CN115629133A - 一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统，其中包括光纤光栅声发射传感器、连接凸台、抗辐射线缆、高频解调模块。本发明中的光纤光栅声发射传感器由金属外壳、金属底壳、顶部负热膨胀接头、光纤布拉格光栅、膜片、耦合剂组成。本发明利用光纤传输信号，选择具有较强的抗电磁干扰、抗辐射能力的光纤；顶部负热膨胀接头可实现对周围环境的温度补偿；光纤光栅高频解调系统通过分光器实现光信号的多通道传输，将FBG反射光谱的斜坡与可调谐激光光源中心波长匹配，通过光电探测器转换为对应的光功率变化，从而实现高频、多通道解调；利用光纤光栅分布式测量的优势，可以实现核电装备结构损伤声发射信号的多通道分布式测量。
Description
技术领域
本发明涉及装备监测领域，特别涉及一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统。
背景技术
近年来，全球核能源的发展已成为不可逆转的时代趋势，核能已开始广泛应用于工业领域，且投资比例逐年增大。其中，反应堆压力容器作为核电厂中的最重要的设备之一，它是保证核电系统能够正常、安全运行的关键。压力容器的局部缺陷使得反应堆压力容器的安全成为不稳定的因素，容易产生重大事故，如福岛核电站事件，该事故造成了不可计量的经济损失与社会影响。因此，对反应堆压力容器的损伤检测已成为亟需解决的问题，但反应堆压力容器的工作环境较为恶劣且复杂，在强辐射的环境下，检测范围较大，测量缺陷要求较高。故而，核环境下的结构损伤声发射信号感知技术研究成为现在工业界和学术界的研究热点问题之一，对于结构损伤的检测具有非常重要的时代意义与现实意义。
光纤作为一种光信号传输的媒介，具有抗电磁干扰，超高压绝缘、防爆防燃等特点，在核辐射、高温、高压等极端恶劣环境下有着广阔的应用前景。此外，光纤传感器还具有体积小，灵敏度高等特点，但许多基于光纤传感原理设计的声发射传感器大多具有谐振频率小且谐振频率下灵敏点低等缺点，不满足核辐射环境下传感器的高共振频率的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统，具有能够实现在核辐射环境下对装备结构损伤检测的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统，包括传感模块、解调模块和分析模块，所述传感模块包括壳体单元、信号感知单元和传递线缆，所述壳体单元包括金属外壳、金属底壳和凸台底座，所述金属底壳的上端与金属外壳的下端螺纹连接，所述凸台底座的与金属底壳的下端螺纹连接，所述信号感知单元包括负热膨胀接头、光纤布拉格光栅、膜片和耦合剂，所述负热膨胀接头的一端与传递线缆固定连接，所述膜片固定于壳体单元内，所述负热膨胀接头通过光纤与膜片连接，所述光纤布拉格光栅位于光纤上，所述耦合剂填充于膜片与金属底壳之间的空间，所述传感模块用于探测物体，以获得物体的损伤信息，所述解调模块用于解调传感光信号，并产生电子信息，所述分析模块用于分析电子信息，并得出损伤结论。
作为优选，所述负热膨胀接头内设有高温胶，所述高温胶用于填充负热膨胀接头。
作为优选，所述传递线缆为抗辐射线缆，所述传递线缆包括内芯、抗辐射层和保护层，所处抗辐射层包裹在内芯表面，所述保护层位于抗辐射层的外缘部，所述抗辐射层由内而外依次包括金属层、聚酰亚胺涂层和铝涂层，所述保护层包括防水层和聚乙烯外护套层。
作为优选，所述解调模块为高频解调模块，所述高频解调模块包括可调谐激光源、高频数据采集器、放大器、光电转换器和光纤环形器，所述信号感知单元通过传递线缆与光纤环形器的一个端口连接，所述光纤环形器按照旋向的下一个端口与光电转换器连接，所述光电转换器与放大器连接，所述放大器与高频数据采集器连接，所述高频数据采集器连接与分析模块连接。
作为优选，所述可调谐激光源的一侧连接有光分路器，所述解调模块还包括12个分布式传感器，所述光分路器的端口通过传递线缆与12个分布式传感器连接。
作为优选，所述分析模块为PC端信号处理设备。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过优化薄膜设计以及光纤光栅张紧悬挂配置，能够获取高谐振频率以及高谐振点灵敏度；
2、本发明通过优化设计光纤光栅外层镀膜工艺，大大提高传感器的性能；
2、本发明通过耦合剂将膜片与底壳连接，可以减少弹性波信号的衰减，增强声发射光纤信号的传输性能；
