。其中，激光发射镜头和激光接收镜头采用含铈玻璃材料制成，能解决光学镜头组在强辐射环境中变色问题，保证了本发明在恶劣强辐射环境中的使用寿命。

进一步的，所述密封箱体内设有水下电源主板，所述水下电源主板通过通信电缆同时为激光发射组件和激光接收组件供电。

进一步的，所述密封箱体连接有防水接头组件，所述防水接头组件包括管状的防水接座和管状的防水接头，所述防水接座与密封箱体的侧壁连接且接通密封箱体内部与外界，所述防水接头一端套设在防水接座上，所述密封箱体和防水接头两者与防水接座之间均设置有密封垫圈。其中，防水接头组件供通讯电缆穿过。

进一步的，所述检漏管一端与两个密封箱体中容置激光发射组件的密封箱体连接且接通外界与该密封箱体内部，其另一端连接有封头；所述检漏管与封头之间设置有密封垫圈。本发明的检漏管为箱体密封检查使用的水压、氦检漏二合一的检漏管，能解决工程应用中设备的密封性检查难题。

进一步的，水下抗辐照激光测量设备，还包括控制系统，所述控制系统包括水上控制箱、水下处理电路板及上位机，所述水上控制箱包括控制器及与控制器连接的显示器和键盘板，控制器与上位机连接；所述水下处理电路板设于容置激光接收组件的密封箱体内，水下处理电路板包括顺次连接的信号放大电路、检波电路、波形处理电路、数字信号处理电路，所述处理器通过通讯电缆与水上控制箱的控制器连接，所述信号放大电路与光电转换器连接，信号放大电路上设置有数字电位器。本发明应用时，光电转换器对激光信号进行接收后将接收的信号转换成高低电平的电压信号，测量信号依次通过信号放大电路放大、检波电路滤波及波形处理电路整形，处理后的信号传输至高速数字信号处理电路完成测量信号从模拟信号到数字信号转换，通过处理器对采集的数据进行计算、校正、转换、参数处理、通讯解码软件算法处理，再将测量信号传输至水上控制箱的控制器。其中，显示器用于显示测量数据，键盘板用于对水下激光信号增益等参数进行修正，如此，在水上可完成本发明测量的设定。本发明的上位机通过水上控制箱读取测量结果，在正常通讯情况下水上控制箱会定时的向水下测量系统请求测量结果，而上位机则处于监听状态，当上位机监听到水下返传数据后即可将数据存入数据库实现数据统计。

进一步的，所述处理器和控制器均采用STM32系列的ARM处理器，数字信号处理电路采用EPM1270芯片。其中，处理器和控制器均采用STM32系列的ARM处理器，能提升测量数据处理功能，降低本发明的发热量。

进一步的，所述处理器和控制器均连接有磁隔离的485通讯芯片，所述处理器与控制器通过两端分别连接在两者磁隔离的485通讯芯片上的通讯电缆连接。如此，本发明应用时采用RS485总线通讯，能提升传输效率和稳定性，保证通讯的可靠性和抗干扰性。

进一步的，所述水下处理电路板设置在同一PCB板上，该PCB板具有四层PCB。本发明采用四层PCB电路板设计，能提高电路抗干扰性，同时也便于PCB布线和布局。

综上所述，本发明具有以下有益效果：（1）本发明整体结构简单，便于实现，成本低，本发明应用时在高辐照剂量的10m水深环境下，密封箱体能保证本发明水下部位的密封性能，本发明对先进压水堆核电站辐照后燃料组件进行检测，能够对辐照后燃料组件的燃料棒的肿胀、燃料棒之间的间隙进行检查，为反应堆的安全运行提供了保障。

