CN111307196B - 一种分布式电热退火和光热退火的抗辐射方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分布式电热退火和光热退火的抗辐射方法及系统，包括控制模块、分别与所述控制模块连接的信号光源和n个大功率激光器、与所述信号光源和n个大功率激光器连接的光融合模块、分别与所述光融合模块连接的光电复合缆和光电探测器、与所述光电复合缆连接的光纤传感器、与所述光电探测器连接的采集卡以及与所述采集卡连接的上位机，所述控制模块分别与上位机和光纤传感器连接。本发明通过电热退火和光热退火来减小、消除光纤传感器在辐射环境下因辐致衰减引起的精度和测量距离的严重劣化问题，保证了光纤传感器测量的可靠性和准确性。
Description
技术领域
本发明属于抗辐射技术领域，尤其涉及一种分布式电热退火和光热退火的抗辐射方法及系统。
背景技术
随着国家大力发展核电技术，核设置的安全问题便成了核电建设和发展的重要挑战，由于核辐射的特殊工况，要求传感器具有数十年的连续服役能力。所以，对传感器的耐恶劣环境能力、长期稳定工作能力提出了极其严苛的要求，长期以来都未得到很好解决，是工程测试领域长期存在的难题。为了保证核装置的安全和可靠性，运行时需要对诸多过程参数进行实时监测，特别是环境温度的实时监测，温度偏离正常值往往反应了核装置的工况异常，它的准确可靠测量对预防核事故的发生、掌握事故状况，避免堆芯损毁、熔堆，核泄漏等重大事故具有重要作用。所以温度参数的可靠监测对于核装置的安全运行具有十分重要的意义，针对核辐射环境高辐射、高温、高压、强振动等极端环境下的测量难题，光纤传感器具有的如天然绝缘、不惧电磁干扰、结构简单、环境耐受力强、体积小、柔性好、等优点，可以准确监测核装置运行环境的温度、压力、应变等过程参数，同时由于光纤传感器的小型化和集成化优势，可有效降低仪表占用空间。但是在核辐照环境下，辐照会引起光纤的辐致损伤效应，在光纤内部产生新的缺陷中心即色心，这些色心产生的吸收光谱具有传输光信号的波长组分从而产生了附加损耗即辐致衰减，严重劣化光纤传感器的测量精度和测量距离。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种分布式电热退火和光热退火的抗辐射方法及系统，通过分布式光热退火和电热退火，减小、抵消辐致衰减引起的光纤传感器的测量精度和测量距的劣化，提高光纤传感器的抗辐射能力，保证其在辐射环境下的测量精度和测量距离。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种分布式光热退火和电热退火的抗辐射方法，包括以下步骤：
S1、对信号光源以及大功率激光器发出启动指令，同时将光电复合缆中的导线通电并设置参数；
S2、对信号光源和大功率激光器发出的光信号进行融合，并将融合后的光信经光电复合缆传输至光纤传感器中；
S3、调整光电复合缆和光纤传感器中导线的电流和调整电热退火的温度，并对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火；
S4、调整大功率激光器发出的光的光强和波长，并利用大功率激光器产生的光对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行光热退火；
S5、经光热退火和电热退火后，将所述光纤传感器中的后向散射光传入至光电探测器中，并将其光信号转换成模拟电信号；
S6、采集所述模拟电信号，并将所述模拟电信号转换成数字信号；
S7、对所述数据信号进行解调得到待测参数，并完成分布式光热退火和电热退火的抗辐射处理。
进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、针对光电复合缆中导线的电流不变时，利用NTC热敏电阻阻值的变化，调整导线的产热；
S302、根据光电复合缆中导线的产热，调整电热退火的温度，对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火。
再进一步地，所述光电复合缆在时间t内产生的热量的表达式如下：
W＝I2Rt
其中，W表示光电复合缆在时间t内产生的热量，i表示光电复合缆中导线的电流值，R表示光电复合缆中导线和NTC热敏电阻的电阻值。
基于上述方法，本发明还提供了一种分布式光热退火和电热退火的抗辐射系统，包括控制模块、分别与所述控制模块连接的信号光源和n个大功率激光器、与所述信号光源和n个大功率激光器连接的光融合模块、分别与所述光融合模块连接的光电复合缆和光电探测器、与所述光电复合缆连接的光纤传感器、与所述光电探测器连接的采集卡以及与所述采集卡连接的上位机，所述控制模块分别与上位机和光纤传感器连接；
