用于核电厂蒸汽发生器传热管间异物检测的传感器及检测系统

技术领域

本发明属于原位无损检测技术领域，具体涉及一种用于核电厂蒸汽发生器传热管间异物检测的传感器及包括该传感器的检测系统。

背景技术

蒸汽发生器(蒸发器)是核电厂核心设备之一，承担着一、二回路热交换产生蒸汽推动汽轮机发电以及第二道放射性屏障的功能。在长期运行过程中，由于外部引入、部件老化(磨损/腐蚀/疲劳)等原因，蒸汽发生器内部会产生异物。虽然在大修过程中会进行蒸汽发生器内部检查以及水冲洗，但仍可能存在部分异物无法冲洗或取出，这会导致异物的三维尺寸难以精确测定，其成分或牌号无法识别等，将进一步影响电厂对异物的溯源以及安全评估。

目前，核电厂针对蒸汽发生器内部的异物检查和识别技术通常包括两个方面：1)采用特制视频探头伸入蒸汽发生器传热管间对异物进行检查，确定异物位置及外观形貌；2)采用XRF(X射线荧光光谱)对取出的异物进行元素组分检测，根据组分含量确定异物牌号。这种方式存在明显的局限性，主要体现在对于无法取出的异物无法精确测定其三维尺寸、异物元素组分无法原位快速测量等。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种用于核电厂蒸汽发生器传热管间异物检测的传感器及检测系统，具有该传感器的检测系统能够实现蒸汽发生器传热管间异物的三维成像及精确的尺寸测量、异物的元素组分原位定性/定量分析，为核电厂确定异物位置、明确异物形状以及判断异物类型提供直观的数据。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明的一个目的是提供一种用于核电厂蒸汽发生器传热管间异物检测的传感器，包括依次连接的探头组件、线缆组件和连接组件，所述探头组件包括壳体，所述壳体远离所述线缆组件的一端设置有多个用于采集所述蒸汽发生器传热管间的图像信息的摄像头模组和多个照明模组，所述壳体上设置有LIBS(激光诱导击穿光谱)探头，所述LIBS探头用于发射激光并接收激发物质产生的等离子体光谱；所述连接组件包括光纤接头和绕所述光纤接头一周设置的多个金属导线导体，所述光纤接头用于耦合光纤束，所述金属导线导体用于连接信号线及电源导线。

通过将探头组件、线缆组件及连接组件结合起来，形成有机整体，方便在现场安装和使用，探头组件上设置的多个摄像头模组可以在不同角度对蒸汽发生器传热管间的异物进行成像，结合图像识别算法，能实现精确的三维测量；通过LIBS探头发射激励激光激发物质产生等离子体光谱可实现异物材料的元素组分检测，从而使得该传感器能够在蒸汽发生器传热管间实现异物的原位三维成像、尺寸测量以及元素组分分析等多种功能。

根据本发明的一些优选实施方面，所述壳体包括第一部和位于所述第一部两侧的对称设置的第二部，所述第一部平行于所述第二部，所述第一部和第二部靠近所述线缆组件的一端齐平，所述第一部的内部开设有用于部分容纳所述LIBS探头的空腔，所述LIBS探头位于所述第一部的中轴线上，所述LIBS探头的两端分别与所述第一部的两端齐平。本发明的一些实施方面，探头组件的壳体为扁平状，厚度为0.5～2mm，能够在蒸汽发生器传热管间的狭小空间内自由穿梭，壳体的材质为不锈钢。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第二部包括相连的第一连接块和第二连接块，所述第一连接块远离所述第二连接块的一侧与所述第一部的侧边连接，所述第一部的长度大于所述第一连接块的长度，所述第一部远离所述线缆组件的一端面及所述第一连接块远离所述线缆组件的一端面均垂直于所述第一部的中轴线；所述摄像头模组对称地设置有两个，两个所述摄像头模组分别位于两个所述第一连接块远离所述线缆组件的一端面上。两个摄像头模组分别位于LIBS探头的上下两侧，能从不同角度观察异物的形态，通过图像识别算法，可精确计算异物实际尺寸。摄像头模组与信号线及电源导线连接，以保证视频信号的传输和摄像头模组的供电。

