操作在惡劣環境中并且包括光學移動測量模塊的變形測量傳感器，以及使用所述傳感器 ...的制作方法
【專利摘要】本發明涉及操作在惡劣環境中并且包括光學移動測量模塊的變形測量傳感器，和使用所述傳感器的測量系統。該傳感器（2）包括：包括開口（14）的外殼（12）；可移動元件（16），該可移動元件（16）具有與能夠變形的物體（4）例如核燃料棒接觸的第一表面（22）和反射性的并且通過上述開口延伸進入外殼的第二表面（24）；執行元件和外殼之間的返回功能的密封的彈性連接組件（18），和在外殼內部用于使用由元件的第二表面反射的光（30）創建干涉光（36）的光模塊（20）。根據本發明，物體的變形導致用于表示變形的干涉光改變。
【專利說明】操作在惡劣環境中并且包括光學移動測量模塊的變形測量傳感器，以及使用所述傳感器的測量系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及能夠操作在惡劣環境中并且包括光學移動測量模塊的變形測量傳感器。
[0002]該傳感器能夠在現場并且在苛刻使用條件中(例如在壓力和/或溫度為高的流體中，或在暴露于中子和伽馬光子的通量的區域中)實時測量經歷不同負載(例如:溫度、壓力、由伽馬光子加熱或磨損)的物體的變形現象。
[0003]該傳感器獲得在不同工業領域中尤其是核和石油化學領域中的應用。例如，在核領域中，該傳感器用于位于輻射設備中的燃料棒包殼的膨脹的測量。但是，該傳感器還可以適合于其它類型的變形的測量，例如適合于暴露于中子通量的燃料棒的延長的測量。
[0004]事實上，在大量工業系統中，特定組件可以經歷可能導致它們變形的不同負載。例如，暴露于增長的中子通量的核燃料棒的膨脹可以達到它的直徑的10%。
[0005]當變形過大時，組件可能停止操作甚至被損毀。因此，能夠實時測量組件的變形是有用的，尤其因為返回至普通操作條件可以導致變形現象的消失(例如膨脹的情況)或只提供關于現象的整體信息(例如組件的磨損的情況)。
【背景技術】
[0006]已知使用法布里-拍羅(Fabry-Perot)干涉儀(其與光束相互作用)的變形傳感器。另一方面，用于反射光束的表面的設置(沿著光纖的軸線，和傳感器一起使用)以及可以由這種傳感器獲得的變形測量的程度(比所尋求的程度(從0.1mm至幾毫米)低至少10倍)使該干涉儀不能用于前述應用，即為在輻射下的核燃料棒的膨脹的測量。
【發明內容】
[0007]本發明的目的為克服這些缺點。
[0008]作為本發明的主題的傳感器使得可以測量徑向變形，例如膨脹。該傳感器可以在高壓和高溫的條件下操作。并且該傳感器能夠以大約10微米的精度來測量從0.1mm到幾毫米的范圍內的變形。
[0009]該測量是以通過定位在與外部環境隔離的外殼中的光模塊來實施的實時干涉度量法為基礎。
[0010]精確地說，本發明涉及一種能夠在惡劣環境中操作的變形測量傳感器，其特征在于，該變形測量傳感器包括:
[0011]外殼,該外殼包括開口，
[0012]可移動元件，該可移動元件具有相對的第一表面和第二表面并且能夠沿著與該第一表面和該第二表面相交的第一軸(Xl)關于該外殼而移動，該第一表面用于與易于變形的物體接觸，該第二表面能夠通過該外殼的該開口而延伸進入該外殼并且反射入射光，
[0013]密封的彈性連接組件，該連接組件執行該可移動元件和該外殼之間的返回功能，和
[0014]光模塊,該光模塊位于該外殼內部，用于使用由該可移動兀件的該第二表面反射的輔助光而創建沿著不與該第一軸平行的第二軸的干涉光，以使得物體的變形導致用于表示該變形的干涉光改變。
[0015]根據作為本發明的主題的變形測量傳感器的優選實施方式，該第一軸和該第二軸是垂直的。
