CN109557057A - 一种用于核电站主管道内的光纤libs探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置及方法，包括光纤LIBS探测器和主控检测系统两个部分；主控检测系统安装于核电站主控室内，光纤LIBS探测器进入管道内进行探测作业，两者之间通过传输光纤和控制信号线相连。本发明主控检测系统和光纤LIBS探测器通过耐高温的高功率传输光纤和控制信号线相连，在核电站主控室内即可实现对核电站主管道内壁指定区域进行定位定点的远程在线检测，无须对待测管道进行预处理，管道内壁微损甚至无损，可实现多种元素的同时快速定量分析，整个检测过程操作安全可靠效率高。

Description

一种用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置及方法
【技术领域】
本发明属于激光诊断技术领域，涉及一种用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置及方法。
【背景技术】
反应堆关键结构的状态监测、维修及评价技术是核电安全性和经济性的重要支撑，为保障核电设备在制造后和运行中结构不存在危害性缺陷和损伤，核电相关法规要求对核电设备关键部件进行在役和役前无损检测。由于核电站的高放射性、高温、高压等恶劣运行环境，常规的检测手段，如X射线照相技术、超声技术、涡流技术，难以实现远距离的在线测量。新近发展的远程在线检测技术如声发射技术和电化学技术也都有着各自的局限性：如声发射技术只能检测正在遭受破坏的材料所发出的压力波信号，不能对其寿命进行评估和预测；电化学技术则需要对核电系统加入小振幅的电信号扰动，可能会对系统造成不利影响。
激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,以下简称LIBS技术)是利用激光诱导待测材料表面产生的等离子体的发射光谱定量测量样品元素组分、力学参数等的测量技术。与其他检测手段相比，LIBS技术具有明显的优势：远程在线原位检测，样本微损甚至无损，无须样本预处理，可实现多种元素同时分析等。
光纤传输激光诱导击穿光谱技术(以下简称光纤LIBS技术)是对前有的传统诱导击穿光谱技术的改进与创新，更加适应极端场合的检测任务：利用光纤传输激光聚焦样品表面形成等离子体，同时对等离子体发射光谱进行收集，并采用光谱后处理算法分析以确定待测样品的物质成分及含量。该技术在核电厂、核电站检修维护企业、核燃料制造厂、乏燃料处理厂等场所具有巨大的潜在应用价值，可以通过光纤LIBS技术检测高温、高压、高辐射的生产线中主管道或蒸汽过热弯管道等人工难以到达的地方。
然而，现在已开发的光纤LIBS装置也存在以下不足之处。一方面，传统的便携式光纤LIBS探测系统无法适应核电站主管道内的工作环境，也无法深入核电站主管道内对管道内壁指定区域进行远程控制检测(例如，华中科技大学，曾晓雁等，基于光纤激光器的便携式激光探针成分分析仪,[P]，中国，2013107403189.20151104)；另一方面，由于光纤LIBS技术传输激光轰击靶材料的能量密度一般低于传统LIBS，造成了较差元素灵敏度和元素检测限，导致某些关键元素的检测能力不够，甚至失效。为解决这一问题，需要针对特定元素的检测需求制造相应的特殊气体介质环境，改善光谱信号信背比，提高关键元素的检测灵敏度。目前我国还尚未建立针对核电站钢材的激光诱导光谱数据库及其元素组分的定量测量方法。此外，在检测仪器设备方面，针对复杂辐射场、高温高湿度等严苛的工作环境，可实现远程控制可靠运行的LIBS系统仍有待于进一步发展。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置及方法，将探测器车载控制系统同光纤LIBS技术相结合，基于成像方式聚焦激光击穿表面收集光谱，主要用于定性与定量分析测定主管道内壁材料的元素成分，实现在核电站停堆检修的环境下对主管道材料化学成分、力学性能变化的检测。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，包括光纤LIBS探测器和主控检测系统；主控检测系统安装于核电站主控室内，光纤LIBS探测器进入管道内进行探测作业，两者之间通过传输光纤和控制信号线相连。
本发明进一步的改进在于：
光纤LIBS探测器包括升降台，升降台上安装有旋转机构，旋转机构上连接有伸缩机构，伸缩机构的端部安装有光纤LIBS探头；升降台的底部设置有升降驱动机构，升降驱动机构的底部安装有移动组件；光纤LIBS探头与传输光纤的一端相连。
伸缩机构与光纤LIBS探头的连接处安装有径向距离传感器、照明灯和摄像头；旋转机构与伸缩机构的连接处设置有旋转止动栓。
光纤LIBS探头包括探头外腔和探头内腔，探头外腔与探头内腔通过尾部的螺纹结构连接固定；探头外腔的头部安装有外调节器；探头内腔的头部安装有内调节器；探头内腔的尾部安装有光纤连接器，内调节器内通过卡环固定安装有探头平凸透镜；外调节器与探头外腔之间设置有外限位环，内调节器与探头内腔之间设置有内限位环；外调节器的侧面对称设置有两个气嘴；