所述控制模块，用于根据上位机发出的指令控制所述信号光源、每个大功率激光器以及光电复合缆中导线的通断；以及调整所述信号光源和每个大功率激光器的参数，以及调整光电复合缆和光纤传感器中导线的电流和调整电热退火的温度，对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火；
所述信号光源，用于产生光纤传感的光信号；
各所述大功率激光器，用于根据其产生的光对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行光热退火消除辐致衰减，校准辐射随机衰减；
所述光融合模块，用于融合所述信号光源和每个大功率激光器产生的光信号，并将融合后的光信号传输至所述光纤传感器；以及用于将所述光纤传感器中的后向散射光传入至所述光电探测器中；
所述光电探测器，用于将接收的光信号转换成模拟电信号，并将所述模拟电信号放大后传输至所述采集卡中；
所述采集卡，用于采集所述光电探测器的模拟电信号，并将模拟电信号转换成的数字信号发送至所述上位机；
所述上位机，用于向控制模块发送指令以控制抗辐射系统，同时对所述采集卡发送的数字信号进行解调，得到光纤的温度信息；
所述光电复合缆，包含传输光纤、导线及NTC热敏电阻，所述导线用于利用光电复合缆中的导线通电产热，升高光电复合缆的温度产生电热退火效应，从而与光热退火一起消除辐致衰减，恢复光纤传输性能；所述传输光纤用于传输光信号；所述NTC热敏电阻用来动态控制导线中的产热，防止光电复合缆中的温度过高；
所述光纤传感器，用于根据外界环境和内部信息的改变通过解调得到待测参数。
进一步地，所述信号光源为电光调制器的光源或声光调制器的光源；
所述光信号为脉冲信号或调制后的光信号。
再进一步地，所述光融合模块为波分复用器、光耦合器或者光开关，其中，所述光耦合器和光开关均与环形器配合使用。
再进一步地，所述光纤传感器可以替换为光纤FBG传感器、光纤珐珀传感器或分布式光纤传感器。
再进一步地，所述大功率激光器为大功率半导体激光器或气体激光器。
本发明的有益效果：
(1)本发明可以根据实际的需求通过上位机控制大功率激光器的通断及选择光退火的的波长和光强，通过光电复合缆中的导线进行电热退火，以及利用光纤中的大功率激光器发出的光进行光热退火，校准辐照引起的信号光的随机衰减，同时本发明利用NTC热敏电阻调整导线产热，当温度过高时，NTC热敏电阻阻值变小，根据产热公式W＝I2Rt，导线产热减小，温度降低，当温度较低时，NTC热敏电阻阻值变大，导线产热增大，温度升高，这样当电流一定时就可以动态调整的电热退火的温度，将热退火的温度控制在一定的范围内，防止出现温度过高的情况；
(2)本发明是一种分布式的结合电热退火和光热退火的抗辐射方案，不局限于单点或者某一个传感器，可以有效提高系统的整体抗辐照性能，从而更好的减小甚至消除辐致衰减对光纤传感器传感性能的影响；
(3)本发明可适用于不同类型的光纤传感器，只需在光融合模块根据实际传感器的类型及需求选择不同的器件组合即可；
(4)本发明可适用于不同的辐射环境，同时由于电热退火和光热退火可以效地减小甚至抵消辐射引起的斯托克斯光和反斯托克斯光的随机衰减，和其他的校准辐致衰减的方法相比，可以在保证测量精度的同时，不用牺牲系统的测量距离，因此可适用于远距离的辐照下的温度、压力、振动等参量的监控。
附图说明
图1为本发明的方法流程。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本实施例中光电复合缆结构图。
图4为本实施例中不同类型传感器连接示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种分布式电热退火和光热退火的抗辐射方法，包括以下步骤：
S1、对信号光源以及大功率激光器发出启动指令，同时将光电复合缆中的导线通电并设置参数；
S2、对信号光源和大功率激光器发出的光信号进行融合，并将融合后的光信经光电复合缆传输至光纤传感器中；
S3、调整光电复合缆和光纤传感器中导线的电流和调整电热退火的温度，并对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火；
S4、调整大功率激光器发出的光的光强和波长，并利用大功率激光器产生的光对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行光热退火；
S5、经光热退火和电热退火后，将光纤传感器中的后向散射光传入至光电探测器中，并将其光信号转换成模拟电信号；
S6、采集模拟电信号，并将模拟电信号转换成数字信号；
S7、对所述数据信号进行解调得到待测参数，并完成分布式光热退火和电热退火的抗辐射处理。
本实施例中，步骤S3包括以下步骤：