（2）本发明还包括控制系统，控制系统包括水上控制箱、水下处理电路板及上位机，水上控制箱包括控制器及与控制器连接的显示器和键盘板，水下处理电路板包括顺次连接的信号放大电路、检波电路、波形处理电路、数字信号处理器及处理电路，信号放大电路上设置有数字电位器，本发明应用时可通过操控水上控制箱或上位机使数字电位器调节可调电阻的阻值，在陆上实现水下激光测量信号增益调节，通过控制数字电位器即可以将大多数衰减信号补偿回来，减少因信号衰减而引起的误差，能解决不同水质造成激光信号衰减而带来的测量数据扰动难题，进一步提升本发明的测量精度。

（3）本发明包括两个激光发射组件和两个激光接收组件，两个激光发射组件设于同一密封箱体内，两个激光接收组件设于同一密封箱体内，如此，能减少连接线，调试起来更加便捷，本发明应用时可采用激光双发双收模式，能提高同步采集速率和精度，能提高信号传输的稳定性。

（4）本发明的旋转镜头采用两面镜，其能解决激光光斑漂移的问题，能提高信号接收稳定性。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施例中密封箱体与防水接头组件的连接结构示意图；

图3为本发明一个具体实施例中密封箱体与检漏管的连接结构示意图；

图4为本发明一个具体实施例中控制系统的结构示意图。

附图中附图标记所对应的名称为：1、密封箱体，2、抗辐照屏蔽层，3、抗辐照玻璃板，4、反射镜，5、激光器，6、激光发射镜头，7、两面镜，8、光电转换器，9、激光接收镜头，10、防水接座，11、防水接头，12、检漏管，13、封头，14、水下处理电路。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，水下抗辐照激光测量设备，包括密封箱体1、抗辐照屏蔽层2、激光发射组件及激光接收组件，其中，密封箱体1采用不锈钢材料制成，抗辐照屏蔽层2采用铅制成。本实施例中密封箱体1的数量均为两个，抗辐照屏蔽层2设于密封箱体1内，两个密封箱体1的内壁均连接有抗辐照屏蔽层2，激光发射组件和激光接收组件分别设于两个密封箱体1内。本实施例中两个密封箱体1均一侧设有开口，两者开口处均连接有封闭开口的抗辐照玻璃板3，抗辐照玻璃板3采用含铈玻璃材料制成。本实施例的激光发射组件和激光接收组件均包括反射镜4，两者的反射镜4均倾斜设置且远离密封箱体1的开口侧。本实施例的激光发射组件还包括激光器5、激光发射镜头6及倾斜设置的两面镜7，两面镜7、激光器5及激光发射镜头6均靠近密封箱体1开口侧设置，激光发射镜头6正对抗辐照玻璃板3，两面镜7的同一镜面同时面对激光发射组件中反射镜4的镜面和激光器5，激光发射组件中反射镜4的镜面同时面对两面镜7的镜面和激光发射镜头6。本实施例的激光接收组件还包括光电转换器8和激光接收镜头9，光电转换器8和激光接收镜头9均靠近密封箱体1开口侧设置，激光接收镜头9正对抗辐照玻璃板3，激光接收组件中反射镜4的镜面同时面对光电转换器8和激光接收镜头9。本实施例的密封箱体1内设有水下电源主板，水下电源主板通过通信电缆同时为激光发射组件和激光接收组件供电。

本实施例的密封箱体1经过水压试验证明，能够承受0.3MPa水压30min，满足水下10米水深测量的设备密封性要求。本实施例经过深水辐照考验和检测装置的性能试验检查，在高剂量率的情况下可以承受16250Gy的累积辐照剂量，可以在10米水深的条件下长时间工作，测量不确定度在0.05mm，重复测量精度在0.03mm以内，测量范围1~230mm。

本实施例应用时，燃料组件设于两个密封箱体1之间，两个密封箱体1连接有抗辐照屏蔽层2的一侧正对燃料组件。本实施例在对燃料组件第一个对面检测完成后，旋转90°进行另外一个对面测量。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做出了如下进一步限定：本实施例中激光发射组件和激光接收组件的数量均为两个，两个激光发射组件设于同一密封箱体1内，两个激光发射组件水平高度相同且在纵向上间隔一定距离设置。两个激光接收组件设于同一密封箱体1内，两个激光接收组件水平高度相同且在纵向上间隔一定距离设置。本实施例在具体设置时，两个激光发射组件互为镜像对称设置，两个激光接收组件互为镜像对称设置。