根据本发明的一些优选实施方面，每个所述第二连接块远离所述线缆组件的一端设有第一斜面和第二斜面，所述第一斜面靠近所述摄像头模组，所述照明模组位于所述第一斜面上，所述第一斜面与所述第一部远离所述线缆组件的一端面之间的夹角为钝角。照明模组与电源导线连接，可为摄像头模组工作提供光源。本发明的一些实施方面，照明模组优选为LED灯，每个照明模组的亮度均可单独调节，照明模组安装在第一斜面上，摄像头模组安装在第一部远离线缆组件的端面上，第一斜面与第一部远离线缆组件的端面之间的夹角为钝角，优选的钝角范围为120～150°，有利于使光线集中，保证摄像头模组获得充足的光照度。

具体地，本发明的一些实施方面，第一部的长度大于第一连接块的长度，第二连接块的长度也大于第一连接块的长度，使得第一部与第二连接块远离线缆组件的端部之间形成一个凹槽，该凹槽由探头组件远离线缆组件的一端向另一端凹陷，设置在第一部远离线缆组件的端面上的摄像头模组以及设置在第一斜面上的照明模组均位于此凹槽中，能够保证传感器在蒸汽发生器传热管间穿梭时对摄像头模组和照明模组起到保护作用，避免在工作过程中，摄像头模组和照明模组碰撞到异物而产生损害。

根据本发明的一些优选实施方面，所述LIBS探头包括套筒以及位于所述套筒内部的准直透镜和聚焦透镜，所述套筒的外径大于所述空腔的直径，所述准直透镜靠近所述线缆组件，所述准直透镜用于将光纤的入射光进行准直，所述聚焦透镜用于将激光的光斑聚焦于所述蒸汽发生器传热管间的异物表面。本发明的一些实施方面，套筒的外径大于空腔的直径，即LIBS探头的套筒的部分外壁是位于第一部的空腔之外的。LIBS探头由光学透镜组成，可发射激光并接收激发物质产生的等离子体光谱，从而实现对异物元素组分的原位检测；当激光从光纤端口入射后，经过准直透镜实现准直，并最终通过聚焦透镜，将光斑聚焦到待测样品表面，实现样品表面物质的等离子体光谱激发，利用光路的可逆性，LIBS探头接收光谱，并传送给光谱分析仪，从而实现异物的元素组分检测。此外，LIBS探头具有IP67的防护等级，可在较为潮湿的环境中工作。

根据本发明的一些优选实施方面，还包括位于所述探头组件与线缆组件之间的固定块，所述固定块的一端与所述探头组件的端部连接，所述固定块的另一端与所述线缆组件的端部连接，所述固定块的材质为硅胶。设置固定块的材质为硅胶，可保证探头组件与线缆组件的连接处的弯曲半径，减小耐疲劳程度。

根据本发明的一些优选实施方面，所述线缆组件包括扁带线缆部、转接线以及过渡部，所述过渡部用于连接所述扁带线缆部与转接线，所述转接线远离所述过渡部的一端与所述连接组件连接；所述扁带线缆部包括扁带线缆主体、光纤束、多个信号线及电源导线，所述扁带线缆主体内部设置有沿其长度方向贯穿的第一通道、多个第二通道和多个第三通道，所述第一通道的两侧均设有所述第二通道和第三通道，所述第一通道用于容纳所述光纤束，所述第二通道用于容纳所述信号线，所述第三通道用于容纳所述电源导线。扁带线缆主体、光纤束、信号线及电源导线之间相互平行。本发明的一些实施方面，扁带线缆主体的一侧的边沿设置有多个驱动槽，多个驱动槽沿扁带线缆主体的长度方向均匀间隔排列，多个驱动槽与驱动机构相配合，通过驱动机构带动扁带线缆部移动，从而带动探头组件在蒸汽发生器传热管间穿梭。此外，扁带线缆主体采用PEEK(聚醚醚酮)材料挤塑而成，具有较强的韧性和耐高温性能，可支撑探头组件在蒸汽发生器传热管间穿行检测。光纤束的一端与LIBS探头连接，光纤束内含7根纤芯，其中的6根纤的芯径为150～250μm，连接于检测主机的光谱仪，用于接收激光诱导等离子体光谱，另外1根纤芯为高能特种光纤，芯径为950～1100μm，用于传输激光器发射的激励激光；信号线及电源导线均分布在光纤束的两侧，其中的信号线为同轴线，用于传输视频信号，电源线用于给LED灯及摄像头供电。转接线为圆柱形柔性线缆，包括保护套和位于保护套内部的集成纤芯，保护套采用硅胶材质，具有较好的柔性；内部的集成纤芯包括光纤和多条金属纤芯，其中的多条金属纤芯分别与扁带线缆主体内部的信号线、电源导线，以及连接组件的金属导线导体对应，其中的光纤与扁带线缆主体内部的光纤束以及连接组件的光线接头对应。在工作过程中，转接线始终位于蒸汽发生器外部。