光纤连接器、探头平凸透镜、外调节器在同一光路上，且光纤连接器中心、探头平凸透镜中心、外调节器中心在同一直线上；其中，探头平凸透镜的直径为25.4mm，焦距为16mm。
移动组件包括两个侧向驱动轮和两个从动轮，侧向驱动轮上均安装有侧轮驱动机构；侧向驱动轮和从动轮均通过车轮伸缩杆与升降驱动机构的底板相连接；升降驱动机构的底板前端安装有前向距离传感器，侧面安装有侧向距离传感器。
两个气嘴的开口方向设计为正相对，两个气嘴与同一个气瓶和调节阀相连，从外部气管涌入的气流流速相同，并在外调节器内部中央位置对冲，气流速度在此得到缓冲，气流将沿外调节器轴向方向移动，保证激光聚焦在待测管道内表面焦点位置始终置于气体介质环境中；在与两个气嘴所在直线相垂直的方向上，外调节器设有一个90°的开口，外调节器内的气体能够从此开口溢散出。
主控检测系统包括纳秒激光器，沿纳秒激光器激光输出光路上依次设置第一分光镜、第二分光镜和二向色镜；激光通过二向色镜的反射后进入光纤耦合器，光纤耦合器通过第一平凸透镜聚焦进入传输光纤中进行传输，进入光纤LIBS探测器聚焦到待测管道；在激光聚焦打靶后产生的等离子体发射光子沿可逆的光路射出，传输光纤的激光输出端变为光子输入端，传输光纤的激光输入端变为光子输出端；此时，光子束从传输光纤的光子输出端射出，通过第一平凸透镜变为平行光，平行光透射过二向色镜，经过第二平凸透镜聚焦到收集光纤内，由收集光纤输入到光谱仪中，光谱仪与计算机电连接，计算机与控制模块相交互，控制模块通过控制信号线与光纤LIBS探测器相连；
第一分光镜的反射光路上设置有光电探测器，光电探测器与示波器电连接，示波器与ICCD电连接；第二分光镜的反射光路上设置有激光能量计；纳秒激光器、ICCD和光谱仪均与可编程脉冲延迟发生器相连。
传输光纤为耐高温聚酰亚胺涂层的多模光纤，光纤封装的保护管采用不锈钢材料，外径为6mm，光纤纤芯直径为600μm，数值孔径为0.22，包层直径为660μm，涂覆层直径为710μm，可传输激光的波长范围为185-1100nm，最大功率密度1GW/cm2；收集光纤为二氧化硅包层的多模光纤，光纤长度为1m，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22。
伸缩机构安装于旋转机构的转盘圆心位置，通过控制旋转机构带动伸缩机构在xOz平面上旋转，以满足在待测管道内同一位置处不同方向上的检测工作；旋转止动栓安装于旋转机构的转盘正下方；径向距离传感器、侧向距离传感器、前向距离传感器均为高频超声波探头；侧轮驱动机构、升降驱动机构、旋转机构、伸缩机构均采用不锈钢材料密闭封装；光纤LIBS探测器的其余结构均采用不锈钢材料。
一种用于核电站主管道内的光纤LIBS探测方法，包括以下步骤：
步骤1：探测器调整
首先根据待测管道的公称内径选择合适尺寸型号的外调节器；调节四个车轮伸缩杆的长度，并调节两侧的车轮伸缩杆与升降台的底部平面之间的夹角，使两个侧向驱动轮和两个从动轮与待测管道内壁充分贴合接触；判断两个侧向距离传感器所测数值是否相同，如若不同则继续调节四个车轮伸缩杆，使两个侧向距离传感器的数值相同，保证光纤LIBS探测器在x方向上位于管道的中央位置；将伸缩伸长，使光纤LIBS探测器与待测管道正上方的内壁面完全贴合；将纳秒激光器设置在内触发工作模式，在计算机上设置ICCD的门宽和延时，观察收集到的元素特征线辐射光谱的强度是否最大；如果不是最大，则通过调节内调节器在探头内腔上的位置来调节物距，通过微调外调节器在探头外腔上的位置来调节像距，多次重复该步骤直到观测到最大强度的元素光谱谱线，并固定内调节器和外调节器的位置；
步骤2：探测器定位
通过计算机控制升降台的升降，若侧向距离传感器所测数值小于径向距离传感器，则控制升降台上升；若侧向距离传感器所测数值大于径向距离传感器，则控制升降台下降，保证光纤LIBS探测器A在z方向上位于管道中央，即旋转机构的转盘圆心置于待测管道的圆心处；通过计算机远程控制打开照明灯，调节伸缩杆伸缩，通过计算机自动调节摄像头的焦距，使得在计算机上能够清晰观测到待测管道内壁的图像；将两个侧轮驱动机构的转速设为相同，控制光纤LIBS探测器A沿待测管道内壁直线前进；在计算机上的控制程序中设置合适的转弯阈值，当前向距离传感器所测数值小于该转完阈值时，认为光纤LIBS探测器A进入管道转弯段；此时若左侧的侧向距离传感器所测数值大于右侧的侧向距离传感器，则计算机中程序设定右侧的侧轮驱动机构转速大于左侧的侧轮驱动机构，使得光纤LIBS探测器A左转，反之亦然；如此控制光纤LIBS探测器A在待测管道中行进，直到探测器到达管道内壁待测位置，通过计算机控制旋转机构的旋转，带动伸缩机构上的摄像头在xOz平面上旋转，直到待测区域落于摄像头拍摄图像的正中，关闭照明灯，操控旋转机构旋转该固定角度使光纤LIBS探头旋转至摄像头所在位置处，调节伸缩杆伸长，直到外调节器与待测管道内壁面完全贴合，并且待测区域正好位于贴合曲面的正中位置；
步骤3：探测分析处理