实施例3：

如图2所示，本实施例在实施例1或实施例2的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的密封箱体1连接有防水接头组件，其中，防水接头组件包括管状的防水接座10和管状的防水接头11，密封箱体1设置有贯穿其侧壁的螺纹孔，防水接座10一端构成有与密封箱体1上螺纹孔匹配的外螺纹，防水接座10的螺纹端嵌入密封箱体1的螺纹孔内，且通过螺纹匹配的方式与密封箱体1连接。如此，防水接座10接通密封箱体1内部与外界。本实施例的防水接座10侧壁外凸构成有与防水接座10同轴设置的第一定位凸环，第一定位凸环一侧的环形端面与密封箱体1的外侧壁接触，为了保证密封箱体1与防水接座10之间的密封性能，第一定位凸环与密封箱体1的外侧壁之间设置有密封垫圈。本实施例的防水接头11一端套设在防水接座10未设置螺纹的一端上，防水接头11嵌入防水接座10一端的端头部位外侧壁外凸构成有与防水接头11同轴设置的第二定位凸环，第二定位凸环与第一定位凸环接触，且第二定位凸环与第一定位凸环之间设置有密封垫圈。

实施例4：

如图3所示，本实施例在实施例1～实施例3中任意一个实施例的基础上做出了如下进一步限定：本实施例还包括检漏管12，其中，检漏管12一端与两个密封箱体1中容置激光发射组件的密封箱体1连接且接通外界与该密封箱体1内部，其另一端连接有封头13。为了保证检漏管12与封头13之间的密封性能，本实施例的检漏管12与封头13之间设置有密封垫圈。本实施例在对密封箱体1进行水压试验时，打开检漏管12的封头13，通过水压试验接头使水压管与检漏管12固定，并确保水压管与水压试验接头密封性。本实施例在进行密封箱体1氦检漏试验过程中，采用吸枪法对密封箱体1进行检查，打开检漏管12上的封头13，往密封箱体1内通入氦气，达到一定浓度时将检漏管12的封头13安装就位，此时用吸枪在密封箱体1各密封部位、焊缝处进行氦气泄漏密封性检查，确保密封箱体1的密封效果。

实施例5：

如图4所示，本实施例在实施例1～实施例4的基础上做出了如下进一步限定：本实施例还包括控制系统，控制系统包括水上控制箱、水下处理电路板14及上位机，其中，上位机采用计算机，水上控制箱包括控制器及与控制器连接的显示器和键盘板，控制器与上位机连接。水下处理电路板14设于容置激光接收组件的密封箱体1内，水下处理电路板14包括顺次连接的信号放大电路、检波电路、波形处理电路、数字信号处理电路，处理器通过通讯电缆与水上控制箱的控制器连接，所述信号放大电路与光电转换器8连接，信号放大电路上设置有数字电位器。本实施例的数字电位器采用耐压值达15V的高速数字电位器，通过SPI或I2C接口可以控制其电阻20K内256级可调，这样可以更方面的从水上控制箱控制激光接收组件的信号幅度，接收端的信号幅度因为水质的原因经常发生大幅度的衰减，通过控制数字电位器即可以实现对激光检测信号补偿回来，减少信号衰减带来的测量误差。本实施例的处理器和控制器均采用STM32系列的ARM处理器，数字信号处理电路采用EPM1270芯片。

实施例6：

本实施例在实施例5的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的处理器和控制器均连接有磁隔离的485通讯芯片，其中，处理器与控制器通过两端分别连接在两者磁隔离的485通讯芯片上的通讯电缆连接。

实施例7：

本实施例在实施例5或实施例6的基础上做出了如下进一步限定：本实施例的水下处理电路板14设置在同一PCB板上，该PCB板具有四层PCB。本实施例在具体设置时，其中两层PCB分别作为电源和地线层，地线和密封箱体1壳体直接与大地相连接，能进一步提升抗干扰效果。