根据本发明的一些优选实施方面，所述固定块内部设置有贯穿其高度方向的第一通孔、多个第二通孔和多个第三通孔，所述第一通孔用于供所述光纤束穿过，所述第二通孔用于供所述信号线穿过，所述第三通孔用于供所述电源导线穿过；所述信号线用于传输视频信号，所述电源导线用于为所述照明模组及摄像头模组供电。

根据本发明的一些优选实施方面，所述连接组件还包括外壳和绝缘填充体，所述绝缘填充体位于所述外壳与光纤接头之间，多个所述金属导线导体嵌设在所述绝缘填充体中。本发明的一些实施方面，连接组件的外壳由不锈钢制成，其具有较高的机械强度和防腐蚀性能，外壳的内部带有机械定位卡口，可在与检测主机连接时保证针、孔之间的准确快速定位。绝缘体为PEEK材质，具有良好的耐高温、耐辐照及绝缘性能；光纤接头位于连接组件的外壳的中部，用于耦合光纤束。该连接组件能够保证传感器与检测主机的接口良好配合。本发明的一些实施方面，连接组件内设置有用于对探头组件进行身份识别的芯片，该芯片与连接组件的金属导线导体连接，通过金属导线导体向检测主机传输信号。当传感器与检测主机连接后，检测主机及检测软件可通过芯片识别传感器的探头组件的种类和技术信息，从而便于调取与对应类型探头组件相适配的检测软件。

本发明的另一个目的是提供一种适用于核电厂蒸汽发生器内部异物检测的检测系统，其包括检测主机和如上所述的传感器，所述传感器通过所述连接组件与所述检测主机相连接。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的适用于核电厂蒸汽发生器内部异物检测的传感器及检测系统的有益之处在于：突破了核电厂现有技术中需要将蒸汽发生器传热管间的异物视频检查和成分检测分开实施的局限，同时也解决了异物卡在蒸汽发生器传热管间无法取出时，进行异物三维成像及精确尺寸测量、异物元素组分原位定性/定量分析等多种原位无损检测的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中传感器的主视结构示意图；

图2为本发明优选实施例中传感器的探头组件的立体结构示意图；

图3为本发明优选实施例中传感器的探头组件的仰视结构示意图；

图4为本发明优选实施例中传感器的LIBS探头的立体结构示意图；

图5为本发明优选实施例中传感器的固定块及过渡部与扁带线缆主体脱开后的主视结构示意图；

图6为本发明优选实施例中传感器的连接组件的俯视结构示意图；

其中，附图标记为：探头组件-1，壳体-11，第一部-111，第一连接块-112，第二连接块-113，第一斜面-1131，第二斜面-1132，摄像头模组-12，照明模组-13，LIBS探头-14，套筒-141，准直透镜-142，聚焦透镜-143，线缆组件-2，扁带线缆主体-21，驱动槽-211，光纤束-22，信号线-23，电源导线-24，转接线-25，过渡部-26，连接组件-3，光纤接头-31，金属导线导体-32，外壳-33，绝缘填充体-34，固定块-4。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参照图1至图6，本实施例提供一种用于核电厂蒸汽发生器传热管间异物检测的检测系统，该检测系统包括传感器及检测主机，其中，传感器包括依次连接的探头组件1、固定块4、线缆组件2和连接组件3，连接组件3用于将传感器与检测主机相连。