将纳秒激光器设定为外触发工作模式，通过设置可编程脉冲延迟发生器的参数来控制纳秒激光器的出光及ICCD的开门信号；打开气管开关和调节阀，使介质气流通过两个正对的气嘴向光纤LIBS探头内充入所需的气体介质；光谱仪在每次进行待测管道的测量之前，将进行环境背景光谱的采样；每次测量时，纳秒激光器将以1Hz的频率发射出50发次的脉冲激光，每次激光击穿待测管道内壁待测区域产生的等离子体光谱经过光路传输到光谱仪中；光谱仪自动将收集到的50幅等离子体发光光谱累加后在计算机上显示，通过软件自动将所得到的光谱数据对比NIST标准光谱数据库，分析得到待测区域中所含多种元素的种类及谱线强度，选择需要定量分析的元素，软件将自动选择对应的最优可用特征谱线，集合核电站光纤LIBS标样数据库建立定标曲线模型以确定待测区域中的元素含量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明主控检测系统安装于核电站主控室内，光纤LIBS探测器进入核电站主管道内进行探测作业，两者之间通过耐高温的高功率传输光纤和控制信号线相连，在核电站主控室内即可实现对核电站主管道内壁指定区域进行定位定点的远程在线检测，无须对待测管道进行预处理，管道内壁微损甚至无损，可实现多种元素的同时快速定量分析，整个检测过程操作安全可靠效率高。
进一步的，本发明光纤LIBS探测器，包括传感组件、移动组件、升降组件、旋转组件、伸缩组件和摄像组件。设计相应流程的控制程序，通过计算机控制侧轮驱动装置的电机转速、升降台的升降、旋转机构的转停、伸缩杆的伸缩、照明灯的开关以及摄像头的焦距，可实现在停堆检修时对核电站主管道内全方位的自动检测。
【附图说明】
图1为一种用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置的总体结构图；
图2为光纤LIBS探测器的三维结构图；
图3为控制模块与光纤LIBS探测器之间的信号连接框图；
图4为光纤LIBS探头的具体结构示意图；
图5为光纤LIBS探头贴合待测管道内表面击穿诱导产生等离子体羽的剖面示意图；
图6为核电站主管道用Z3CN20-09M钢的在50发激光脉冲下的累加光谱图；
图7为光纤LIBS探测装置探测器调整环节的工作流程图；
图8为光纤LIBS探测装置探测器定位环节的工作流程图；
图9为光纤LIBS探测装置探测分析处理环节的工作流程图。
图中：A-光纤LISB探测装置的光纤LIBS探测器部分；B-光纤LIBS探测装置的主控检测系统；1-光纤LIBS探头；2-照明灯；3-径向距离传感器；4-摄像头；5-伸缩机构；6-旋转机构；7-旋转止动栓；8-升降台；9-升降驱动机构；10-侧向距离传感器；11-侧轮驱动机构；12-车轮伸缩杆；13-从动轮；14-前向距离传感器；15-侧向驱动轮；16-传输光纤；17-光纤耦合器；18-第一平凸透镜；19-激光能量计；20-二向色镜；21-第二平凸透镜；22-第二分光镜；23-第一分光镜；24-光电探测器；25-示波器；26-纳秒激光器；27-ICCD；28-光谱仪；29-计算机；30-可编程脉冲延迟发生器；31-收集光纤；32-控制模块；33-控制信号线；34-外调节器；35-外限位环；36-内调节器；37-光纤连接器；38-探头内腔；39-内限位环；40-探头外腔；41-探头平凸透镜；42-气嘴；43-等离子体羽；44-待测管道。
【具体实施方式】
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，包括光纤LIBS探测器A和主控检测系统B两个部分；如图2所示，光纤LIBS探测器A包括光纤LIBS探头1、照明灯2、径向距离传感器3、摄像头4、伸缩机构5、旋转机构6、旋转止动栓7、升降台8、升降驱动机构9、侧向距离传感器10、侧轮驱动机构11、车轮伸缩杆12、从动轮13、前向距离传感器14以及侧向驱动轮15组成；主控检测系统B包括光纤耦合器17、第一平凸透镜18、激光能量计19、二向色镜20、第二平凸透镜21、第二分光镜22、第一分光镜23、光电探测器24、示波器25、纳秒激光器26、ICCD27、光谱仪28、计算机29、可编程脉冲延迟发生器30、收集光纤31以及控制模块32。主控检测系统B安装于核电站主控室内，光纤LIBS探测器A进入管道内进行探测作业，两者之间通过传输光纤16和控制信号线33相连。
本发明所使用的传输光纤16为耐高温聚酰亚胺涂层的多模光纤，光纤封装的保护管采用不锈钢材料，外径为6mm，光纤纤芯直径为600μm，数值孔径为0.22，包层直径为660μm，涂覆层直径为710μm，可传输激光的波长范围为185-1100nm，最大功率密度1GW/cm2，其可在-190～350℃的环境下长期工作，适应于在停堆检修时核电站主管道内的高温恶劣环境。传输光纤16的一段连接到光纤耦合器17上，另一端连接到光纤LIBS探头1上，负责传递激光能量与等离子体发光光子，可按需选择合适长度的传输光纤16以满足探测作业需求；主控检测系统B中的收集光纤31为二氧化硅包层的多模光纤，光纤长度为1m，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22。传输光纤16和收集光纤31的两端均使用SMA905不锈钢光纤连接器连接。在实际使用过程中，可根据实际需要更换不同型号、不同长度、不同直径和不同数值孔径的传输光纤16和收集光纤31。
