论文部分内容阅读
核动力装置过程参量的准确测量,对其运行的安全性和可靠性至关重要。光纤传感器在该装置过程参量的测量中具有耐恶劣环境、抗电磁干扰等独特优势。但是,实现该装置参量的准确测量依然存在三方面亟待解决的关键问题。（1）温度-应变耦合劣化测量精度。（2）核辐射诱导传感性能漂移,难以实现准确测量。（3）辐致损耗劣化传感性能。针对上述关键问题,本文聚焦适用于核辐射环境的光纤珐珀和光栅微结构阵列传感器的设计与实现,开展了相关研究工作。研究工作主要内容如下:（1）优化了降低光纤辐致损耗的热退火工艺。针对核辐射衰减光纤中光功率的技术难题,通过研究预热处理、室温自我修复、阶梯式升降温等过程对光纤损耗恢复效果的影响,对热退火工艺的优化进行探索。结果表明:掺锗单模、掺锗保偏、纯硅、掺氟光纤在阶梯式退火过程中存在最优退火温度,其值分别为:350℃、400℃、300℃、450℃;相比未预退火的掺氟光纤样品,100℃预退火可降低该光纤的辐照敏感性,并且可提高其在阶梯式热退火过程中辐致损耗降低的速率。该工作为研制适于核辐射环境的光纤传感器提供了支撑。（2）设计并实现应变高灵敏的、可测量应变/压力/温度的多功能全光纤传感器。针对温度-应变耦合引入测量误差的技术难题,利用飞秒光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）补偿非本征珐珀干涉仪（Fabry-Perot interferometer,FPI）的热漂移或珐珀腔结构热膨胀效应的互补特性,实现温度-应变同时感测。结果表明:1)FBG分别与微孔FPI、增敏型圆台结构FPI级联并高度集成的两种传感结构具有出色的高温应变、高压传感性能;相比单模FBG（10με/℃）,微孔FPI（0.1με/℃）、增敏型FPI（0.139με/℃）在应变温度交叉敏感性上降低近两个数量级。2)相比目前报道的各种低温度系数的非本征FPI,长度匹配的增敏型FPI表现出最低的温度敏感性（～0.1 pm/℃）;相对于单模FBG而言,长度匹配的增敏型FPI在应变温度交叉敏感性（0.015με/℃）方面降低约667倍。该工作提出通过控制FP腔结构中腔长与圆台长度的比例调控FPI温度灵敏度的方法,为降低FPI的温度敏感性提供了新思路。（3）设计并实现一种适于强核辐射环境的高性能全光纤FPI应变传感器。针对核辐射诱导FPI传感性能漂移引入测量误差的瓶颈,利用形成FP腔的包层和圆台结构辐致压实效应的互补特性,提出长度匹配的FPI的设计方法,实现了核辐射环境稳定工作的全光纤FPI。研究发现:稳态伽马（279.483 k Gy,70℃）辐照后,长度匹配的FPI具有最小的腔长漂移和应变灵敏度偏差,其值分别为-0.037μm和0.52%,微孔FPI产生1μm的腔长漂移;相比微孔FPI,长度匹配的FPI在腔长漂移引入的应变测量误差方面降低约30倍。（4）提出一种适于核辐射环境多点测量的、由两个全同的弱反射FBG组成的FBG-FP微结构阵列设计方法。针对核辐射环境多点测量需求,以FBG-FP微结构阵列为传感单元,对其中FBG的反射率排列进行设计,以解决辐致损耗劣化FBG-FP阵列传感性能的技术难题。具体的:在极端核辐射环境中,以探测器接收到的阵列中每个FBG-FP中第一个FBG的反射功率相等、微结构的反射信号在系统动态范围内为设计准则,提出FBG的反射率按一定规律增强排列的FBG-FP阵列设计方法。仿真结果表明:相比具有同一反射率的FBG阵列或瑞利散射传感系统,该方法设计的FBG-FP阵列,可均衡信号光功率,并将强辐射环境对系统动态范围（传感信号光功率最强点与最弱点之间的差值）的需求降低7.5 d B。该工作为将FBG-FP阵列传感器应用在核辐射环境提供了新的技术途径。综上,本文以全光纤非本征FPI和FBG为研究对象,围绕实现核动力装置温度和力学参量测量的目标,提出利用双参量传感或FPI中珐珀腔结构热膨胀效应的互补性、辐致压实效应的互补性、FBG-FP阵列中光栅反射率的增强排列,分别解决这两种传感器在温度力学参量测量中面临的温度-应变耦合、辐射诱导传感性能漂移、辐致损耗劣化传感性能的技术难题,为将光纤传感器应用在核辐射环境奠定技术基础。因此,本文的研究工作具有重要的科学研究意义和实际工程应用价值。