【摘 要】
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光纤光栅具有波长调制、绝对测量、抗光强扰动、不受电磁干扰等优点。其中,光纤光栅（Fiber Bragg grating,FBG）是发展最成熟的类型。目前,光纤光栅凭借生产工艺成熟、生产成本低、性能优良等优势,在电力、桥梁、航空航天、船舶等大型工程的监测中已广泛应用。本论文主要围绕核燃料反应堆监测工作开展。核反应堆作为一个危险系数极高的产业,一旦发现安全事故所造成的损失以及后果是无法估量的。当前的核
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光纤光栅具有波长调制、绝对测量、抗光强扰动、不受电磁干扰等优点。其中,光纤光栅（Fiber Bragg grating,FBG）是发展最成熟的类型。目前,光纤光栅凭借生产工艺成熟、生产成本低、性能优良等优势,在电力、桥梁、航空航天、船舶等大型工程的监测中已广泛应用。本论文主要围绕核燃料反应堆监测工作开展。核反应堆作为一个危险系数极高的产业,一旦发现安全事故所造成的损失以及后果是无法估量的。当前的核反应器监测主要应用大量传统电学传感器点式探测;堆外物质探测以及计算机建模仿真等方式。这些方式都具有一定的局限性,而利用光纤光栅监测核反应器内的关键参数可以有效地解决目前各种监测手段的弊端。本论文研究中,搭建模拟核反应器系统,并将光纤光栅传感技术应用于其中的燃料棒的温度、应变及振动的同时监测,具体研究内容包括:（1）介绍了FBG的基本传感原理,光纤光栅目前的研究以及应用现状。同时也介绍了几种常见的核反应堆监测技术原理及应用。（2）研究FBG同时检测燃料棒温度-应变双参数的方法。对未封装的裸光纤光栅进行标定实验,两个裸光纤光栅的应变灵敏系数分别为0.875pm/με与0.87pm/με。然后对双光栅进行封装实验,将双FBG的其中一个封装在应变片上,使其对应变与温度影响同时敏感,另一个FBG穿过毛细管固定在燃料棒上,并留有一定的弯曲余量,标定它们的温度系数,分别为14.71pm/℃、12.21pm/℃。此封装中,固定在毛细管中的FBG不受应变,且温度灵敏度略有下降,应变片封装的FBG同时受温度、应变两个参数影响,双FBG温度、应变双系数均产生差异,由此可以带入温度-应变解耦方程解算温度和应变。实验结果表明,传感器的温度测量的最大误差为±1.4℃,平均误差为±0.74℃,达到预期效果。传感应变有一定应变损失,在应变补偿后0-3000με的传感范围中,应变变化趋势与理论值基本吻合,传感器应变测量的最大误差为±75.11με,平均误差为:±23.68με,能够用作应变传感。（3）基于FBG的燃料棒振动检测实验。振动校准仪对燃料棒施加振动信号,观察FBG中心波长变化,FBG中心波长的变化能够稳定反映出振动信号的变化规律,并且在采集的时域信号通过傅里叶变化后的频谱得到时域信号的一阶响应频率与振动校准仪所输入的信号基本一致。通过幅频响应以及加速度响应研究在不同频率、不同响应强度的情况下,传感器均能保持平坦以及线性的响应。幅频响应以及加速度响应均证明了光纤光栅结合燃料棒对振动信号传感的准确性和可靠性。（4）采用Lab VIEW平台开发了基于光纤光栅技术的燃料棒多参数检测系统的配套上位机软件。使用UDP网络协议采集光纤光栅解调仪发送的数据流,数据接收频率为1KHz,与解调仪传输速率保持一致。从数据流截取光栅波长数据进行字符转换为十进制波长数据。将标定的温度和应变灵敏度数值带入FBG温度-应变解耦公式,计算出温度、应变参量。监测振动信号需对数组进行频谱变换,在软件界面端,通过对数据的实时接收与处理,同时显示波长数据、温度、应变、频谱等波形图,并且能够导出为excel文件对数据进行存储。（5）搭建模拟核反应器工作环境的试验系统,模拟反应堆冷却液,制作了金属水槽,将燃料棒整个封装于水槽内,使传感器工作在液体环境中。重新封装双FBG传感器,使传感器处于密闭状态,进行温度、应变、振动监测实验。结果显示在液体环境下,传感器仍具有的良好的性能,在100-200℃的高温工作区,传感器的温度测量的最大误差为±0.84℃,平均误差约为±0.56℃。将应变传感封装方式由金属片粘贴改进为直接埋入式,克服了应变传递损失。在应变补偿后,0-2600με的传感范围中,传感器应变测量的最大误差为±20.35με,平均误差为:±8.81με,传感精度进一步提升。实验的振动响应较实验室环境较小,但仍能从频谱中判断出不同等级的振动响应以及水流大小,具有一定的工程应用价值,可通过后期研究提高传感灵敏度。
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