基于光纤FMCW的反应堆冷却剂泵振动测量方法及系统与流程

本发明涉及光纤传感，具体涉及基于光纤fmcw的反应堆冷却剂泵振动测量方法及系统。

背景技术：

1、在核动力装置运行时，各组件和设备均会处于振动的工况下，设备的振动信息一方面会引起设备疲劳、退化和损伤等，另一方面振动信号也能反映设备异常运行情况(例如主泵等机械结构运转异常产生异常频率振动信号；管道、阀门、法兰等连接结构产生裂纹甚至发生泄漏产生超高频振动信号；堆内的连接件松脱或脱落撞击其他结构产生异常振动等)，因此振动在线监测极其重要和必要。国内外已报道多起因振动导致的反应堆安全隐患和事故，研究显示，世界范围内50％以上的核反应堆机组均有传热管振动磨损情况发生，此外反应堆冷却剂泵、管道和阀门等振动故障也多次发生。反应堆冷却剂泵作为核动力装置的重要部分，其振动信号的监测非常重要。

2、反应堆冷却剂泵长期处于高温、高压、高辐照、高流速的工作条件，对传感设备的安全要求苛刻。当前国际上普遍使用电学速度计和加速度计对反应堆冷却剂泵进行振动监测，受空间体积和成本限制，无法满足日益先进的核动力装置的测量需求。光纤因其具有抗电磁干扰、体积小、布置方便灵活、集传感和传输于一体等优势，光纤传感行业发展势头迅猛。光纤同时还具有耐辐照的优点，因此光纤传感在反应堆冷却剂泵上的测量具有极大的潜在应用价值。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：对于反应堆冷却剂泵长期处于高温、高压、高辐照、高流速的工作条件，传统的传感设备进行振动监测时，存在空间体积和成本的限制；本发明目的在于提供基于光纤fmcw的反应堆冷却剂泵振动测量方法及系统，以光纤作为光源和传感元件，通过零差探测技术实现反应堆冷却剂泵振动信号的高精度测量，解决主泵振动测量中存在的布线复杂，体积大，可靠性差和维护成本高等技术问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本发明提供基于光纤fmcw的反应堆冷却剂泵振动测量方法，包括：

4、步骤一：获取连续光信号；

5、步骤二：对连续光信号进行强度调制后得到光信号；

6、步骤三：将光信号分成两路：第一路光信号传递至被测对象，被测对象返回反射光信号；第二路光信号经延迟后得到参考光信号；

7、步骤四：收集反射光信号和参考光信号，并解调反射光信号和参考光信号得到被测对象的距离信息和振动信息。

8、本方案工作原理：对于反应堆冷却剂泵长期处于高温、高压、高辐照、高流速的工作条件，传统的传感设备进行振动监测时，存在空间体积和成本的限制；本发明目的在于提供基于光纤fmcw的反应堆冷却剂泵振动测量方法及系统，以光纤作为光源和传感元件，通过零差探测技术实现反应堆冷却剂泵振动信号的高精度测量，解决主泵振动测量中存在的布线复杂，体积大，可靠性差和维护成本高等技术问题。

9、进一步优化方案为，所述对连续光信号进行强度调制后得到光信号，包括方法：

10、以频率从f1到f2连续增加的调制信号对连续光信号进行调制，使连续光信号的强度变化频率也呈现从f1到f2连续增加的周期变化。

11、进一步优化方案为，频率从f1连续增加到f2的一次完整过程为一个周期，时间为τ。

12、进一步优化方案为，所述调制信号为周期连续变化的正弦波信号。

13、进一步优化方案为，所述收集反射光信号和参考光信号，并解调反射光信号和参考光信号得到被测对象的距离信息和振动信息，包括方法：

14、获取连续光信号与反射光信号之间的时间差δt，计算反射光信号和参考光信号的差频信号fd：

15、fd＝(f2-f1)*δt/τ

16、当被测对象处于静止状态时，解调出的差频信号fd的频率为被测对象的距离信息；

17、当被测对象处于运动状态时，由于多普勒效应的存在，解调出的信号为具有双峰的频率信号；基于两个峰值频率得到被测对象的振动信息：两个峰值频率之间的频率差与被测对象的速度成正比。