[0016]優選地，該光模塊包括與該可移動元件的該第二表面配合以形成邁克爾遜(Michelson)型干涉儀的半反射鏡和反射表面。
[0017]根據本發明的優選實施方式，該測量傳感器包括在該可移動元件與該外殼之間的連接波紋管。
[0018]優選地，在這種情況下，該變形測量傳感器進一步包括用于以氣體對該外殼進行增壓以均衡該外殼內部和外部之間的壓力的設備。
[0019]根據優選的實施方式，該變形測量傳感器進一步包括第一管(38)，該第一管以密封方式連接到該外殼，沿著該第二軸(X2)延伸并且允許干涉光和該輔助光的流通，用于通過該光模塊生成該干涉光。
[0020]在這種情況下，優選地，該變形測量傳感器進一步包括延伸進入該第一管中以傳輸該輔助光和該干涉光的光纖。
[0021]優選地將部分該光纖彎曲進入該第一管中以便在該第一管中形成膨脹環。
[0022]增壓設備有利地包括:
[0023]以密封方式連接至該第一管并且設置為經由該第一管向該外殼供應氣體的第二管，和
[0024]安裝在該第二管上以在該外殼的密封喪失情況中防止惡劣環境的通過的止回閥。
[0025]還優選地的是，向該變形測量傳感器提供密封設備，該在該光纖和該第一管的內壁之間，關于該第一管和該第二管之間的連接區域而與該外殼相對以防止在所述外殼的密封喪失的情況中的惡劣環境的通過。
[0026]本發明還涉及一種用于測量物體的變形的系統，該系統包括:
[0027]作為本發明的主題的變形測量傳感器，
[0028]輔助光源，和
[0029]用于處理干涉光以確定變形的設備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]在閱讀下文給出的僅作為指導而非限制的實施方式示例的說明時，同時參考附圖將更好的理解本發明，其中:
[0031]圖1是作為本發明的主題的變形測量傳感器的【具體實施方式】的示意性縱向剖視圖；
[0032]圖2是作為本發明的主題的，使用圖1中所表示的變形測量傳感器的變形測量系統的示例的示意性視圖。
【具體實施方式】[0033]在示意性表示在圖1的本發明的示例中，傳感器2用于測量在惡劣環境6 (例如在高溫增壓的水)中沿著豎直軸X延伸的樣本4的徑向變形。這個樣本4固定在樣本保持器8的下端處。該樣本保持器的上端固定于構成樣本保持器頭部的板10。
[0034]傳感器2也處于惡劣環境6中并且包括:
[0035]包括沿著與軸X垂直的軸Xl延伸的圓柱形開口 14的外殼12，在開口 14中沿著軸Xl滑動的可移動元件16，以彈性和密封的方式將可移動元件16連接至外殼12的連接組件18，和光模塊20。
[0036]可移動元件16 (徑向傳感器)的第一表面22與樣本4接觸，并且該可移動元件16的第二表面24置于外殼12的內部。這個第二表面24 (測量表面)能夠反射用于確定樣本的變形的入射光。
[0037]在描述的示例中，連接組件18為圍繞圓柱形開口 14的波紋管而且連接組件18的兩端分別以密封方式固定于外殼12和固定于可移動兀件16。
[0038]光模塊20位于外殼12的內部。該光模塊20包括半反射鏡26和設置在外殼12的底部的反射表面28 (參考表面)。半反射鏡26和反射表面28與可移動兀件16的第二表面24配合形成邁克爾遜型干涉儀。
[0039]可移動元件16的反射表面24垂直于軸XI。反射表面28垂直于與軸Xl垂直的另一個軸X2。如圖1中可以看出的，半反射鏡26與軸Xl和X2中的每一個形成45°角。
[0040]更精確地說，光模塊20使用沿著軸X2 (圖1中向下)傳播的光30。這個光30的一部分由半反射鏡26沿著軸Xl反射并且在半反射鏡26的導向下反射到可移動元件16的反射表面24上。反射表面24將其中一部分光(下文稱“第一部分”)沿著軸X2向上反射。