3、本发明通过传感器顶部的负膨胀系数材料对检测环境温度变化而引起的波长漂移进行补偿，减小温度变化导致的测量误差；
4、本发明通过使用抗辐射线缆，增强光纤抗干扰能力同时防止线缆在强辐射条件下过早老化，延长传感器的使用寿命；
5、本发明通过光分路器实现光信号的多通道传输，采用了12个光纤光栅声发射传感器实现分布式测量，可实现12通道的同步数据采集。
附图说明
图1为本发明实施例的光纤光栅声发射传感器装配图；
图2为本发明实施例的光纤光栅声发射传感器的剖面图；
图3为本发明实施例的光纤光栅声发射传感器动力学模型；
图4为本发明实施例的高频解调传感系统。
附图标记：1、壳体单元；101、金属外壳；102、金属底壳；103、凸台底座；2、信号感知单元；201、负热膨胀接头；202、光纤布拉格光栅；203、耦合剂；204、高温胶；205、膜片；3、传递线缆；401、可调谐激光源；402、PC端信号处理设备；403、高频数据采集器；404、电压放大器；405、光电转换器；406、光纤环形器；407、分布式传感器；408、光分路器。
具体实施方式
以下所述仅是本发明的优选实施方式，保护范围并不仅局限于该实施例，凡属于本发明思路下的技术方案应当属于本发明的保护范围。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底部”和“顶部”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1至图4所示，一种适用于核辐射环境下的温度补偿声发射光纤光栅传感器，包括包括传感模块、解调模块和分析模块。传感模块包括壳体单元、信号感知单元和传递线缆，壳体单元与待测对象的表面接触。
壳体单元包括金属外壳、金属底壳和凸台底座，金属底壳的上端与金属外壳的下端螺纹连接，凸台底座的与金属底壳的下端螺纹连接。
信号感知单元包括负热膨胀接头、光纤布拉格光栅、膜片和耦合剂。顶部负膨胀接头可以消除周围环境温度变化对FBG波长的影响，负热膨胀接头的一端与传递线缆固定连接，膜片固定于壳体单元内，负热膨胀接头通过光纤与膜片连接。光纤布拉格光栅位于光纤上，耦合剂均匀填充于膜片与金属底壳之间的空间，膜片与耦合剂之间充分且均匀接触。
光纤布拉格光栅表面使用光纤钳将涂层剥除，用沾有丙醇的脱脂棉除去表面的残余涂层，采用磁控溅射工艺在裸光纤表面沉积一层银薄膜作为粘结层，再在银薄膜表面电镀一层铝涂层，完成多层金属涂覆光纤的制备。光纤的下端通过激光焊接在膜片的圆心处，光纤布拉格光栅的上端由激光焊接在带有负热膨胀系数的顶部负热膨胀接头上，将圆柱形金属外壳与金属底壳通过螺纹连接。旋紧螺纹使得圆柱形金属外壳的端面压紧在膜片上，使得膜片得到固定。
传递线缆为抗辐射线缆，所述传递线缆包括内芯、抗辐射层和保护层，传递线缆的内芯是光纤，光纤外部涂覆有金属涂层材料构成的金属层，在金属层外包裹抗辐射材料聚酰亚胺涂层和铝涂层，在抗辐射层外包裹防水材料，最后包裹聚乙烯外护套。
顶部负热膨胀接头通过螺纹连接在圆柱形金属外壳上，顶部负热膨胀接头中间设有一圆柱孔，传递线缆穿过圆柱孔连接到信号接收和解调设备，顶部负热膨胀接头用高温胶填充，其中光纤布拉格光栅采用两点悬挂的布置方式，初始状态下使光纤布拉格光栅处于拉紧状态。
光纤光栅声发射传感器声压灵敏度计算方法如下：
根据机械系统动力学的相关知识，膜片的等效刚度K为：
式中：R为膜片的半径；r1为光纤半径(包含金属涂层厚度)；d为膜片厚度。μ为膜片泊松比，E为膜片材料的弹性模量，Kc为与光纤半径和膜片半径比值有关系数，光纤纤芯的半径为r2。
金属涂层的弹性模量为E1，纤芯弹性模量为E2，光纤悬于传感器内部的长度为l，涂层单位体积长度质量为ρ1，光纤单位体积长度质量为ρ2。根据弹性力学相关知识，FBG沿轴向拉伸时的等效刚度K1可表示为：
光纤总质量可表示为：
则光纤轴向运动的固有频率ω可表示为：
当膜片受均匀载荷P作用时，由于光纤沿轴向均匀拉伸，光栅的栅距的变化可描述为：
当应变同时作用在FBG上时，FBG中心波长的相对偏移量可表示为；
其中：Pe为弹光系数，λ为FBG反射谱波长。
联立式1.5、1.6，声发射传感器FBG的波长偏移量Δλ可表示为：
高频解调模块由可调谐激光源401，高频数据采集器403，放大器，光电转换器405，光纤环形器406组成。可调谐激光源401连接到光分路器408，光分路器408的个端口通过抗辐射线缆103分别连接在个分布式传感器407上。声发射光纤光栅传感器102模块通过抗辐射线缆103连接到三端口光纤环形器406的一个端口，光纤环形器406按照旋向的下一个端口连接在光电转换器405上，光电转换器405连接到放大器上，再将放大器连接在高频数据采集器403，最后连接到PC端信号处理设备402。
