摘要：在核电领域，安全壳宛如一位忠诚的卫士，肩负着守护核反应堆的重任，是防止放射性物质泄漏的关键防线。它的结构复杂且庞大，内部环境严苛，一旦出现安全隐患，后果不堪设想。
在核电领域，安全壳宛如一位忠诚的卫士，肩负着守护核反应堆的重任，是防止放射性物质泄漏的关键防线。它的结构复杂且庞大，内部环境严苛，一旦出现安全隐患，后果不堪设想。
而安全壳鼓包现象，便是潜在隐患之一。鼓包通常是由于内部压力变化、结构老化、材料疲劳等多种因素导致的。这些鼓包可能起初微不足道，但随着时间推移，若不及时察觉并处理，极有可能逐渐扩大，进而削弱安全壳的整体结构强度，使得放射性物质泄漏风险大增。
传统的鼓包检测主要依赖人工完成。检测人员手持工具，在安全壳内小心翼翼地敲击钢内衬，凭借耳朵捕捉敲击声的细微差异，以此判断鼓包的位置与范围。这种方式弊端显著：一方面，人工检测效率极其低下，安全壳内部空间广阔，检测点众多，耗费大量人力与时间；另一方面，精度实在难以保证，人的听觉判断易受环境噪音、个人经验及身体状态等诸多因素干扰，微小鼓包很容易被遗漏，给核电站的安全运行埋下了 “定时炸弹”。面对传统检测方式的困境，引入新的测量系统迫在眉睫。激光位移传感器等先进技术应运而生，它们如同核电安全领域的 “火眼金睛”，有望精准、高效地揪出那些隐匿的鼓包，为核电站的平稳运行保驾护航。
核心力量：激光位移传感器
（一）测量原理大揭秘
激光位移传感器的 “超能力” 源自其精妙的测量原理。它主要依据三角测量法或回波分析法施展身手。在三角测量法中，传感器内部的激光器宛如一位精准的射手，发射出一束极细且能量集中的激光束，这束激光以特定角度射向安全壳钢内衬表面。光线抵达内衬后，会产生反射，反射光如同归巢的信鸽，迅速被传感器的接收单元捕获。接收单元通常由高灵敏度的光电二极管或 CCD/CMOS 图像传感器担当，它们能够敏锐捕捉反射光的细微变化。由于物体表面的鼓包会使反射光的入射角度产生微妙改变，根据激光发射点、反射点以及接收点之间稳固的三角几何关系，传感器内部的智能处理单元就如同一位聪明绝顶的数学家，能精确计算出传感器与内衬表面的距离变化，进而精准定位鼓包的位置与高度。
而回波分析法的运作方式稍有不同。传感器中的激光发射器火力全开，每秒向外发射高达上百万个激光脉冲，这些脉冲如密集的雨点般冲向目标。当脉冲遇到安全壳内衬后，会即刻反射回来，被接收器接收。处理器随即迅速计算激光脉冲往返所需的时间，要知道，光在空气中的传播速度可是恒定的，依据这一固定速度与往返时间，就能轻松推算出距离值。这种方法在远距离测量场景中表现卓越，为全面检测安全壳提供了有力支持。
（二）优势尽显
在安全壳鼓包测量这场关键 “战役” 中，激光位移传感器凭借诸多突出优势，成为当之无愧的 “主将”。
精度方面，它堪称 “狙击高手”，能够达到微米级甚至纳米级的超高精度。在检测微小鼓包时，绝不会放过任何蛛丝马迹，与传统人工测量方式相比，简直是天壤之别。人工测量时，检测人员即便全神贯注、经验丰富，也难以察觉毫米级以下的细微鼓包，而激光位移传感器凭借其高精度，能轻松捕捉到这些潜在隐患，为安全壳的早期诊断提供精准数据，防患于未然。
速度上，它如同闪电侠一般。能够在瞬间完成多次测量，快速获取大量数据点，高效构建出安全壳内表面的详细 “地形图”。这在大规模的安全壳检测任务中，极大地缩短了检测时间，减少了核电站停机检修的时长，为电力供应的持续性提供了坚实保障。
更为关键的是，激光位移传感器采用非接触式测量。在核辐射环境下，这一特性显得尤为重要。它无需与安全壳内衬直接接触，避免了对测量人员的辐射风险，同时也不会对待测表面造成任何损伤，确保安全壳的结构完整性不受丝毫影响，让测量工作安全、可靠地推进。
鼓包测量系统的精妙设计
（一）硬件构成全知晓
在这套创新的测量系统里，硬件可是实现精准测量的基础保障，它们各司其职，协同作战。
