严酷环境分布式光纤传感系统性能验证试验方法探究

王思聪

（上海核工程研究设计院有限公司 电气仪控所，上海 200233）

0 引言

在传统核电厂中，测量主要依赖于传统的点式传感器或各类仪表。而光纤传感器的经典之作光纤光栅传感器、光纤陀螺等已在军事、地质勘探、电力等部门得到推广应用。近年来，光纤传感器逐步向分布式、智能化和网络化方向发展。光纤分布式传感器作为光纤传感家族的后起之秀，因其独特的应用环境而备受青睐。光纤分布式传感的核心技术是实现分布式测量，即使用一根或多根光纤实现长距离连续测量，并能够准确给出某一点上的应变、振动或温度等参数变化，能够实现大范围的监控。其中，基于非线性光学散射机理的长距离分布式传感，光纤既充当传感器又充当信号传输通道，因此具有非常突出的优势，在核电厂中具有非常重要的潜在应用价值，近年来受到广泛关注。

传统的点式传感器仅能测量布点范围内的点式数据，且通常需点对点布置相关信号传输电缆，系统布置繁琐、数据量小。而新型的分布式光纤传感系统可测量光纤布置沿线的相关温度、应变数据，系统布置简单，且实现了测量数据从点到线的维度提升。

但目前尚未有完整的方法指导其进行严酷环境下的性能验证，有必要开展专门研究。

1 严酷环境光纤传感系统应用场景

在核电厂中，环境参数监测数据是电厂老化机理分析、核电厂延寿评估分析等方面的重要依据。然而，传统的点式检测方法已逐渐暴露出数据连续性差、数据分布片面、代表性不足等问题。建立分布式在线监测系统，推动数字化核电厂的全面建设迫在眉睫。

1.1 分布式测温系统

在核岛区域建立分布式测温系统，可有效收集环境温度参数，为理论分析提供大数据支持。其中，一个特别强烈的需求是在电缆系统中的应用。

电缆载流量计算基于材料本身散热特性与布置情况。核电厂所采用的电缆材料是非传统牌号材料，为平衡阻燃性、耐辐照性、耐热氧老化性，掺杂了许多添加剂。材料密度等物理特性与电缆标准中常用的聚烯烃、乙丙橡胶等体系相去甚远，因此在设计时只能参考标准进行保守估计并计算。相比民用工程与常规动力电厂，核电厂实际运行时负荷带载率较低，电缆实际工作电流与温升情况还未有过相关参数。在电缆鉴定时，热老化参数按最高运行温度90℃进行鉴定[1]，其保守裕度较高。

因此对电缆系统来说，可依托于分布式测温系统，在关键区域和热点区域的布线通道建立监测系统，积累运行数据，可强有力地支持电缆实际运行状态[2-4]，为核电厂延寿提供依据[5]。

1.2 分布式应力/应变测量

分布式应变测量可应用于主管道与抗震I类支架的位移与振动测量。虽然其准确率不如传统的振动传感器，但其分布式特性可收集长时间的多维度数据，有力支持理论分析。

另一个典型应用是在周界安防系统中，可通过分布式应力应变传感打造核电厂实物保护系统中的周界安防子系统。但受限于核电厂的环境，往往建于海边，受到强风、强降雨的影响，误动率较高，算法需进一步完善，在本文中暂不考虑。

1.3 分布式辐照测量

目前，传统的环境辐照剂量测量方式大多仍基于试剂盒等离线式手段，而且仅能通过换料周期的间歇才能得到运维数据，这对于积累诸多有机材料的老化数据是远远不够的。

有一种潜在的方法是基于光纤在辐照环境下衰减性能的迅速劣化趋势进行模型构建，从而推断出所在环境的辐照累积剂量。但由于应用面过小，目前国际上仅有部分文献提到了该方法，尚无固化的理论体系支持，在本文中暂不论述。

2 光纤传感系统架构

无论是分布式温度测量，还是应变测量系统，其基础是分布式光纤传感技术，其可实现大范围、长距离的全天候传感，主要包含干涉型扰动分布传感、光频域反射仪（OFDR）传感技术、相干光时域反射仪（Φ-OTDR）传感技术、光纤布里渊传感技术、光纤拉曼传感技术等。系统架构主要由传感光纤、光纤连接器、传感机柜组成。