主控检测系统B中的纳秒激光器26、第一分光镜23、第二分光镜22、二向色镜20均位于同一光路，且第一分光镜23、第二分光镜22、二向色镜20均与纳秒激光器26的输出激光光轴成45°夹角；纳秒激光器26输出激光一路透过第一分光镜23，一路被其分光到光电探测器24中，用于监控输出激光的动作信号；透过第一分光镜23的激光一路继续透过第二分光镜22，一路被其分光到激光能量计19中，通过实验提前测得两个分光镜的分光比例，从而可以监控纳秒激光器输出激光的实际能量。
光纤耦合器17、二向色镜20、第二平凸透镜21位于同一光路，光纤耦合器17安装在二向色镜20的反射面一侧，第二平凸透镜21安装在二向色镜20的透射面一侧；其中，第二平凸透镜21的直径为12.7mm，焦距为40mm；光纤耦合器17内的第一平凸透镜18直径为12.7mm，焦距为100mm；第二平凸透镜21与第一平凸透镜18均与纳秒激光器26的输出激光光轴平行。
本发明所使用的纳秒激光器26为Nd：YAG纳秒激光器，该激光器出射光的波长为1064nm，工作频率为1-10Hz，脉冲宽度FWHM为10ns，最大脉冲能量为150mJ，激光光束直径为6mm。
二向色镜20为短波通二向色镜，直径为50.8mm，截止波长为805nm。对于830-1300nm波长的光，二向色镜20的反射率可以达到96％以上；对于波长为400-792nm波长的光，其通光率也能达到90％以上。
纳秒激光器26的输出的波长为1064nm的激光经过二向色镜20反射后进入光纤耦合器17中，通过第一平凸透镜18聚焦进入耐高温的高功率传输光纤16中进行传输，进入光纤LIBS探头1聚焦到待测管道44；另一方面，在每次激光聚焦打靶后产生的等离子体发射光子沿可逆的光路从光纤LIBS探头1中射出。此时，传输光纤16的激光输出端变为光子输入端，传输光纤16的激光输入端变为光子的输出端。从传输光纤16光子输出端射出的光束通过第一平凸透镜18变为平行光，平行光可以透过二向色镜20，并经过第二平凸透镜21聚焦到收集光纤31内，进而输入到光谱仪28中。
图2是光纤LIBS探测器A的三维结构图。光纤LIBS探测器A包括传感组件、移动组件、升降组件、旋转组件、伸缩组件和摄像组件。
本发明中所述的传感组件包括径向传感器3、侧向传感器10和前向距离传感器14。径向距离传感器3安装于伸缩机构6的伸缩杆前端，用于探测光纤LIBS探头与待测管道44内壁之间的距离；侧向距离传感器10用于测量光纤LIBS探测器A与待测管道44内左右两侧壁之间的距离，以判断光纤LIBS探测器A是否在待测管道44内的中央位置；前向距离传感器14用于探测光纤LIBS探测器A与其行进方向上的待测管道44内前壁面的距离，以判断光纤LIBS探测器A是否到达待测管道44的转弯位置。
本发明中所述的移动组件包括侧轮驱动机构11、车轮伸缩杆12、从动轮13和侧向驱动轮15。安装在光纤LIBS探测器A前后的车轮伸缩杆12一端与从动轮13相连，另一端固定在升降台8上，杆身与升降台8的底部平面固定成90°夹角；安装在光纤LIBS探测器A左右两侧的车轮伸缩杆12一端与侧向驱动轮15相连，另一端连接到升降台8的调节螺钉上。拧松调节螺钉时，可以使杆身在xOz平面上进行调节，改变杆身与升降台8的底部平面之间的夹角，并可通过拧紧调节螺钉固定两侧的车轮伸缩杆12的角度和位置。
与两个侧向驱动轮15和两个从动轮14相连的四根车轮伸缩杆12均可在杆身方向上进行伸缩调节，另外也可以调节两侧的车轮伸缩杆12与升降台8的底部平面之间的夹角。针对不同直径的待测管道44，通过上述的调节方法可以使两个侧向驱动轮15和两个从动轮14与待测管道44内壁充分贴合接触，进而使光纤LIBS探测器A在待测管道44内安放时受力均匀，避免在管道内行进过程中出现打滑现象。
两个侧向驱动轮15均装有侧轮驱动机构11，两个侧轮驱动机11构通过电机分别带动两个侧向驱动轮15转动，进而带动前后两个从动轮14在管道内滚动。当两个侧向驱动轮15的转速相同时，光纤LIBS探测器A沿直线前进；若左边的侧向驱动轮转速大于右边侧向驱动轮时，光纤LIBS探测器A向右转弯；若右边的侧向驱动轮转速大于左边侧向驱动轮时，光纤LIBS探测器向左转弯。
本发明中所述的升降组件包括升降台8和升降驱动机构9。升降驱动机构9中的电机若正向旋转，则升降台8上升；升降驱动机构9中的电机若反向旋转，则升降台8下降。在调整好光纤LIBS探测器A在左右方向上的姿态后，通过调节升降台8的升降，使光纤LIBS探测器A置于整个管道的中央位置，即旋转机构6的转盘圆心置于待测管道44的圆心处。
本发明中所述的旋转组件包括旋转机构6和旋转止动栓7。旋转机构6安装于升降台8上，伸缩机构5安装于旋转机构6的转盘圆心位置，可通过控制旋转机构6带动伸缩机构5在xOz平面上旋转，以满足在待测管道44内同一位置处不同方向上的检测工作。旋转止动栓7安装于旋转机构6的转盘正下方，当转盘从旋转止动栓7位置开始转动，顺时针旋转360°后再次触碰到旋转止动栓7时，只能反向逆时针旋转，转盘逆时针旋转时同理，目的是为了防止伸缩机构5沿同一方向无限制旋转，造成传输光纤16的损坏。