18、本方案还提供基于光纤fmcw的反应堆冷却剂泵振动测量系统，包括：

19、光纤激光器，用于产生连续光信号；

20、电光调制器，用于对所述连续光信号进行强度调制后得到光信号；

21、第一光纤耦合器，用于将所述光信号分成两路：第一路光信号和第二路光信号；

22、光信号处理单元，用于将第一路光信号传递至被测对象，被测对象返回反射光信号；还用于将第二路光信号经延迟后得到参考光信号；

23、第二光纤耦合器，用于接收耦合所述反射光信号和所述参考光信号；

24、控制处理单元，用于解调所述反射光信号和所述参考光信号得到被测对象的距离信息和振动信息。

25、进一步优化方案为，所述光信号处理单元包括：掺饵光纤放大器、光纤环形器、准直光学元件和延迟光纤；

26、所述掺饵光纤放大器、光纤环形器和准直光学元件依次连接；

27、所述第一路光信号经掺饵光纤放大器后经光纤环形器后输入准直光学元件，第一路光信号经准直光学元件准直处理后输入被测对象；被测对象返回的反射光信号经光纤环形器后输入第二光纤耦合器；

28、所述第二路光信号经延迟光纤后输入第二光纤耦合器。

29、进一步优化方案为，还包括：平衡光电探测器，从第二光纤耦合器输出的两路光信号经过平衡光电探测器进行光电转换和差分处理后输入解调计算模块。

30、进一步优化方案为，所述第一光纤耦合器为1×2耦合器，所述第二光纤耦合器为2×2耦合器。

31、进一步优化方案为，所述控制处理单元还分别与光纤激光器、电光调制器和掺饵光纤放大器连接；所述控制处理单元还用于对光纤激光器、电光调制器和掺饵光纤放大器进运行状态调控和监测。

32、所述的光纤激光器为高相干窄线宽激光器，对光源进行调制的电信号为控制处理单元硬件电路产生的频率周期性连续线性变化的啁啾波形。传感光路中的光信号需经edfa放大后先接入准直光学元件进行准直，再发射出去至反射点反射回来，反射光信号同样先进入准直光学元件会聚后再被光纤所接收。

33、参考光路中加入一定长度的延迟光纤用以抵消传感光路因光放大、准直等路径产生的附加路程。

34、优化方案为光电探测器采用平衡探测技术，可以抵消温度对传感系统的影响。

35、所述光纤fmcw激光探测系统中本地参考光路和传感光路的差频信号，解调出的频谱中双峰的频率差值与反射点的速度呈正比关系。

36、优化方案为采用多路集成的探测方式，实现同时对多个测点位置的实时监测和状态显示。

37、准直光学元件的出射激光无遮挡地发射至反应堆冷却剂泵上的某一位置并反射回准直元件被探测系统接收。激光光源通过啁啾波形调制为频率连续线性变化的光信号后分为两路信号，一路作为本地参考光路，一路作为传感光路，本地参考光信号和反应堆冷却剂泵反射回的反射光信号经2x2耦合器耦合分光后分别被平衡探测器接收。对探测器输出的信号进行采集和解调处理，当反应堆冷却剂泵处于非静止状态时，由于多普勒效应的存在，探测器输出电信号经fft变换后为具有双峰的频谱信号，两个峰值频率之间的频率差与反射点的速度成正比关系。可以通过基于光纤fmcw的零差探测方法解调获得反应堆冷却剂泵的振动信息。

38、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

39、1.本发明提供的基于光纤fmcw的反应堆冷却剂泵振动测量方法及系统；以光纤作为光源和传感元件，通过零差探测技术实现反应堆冷却剂泵振动信号的高精度测量，解决主泵振动测量中存在的布线复杂，体积大，可靠性差和维护成本高等技术问题。

40、2.本发明提供的振动测量方法为非接触式振动传感方法；且测量系统可实现被测物体位置信息和振动信息的同时探测。