2.1 分布式测温系统

分布式光纤温度监测系统应设计为一种实时、在线、连续的温度监测系统。系统基于后向拉曼（Raman）散射原理和光时域反射（OTDR）定位原理，应具备光信号的发生、光谱分析、光电转换、信号放大和处理的等功能，应采用专用感温光缆作为温度传感器，可精确测量感温光缆铺设方向各个位置的温度以及精确定位温度异常点，应具备良好的性能指标和系统稳定性。系统应集计算机机柜、光纤通讯、光纤传感、光电控制等技术于一体。系统架构如图1所示。

图1 测温系统架构Fig.1 Temperature measurement system architecture

2.2 分布式应力/应变监测系统

分布式应力/应变监测系统架构应基于激光技术、光纤受激布里渊散射技术、差分脉冲对技术、光时域反射技术、高频信号采集等技术。系统应集计算机机柜、光纤通讯、光纤传感、光电控制等技术于一体。系统架构如图2所示。

图2 应力系统架构图Fig.2 Stress system architecture diagram

2.3 环境条件

在核岛中布置分布式光纤传感系统需综合考虑需监测对象、系统传感器和传感机柜等元器件所处的工况及对应的环境条件。

3 光纤传感系统性能验证试验方法

3.1 试验方法

原则上，光纤传感系统应按照对应应用场景不同工况的环境条件下进行可用性验证试验。但由于系统成套设备体积较大，且穿越多个区域，无法成套模拟，需要针对不同部件拆解分别进行性能验证，再结合成套设备特性，开展严酷环境下的标定，方法如下：

首先，应开展传感光缆及光纤连接器的性能验证试验。严酷环境传感光缆及光纤连接器的核级鉴定已有完整方法论，可参照IEEE 1682开展，在本文中不再赘述。

其次，开展传感机柜的型式试验，主要包含：基本性能试验、系统功能试验、环境适应性试验、电磁兼容性（EMC）试验等。

最后，开展严酷环境系统成套设备的标定，即性能验证试验。这也是本文所探讨的核心，主要分以下步骤：

1）实施光缆、柜内部件加速热老化试验。

2）将传感光缆置于满足严酷环境要求一定剂量率的辐照环境下，在线开展系统成套设备测量精度试验。

3）将传感光缆置于满足严酷环境要求一定剂量率的辐照环境下，在线开展系统成套设备定位精度试验。

4）将传感光缆置于满足严酷环境要求一定剂量率的辐照环境下，在线开展系统成套设备空间分辨率试验。

3.2 样件选择

分布式光纤传感系统设备样件选择总体要求如下：

对传感光缆，应事先完成基于IEEE 1682的质量合格鉴定后，方可应用于本系统。

光纤连接器应证明其代表性，包含厂家、产品型号、规格参数、材质等。

传感机柜中所有元器件均应证明其代表性，包含厂家、产品型号、规格参数、材质等。

上述3样主要部件所组装后的成品样件应能够代表与实际安装于核岛运行产品相同的设计、材料和制造工艺。

4 光纤传感系统严酷环境下的标定

4.1 部件预处理

在开展光纤传感系统严酷环境下的标定之前，需事先完成传感光缆的加速热老化试验，将其模拟至寿命末期的热老化劣化状态[5,6]，该状态指所有性能、运行和机械及电气等特性的退化状态[7]。

4.2 系统成套设备安装

将传感光缆盘绕式布置于γ辐照实验室迷宫有效辐照区域内，并在标定的米数设置水浴锅等经过检定的温度标定装置、标准应力/应变试验台。将光缆贯穿出辐照迷宫，接入通过型式试验的传感机柜，形成完整的标定系统。其中，传感光缆推荐γ辐照剂量率≤750Gy/h，在60年累积剂量作用下，按等间隔持续进行以下4.3～4.5的标定试验，以获取相关参数，后续优化算法。

推荐采用OTDR等技术，可实时观察温度变化曲线，并自动采集数据。

4.3 测量精度试验

温度传感系统主机置于缓和环境下，选择测温光缆远端光缆置于加热平台，将平台分别设置3个恒定温度点，温度稳定后，读取温度传感系统主机中的温度数据，对比加热平台上热电偶测试的温度值。温度传感系统主机所测量的温度值与标准热电偶的温度值差值的最大值应满足系统所要求的误差。

选择三段传感光缆中的0.9mm紧套结构置于应力应变试验平台上，分别设置3个基准偏移量，静置30min，记录3个应力应变传感系统主机监测应力值，记做参考值；保持试验平台应变基准不变，静置30min，再次记录3个应力应变传感系统主机监测应力值，两组监测值差值的最大值即为应力测量分辨率，应满足系统所要求的误差。

