高速响应的铠装光纤高温传感技术研究

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核电站技术的发展及应用在我国能源战略中具有重要地位,核反应堆堆芯作为核电站的“大脑”以及“发动机”。为了保证核电站整体安全高效的运行,需要对其温度进行实时监测。然而随着核电技术高温、高精度、快速响应的需求,传统的热电偶温度传感器由于本身特性的限制,在封装结构上具有温度响应慢,无法大幅度提高的问题,因此需要探索新的测量方法、开发新的传感器,满足其温度测量的需求。光纤温度纤传感器具有尺寸小、易封装、传感器端不带电的优点,可以弥补热电偶传感器封装结构的不足,为堆芯温度测量提供一种新思路与方法。由于并没有现成满足条件的光纤传感器以及测量设备,因此需要针对堆芯测量的特殊要求,设计专用的光纤传感器及测量系统,以满足其温度测量的需求。为此,本文围绕高温高精度以及快速响应的要求,从传感器封装、耐高温光纤传感器、实时温度监测系统开发等几个方面出发,完成以下几项主要工作:(1)针对测量对象的温度响应快以及强度要求,对传感器封装结构进行设计,提出了一种梯度式铠装的方案。利用有限元分析软件从传热学角度对温度响应能力以及耐压能力进行分析,并对传感器的封装结构进行了优化设计。(2)针对高温大范围及高精度的测量需求,对耐高温的光纤传感器进行分析探讨。利用飞秒激光加工系统制作了本征型光纤法珀传感器,并对飞秒激光制作的光纤光栅传感器的温度特性进行了分析,发现其由于材料的影响在高温度下具有一定的非线性温度特性,提出了分段标定的方法以消除传感器的非线性影响。(3)针对温度测量的总体需求,对光纤传感器进行性能评价。为了验证设计的传感器封装方案能否满足要求,利用设计的封装结构制作了FS-FBG温度传感器,并设计了一系列的实验对其性能进行评价。(4)针对温度测量的总体需求,基于FS-FBG光纤温度传感器搭建光纤传感高温测量系统,并根据温度测量需求在Lab VIEW软件平台上开发了光纤温度传感器的温度实时解调软件系统。分别通过全温度范围的测量实验和稳定性实验,对测量系统进行了测试,结果证明能够初步达到温度测量的要求。
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