以树莓派为核心的测量端，就像是一位前线侦察兵，肩负着采集关键数据的重任。其中，激光位移传感器是当之无愧的 “主角”，型号为泓川科技的激光位移感测器HCM-120-A闪亮登场，它分辨率高达 30μm，重复精度 90μm，测量范围在 60 - 180mm 之间，凭借这些出色的性能参数，能够极其敏锐地捕捉到安全壳钢内衬表面细微的起伏变化，精准定位鼓包的位置与高度。
与激光位移传感器并肩作战的超声波测距传感器，选用的是HUA-4000超声波模块，精度可达 3mm，测量范围为 2 - 450cm，它主要负责测量滑块的横向位置，为整体测量提供辅助信息，确保测量的全面性。
此外，测量端还有供电装置和电源开关，为整个系统稳定运行提供充足动力，保障数据采集工作顺利进行。
而笔记本电脑则充当着数据处理端，如同一位智慧的军师，坐镇后方，接收来自测量端的原始数据，并运用强大的运算能力进行深度分析。它利用 C# 开发设计的软件，不仅能实时接收数据，还能绘制出直观的实时曲线，将抽象的数据具象化。通过巧妙的对比计算，快速且准确地分析出鼓包的位置、大小等关键信息，为后续的决策提供坚实依据。为了让测量端能够灵活移动，获取更多数据，系统还配备了滑轨。滑轨采用不锈钢材质精心打造，具备高度调节功能，确保滑块在滑动过程中始终保持水平状态，就像为测量端铺设了一条平稳的 “轨道”，让激光位移传感器和超声波测距传感器能够稳定、高效地工作，不放过任何一处潜在鼓包。
（二）软件系统巧运行
软件系统则是整个测量系统的 “智慧大脑”，指挥着硬件有条不紊地工作。从软件框架来看，它构建起了一座无缝连接测量端与数据处理端的桥梁。测量端以树莓派 3B 为基础，凭借其丰富的接口和强大的运算能力，运行着基于 Python 开发的程序。当系统启动后，树莓派迅速与激光位移传感器和超声波测距传感器建立紧密联系，精准控制它们开始采集数据。传感器就像灵敏的触角，随着滑块在滑轨上平稳滑动，不断获取纵向与横向的距离信息。这些珍贵的数据通过 TCP/IP 技术，如同 “飞鸽传书” 一般，被迅速、稳定地传输至数据处理端。
在数据处理过程中，软件的一些关键技术发挥着神奇功效。比如，针对激光位移传感器，开发人员巧妙利用泓川科技的命令集进行二次开发，如同给传感器赋予了更多 “智慧”，能够根据实际需求灵活控制其采样模式与采样率，让测量更加精准、高效。超声波模块则通过树莓派精准控制电压，实现稳定的超声波测距。
然而，由于树莓派采用 Linux 操作系统，而数据处理软件依托于 Windows 操作系统，就像两位说着不同语言的伙伴，如何实现顺畅沟通是个难题。为此，开发团队投入大量精力，运用先进的技术手段解决多平台兼容问题，确保数据在不同系统间流畅传输，让整个测量系统成为一个紧密协作的有机整体。实战检验：系统性能大测试
（一）测距精度大挑战
1. 纵向鼓包测量精度
为了验证这套基于激光位移传感器的测量系统到底有多精准，科研人员精心设计了一系列严格测试。
在纵向鼓包测量精度测试环节，模拟试验采用了精度极高的三维移动平台，其精度达到了令人惊叹的 10μm，远远优于激光位移传感器自身的精度，这就好比用一把无比精准的尺子去衡量传感器的测量能力。
测试时，在三维移动平台的 Z 方向精心选取了一段 3mm 的微小量距，从初始位置开始，每隔 0.5mm 就让传感器进行一次测量，如此反复，对这 6 段距离进行往返测量，并且为了确保数据的可靠性，对同一位置还进行多次重复测量。考虑到测量初期可能存在的一些不稳定因素，选取开始测量 3s 后的数据进行深入分析，每个单独位置选取 25 个测量数据，取均值作为当前位置的测量值。