[0041]光30的另一部分由半反射鏡26傳輸并且在半反射鏡26的導向下反射到反射表面28上。反射表面28將其中一部分光(下文稱為“第二部分”)沿著軸X2向上傳輸。
[0042]第一部分和第二部分干涉形成沿著軸X2向上傳播的的干涉光36。
[0043]因此，樣本4的任何徑向變形導致干涉光36的改變(反射到固定的表面28上的光束和反射到可移動表面24上的光束之間的光路徑的差的變化)。這種改變表示軸向變形。因此，軸向變形由對于干涉光36的合適處理來確定。我們將在圖2的說明中回到這個問題。
[0044]傳感器2設置有以密封方式連接至外殼12的金屬管38。如可以在圖1中所看出的，管38沿著軸X2豎直延伸并且穿過板10。所述管28允許光30和光36的流通。
[0045]傳感器2還設置有在管38中沿著軸X2延伸以傳輸這些光30和光36的光纖40。如從圖中可以看到的，準直鏡42設置在外殼12內，面對光纖40的下端。
[0046]在所描述的示例中，惡劣環境6為高溫增壓的水。因此，滾燙地執行樣本4的變形的測量。繼而提供一種用于管理光纖40和金屬管38之間的差脹的設備。該設備是通過在管38中以合適的方式對光纖40進行彎曲而獲得的膨脹環44。
[0047]僅作為指示而非限制而言，水的壓力等于15.5MPa (155巴)并且水的溫度等于320。。。
[0048]然后向傳感器2提供以氣體對外殼12進行增壓的設備45，以使外殼12的均衡內部和外部之間的壓力。從而避免預拉伸波紋管18，并且提高變形測量的敏感度。
[0049]增壓設備45包括另一根管46，該管的一端以密封方式連接至管38并且該管穿過板10。如從圖中可以看出的，在管46的另一端處，設置為這個管46 (從而為管38以及外殼12)供應氣體的裝置48。所使用的氣體例如為氮。
[0050]而且，在外殼12的密封失效的情況下，并且為了避免流體(增壓的熱水)的任何不合時宜的上升，向管46提供止回閥50。另外，密封儀器52設置在光纖40和管38的內壁之間，關于管38和管45所連接的區域53而與外殼12相對。
[0051]在特定情況中，使惡劣環境6本身與外部環境56周圍隔離并且與之分離。為此，提供外殼54以限制惡劣環境6。在圖1中僅概述這個外殼54。該外殼以密封方式連接至板10。
[0052]外殼54 (包含介質6、樣本4和傳感器2)繼而浸入周圍的外部環境56,并且提供未顯示出的裝置來將惡劣環境6引入外殼54內以及控制惡劣環境的狀態(例如在惡劣環境為高溫增壓的水的情況中的溫度和壓力)。
[0053]繼而管38通過合適連接器60連接至另一根管58，連接器60允許關于外部環境周圍以及光纖40和光纖59之間的光連接的密封，另一光纖59位于該另一根管58中。
[0054]相似地，管46連接至另一根管62，經由該管62對管46供應氣體。由允許關于外部環境周圍56和氣體通道的密封的合適的連接器64來保證管46和管62之間的鏈接。
[0055]另外，為了保證惡劣環境6和外部環境周圍56之間的密封，在板10分別被管38和管46穿過的區域中板10設置有密封通道66和密封通道68。
[0056]圖2為作為本發明的主題的測量系統的示例的示意性和部分視圖。這個圖2中顯示的系統69使用圖1中顯示的傳感器2，向該傳感器提供光30，并且處理干涉光36以確定樣本4的變形。
[0057]這個系統包括光源70，該光源生成經由半反射鏡72和合適透鏡74而射入光纖59的光30例如白光。
[0058]系統69還包括:
