具有复合腔和温度校准的光纤法布里–珀罗干涉加速度计，用于高温高压场合

聆听核电站的“心跳”

在核电站内部，成千上万根金属管悄然输送着推动涡轮的高温水和蒸汽。如果这些管道出现过强振动，可能会造成磨损、裂纹甚至破裂，带来昂贵的停堆和安全隐患。本文介绍了一种新型基于光学的运动传感器，它可以直接安装在这些管道上，经受住高温高压环境，并在损伤发生之前侦测到极其微小的颤动。

管道振动为何重要

现代核反应堆依赖装有细长传热管的蒸汽发生器。流动的冷却剂会使这些管道发生振动，逐渐与支撑结构和相邻管道相互摩擦。经过多年运行，这种“流动诱发振动”可能导致管壁变薄或产生裂纹，威胁到将放射性水与厂区其余部分隔离的屏障。工程师希望能够持续且精确地测量这些振动，但常规电子加速度计在反应堆系统中面临的高温、高压、强辐射和电磁噪声等恶劣环境下工作困难。

用光测运动，而不是电线

作者转而使用光纤——细如发丝的玻璃纤维来传输光——来构建一种对电干扰免疫且适应高温的加速度计。该器件基于法布里–珀罗腔：一个微小间隙，光在两面反射面之间来回叠加。反射光的光谱图案会在腔长发生纳米甚至皮米量级变化时发生位移。在该传感器中，一个小型中心质量由刻蚀自硅的若干精心设计的梁支撑。当管道加速时，质量会产生微小位移，改变充气腔的长度，从而改变通过光纤返回的光学信号。

把热效应与运动区分开

在此类环境中的一大挑战是热本身会模拟出运动：材料膨胀、光纤蠕变以及光学腔长度漂移都会把热变化误判为振动。为了解决这一问题，团队构建了由两层玻璃和中间硅薄膜组成的“复合腔”。其中一腔（位于玻璃中）主要对温度敏感；另一腔（位于靠近可动质量的空气腔）对加速度响应。关键在于光纤端不再作为腔内的反射面，因此光纤的热膨胀不会直接扰乱测量。通过用快速数学工具分析返回光谱，系统能够分别提取两腔的长度，并利用校准数据库将其实时转换为准确的温度和加速度读数。

为恶劣环境而生

传感器芯片采用与计算机芯片类似的微纳制造工艺，可精确控制支撑质量的梁的形状与厚度。仿真引导设计，在灵敏度（即在给定加速度下质量的位移量）与谐振频率（决定可用带宽）之间取得平衡。多梁的对称布局确保横向冲击不会显著使质量倾斜或扭转，从而将“跨轴”误差降到很低。成品芯片夹在玻璃层之间密封，安装在紧凑的金属封装中，并配有45度镜和小型透镜来折叠光路，使器件能适合装在反应堆管周围狭小空间内，同时保护光纤免受急弯损伤。

性能如何

实验室测试显示，在室温下该传感器的灵敏度约为每g引起腔长变化4.53纳米，且在大约±238 g范围内无畸变可用。其主谐振出现在约7.45千赫兹，明显高于蒸汽发生器管道常见的几十赫兹振动范围，因此能够清晰地跟踪该类运动。跨轴贡献——来自横向运动的虚假信号——低于0.5%。更重要的是，当置于350 °C和17.5兆帕的压力下（类似加压水堆内部条件）时，器件连续运行了60小时，腔长漂移小于0.1纳米。灵敏度随温度略有提高，但内置的温度腔和校准模型可以对这些效应进行校正。

对核安全意味着什么

简单来说，作者们构建了一个微小而坚固的“听诊器”，能在核电站深处监听关键金属管道的振动，而不会被热或横向冲击误导。通过将双腔光学设计、对称机械结构与耐高温封装相结合，他们的加速度计能够在传统传感器失效的环境中提供长期、精确的运动读数。这使得对蒸汽发生器管道的连续健康监测更为可行，帮助运行方及早发现磨损迹象，保护电厂的运行性能和长期安全。

引用: Qin, F., Tan, J., Guo, J. et al. Fiber-optic Fabry–Pérot interferometric accelerometer with composite cavity and temperature calibration for high-temperature and high-pressure applications. Microsyst Nanoeng 12, 155 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01250-z

关键词: 光纤加速度计, 核电监测, 高温传感器, 法布里–珀罗腔, 流动诱发振动