工作原理：首先将声发射光纤光栅传感器102安装在待测工件表面，声发射信号经待测工件、连接凸台传递到传感器上，耦合剂202使声波信号均匀作用在膜片203上，导致膜片203形变，进而引起光纤光栅的中心波长偏移。使用负膨胀系数材料对温度变化引起的光纤光栅波长变化进行补偿，可基本消除温度对波长漂移的影响。
可调谐激光源401作为光源，通过光分路器408将光源传递至分布式布置的多个光纤传感器中。当无外界影响下，光信号通过光栅反射回数据接收端，光信号的波长不会发生飘移；当检测到声发射信号的时候，膜片203的形变引起光栅反射的变化，使得光信号发生波长偏移，此时光信号通过抗辐射线缆103传递到光纤环形器406，由于光纤环形器406对光源具有导向作用，使得反射光进入光电转换器405。
若在自由状态下FBG的初始中心波长比可调激光中心波长略大，则在受到压(拉)应力时，FBG反射中心波长相对于其初始状态有所减小(或增大)，相应的反射光谱与激光光谱重叠区域的面积有所增加(减小)。随着中心波长的变化，光电探测器获取的光功率将发生相应的变化，通过检测输出的光功率的变化情况可反演解调出FBG反射光谱中心波长的波动，从而获取声发射信息，在此情况下，判断待测工件内部损伤情况。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统，其特征在于，包括传感模块、解调模块和分析模块，所述传感模块包括壳体单元(1)、信号感知单元(2)和传递线缆(3)，所述壳体单元(1)包括金属外壳(101)、金属底壳(102)和凸台底座(103)，所述金属底壳(102)的上端与金属外壳(101)的下端螺纹连接，所述凸台底座(103)的与金属底壳(102)的下端螺纹连接，所述信号感知单元(2)包括负热膨胀接头(201)、光纤布拉格光栅(202)、膜片(205)和耦合剂(203)，所述负热膨胀接头(201)的一端与传递线缆(3)固定连接，所述膜片(205)固定于壳体单元(1)内，所述负热膨胀接头(201)通过光纤与膜片(205)连接，所述光纤布拉格光栅(202)位于光纤上，所述耦合剂(203)填充于膜片(205)与金属底壳(102)之间的空间，所述传感模块用于探测物体，以获得物体的损伤信息，所述解调模块用于解调传感光信号，并产生电子信息，所述分析模块用于分析电子信息，并得出损伤结论。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统，其特征在于，所述负热膨胀接头(201)内设有高温胶(204)，所述高温胶(204)用于填充负热膨胀接头(201)。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统，其特征在于，所述传递线缆(3)为抗辐射线缆，所述传递线缆(3)包括内芯、抗辐射层和保护层，所处抗辐射层包裹在内芯表面，所述保护层位于抗辐射层的外缘部，所述抗辐射层由内而外依次包括金属层、聚酰亚胺涂层和铝涂层，所述保护层包括防水层和聚乙烯外护套层。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统，其特征在于，所述解调模块为高频解调模块，所述高频解调模块包括可调谐激光源(401)、高频数据采集器(403)、电压放大器(404)、光电转换器(405)和光纤环形器(406)，所述信号感知单元(2)通过传递线缆(3)与光纤环形器(406)的一个端口连接，所述光纤环形器(406)按照旋向的下一个端口与光电转换器(405)连接，所述光电转换器(405)与放大器连接，所述放大器与高频数据采集器(403)连接，所述高频数据采集器(403)连接与分析模块连接。
5.根据权利要求4所述的一种高频解调模块，其特征在于，所述可调谐激光源(401)的一侧连接有光分路器(408)，所述解调模块还包括12个分布式传感器(407)，所述光分路器(408)的端口通过传递线缆(3)与12个分布式传感器(407)连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统，其特征在于，所述分析模块为PC端信号处理设备(402)。
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