[0059]經由半反射鏡72和透鏡74接收由光纖59傳輸的干涉光36的分光儀76，處理來自分光儀76的信號以實時確定所尋求的變形的計算機78，和用于顯示從而執行的測量的結果的設備80。
【權利要求】
1.一種能夠在惡劣環境(6)中操作的變形測量傳感器(2)，其特征在于，所述變形測量傳感器包括: 外殼(12),所述外殼包括開口(14), 可移動元件(16)，所述可移動元件(16)具有相對的第一表面(22)和第二表面(24)并且能夠沿著與所述第一表面和所述第二表面相交的第一軸(Xl)關于所述外殼移動，所述第一表面(22)用于與易于變形的物體(4)接觸，所述第二表面(24)能夠通過所述外殼的所述開口而延伸進入所述外殼并且反射入射光， 密封的彈性連接組件(18)，所述連接組件執行所述可移動元件和所述外殼之間的返回功能，和 光模塊(20)，所述光模塊位于所述外殼內部，用于使用由所述可移動元件的所述第二表面反射的輔助光(30)而創建沿著不與所述第一軸(Xl)平行的第二軸(X2)的干涉光(36)，以使得物體的所述變形導致用于表示所述變形的干涉光改變。
2.根據權利要求1所述的變形測量傳感器，其中，所述第一軸(Xl)和所述第二軸(X2)是垂直的。
3.根據權利要求1和2中的任一項所述的變形測量傳感器，其中，所述光模塊(20)包括與所述可移動元件(16)的所述第二表面(24)配合以形成邁克爾遜型干涉儀的半反射鏡(26)和反射表面(28)。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的變形測量傳感器，包括在所述可移動元件(16)與所述外殼(12)之間的連接波紋管(18)。
5.根據權利要求4所述的變形測量傳感器，進一步包括用于以氣體對所述外殼(12)進行增壓以均衡所述外殼內部和外部之間的壓力的設備(45)。
6.根據權利要求1至5中的任一項所述的變形測量傳感器，進一步包括第一管(38)，所述第一管(38)以密封方式連接到所述外殼(12)，沿著所述第二軸(X2)延伸并且允許干涉光(36)和輔助光(30)的流通，用于通過所述光模塊(20)生成所述干涉光。
7.根據權利要求6所述的變形測量傳感器，進一步包括延伸進入所述第一管(38)中以傳輸所述輔助光(30)和所述干涉光(36)的光纖(40)。
8.根據權利要求7所述的變形測量傳感器，其中，將部分光纖(40)彎曲進入所述第一管(38)中以便在所述第一管中形成膨脹環(44)。
9.根據權利要求5和權利要求6至8中的任一項所述的變形測量傳感器，其中，所述增壓設備(45)包括: 以密封方式連接至所述第一管(38)并且設置為經由所述第一管向所述外殼(12)供應氣體的第二管(46)，和 安裝在所述第二管(46)上以在所述外殼的密封喪失情況中防止惡劣環境(6)的通過的止回閥(50)。
10.根據權利要求9所述的變形測量傳感器，進一步包括密封設備(52)，所述密封設備(52)在所述光纖(40)和所述第一管(38)的內壁之間，關于所述第一管(38)和所述第二管(46)之間的連接區域(53)而與所述外殼(12)相對，以在所述外殼的密封喪失的情況中防止惡劣環境的通過。
11.一種用于測量物體的變形的系統，包括:根據權利要求1至10中的任一項所述的變形測量傳感器(2)，輔助光源(70)，和用于 處理干涉光(36)以確定變形的設備(76，78)。
【文檔編號】G01B11/16GK103733018SQ201280039523
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年8月9日 優先權日:2011年8月12日
【發明者】斯特凡納·加約, 尼古拉斯·雷加佐尼, 居伊·謝默爾 申請人:原子能與替代能源委員會