经过严谨的数据处理与细致分析，得出了令人振奋的结果。往测平均偏差仅为 47μm，在 6 号点位出现的最大偏差为 72μm；返测平均偏差更是只有 34μm，最大偏差出现在 6 号点位，为 59μm。对这些海量测量数据进行线性回归分析后，得到回归方程，这表明测距精度与量程之间呈现正相关关系，且固定误差稳定在 9μm。
如此出色的测量精度，意味着什么呢？与传统的人工测量方式相比，简直是天壤之别。人工测量在面对微小鼓包时，往往因为测量工具的精度限制以及人眼、手感的误差，很难精准判断鼓包的高度，而这套新系统能够轻松捕捉到毫米级甚至微米级的细微变化，让那些潜在的安全隐患无所遁形，为核电站的安全运行提供了坚实的数据保障。
2. 横向滑块位置精度
横向滑块位置精度同样不容忽视，它关系到整个测量系统的全面准确性。
试验中，选用了精度为 0.5mm 的毫米钢尺，在滑轨上每间隔 100mm 精心选取一个测量点，共选取 7 个关键测量点，让超声波模块对 6 段距离进行多次测量。同样，为保证结果的客观性，单个位置选取 25 个测量数据，取均值作为当前位置的测量值。数据处理结果显示，3 次测量的横向平均偏差为 3mm，最大偏差出现在 6 号点位。进一步分析发现，横向测量偏差与距离存在强相关性，回归方程为。这一规律为实际测量提供了宝贵的操作建议：在实际使用过程中，尽量采用距离挡板较近的一段滑轨进行测量，这样能有效减小偏差，提高测量的准确性。
（二）实用性测试见真章
为了检验这套测量系统在实际场景中的表现，科研团队模拟了真实的核电站安全壳内环境，进行了实用性测试。
由于环境限制，在模拟试验中巧妙地以实验室电脑桌为例，在滑轨下方不同位置放置了 3 个形态各异的物块。有长 51.5mm、宽 41.6mm、高 6.8mm 的厚塑料块，模拟较大且明显的鼓包；还有长 32.1mm、宽 24.2mm、高 2.1mm 的薄方块，代表较为扁平、不易察觉的鼓包；以及高 5.0mm 的锥状物，模拟不规则形状的鼓包。
测试结果令人惊喜，从测量系统生成的竖直扫描鼓包高度曲线可以清晰看到，在 240 - 280mm 处的鼓包平均高度为 6.82mm，与实际放置的厚塑料块高度 6.8mm 几乎完全吻合；500 - 520mm 处的鼓包高度为 2.21mm，也精准反映了薄方块的高度；550 - 580mm 处鼓包高度为 5.02mm，与锥状物高度 5.0mm 高度一致。经多次重复测试，鼓包测量系统都能够准确识别桌面上异常凸起的位置，并精确测出相应的高度，充分展现了其在复杂环境下的强大实用性。未来展望：技术革新新征程
随着核电技术不断向更高安全性、更高效率迈进，安全壳鼓包测量系统也将迎来持续升级与广泛应用的光明前景。
一方面，传感器性能的提升空间巨大。科研人员将致力于进一步提高激光位移传感器的精度，从现有的微米级向纳米级甚至更高精度进发，力求捕捉到安全壳内衬最细微的变化。同时，拓展测量范围，使其能够适应不同型号、不同尺寸安全壳的检测需求，无论是小型实验堆还是大型商用核电站的安全壳，都能精准测量。在恶劣环境适应性上，通过采用更先进的材料与防护技术，让传感器在高温、高辐射、高湿度的核环境中稳定运行，减少维护频次，延长使用寿命。
另一方面，系统功能拓展将成为关键发展方向。与自动化技术深度融合，实现测量系统的全自动化运行，从测量端的自动移动、自动定位，到数据处理端的自动分析、自动报告生成，最大限度减少人工干预，提高检测效率与准确性。借助人工智能算法，让系统具备自我学习能力，能够根据历史检测数据，智能预判潜在鼓包风险区域，提前进行重点监测；还能对复杂的鼓包形态进行精准识别与分类，为后续的维修决策提供详细、精准的数据支持。
未来，我们有理由相信，随着这些技术革新逐步实现，安全壳鼓包测量将变得更加高效、精准，为核电工业的稳健发展筑牢安全基石，让核能这一清洁能源在保障人类能源需求的道路上安全前行。
本文参考摘抄自：徐亚明， 张宇《安全壳鼓包测量系统的设计及实现》
来源：JAX的科技小讯
