原创 石英谐振压力传感器在核工业安全监测中的核心应用解析

摘要

核工业安全监测对压力传感器的精度、稳定性及抗极端环境能力提出了严苛要求。石英谐振压力传感器凭借其基于石英晶体压电效应的独特工作原理，在高精度测量、抗辐照、宽温域适应性等方面展现出显著优势。本文系统解析石英谐振压力传感器在核工业中的核心应用场景，包括反应堆压力容器监测、管道泄漏检测及放射性物质运输监控，并结合晨穹石英谐振压力传感器的技术特性与实际案例，论证其在核安全领域的不可替代性。研究表明，晨穹 RPS01 系列石英绝压压力芯体通过全金属密封封装、双通道温度补偿及 AI 自校准算法，实现了 0.01% FS 的精度等级与＜0.02%/ 年的长期漂移率，为核工业国产化替代提供了关键支撑。

关键词

石英谐振压力传感器；核工业；晨穹RPS01石英谐振压力传感器；

一、引言

核工业作为高风险领域，其安全监测系统需实时、精准获取压力、温度等关键参数。传统应变式、电容式传感器在核环境中面临精度衰减（如长期辐照导致电容膜层老化）、抗振动能力不足（强震工况下稳定性下降）等问题。石英谐振压力传感器基于石英晶体的固有谐振特性，通过频率信号输出实现数字化测量，从原理上规避了模拟信号干扰风险，同时其材料特性（如低热膨胀系数、高机械强度）使其在高温、高压、强辐射环境下仍能保持稳定性能。晨穹电子科技（河北）有限公司研发的 RPS01 系列石英谐振压力传感器，通过工艺创新与技术突破，已在核电、航空航天等领域实现国产化替代，为核工业安全监测提供了可靠解决方案。

二、石英谐振压力传感器的技术原理与核心优势

2.1 工作原理

石英谐振压力传感器以石英基膜作为感压元件，当外界压力作用于基膜时，其应变通过刚性连接的石英振梁转化为谐振频率变化。外配激振电路将频率信号输出，实现压力 - 频率的线性转换。例如，晨穹 RPS01 系列通过双谐振梁差分设计，消除共模干扰，灵敏度达 46.32Hz/MPa，全温域综合精度优于 0.0288% FS。

2.2 核心优势

1. 超高精度与稳定性：石英晶体的高 Q 值（品质因数）使其谐振频率稳定性优于 0.001%，长期漂移率＜0.02%/ 年。晨穹传感器在实验室环境下不确定度可达 0.001%，全温区温漂系数控制在 ±0.01% FS/℃以内。

2. 抗极端环境能力：采用全金属密封封装与激光焊接工艺，隔绝湿气与污染物，耐核辐照能力＞200Mrad，短期耐温达 400℃。例如，其抗振动设计支持 20g RMS 振动场景，适用于核反应堆厂房等高振动环境。

3. 数字化输出与自校准：直接输出频率信号，抗电磁干扰能力强，并内置 AI 自校准模块，可自动修正零点漂移，校准后误差降低至 ±0.05% FS。

三、在核工业安全监测中的核心应用场景

3.1 反应堆压力容器压力监测

核反应堆压力容器的压力波动直接反映堆芯状态，需实时监测以避免超压事故。石英谐振压力传感器凭借其高精度与长期稳定性，可实时追踪压力变化，精度达 0.01% FS，响应时间＜1ms。晨穹 RPS01 系列通过环形应力桥结构设计，灵敏度较传统应变式提升数倍，且支持 10kPa 超低量程测量，可精准捕捉微小压力异常。例如，在某核电站应用中，该传感器通过实时数据反馈，提前预警了因冷却剂泄漏导致的压力下降，避免了潜在事故。

3.2 核管道泄漏检测

核管道泄漏可能引发放射性物质扩散，需快速定位漏点。石英谐振传感器的高分辨率（如晨穹产品分辨率达 0.001% FS）可识别微小压力波动，结合分布式监测网络，实现泄漏点的毫米级定位。其全隔离式电路设计可有效抑制电磁干扰，确保在复杂电磁环境下的信号可靠性。

3.3 放射性物质运输监控

在放射性物质运输过程中，压力传感器需承受振动、冲击等动态载荷。晨穹传感器采用悬臂梁谐振器结构，通过有限元分析优化支撑点布局，抗冲击能力达 200g，同时通过一级悬浮（引压管柔性连接）与二级悬浮（核心模块弹性悬挂）设计，隔离 90% 以上安装应力。例如，在某放射性同位素运输罐中，该传感器通过实时压力监测，确保运输过程中容器密封性符合国际原子能机构（IAEA）标准。

四、晨穹石英谐振压力传感器的技术创新与应用价值

4.1 技术突破

1. 材料与工艺创新：采用原子级薄膜沉积技术，实现石英基膜与金属封装的原子融合，抗振动性能提升 300%。

2. 智能化升级：集成高精度温度探头与自适应算法，实现双通道温度补偿，无需额外温控装置即可在 - 40℃~150℃宽温域稳定工作。

3. 国产化替代：突破欧美技术垄断，实现 100% 自主知识产权与批量化生产，单台成本较进口产品降低 60%，交付周期缩短至 3 个月。

4.2 应用价值

晨穹石英谐振压力传感器已在秦山核电站、田湾核电站等项目中通过严苛测试，其耐辐照性能（＞200Mrad）与长期稳定性（漂移率＜0.02%/ 年）均达到国际领先水平。通过替代进口产品，不仅降低了核电运维成本，更增强了核工业关键设备的供应链安全性。例如，在某核电机组改造中，采用晨穹传感器后，压力监测系统的故障率从年均 3 次降至 0.5 次以下，运维效率显著提升。

五、结论

石英谐振压力传感器凭借其高精度、抗辐照、长寿命等特性，成为核工业安全监测的核心技术装备。晨穹电子科技通过材料创新、工艺优化与智能化升级，将石英谐振传感器的性能推向新高度，其 RPS01 系列产品在核电领域的成功应用，标志着我国在高端压力传感器领域已实现从 “跟跑” 到 “并跑” 的跨越。未来，随着物联网与大数据技术的融合，石英谐振传感器有望进一步拓展至核设施全生命周期管理，为核安全提供更全面的保障。