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发展核电能源对于保障能源安全、实现可持续发展、提高综合经济实力和产业水平具有重要意义。 然而，潜在的风险也不容忽视。 核废水处理过程中的安全监控是核电的核心。 作为安全生产的重要环节，核废水如果不达标排放，将对土壤、水体等环境造成严重污染，并通过各种途径进入机体，对人类造成严重危害。 因此，放射性废水处理的研究备受关注。 .

目前，核废水液位监测系统普遍采用进口传感器，如罗斯蒙特的差压式液位计等，现有传感器可实现液位连续监测和液位间歇报警，但使用寿命和精度传感器受辐射环境影响 每个传感器都需要配备单独的变送器，系统结构庞大复杂； 液位的连续监测和限位监测需要不同的模拟量和开关量传感器来完成，响应时间慢，都需要电源。 在这种情况下，它将不起作用。

结合目前废水处理装置的要求，核电液位系统仪表选型的基本要求是：

1）液位、温度的连续测量；

2）测量精度高，安装简单，维修方便；

3）耐辐射、抗震、抗凝露；

4) 可进行核级鉴定。

近年来，光纤传感器弥补了传统技术手段的不足。 光纤探头不需要用电、耐强磁、耐电、耐腐蚀、抗辐射能力强、灵敏度高、寿命长、可靠性高、稳定性高、响应迅速。 一根光纤可以连接多个、多参数传感器，共用同一个发射器进行信号处理。 光纤传感系统的传感单元为光纤（由玻璃制成），无需电源，在事故情况下也能安全运行。 它弥补了传统传感器间歇性测量液位、恒定供电、不能进行核液位识别等缺点，满足了上述要求。 因此，本文提出了一种用于核废水监测的光纤光栅液位传感器。

1 光纤布拉格光栅传感原理

光纤布拉格光栅是一种用紫外光照射相位掩模，使纤芯的折射率发生周期性变化，从而使入射光被选择性反射的光学器件。

如图1所示，当光入射到FBG上时，满足布拉格条件的光反射，布拉格条件如下：

λ=2neffΛ(1)

λ是FBG的中心波长，neff：纤芯的有效折射率，Λ：光栅周期。

当外界被测（应变场和温度场或液位场）发生变化时，光栅的中心波长会发生相应的变化，中心波长的变化将通过解调器解调得到，结合校准后的待测物被测光栅中心波长与光栅中心波长对应关系，达到传感器测量的目的。

2 光纤布拉格光栅解调原理

光纤光栅的波长变化在皮米级（1pm=10-9m），因此需要高精度的信号解调器对信号进行解调液位仪信号，是光、机、电、计算相结合的复杂精密仪器。

目前最主流的光栅解调方式是：可调FP滤波器方式，解调范围宽，精度高，可大容量重复使用。

来自 ASE 光源的光入射并通过光纤光栅反射回可调滤波器。 当光栅的反射峰与滤光片的透射峰重合时，滤光片的透射光强度达到最大值，得到光栅的高斯光谱信号。 转换为电信号后，通过放大、滤波等调理电路，结合滤波器扫描电压与透射波长的对应关系，利用标准具对波长进行标定，最后与主机结合发送至计算机用于信号处理和被测信号解调的计算机软件。

3 核电光纤光栅液位传感器设计

本文提出的光纤液位传感器结构示意图如图3所示，传感器封装在316不锈钢外壳内，内置波纹管。 其中，FBG2的上、下端分别与壳体顶部和波纹管底部相连。 FBG1的环境温度和灵敏度与FBG2一致，用于温度测量和温度补偿。 测量时，整个传感器固定在容器底部，两个光纤光栅通过光纤引出，输入解调装置。

对传感器进行力分析。 当传感器放入被测液体时，水从波纹管的进液孔流入，产生拉力，带动液位光栅（FBG2）受到轴向拉力。 如图（b）所示，其中FP：波纹管垂直方向的液压； G：质量； FA：大气压； F：弹力。

FBG2因水压产生轴向应力后，中心波长发生漂移，通过检测中心波长的变化得到液位值。

当被测液体的温度和高度同时变化时，液位光栅FBG2中心波长的变化Δλ2为：

Δλ2=ΔλL+ΔλT (2)

ΔλL：液位引起的中心波长变化，ΔλT：温度引起的波长变化，FBG1只受温度变化的影响，温度光栅（FBG1）和液位光栅（FBG2）的温度灵敏度)相同，所以温度引起的波长偏移相同，采用温度光栅补偿液位光栅的温度，则液位光栅（FBG2）中心波长的变化为：

ΔλL=Δλ2-ΔλT (3)

液位引起的中心波长变化量为：

ΔλB/λB(1-pe)ε(4)

波纹管伸长率与液压的关系为：

ΔY=X(N*PA*(1-μ2)R22)/(Er3)(5)

式中： X：波纹管修正系数； N：波纹管的波纹数； P=ρgh； A=π(R1+R2)2/4，R1、R2：波纹管内外径； E：材料的弹性模量； μ：泊松比，r为波纹管壁厚。

结合以上公式可得

ΔλB/λB=η*h (6)

式中：η=Cc(nρg AeqR22(1-μ2)(1-pe)/(Er3)，为变异系数；h：液面高度。

因此液位仪信号，可以通过液位光栅中心波长的变化，利用FBG2进行温度补偿来测量液位高度。

这种封装形式的优点是：

液位和温度光栅全部密封在外壳内，不与核废水直接接触，避免长时间浸泡在核废水中，可增加使用寿命。

传感器封装有2个光栅，可同时连续测量核废水的液位和温度。

波纹管是核电中常用的标准件。 它们与成熟的核电标准件封装在一起。 它们成熟可靠，可用于核级鉴定。

4 光纤光栅液位监测系统

光纤光栅液位计放入被测罐内，感应罐内液位变化，光传输电缆将携带液位信息的光信号传输至光纤传感器分析仪进行信号解调，并输出液位值，可通过光纤传输。 在传感器分析仪上位软件中设置液位报警阈值和液位，进行液位溢出报警。

系统组成及各部分功能如下：

a) 光纤光栅液位计：安装在水箱内，实时监测废水处理系统中水箱的液位；

b) 光纤传感器分析仪：对光纤液位计的信号进行调制解调，输出液位数据；

c) 传输电缆：传输液位信号

d) 报警装置：当液位超过预警时报警。

光纤布拉格光栅监测系统的优势

本文采用耐辐射、体积小、重量轻、防水的光纤光栅传感器进行液位测量，精度高、寿命长； 传感器封装有两个光栅，可同时连续测量核废水液位和温度； 传感器传输的信号是光信号，可以在事故情况下安全运行； 采用光纤传感系统，可以在一根光纤上连接多个数量、多参数传感器，用同一个发射机进行信号处理，系统结构简单。

6 总结

该技术将针对核电站废水处理系统的液位监测需求，采用耐辐射、不带电的光纤光栅液位传感器，同时测量温度和液位，组成液位监测系统，可执行实时、在线、连续测量液位，当液位超过报警值时，发出声光报警。

参考

[1] 于有龙，谭玲，李倩，等． 压电陶瓷加热对光纤光栅传感信号干涉解调的影响[J]． 光学学报, 2014, 34(5): 0506005.

[2] 陈贤，余尚江，杨继祥，等． 线性滤波法高速解调技术测量效果研究[J]． 光学学报, 2009, 29 (1): 145-150.

[3]刘坤，刘铁根，姜俊峰，等． 基于光纤光栅传感系统的可调谐光滤波器非线性研究[J]． 光电激光, 2010, 21(7): 970-973.