进一步地，如图1至图4所示，探头组件1包括壳体11以及设置在壳体11上的LIBS探头14、摄像头模组12和照明模组13，摄像头模组12用于采集蒸汽发生器传热管间的图像信息，照明模组13用于为摄像头模组12提供光源，LIBS探头14用于发射激光并接收激发物质产生的等离子体光谱。壳体11为扁平状，其厚度为0.5mm，材质为不锈钢；壳体11包括第一部111和位于第一部111两侧的对称设置的第二部，第一部111平行于第二部，第一部111和第二部靠近线缆组件2的一端齐平。第一部111的内部开设有用于部分容纳LIBS探头14的空腔，LIBS探头14位于第一部111的中轴线上，且LIBS探头14的两端分别与第一部111的两端齐平；第一部111远离线缆组件2的一端面垂直于第一部111的中轴线。此外，LIBS探头14与光纤束22连接，LIBS探头14包括套筒141以及位于套筒141内部的准直透镜142和聚焦透镜143，准直透镜142和聚焦透镜143均垂直于套筒141，准直透镜142靠近线缆组件2，准直透镜142用于将光纤的入射光进行准直，聚焦透镜143用于将激光的光斑聚焦于蒸汽发生器传热管间的异物表面。套筒141的外径大于第一部111的空腔的直径，即LIBS探头14的套筒141的部分外壁是位于第一部111的空腔之外的，有利于固定LIBS探头14；LIBS探头14具有IP67的防护等级，可在较为潮湿的环境中工作。

具体地，第二部包括相连的第一连接块112和第二连接块113，第一连接块112远离第二连接块113的一侧与第一部111的侧边连接，第一部111的长度大于第一连接块112的长度，第一部111的长度大于第一连接块112的，第二连接块113的长度也大于第一连接块112的长度，使得第一部111与第二连接块113远离线缆组件2的端部之间形成一个凹槽，该凹槽由探头组件1远离线缆组件2的一端向另一端凹陷。第一连接块112远离线缆组件2的一端面也垂直于第一部111的中轴线。本实施例中，摄像头模组12对称地设置有两个，两个摄像头模组12分别位于两个第一连接块112远离线缆组件2的一端面上，即两个摄像头模组12分别位于LIBS探头14的上下两侧，能从不同角度观察蒸汽发生器传热管间异物的形态，通过图像识别算法，可精确计算异物实际尺寸。摄像头模组12与信号线23及电源导线24连接，以保证视频信号的传输和摄像头模组12的供电。此外，每个第二连接块113远离线缆组件2的一端设有第一斜面1131和第二斜面1132，第一斜面1131靠近摄像头模组12，照明模组13设置在第一斜面1131上，照明模组13与电源导线24连接，可为摄像头模组12工作提供光源。本实施例中，照明模组13优选为LED灯，照明模组13设置有四个，每两个照明模组13位于一个第一斜面1131上，每个第一斜面1131上设置的两个照明模组13之间的间距相等；第一斜面1131与第一部111远离线缆组件2的一端面之间的夹角为120～150°，本实施例中，该夹角优选为135°，有利于使光线集中，保证摄像头模组12获得充足的照度。实际上，摄像头模组12和照明模组13均位于第一部111与第二连接块113之间形成的凹槽中，能够保证传感器在蒸汽发生器传热管间穿梭时对摄像头模组12和照明模组13起到保护作用，避免在工作过程中，摄像头模组12和照明模组13碰撞到异物而产生损害。

进一步地，如图1和图5所示，线缆组件2包括扁带线缆部、转接线25以及过渡部26。过渡部26用于连接扁带线缆部与转接线25，转接线25远离过渡部26的一端与连接组件3连接。其中，如图5所示，扁带线缆部包括扁带线缆主体21、光纤束22、多个信号线23及电源导线24，信号线23及电源导线24均分布在光纤束22的两侧，其中的信号线23为同轴线，用于传输视频信号；电源线用于给LED灯及摄像头供电。扁带线缆主体21内部设置有沿其长度方向贯穿的第一通道、多个第二通道和多个第三通道，第一通道的两侧均设有第二通道和第三通道，第二通道的数量等于信号线23的数量，第三通道的数量等于电源导线24的数量，第一通道用于容纳光纤束22，第二通道用于容纳信号线23，第三通道用于容纳电源导线24。光纤束22、信号线23及电源导线24的长度均大于扁带线缆主体21的长度。为了保证LIBS探头14与光纤束22之间、摄像头模组12与信号线23及电源导线24之间以及照明模组13与电源导线24之间的连接，在固定块4内部设置有贯穿其高度方向的第一通孔、多个第二通孔和多个第三通孔，其中的第二通孔的数量等于信号线23的数量，第三通孔的数量等于电源导线24的数量，第一通孔用于供光纤束22穿过，第二通孔用于供信号线23穿过，第三通孔用于供电源导线24穿过；从而保证信号线23能够传输摄像头模组12采集到的视频信号，电源导线24能够为照明模组13及摄像头模组12供电。