本发明中所述的伸缩组件为伸缩机构5。伸缩机构5的伸缩杆前端安装有径向距离传感器3，伸缩杆左侧安装有摄像头4，伸缩杆右侧安装有光纤LIBS探头1，伸缩杆后侧安装有照明灯2。在进行检测时，伸缩机构5的伸缩杆伸长，使光纤LIBS探头1贴合到待测管道44的内壁面上。
本发明中所述的摄像组件包括摄像头4和照明灯2。摄像头4为自动变焦摄像头。当光纤LIBS探测器A在待测管道44内移动时，打开照明灯2，进行待测管道44内壁图像的拍摄观察。另一方面也可以通过控制伸缩杆的伸缩，调节摄像头4与待测管道44内壁的距离，使内壁面落在摄像头4的焦点位置，可以清晰地在主控室的计算机29上远程观测到待测管道44内壁的图像。
图3为控制模块32与光纤LIBS探测器A之间的信号连接框图。控制模块32与光纤LIBS探测器A之间通过控制信号线33相连。控制信号线33包括径向距离传感器3、侧向距离传感器10、前向距离传感器14、侧轮驱动机构11、升降驱动机构8、旋转机构6、伸缩机构5、照明灯2以及摄像头4与控制模块32之间的电路连接线。控制模块32与计算机29相连。径向距离传感器3、侧向距离传感器10和前向距离传感器14将所测的距离信息通过控制模块32反馈到计算机29上；通过计算机29监控两个侧向驱动轮15的转速，并向控制模块32发出指令分别控制两个侧轮驱动机构11来调节转速；通过计算机29控制升降驱动机构8来控制升降平台8的升降方向和速度，同时升降平台8的高度信息将反馈到计算机29上；通过计算机29控制旋转机构6的旋转启停和旋转方向，同时旋转机构6将转盘的旋转角度信息反馈到计算机29上；通过计算机29控制伸缩机构5的伸缩启停和伸缩方向；可以通过计算机29自动调节摄像头4的焦距，控制照明灯2的开关，便于摄像头4对待测管道44内壁面的拍摄。
由于在停堆检修时，核电站主管道中仍有部分液体存在，因此控制信号线33使用防水电缆；光纤LIBS探测器A中的径向距离传感器3、侧向距离传感器10、前向距离传感器14均为高频超声波探头；侧轮驱动机构11、升降驱动机构8、旋转机构6、伸缩机构5均采用不锈钢材料密闭封装；光纤LIBS探测器A的其余结构均采用不锈钢材料。
图4为光纤LIBS探头1的具体结构图。光纤LIBS探头1包括外调节器34、外限位环35、内调节器36、光纤连接器37、探头内腔38、内限位环39、探头外腔40、探头平凸透镜41以及气嘴42。
外调节器34为光纤LIBS探头头部，在进行检测时与待测管道44内壁面贴合；光纤连接器37为光纤LIBS探头尾部，与传输光纤16通过SMA接头相连。探头外腔40与探头内腔38通过尾部的螺纹结构连接固定；光纤连接器37安装于探头内腔38的尾部；探头平凸透镜41通过卡环固定安装于内调节器36内；外调节器34安装于探头外腔40的头部；光纤连接器37、探头平凸透镜41、外调节器34在同一光路上，且光纤连接器37中心、探头平凸透镜41中心、外调节器34中心在同一直线上。其中，探头平凸透镜41的直径为25.4mm，焦距为16mm。
光纤连接器37中心需置于探头平凸透镜41中心的一倍焦距之外，根据凸透镜成像规律，从传输光纤16激光输出端输出的激光会透过探头平凸透镜41，在透镜的另一侧汇聚为一个焦点，与外调节器34头部表面处的待测管道44的内壁面正好位于激光聚焦的交点处。设U为物距，V为像距，f为焦距，那么物距U与像距V之间满足如下关系式：
探头内腔38外表面全段均有外螺纹结构，内调节器36通过螺纹结构装配于探头内腔38的头部，并通过调节内限位环39在探头内腔38上的位置，进而调节内调节器36与光纤连接器37之间的距离，即探头平凸透镜41中心与传输光纤16激光输出端中心的距离，也就是物距U。
探头外腔40的头部加工有一小段外螺纹，外调节器34与外限位环35通过内螺纹装配于探头外腔40的头部。在一定程度上，可以通过微调外限位环35在探头外腔40头部上的位置，进而微调外调节器34与内调节器36之间的距离，即外调节器40头部中心与探头平凸透镜41中心的距离，也就是像距V。
通过上述方法，固定物距U之后，通过调节外调节器34和外限位环35的位置，微调像距V，使得激光透过探头平凸透镜41汇聚的焦点落于待测管道44的内表面处，以获得最佳的激光诱导击穿形成等离子的效果。
在激光击穿待测管道44后，形成的等离子体发光光子将沿可逆的光路，通过探头平凸透镜41聚焦到传输光纤16激光输出端的中心，此时传输光纤16的激光输出端变为光子输入端，等离子体发射光子将沿传输光纤16反向传输到主控检测系统B中。
图5是光纤LIBS探头1中的外调节器34贴合待测管道44内表面击穿诱导产生等离子体羽43的剖面示意图。外调节器34的头部外表面设计为圆柱相贯面形状，这种设计可以保证其与待测管道44内壁面完全紧密贴合。本发明针对核电站主管道热段、主管道冷段、主管道波动段三种待测管道44的公称内径尺寸，设计了相适应的贴合面形状的不同型号的外调节器34。本发明在使用过程中，可以根据实际情况，更换不同型号、不同形状、不同尺寸的外调节器34装配于光纤LIBS探头1来满足使用需求。
