Cómo usar la fibra óptica para monitorear la temperatura? Sistema de medición de temperatura de fibra óptica, aplicación, Guía completa, 2025

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1. Principio de Monitoreo de temperatura de fibra óptica

El sensor de temperatura de fibra óptica es un sensor avanzado que mide los cambios de temperatura mediante el uso de efectos ópticos. Utiliza las propiedades únicas de las fibras ópticas, como su sensibilidad térmica y el efecto de rejilla de Bragg. El principio básico es utilizar las propiedades ópticas de las fibras ópticas para reflejar los cambios en la temperatura ambiental midiendo los parámetros de la señal óptica (como la intensidad de la luz, fase, etc.) en la fibra. Los siguientes son varios métodos comunes de monitoreo de temperatura de fibra óptica basados en diferentes principios:

1.1: Basado en el principio de variación de la amplitud de la luz:

 

Sensores de temperatura de fibra óptica de tipo componente, El diámetro del núcleo y el índice de refracción de la fibra cambian con la temperatura, haciendo que la luz que se propaga en la fibra se disperse hacia afuera debido a trayectorias irregulares, lo que resulta en cambios en la amplitud de la luz. Por ejemplo, en algunas estructuras de fibra especiales, Los cambios de temperatura pueden causar cambios en la distribución del material o en las características estructurales del interior de la fibra, dando lugar a cambios en la dispersión de la luz durante la propagación, y por lo tanto causando cambios en la amplitud de la luz. Al detectar estos cambios de amplitud, Se puede obtener información de temperatura.
Basado en el principio de injerencia: En el instrumento, La luz de la fibra de señal se mezcla con un haz de referencia estable. Debido a la influencia de los parámetros medidos (como la temperatura) en la fibra de señal, La fase de los cambios en la señal óptica de propagación, lo que resulta en interferencia entre los dos haces de luz. En principio, Un detector de fase adecuado puede detectar pequeños cambios, mientras que un contador de franjas puede detectar cambios grandes. Esto utiliza las características de interferencia de la luz, Convertir la influencia de la temperatura en la fase de las señales ópticas en fibras ópticas en fenómenos de interferencia detectables, logrando así el control de la temperatura.

1.2: Basado en el principio del efecto de dispersión Raman:

El principio básico de Sistema de detección de temperatura de fibra óptica distribuido (GTp) se basa en la reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) principio de la fibra óptica y el efecto de dispersión Raman de la fibra óptica. Los pulsos láser interactúan con las moléculas de fibra, dando lugar a varios fenómenos de dispersión, como la dispersión de Rayleigh, Dispersión de Brillouin, y dispersión Raman. Seleccione la dispersión Raman que sea más sensible a los cambios de temperatura al seleccionar la señal de referencia del sistema. El mecanismo de medición de la temperatura de la fibra óptica se basa en el efecto de dispersión Raman hacia atrás, que obtiene información de temperatura mediante el análisis de la señal de luz de dispersión Raman. Debido a que la intensidad de la dispersión de la luz Raman tiene una relación específica con la temperatura, Los cambios de temperatura pueden causar cambios en la intensidad de la dispersión Raman. Midiendo los cambios en la intensidad de la dispersión Raman, El valor de temperatura se puede determinar.

1.3: Basado en el principio de la rejilla Bragg de fibra Bragg:

En la tecnología de medición de temperatura de fibra óptica cuasi distribuida, una solución representativa es un sistema de medición de temperatura con múltiples rejillas Bragg de fibra conectadas en serie. Varias rejillas de fibra de Bragg con diferentes longitudes de onda centrales se forman por exposición y grabado a lo largo de la dirección longitudinal de la fibra óptica a través de la radiación ultravioleta. Cada rejilla de fibra Bragg es una reflexión total de potencia para una longitud de onda de luz específica. Cuando cambia la temperatura ambiente de la rejilla Bragg de fibra, La longitud de onda de la señal reflejada de la rejilla también cambiará. Inyectar un haz de luz de amplio espectro que contiene múltiples longitudes de onda en una fibra óptica, y el haz pasa a través de una serie de rejillas Bragg de fibra. Cada rejilla refleja una señal de luz monocromática correspondiente a su longitud de onda, y los cambios de temperatura se reflejan detectando cambios en la longitud de onda de la luz reflejada.

1.4: Basado en el principio de la radiación de fluorescencia:

En la tecnología de detección de temperatura de fibra de radiación de fluorescencia, Una sustancia fluorescente se recubre en el extremo de la fibra, y el valor de temperatura del punto medido se puede obtener midiendo el tiempo de decaimiento de la energía de fluorescencia y utilizando la correlación de temperatura del tiempo de resplandor intrínseco de la sustancia fluorescente. El tiempo de resplandor de las sustancias fluorescentes cambia con la temperatura, y esta característica se utiliza para la medición de la temperatura. Su rango de temperatura aplicable es de -50 ~ 200 °C, con una precisión de aproximadamente ± 1 °C, y se usa comúnmente para la medición de temperatura dentro de equipos eléctricos.