4.4 定位精度试验

选择测温光缆远端3m长的光缆，置于加热平台上，设置恒定温度，并用温度传感系统主机读取加热点1的位置P1。在加热点1的基础上，利用标准尺沿光缆向后测量距离P1有3m长的距离并设置为加热点2，用温度传感系统主机读取加热点2的位置P2。定位准确度=P2-P1-3，试验3次，其结果需满足系统所要求的误差。

选取待测光缆中的0.9mm紧套结构的一段，置于应力平台，并设置某个基准偏移值，如400με，并用测应力应变传感系统主机读取施加应力点1的位置P1。在应力点1的基础上，利用标准尺沿光缆向后测量距离P1有3m长的距离并设置应力点2，用测应力应变传感系统主机读取应力点位置P2。定位准确度=P2-P1-3，试验3次，其结果需满足系统所要求的误差。

4.5 空间分辨率试验

选取待测光缆的三段，每段光缆长度分别为2m、3m、4m，置于加热平台，其平台温度设定为某个基准温度，推荐60℃。三段中温度传感系统主机可解调出满足测量精度的最小长度即为温度传感系统主机空间分辨率，应满足系统所要求的误差。

选取待测光缆中的0.9mm紧套结构的三段，每段光缆长度分别为40cm、50cm、60cm。用光缆夹具固定至应力平台上，对三段光缆应力设定为某个基准偏移值，如400με。三段中应力应变传感系统主机可解调出满足测量精度的最小长度即为应变系统空间分辨率，应满足系统所要求的误差。

图7 辐照前温度测量精度Fig.7 Temperature measurement accuracy before irradiation

5 试验结果及分析

5.1 试验布置

如图3和图4所示，将约400m抗辐射单模光纤放入辐射环境中，光纤尾端施加一个标定加热点，并通过热电偶读取加热温度，温度数据由DTS主机通过双端解调得到。

图3 辐照室内试验样件布置Fig.3 Layout of test samples in the irradiation room

图4 辐照装置示意图Fig.4 Schematic diagram of irradiation device

5.2 分布式测温系统试验结果

在给定累积剂量的辐照期间，需持续开展空间分辨率、测温精度标定。

某次试验在辐照前、辐照期末的空间分辨率测试结果如图5、图6所示。

图5 辐照前空间分辨率Fig.5 Spatial resolution before irradiation

图6 辐照期末空间分辨率Fig.6 Spatial resolution at the end of the irradiation period

某次试验在辐照前、辐照期末的温度测量精度测试结果如图7、图8所示。

图8 辐照期末温度测量精度Fig.8 Temperature measurement accuracy at the end of the irradiation period

将辐射室内光纤100m～350m未加热区域温度的标准差作为系统的温度测量精度，测量精度随辐射剂量（时间）的变化如图9所示。其中，17日～18日数据出现异常，19日恢复正常。经排除，异常数据为外界扰动所导致的测量误差，不能反映DTS的实际测量精度，为异常数据，需剔除。从图中可以看出，辐照前的初始测量精度为0.34℃，辐照期末的测量精度为0.71℃，在光纤耐受γ辐照的过程中，测温精度有显著下降趋势。

图9 温度测量精度变化Fig.9 Changes in temperature measurement accuracy

5.3 分布式应力应变测量系统试验结果

在给定累积剂量的辐照期间，需持续开展应变测量精度标定。

某次试验中，取光纤150m～300m之间两组连续测量数据相减的标准差作为系统的应变测量精度，据此作测量精度随辐照累积剂量（时间）的变化如图10所示。

图10 应变测量精度变化Fig.10 Changes in strain measurement accuracy

从图10中可以看出，整体测量精度低于5με，平均应变测量精度为2.34με。与测温传感系统不同，应变的测量精度并未明显随着辐射剂量的增大而增大。

6 结论与展望

采用试验法进行严酷环境分布式光纤传感系统性能验证，是对其引入核岛并在寿期内正常运行的有效保障。本文所探究的试验方法系统性地验证核电厂严酷环境光纤传感系统在核电厂寿期内的可用性，通过寿期内的测量精度、定位精度、空间分辨率验证进行系统标定，可用于指导采用试验法的光纤传感系统严酷环境可用性验证。