外调节器34的头部左右两端分别开有一个气嘴42，气嘴42与外部气瓶之间通过气嘴接头和气管相连。针对主管道内非金属元素的检测，需要通过气嘴42向外调节器34内充入氩气(Ar)、氦气(He)以及氮气(N2)等气体介质增强LIBS的光谱强度，以提高探测灵敏度和元素检出限。由于气体介质的流速会改变待测管道44内表面附近的压强，影响光纤LIBS系统所收集到的等离子体光谱，影响检测结果的准确性。因此两个气嘴42的开口方向设计为正相对，两个气嘴与同一个气瓶和调节阀相连，从外部气管涌入的气流流速相同，并在外调节器34内部中央位置对冲，气流速度在此得到缓冲，气流将沿外调节器34轴向方向移动，保证激光聚焦在待测管道44内表面焦点位置始终置于气体介质环境中。在与两个气嘴42所在直线相垂直的方向上，外调节器34设有一个90°的开口，外调节器34内的气体能够从此开口溢散出。
图6显示了核电站主管道所用Z3CN20-09M钢的在50发激光脉冲下的累加光谱。图中所标注的元素谱线是根据实际的光纤LIBS探测装置在NIST数据库基础上选择了所有没有干扰或自吸收的光谱线。Z3CN20-09M钢所含的大多数元素都能由本发明所述的光纤LIBS探测装置所检测到，如Fe、Cr、Ni、Mn、Mo、Co、Cu、Nb、Si等。然而，在这之中痕量元素(Mo、Si、Ni、Cu、Nb、Co)的谱线强度比较弱。
本发明的具体工作流程如下所示：
1.探测器调整
如图7的探测器调整环节的工作流程图所示，首先根据待测管道44的公称内径选择合适尺寸型号的外调节器34。调节四个车轮伸缩杆12的长度，并调节两侧的车轮伸缩杆12与升降台8的底部平面之间的夹角，使两个侧向驱动轮15和两个从动轮14与待测管道44内壁充分贴合接触。判断两个侧向距离传感器10所测数值是否相同，如若不同则继续调节四个车轮伸缩杆12，使两个侧向距离传感器10的数值相同，保证光纤LIBS探测器A在x方向上位于管道的中央位置。将伸缩5伸长，使光纤LIBS探测器A与待测管道44正上方的内壁面完全贴合。将纳秒激光器26设置在内触发工作模式，在计算机29上设置合适的ICCD的门宽和延时，观察收集到的元素特征线辐射光谱的强度是否最大；如果不是最大，则通过调节内调节器36在探头内腔38上的位置来调节物距U，通过微调外调节器42在探头外腔40上的位置来调节像距V，多次重复该步骤直到观测到最大强度的元素光谱谱线，并固定内调节器36和外调节器42的位置。
2.探测器定位
如图8的流程图所示，在完成探测器调整环节后，通过计算机29控制升降台8的升降，若侧向距离传感器10所测数值小于径向距离传感器3，则控制升降台8上升；若侧向距离传感器10所测数值大于径向距离传感器3，则控制升降台8下降，保证光纤LIBS探测器A在z方向上位于管道中央，即旋转机构6的转盘圆心置于待测管道44的圆心处。通过计算机29远程控制打开照明灯2，调节伸缩杆5伸缩，通过计算机29自动调节摄像头4的焦距，使得在计算机29上可以清晰观测到待测管道44内壁的图像。将两个侧轮驱动机构11的转速设为相同，控制光纤LIBS探测器A沿待测管道44内壁直线前进。在计算机29上的控制程序中设置合适的转弯阈值，当前向距离传感器14所测数值小于该转完阈值时，认为光纤LIBS探测器A进入管道转弯段；此时若左侧的侧向距离传感器10所测数值大于右侧的侧向距离传感器10，则计算机29中程序设定右侧的侧轮驱动机构11转速大于左侧的侧轮驱动机构11，使得光纤LIBS探测器A左转，反之亦然。如此控制光纤LIBS探测器A在待测管道44中行进，直到探测器到达管道内壁待测位置，通过计算机29控制旋转机构6的旋转，带动伸缩机构5上的摄像头4在xOz平面上旋转，直到待测区域落于摄像头4拍摄图像的正中，关闭照明灯2，操控旋转机构6旋转该固定角度使光纤LIBS探头1旋转至摄像头4所在位置处，调节伸缩杆5伸长，直到外调节器34与待测管道44内壁面完全贴合，并且待测区域正好位于贴合曲面的正中位置。
3.探测分析处理
图9是探测器完成定位环节后进行光纤LIBS装置探测分析处理的工作流程图。将纳秒激光器26设定为外触发工作模式，通过设置可编程脉冲延迟发生器30的参数来控制纳秒激光器26的出光及ICCD27的开门信号。打开气管开关和调节阀，使介质气流通过两个正对的气嘴42向光纤LIBS探头1内充入所需的气体介质。光谱仪28在每次进行待测管道44的测量之前，将进行环境背景光谱的采样。每次测量时，纳秒激光器26将以1Hz的频率发射出50发次的脉冲激光，每次激光击穿待测管道44内壁待测区域产生的等离子体光谱经过光路传输到光谱仪28中；光谱仪28自动将收集到的50幅等离子体发光光谱累加后在计算机29上显示，通过软件自动将所得到的光谱数据对比NIST标准光谱数据库，分析得到待测区域中所含多种元素的种类及谱线强度，选择需要定量分析的元素，软件将自动选择对应的最优可用特征谱线，集合核电站光纤LIBS标样数据库建立定标曲线模型以确定待测区域中的元素含量。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，包括光纤LIBS探测器(A)和主控检测系统(B)；主控检测系统(B)安装于核电站主控室内，光纤LIBS探测器(A)进入管道内进行探测作业，两者之间通过传输光纤(16)和控制信号线(33)相连。