如上所述，可较好的实现本发明。

Claims (10)

1.水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，包括两个密封箱体（1）、设于两个密封箱体（1）内的抗辐照屏蔽层（2）、以及分别设于两个密封箱体（1）内的激光发射组件和激光接收组件，两个密封箱体（1）均一侧设有开口，且两者开口处均连接有封闭开口的抗辐照玻璃板（3）；所述激光发射组件和激光接收组件均包括反射镜（4），两者的反射镜（4）均倾斜设置且远离密封箱体（1）的开口侧；所述激光发射组件还包括激光器（5）、激光发射镜头（6）及倾斜设置的两面镜（7），所述两面镜（7）、激光器（5）及激光发射镜头（6）均靠近密封箱体（1）开口侧设置，激光发射镜头（6）正对抗辐照玻璃板（3），两面镜（7）的同一镜面同时面对激光发射组件中反射镜（4）的镜面和激光器（5），激光发射组件中反射镜（4）的镜面同时面对两面镜（7）的镜面和激光发射镜头（6）；所述激光接收组件还包括光电转换器（8）和激光接收镜头（9），所述光电转换器（8）和激光接收镜头（9）均靠近密封箱体（1）开口侧设置，激光接收镜头（9）正对抗辐照玻璃板（3），激光接收组件中反射镜（4）的镜面同时面对光电转换器（8）和激光接收镜头（9）。

2.根据权利要求1所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，所述激光发射组件和激光接收组件的数量均为两个，两个激光发射组件设于同一密封箱体（1）内，两个激光发射组件水平高度相同且在纵向上间隔一定距离设置；两个激光接收组件设于同一密封箱体（1）内，两个激光接收组件水平高度相同且在纵向上间隔一定距离设置。

3.根据权利要求1所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，所述激光发射镜头（6）和激光接收镜头（9）均采用含铈玻璃材料制成，所述抗辐照屏蔽层（2）采用铅制成。

4.根据权利要求1所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，所述密封箱体（1）内设有水下电源主板，所述水下电源主板通过通信电缆同时为激光发射组件和激光接收组件供电。

5.根据权利要求1所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，所述密封箱体（1）连接有防水接头组件，所述防水接头组件包括管状的防水接座（10）和管状的防水接头（11），所述防水接座（10）与密封箱体（1）的侧壁连接且接通密封箱体（1）内部与外界，所述防水接头（11）一端套设在防水接座（10）上，所述密封箱体（1）和防水接头（11）两者与防水接座（10）之间均设置有密封垫圈。

6.根据权利要求1所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，还包括检漏管（12），所述检漏管（12）一端与两个密封箱体（1）中容置激光发射组件的密封箱体（1）连接且接通外界与该密封箱体（1）内部，其另一端连接有封头（13）；所述检漏管（12）与封头（13）之间设置有密封垫圈。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括水上控制箱、水下处理电路板（14）及上位机，所述水上控制箱包括控制器及与控制器连接的显示器和键盘板，控制器与上位机连接；所述水下处理电路板（14）设于容置激光接收组件的密封箱体（1）内，水下处理电路板（14）包括顺次连接的信号放大电路、检波电路、波形处理电路、数字信号处理电路，所述处理器通过通讯电缆与水上控制箱的控制器连接，所述信号放大电路与光电转换器（8）连接，信号放大电路上设置有数字电位器。

8.根据权利要求7所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，所述处理器和控制器均采用STM32系列的ARM处理器，数字信号处理电路采用EPM1270芯片。

9.根据权利要求7所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，所述处理器和控制器均连接有磁隔离的485通讯芯片，所述处理器与控制器通过两端分别连接在两者磁隔离的485通讯芯片上的通讯电缆连接。

10.根据权利要求7所述的水下抗辐照激光测量设备，其特征在于，所述水下处理电路板（14）设置在同一PCB板上，该PCB板具有四层PCB。