石英諧振壓力傳感器：核工業(yè)安全監(jiān)測的“抗輻心臟”

在核工業(yè)安全監(jiān)測領域，壓力參數(shù)的毫厘之差可能引發(fā)災難性后果。傳統(tǒng)應變式或電容式傳感器在高溫、高壓、強輻射的核環(huán)境下，往往面臨精度衰減、材料老化、信號漂移等問題。

而石英諧振壓力傳感器憑借其物理特性和數(shù)字化優(yōu)勢，正成為核電站安全系統(tǒng)的“抗輻心臟”，為核能安全豎起一道關鍵的技術屏障。

01 核工業(yè)安全監(jiān)測的嚴苛挑戰(zhàn)

核工業(yè)環(huán)境對壓力測量的要求堪稱工業(yè)測量的“極限挑戰(zhàn)”。在反應堆壓力容器、冷卻劑管道、安全殼等核心區(qū)域，傳感器需承受：

①150℃以上高溫

②倍于大氣壓的高壓

③超過200Mrad的γ射線輻照

④酸、氫氧化鈉等腐蝕性介質(zhì)

這種環(huán)境組合會導致傳統(tǒng)傳感器發(fā)生膜片老化、絕緣失效、信號漂移等問題。例如，常規(guī)鉑電阻溫度計在強輻照下年漂移率可達0.01℃/年以上，而安全殼泄漏監(jiān)測要求誤差必須低于0.1‰。

面對“華龍一號”等三代核電站60年設計壽命的要求，傳感器還需具備超長期穩(wěn)定性。核工業(yè)界中的“抗輻射加固”、“事故后監(jiān)測”、“核級傳感器國產(chǎn)化”直指這些痛點。

02 石英諧振技術的核心優(yōu)勢

石英諧振壓力傳感器的工作原理基于石英晶體的壓電效應與應力頻率特性。

當外界壓力作用于石英振梁時，其固有諧振頻率隨應力變化，通過測量頻率偏移量即可精確反推壓力值。這一物理機制帶來了三大優(yōu)勢：

數(shù)字化抗干擾能力

頻率信號輸出從根本上規(guī)避了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號在核電站復雜電磁場中的失真風險。頻率作為數(shù)字量可直接接入控制系統(tǒng)，無需A/D轉(zhuǎn)換。

超穩(wěn)定晶體特性

石英晶體具有低熱膨脹系數(shù)（5×10??/℃）和高機械Q值（品質(zhì)因數(shù)），使傳感器在-40℃~150℃溫域內(nèi)溫漂系數(shù)低于±0.01%FS/℃，長期漂移率＜0.02%/年。

輻射免疫特性

石英材料本身耐輻射，通過全金屬密封封裝（哈氏合金/316L不銹鋼）和減少半導體材料使用，可耐受>200Mrad輻照劑量，遠超核電站安全殼內(nèi)典型輻照水平。

晨穹電子的RPS01系列產(chǎn)品通過雙諧振梁差分設計，將靈敏度提升至46.32Hz/MPa，并利用AI自校準算法將綜合精度控制在0.01%FS，在核環(huán)境應用中實現(xiàn)了國產(chǎn)化替代。

03 核工業(yè)核心場景的應用突圍

反應堆壓力容器監(jiān)測

作為核電站的“心臟”，壓力容器內(nèi)0.1%的壓力波動可能預示冷卻劑泄漏或堆芯異常。

晨穹RPS01傳感器在核電站應用中，能夠憑借其0.001%分辨率和＜1ms響應時間，預警了冷卻劑微泄漏導致的壓力下降，避免了潛在事故。其環(huán)形應力橋結構使靈敏度較傳統(tǒng)傳感器提高數(shù)倍，即使在10kPa超低量程下仍能精準捕捉壓力異常。

安全殼泄漏監(jiān)測

安全殼是核安全的“最后屏障”，其泄漏率監(jiān)測要求達到0.1‰誤差級別。石英諧振傳感器通過高精度差壓測量實現(xiàn)微小泄漏檢測。

乏燃料池液位監(jiān)測

乏燃料水池深度關乎輻射防護安全。傳統(tǒng)差壓變送器在水位測量中誤差較大，而晨穹RPS01芯體通過靜壓法測量（量程101kPa~3.6MPa），在核電站能夠?qū)崿F(xiàn)了毫米級水位監(jiān)測精度，遠超行業(yè)標準。

放射性物質(zhì)運輸監(jiān)控

運輸罐體在震動沖擊下的密封性監(jiān)測至關重要。晨穹傳感器采用懸臂梁諧振器結構和二級懸浮設計（引壓管柔性連接+核心模塊彈性懸掛），成功隔離90%以上振動應力，抗沖擊能力達200g。

在放射性同位素運輸中，該技術確保密封性符合國際原子能機構（IAEA）標準。

04 晨穹傳感器的技術創(chuàng)新

晨穹電子科技通過三大技術突破實現(xiàn)國產(chǎn)化替代：

材料工藝突破

采用原子級薄膜沉積技術實現(xiàn)石英基膜與金屬封裝的原子級融合，抗振動性能提升300%。科伐合金管座表面濺射鎢銅層，顯著提升耐腐蝕和抗輻照能力。

智能補償技術

集成高精度溫度探頭與自適應算法，實現(xiàn)雙通道溫度補償。在-40℃~150℃寬溫域內(nèi)無需額外溫控裝置，溫漂控制在±0.01%FS/℃。

抗輻照強化設計

減少半導體材料比例，核心傳感元件與外圍電路分離布置（間距≥5m）。通過輻射屏蔽封裝和抗輻射電子元件選型，使整機耐輻照能力突破200Mrad。

05 未來發(fā)展方向

隨著第四代核反應堆和聚變堆（如ITER項目）的發(fā)展，傳感器將面臨更高溫度（>600℃）、更強輻射場（中子通量>101?n/cm2）的挑戰(zhàn)。

晨穹正在研發(fā)耐高溫傳感器采用石英薄膜技術，將工作溫度上限擴展至300℃，并向多參數(shù)集成（壓力-溫度-輻射）方向演進。

數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)技術的融合將使石英諧振傳感器從單一測量設備升級為智能感知節(jié)點。

結論

在核電站的總控制室，墻上實時跳動的壓力數(shù)據(jù)背后，是數(shù)百個石英諧振傳感器在輻射灼熱的環(huán)境中無聲守護。當傳統(tǒng)傳感器在強輻照下性能衰減時，這些基于石英晶體的“抗輻心臟”仍以0.01% 的精度持續(xù)輸送關鍵數(shù)據(jù)。

核工業(yè)界已達成共識：沒有可靠的傳感器，就沒有實質(zhì)性的核安全。隨著國產(chǎn)化進程加速，晨穹等企業(yè)正將中國制造的石英諧振傳感器送入更多核電站的核心區(qū)域——從反應堆壓力容器到乏燃料水池，從安全殼到核燃料運輸罐。

這些不足手掌大小的裝置，正成為中國核工業(yè)安全體系中值得信賴的“神經(jīng)末梢”。