S301、针对光电复合缆中导线的电流不变时，利用NTC热敏电阻阻值的变化，调整导线的产热；
S302、根据光电复合缆中导线的产热，调整电热退火的温度，对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火。
本实施例中，光电复合缆在时间t内产生的热量的表达式如下：
W＝I2Rt
其中，W表示光电复合缆在时间t内产生的热量，i表示光电复合缆中导线的电流值，R表示光电复合缆中导线和NTC热敏电阻的电阻值。
如图2所示，基于上述方法，本发明还公开了一种分布式电热退火和光热退火的抗辐射系统，包括控制模块、分别与控制模块连接的信号光源和n个大功率激光器、与信号光源和n个大功率激光器连接的光融合模块、分别与光融合模块连接的光电复合缆和光电探测器、与光电复合缆连接的光纤传感器、与光电探测器连接的采集卡以及与采集卡连接的上位机，控制模块分别与上位机和光纤传感器连接。
本实施例中，控制模块用于根据上位机发出的指令控制所述信号光源、每个大功率激光器以及光电复合缆中导线的通断；用于调整所述信号光源和每个大功率激光器的参数，以及调整光电复合缆和光纤传感器中导线的电流和调整电热退火的温度，对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火。
本实施例中，信号光源用于产生光纤传感的光信号，光信号为脉冲信号或调制后的光信号。
本实施例中，各大功率激光器用于根据其产生的光对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行光热退火消除辐致衰减，校准辐射随机衰减。
本实施例中，光融合模块用于融合信号光源和每个大功率激光器产生的光信号，并将融合后的光信号传输至光纤传感器；以及用于将光纤传感器中的后向散射光传入至光电探测器中。
本实施例中，光电探测器用于将接收的光信号转换成模拟电信号，并将模拟电信号放大后传输至所述采集卡中。
本实施例中，采集卡用于采集光电探测器的模拟电信号，并将模拟电信号转换成的数字信号发送至上位机；
本实施例中，上位机用于向控制模块发送指令以控制抗辐射系统，同时对采集卡发送的数字信号进行解调，得到光纤的温度信息；
本实施例中，光电复合缆，包含传输光纤、导线及NTC热敏电阻，导线用于利用光电复合缆中的导线通电产热，升高光电复合缆的温度产生电热退火效应，从而与光热退火一起消除辐致衰减，恢复光纤传输性能；传输光纤用于传输光信号；NTC热敏电阻用来动态控制导线中的产热，防止光电复合缆中的温度过高。
本实施例中，光纤传感器用于根据外界环境和内部信息的改变通过解调得到待测参数。
本实施例中，信号光源为电光调制器的光源或声光调制器的光源。
本实施例中，光融合模块为波分复用器、光耦合器或者光开关，其中，所述光耦合器和光开关均与环形器配合使用。
本实施例中，如图3-图4所示，光电复合缆包括光线和导线。光融合模块为波分复用器、光耦合器或者光开关，其中，光耦合器和光开关均与环形器配合使用。光纤传感器为光纤FBG传感器、光纤珐珀传感器或分布式光纤传感器。大功率激光器为大功率半导体激光器或气体激光器。
本发明的工作原理为：上位机发送指令给控制模块控制信号光源和一组大功率激光器。可根据实际需求的波长和光强选择某一台或者某几台大功率激光器接入。例如当实际测温距离较短时可以采用短波长(小于1000nm)的大功率激光器，实际测温距离较远时，可以采用长波长(大于1000nm)的大功率激光器，当光纤传感器所在的环境辐射剂量率较高时，可以选择多接入几台大功率激光器，增大光热退火的光强，当辐射剂量率较低时可以相应的少接入大功率激光器，调低光热退火光强。信号光源和大功率激光器产生的光一起进入光融合模块，这里可以根据实际需求调整光融合模块。对于按光波长解调的光纤传感器如光纤FBG传感器，光融合模块可以选择光纤耦合器配合光环形器，对于按相位或者光强解调的光纤传感器，如光纤珐珀传感器、基于拉曼散射的分布式光纤测温传感器，光融合模块可以选择波分复用器，对于间歇性测量的光纤传感器可以选择光开关配合光环形器，以便于每间隔一定时间切换大功率激光器和信号光源。融合后的光信号进入光电复合缆中，光电复合缆中的导线通电后会有电热退火效应，这样就可以实现分布式光热退火和电热退火，然后光信号进入光纤传感器(光纤传感器也和导线并列布置)，当待测参量诸如温度、压力、应变等发生变化时，光纤传感器内光的波长、光强、相位、偏振态、频率等会发生相应的改变，调制有这些待测参量的光信号进入光电探测器中，光电探测器把光信号转换为模拟电信号，再经过采集卡将其转换为数字信号，最后经过上位机运算解调出对应的待测参量信息。
本发明通过电热退火和光热退火来减小、消除光纤传感器在辐射环境下因辐致衰减引起的精度和测量距离的严重劣化问题，保证了光纤传感器测量的可靠性和准确性。