为了便于传感器在蒸汽发生器传热管间的穿梭移动，在扁带线缆主体21的一侧边沿设置有多个驱动槽211，多个驱动槽211沿扁带线缆主体21的长度方向均匀间隔排列，多个驱动槽211共同与驱动机构相配合，通过驱动机构带动扁带线缆部移动，从而带动探头组件1在蒸汽发生器传热管间穿梭，为了保证探头组件1与线缆组件2的连接处的弯曲半径并减小二者之间连接处的耐疲劳程度，设置固定块4的材质为柔软的硅胶。本实施例中，扁带线缆主体21采用PEEK材料挤塑而成，具有较强的韧性和耐高温性能，可支撑探头组件1在蒸汽发生器传热管间穿行。

本实施例中，光纤束22内含7根纤芯，其中的6根纤芯的芯径为200μm，连接于检测主机的光谱仪，用于接收激光诱导等离子体光谱；另外1根纤芯为高能特种光纤，芯径为1000μm，用于传输激光器发射的激励激光。此外，转接线25为圆柱形柔性线缆，其包括保护套和位于保护套内部的集成纤芯，保护套采用硅胶材质，具有较好的柔性；内部的集成纤芯包括一条光纤和多条金属纤芯，其中，扁带线缆主体21内部的信号线23及电源导线24靠近转接线25的一端穿过过渡部26与多条金属纤芯的一端对应连接，扁带线缆主体21内部的光纤束22靠近转接线25的一端穿过过渡部26与光纤的一端对应连接，在工作过程中，转接线25始终位于蒸汽发生器外部。

进一步地，如图6所示，连接组件3包括光纤接头31、绕光纤接头31一周设置的多个金属导线导体32、外壳33和绝缘填充体34。其中的绝缘填充体34位于外壳33与光纤接头31之间，多个金属导线导体32嵌设在绝缘填充体34中，光纤接头31位于连接组件3的外壳33的中部，用于耦合光纤束22，金属导线导体32用于连接信号线23及电源导线24。具体地，外壳33由不锈钢制成，其具有较高的机械强度和防腐蚀性能，外壳33的内部带有机械定位卡口，可在与检测主机连接时保证针、孔之间的准确快速定位。绝缘体为PEEK材质，具有良好的耐高温、耐辐照及绝缘性能。本实施例中，金属导线导体32为铜制导线导体，信号线23为铜制导线，金属纤芯为铜制纤芯。转接线25中的集成纤芯的光纤的另一端与连接组件3的光线接头对应连接，转接线25中的集成纤芯的金属纤芯的另一端与连接组件3的金属导线导体32对应连接，从而使得转接线25将扁带线缆部与连接组件3之间对应连接，保证信号的传输及激光的发射。

本实施例中，通过驱动机构带动扁带线缆主体21移动，从而带动探头组件1在蒸汽发生器传热管间穿梭，利用探头组件1壳体11的第二部上设置的两个摄像头模组12可以在不同角度对蒸汽发生器传热管间的异物进行三维成像，结合图像识别算法，能实现对异物尺寸精确的三维测量。当激光从光纤端口入射后，经过连接、线缆组件2到达探头组件1，通过LIBS探头14的准直透镜142实现准直，并最终通过聚焦透镜143将激光光斑聚焦到异物表面，实现样品表面物质的等离子体光谱激发，并利用光路的可逆性，LIBS探头14会接收光谱并传送给光谱分析仪，从而实现异物材料的元素组分检测。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。