2.根据权利要求1所述的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，光纤LIBS探测器(A)包括升降台(8)，升降台(8)上安装有旋转机构(6)，旋转机构(6)上连接有伸缩机构(5)，伸缩机构(5)的端部安装有光纤LIBS探头(1)；升降台(8)的底部设置有升降驱动机构(9)，升降驱动机构(9)的底部安装有移动组件；光纤LIBS探头(1)与传输光纤(16)的一端相连。
3.根据权利要求2所述的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，伸缩机构(5)与光纤LIBS探头(1)的连接处安装有径向距离传感器(3)、照明灯(2)和摄像头(4)；旋转机构(6)与伸缩机构(5)的连接处设置有旋转止动栓(7)。
4.根据权利要求2或3所述的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，光纤LIBS探头(1)包括探头外腔(40)和探头内腔(38)，探头外腔(40)与探头内腔(38)通过尾部的螺纹结构连接固定；探头外腔(40)的头部安装有外调节器(34)；探头内腔(38)的头部安装有内调节器(36)；探头内腔(38)的尾部安装有光纤连接器(37)，内调节器(36)内通过卡环固定安装有探头平凸透镜(41)；外调节器(34)与探头外腔(40)之间设置有外限位环(35)，内调节器(36)与探头内腔(38)之间设置有内限位环(39)；外调节器(34)的侧面对称设置有两个气嘴(42)；
光纤连接器(37)、探头平凸透镜(41)、外调节器(34)在同一光路上，且光纤连接器(37)中心、探头平凸透镜(41)中心、外调节器(34)中心在同一直线上；其中，探头平凸透镜(41)的直径为25.4mm，焦距为16mm。
5.根据权利要求2所述的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，移动组件包括两个侧向驱动轮(15)和两个从动轮(13)，侧向驱动轮(15)上均安装有侧轮驱动机构(11)；侧向驱动轮(15)和从动轮(13)均通过车轮伸缩杆(12)与升降驱动机构(9)的底板相连接；升降驱动机构(9)的底板前端安装有前向距离传感器(14)，侧面安装有侧向距离传感器(10)。
6.根据权利要求2所述的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，两个气嘴(42)的开口方向设计为正相对，两个气嘴与同一个气瓶和调节阀相连，从外部气管涌入的气流流速相同，并在外调节器(34)内部中央位置对冲，气流速度在此得到缓冲，气流将沿外调节器(34)轴向方向移动，保证激光聚焦在待测管道(44)内表面焦点位置始终置于气体介质环境中；在与两个气嘴(42)所在直线相垂直的方向上，外调节器(34)设有一个90°的开口，外调节器(34)内的气体能够从此开口溢散出。
7.根据权利要求1或2所述的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，主控检测系统(B)包括纳秒激光器(26)，沿纳秒激光器(26)激光输出光路上依次设置第一分光镜(23)、第二分光镜(22)和二向色镜(20)；激光通过二向色镜(20)的反射后进入光纤耦合器(17)，光纤耦合器(17)通过第一平凸透镜(18)聚焦进入传输光纤(16)中进行传输，进入光纤LIBS探测器(A)聚焦到待测管道(44)；在激光聚焦打靶后产生的等离子体发射光子沿可逆的光路射出，传输光纤(16)的激光输出端变为光子输入端，传输光纤(16)的激光输入端变为光子输出端；此时，光子束从传输光纤(16)的光子输出端射出，通过第一平凸透镜(18)变为平行光，平行光透射过二向色镜(20)，经过第二平凸透镜(21)聚焦到收集光纤(31)内，由收集光纤(31)输入到光谱仪(28)中，光谱仪(28)与计算机(29)电连接，计算机(29)与控制模块(32)相交互，控制模块(32)通过控制信号线(33)与光纤LIBS探测器(A)相连；
第一分光镜(23)的反射光路上设置有光电探测器(24)，光电探测器(24)与示波器(25)电连接，示波器(25)与ICCD(27)电连接；第二分光镜(22)的反射光路上设置有激光能量计(19)；纳秒激光器(26)、ICCD(27)和光谱仪(28)均与可编程脉冲延迟发生器(30)相连。