Claims (8)
1.一种分布式光热退火和电热退火的抗辐射方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对信号光源以及大功率激光器发出启动指令，同时将光电复合缆中的导线通电并设置参数；
S2、对信号光源和大功率激光器发出的光信号进行融合，并将融合后的光信经光电复合缆传输至光纤传感器中；
S3、调整光电复合缆和光纤传感器中导线的电流和调整电热退火的温度，并对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火；
S4、调整大功率激光器发出的光的光强和波长，并利用大功率激光器产生的光对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行光热退火；
S5、经光热退火和电热退火后，将所述光纤传感器中的后向散射光传入至光电探测器中，并将其光信号转换成模拟电信号；
S6、采集所述模拟电信号，并将所述模拟电信号转换成数字信号；
S7、对所述数据信号进行解调得到待测参数，并完成分布式光热退火和电热退火的抗辐射处理。
2.根据权利要求1所述的分布式光热退火和电热退火的抗辐射方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、针对光电复合缆中导线的电流不变时，利用NTC热敏电阻阻值的变化，调整导线的产热；
S302、根据光电复合缆中导线的产热，调整电热退火的温度，对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火。
3.根据权利要求2所述的分布式光热退火和电热退火的抗辐射方法，其特征在于，所述光电复合缆在时间t内产生的热量的表达式如下：
W＝I2Rt
其中，W表示光电复合缆在时间t内产生的热量，i表示光电复合缆中导线的电流值，R表示光电复合缆中导线和NTC热敏电阻的电阻值。
4.一种分布式光热退火和电热退火的抗辐射系统，其特征在于，包括控制模块、分别与所述控制模块连接的信号光源和n个大功率激光器、与所述信号光源和n个大功率激光器连接的光融合模块、分别与所述光融合模块连接的光电复合缆和光电探测器、与所述光电复合缆连接的光纤传感器、与所述光电探测器连接的采集卡以及与所述采集卡连接的上位机，所述控制模块分别与上位机和光纤传感器连接；
所述控制模块，用于根据上位机发出的指令控制所述信号光源、每个大功率激光器以及光电复合缆中导线的通断；以及调整所述信号光源和每个大功率激光器的参数，以及调整光电复合缆和光纤传感器中导线的电流和调整电热退火的温度，对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行电热退火；
所述信号光源，用于产生光纤传感的光信号；
各所述大功率激光器，用于根据其产生的光对光电复合缆中的光纤和光纤传感器进行光热退火消除辐致衰减，校准辐射随机衰减；
所述光融合模块，用于融合所述信号光源和每个大功率激光器产生的光信号，并将融合后的光信号传输至所述光纤传感器；以及用于将所述光纤传感器中的后向散射光传入至所述光电探测器中；
所述光电探测器，用于将接收的光信号转换成模拟电信号，并将所述模拟电信号放大后传输至所述采集卡中；
所述采集卡，用于采集所述光电探测器的模拟电信号，并将模拟电信号转换成的数字信号发送至所述上位机；
所述上位机，用于向控制模块发送指令以控制抗辐射系统，同时对所述采集卡发送的数字信号进行解调，得到光纤的温度信息；
所述光电复合缆，包含传输光纤、导线及NTC热敏电阻，所述导线用于利用光电复合缆中的导线通电产热，升高光电复合缆的温度产生电热退火效应，从而与光热退火一起消除辐致衰减，恢复光纤传输性能；所述传输光纤用于传输光信号；所述NTC热敏电阻用来动态控制导线中的产热，防止光电复合缆中的温度过高；
所述光纤传感器，用于根据外界环境和内部信息的改变通过解调得到待测参数。
5.根据权利要求4所述的分布式光热退火和电热退火的抗辐射系统，其特征在于，所述信号光源为电光调制器的光源或声光调制器的光源；
所述光信号为脉冲信号或调制后的光信号。
6.根据权利要求4所述的分布式光热退火和电热退火的抗辐射系统，其特征在于，所述光融合模块为波分复用器、光耦合器或者光开关，其中，所述光耦合器和光开关均与环形器配合使用。
7.根据权利要求4所述的分布式光热退火和电热退火的抗辐射系统，其特征在于，所述光纤传感器能替换为光纤FBG传感器、光纤珐珀传感器或分布式光纤传感器。
8.根据权利要求4所述的分布式光热退火和电热退火的抗辐射系统，其特征在于，所述大功率激光器为大功率半导体激光器或气体激光器。
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