8.根据权利要求7所述的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，传输光纤(16)为耐高温聚酰亚胺涂层的多模光纤，光纤封装的保护管采用不锈钢材料，外径为6mm，光纤纤芯直径为600μm，数值孔径为0.22，包层直径为660μm，涂覆层直径为710μm，可传输激光的波长范围为185-1100nm，最大功率密度1GW/cm2；收集光纤(31)为二氧化硅包层的多模光纤，光纤长度为1m，光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22。
9.根据权利要求7所述的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测装置，其特征在于，伸缩机构(5)安装于旋转机构(6)的转盘圆心位置，通过控制旋转机构(6)带动伸缩机构(5)在xOz平面上旋转，以满足在待测管道(44)内同一位置处不同方向上的检测工作；旋转止动栓(7)安装于旋转机构(6)的转盘正下方；径向距离传感器(3)、侧向距离传感器(10)、前向距离传感器(14)均为高频超声波探头；侧轮驱动机构(11)、升降驱动机构(8)、旋转机构(6)、伸缩机构(5)均采用不锈钢材料密闭封装；光纤LIBS探测器(A)的其余结构均采用不锈钢材料。
10.一种采用权利要求7所述探测装置的用于核电站主管道内的光纤LIBS探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：探测器调整
首先根据待测管道(44)的公称内径选择合适尺寸型号的外调节器(34)；调节四个车轮伸缩杆(12)的长度，并调节两侧的车轮伸缩杆(12)与升降台(8)的底部平面之间的夹角，使两个侧向驱动轮(15)和两个从动轮(14)与待测管道(44)内壁充分贴合接触；判断两个侧向距离传感器(10)所测数值是否相同，如若不同则继续调节四个车轮伸缩杆(12)，使两个侧向距离传感器(10)的数值相同，保证光纤LIBS探测器(A)在x方向上位于管道的中央位置；将伸缩(5)伸长，使光纤LIBS探测器(A)与待测管道(44)正上方的内壁面完全贴合；将纳秒激光器(26)设置在内触发工作模式，在计算机(29)上设置ICCD的门宽和延时，观察收集到的元素特征线辐射光谱的强度是否最大；如果不是最大，则通过调节内调节器(36)在探头内腔(38)上的位置来调节物距，通过微调外调节器(42)在探头外腔(40)上的位置来调节像距，多次重复该步骤直到观测到最大强度的元素光谱谱线，并固定内调节器(36)和外调节器(42)的位置；
步骤2：探测器定位
通过计算机(29)控制升降台(8)的升降，若侧向距离传感器(10)所测数值小于径向距离传感器(3)，则控制升降台(8)上升；若侧向距离传感器(10)所测数值大于径向距离传感器(3)，则控制升降台(8)下降，保证光纤LIBS探测器A在z方向上位于管道中央，即旋转机构(6)的转盘圆心置于待测管道(44)的圆心处；通过计算机(29)远程控制打开照明灯(2)，调节伸缩杆(5)伸缩，通过计算机(29)自动调节摄像头(4)的焦距，使得在计算机(29)上能够清晰观测到待测管道(44)内壁的图像；将两个侧轮驱动机构(11)的转速设为相同，控制光纤LIBS探测器A沿待测管道(44)内壁直线前进；在计算机(29)上的控制程序中设置合适的转弯阈值，当前向距离传感器(14)所测数值小于该转完阈值时，认为光纤LIBS探测器A进入管道转弯段；此时若左侧的侧向距离传感器(10)所测数值大于右侧的侧向距离传感器(10)，则计算机(29)中程序设定右侧的侧轮驱动机构(11)转速大于左侧的侧轮驱动机构(11)，使得光纤LIBS探测器A左转，反之亦然；如此控制光纤LIBS探测器A在待测管道(44)中行进，直到探测器到达管道内壁待测位置，通过计算机(29)控制旋转机构(6)的旋转，带动伸缩机构(5)上的摄像头(4)在xOz平面上旋转，直到待测区域落于摄像头(4)拍摄图像的正中，关闭照明灯(2)，操控旋转机构(6)旋转该固定角度使光纤LIBS探头(1)旋转至摄像头(4)所在位置处，调节伸缩杆(5)伸长，直到外调节器(34)与待测管道(44)内壁面完全贴合，并且待测区域正好位于贴合曲面的正中位置；
步骤3：探测分析处理
将纳秒激光器(26)设定为外触发工作模式，通过设置可编程脉冲延迟发生器(30)的参数来控制纳秒激光器(26)的出光及ICCD(27)的开门信号；打开气管开关和调节阀，使介质气流通过两个正对的气嘴(42)向光纤LIBS探头(1)内充入所需的气体介质；光谱仪(28)在每次进行待测管道(44)的测量之前，将进行环境背景光谱的采样；每次测量时，纳秒激光器(26)将以1Hz的频率发射出50发次的脉冲激光，每次激光击穿待测管道(44)内壁待测区域产生的等离子体光谱经过光路传输到光谱仪(28)中；光谱仪(28)自动将收集到的50幅等离子体发光光谱累加后在计算机(29)上显示，通过软件自动将所得到的光谱数据对比NIST标准光谱数据库，分析得到待测区域中所含多种元素的种类及谱线强度，选择需要定量分析的元素，软件将自动选择对应的最优可用特征谱线，集合核电站光纤LIBS标样数据库建立定标曲线模型以确定待测区域中的元素含量。
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