1.5: Principio de las características de absorción/transmisión de la luz basadas en cristales de arseniuro de galio:

La tecnología de medición de temperatura de fibra de arseniuro de galio incrusta material de cristal de arseniuro de galio en el extremo más alejado de la fibra como sonda de temperatura, e inyecta luz incidente en el dispositivo del extremo cercano de la fibra. Cuando la fuente de luz del sensor emite luz incidente de múltiples longitudes de onda e irradia sobre el cristal de arseniuro de galio, El material de cristal de arseniuro de galio absorberá diferentes longitudes de onda de luz incidente a diferentes temperaturas, y las longitudes de onda de luz no absorbidas se reflejarán de nuevo en el dispositivo. Analizando el espectro de la luz reflejada, Los parámetros de temperatura en la sonda se pueden obtener. La ventaja de este sensor es que obtiene la temperatura de la sonda a través de la medición espectral absoluta en lugar de la medición por cambio de temperatura, por lo que no implica calibración in situ. La sonda tiene buena universalidad, y la distancia de detección puede exceder los 500 m. La vida útil de la fuente de luz y la estabilidad a largo plazo de la detección en línea pueden exceder 30 años. Sin embargo, El costo de la fibra de arseniuro de galio es relativamente alto.

2. Método de monitoreo de temperatura de fibra óptica

Según los diferentes escenarios de aplicación, La tecnología de medición de temperatura de fibra óptica se puede dividir en las siguientes categorías:

2.1: Medición de temperatura puntual:

Tecnología de detección de temperatura de fibra de radiación de fluorescencia: Una sustancia fluorescente se recubre en el extremo de la fibra, y el valor de temperatura del punto medido se obtiene midiendo el tiempo de decaimiento de la energía de fluorescencia y utilizando la correlación de temperatura del tiempo de resplandor intrínseco de la sustancia fluorescente. Adecuado para rangos de temperatura de -50 ~ 200 °C, con una precisión de aproximadamente ± 1 °C, Actualmente se utiliza principalmente para la medición de temperatura dentro de equipos eléctricos. Tiene las características de tamaño pequeño, Fácil integración, Rendimiento fiable, Interferencias antielectromagnéticas, Buen rendimiento de aislamiento, Instalación conveniente, y redes flexibles.

2.2 Tecnología de medición de temperatura de fibra óptica de arseniuro de galio:

Incrustación de material cristalino de arseniuro de galio en el extremo más alejado de la fibra óptica como sonda de temperatura, Inyectar luz incidente en el dispositivo del extremo cercano de la fibra. Cuando la fuente de luz del sensor emite luz incidente de múltiples longitudes de onda e irradia sobre el cristal de arseniuro de galio, El material cristalino de arseniuro de galio absorbe diferentes longitudes de onda de luz incidente a diferentes temperaturas, y las longitudes de onda de luz no absorbidas se reflejan de vuelta al dispositivo. Los parámetros de temperatura en la sonda se obtienen analizando el espectro de la luz reflejada. Sus ventajas son que la temperatura de la sonda se obtiene mediante medición espectral absoluta, sin calibración in situ, La sonda tiene buena universalidad, La distancia de detección puede superar los 500 m, La vida útil de la fuente de luz y la estabilidad a largo plazo de la detección en línea superan 30 años, Pero el costo es relativamente alto.

2.3 Medición cuasi distribuida:

Sistema de medición de temperatura de la serie de rejillas Bragg de fibra: A través de la radiación ultravioleta a lo largo de la dirección longitudinal de la fibra, varias rejillas de fibra Bragg con diferentes longitudes de onda centrales se forman por exposición y grabado. Cada rejilla de fibra Bragg es una reflexión total de potencia para una longitud de onda de luz específica. Múltiples rejillas de fibra de Bragg están conectadas secuencialmente en serie en la dirección de la propagación de la fibra para formar un sistema de medición de temperatura de distribución cuasi espacial espacialmente discreto. Inyección de luz de banda ancha en una fibra óptica, cuando el haz pasa a través de una rejilla de Bragg de fibra, Cada rejilla refleja una señal de luz monocromática correspondiente a su longitud de onda. Cuando cambia la temperatura ambiente de la rejilla Bragg de fibra, La longitud de onda de la señal reflejada de la rejilla cambiará. Su sonda tiene un volumen pequeño, La trayectoria óptica se puede doblar adecuadamente, Es resistente a la radiación electromagnética, y fácil de telemetrizar. Sin embargo, la resistencia mecánica de la rejilla Bragg de fibra es baja, y se daña fácilmente en condiciones de trabajo complejas, lo que requiere la fiabilidad del sensor. Además, La sensibilidad de la demodulación de longitud de onda es un problema, y la deriva de la longitud de onda de la luz reflejada causada por un aumento de temperatura de decenas de grados no supera 1 nm.

2.4 Medición totalmente distribuida:

Sistema de medición de temperatura de fibra distribuida (GTp) Basado en el efecto de dispersión Raman: Utilización del reflector óptico en el dominio del tiempo (OTDR) principio de las fibras ópticas y el efecto de dispersión Raman. Los pulsos láser interactúan con las moléculas de fibra para generar varios fenómenos de dispersión, como la dispersión Raman, y la temperatura se mide en función del efecto de dispersión Raman. Este sistema se puede implementar mediante el despliegue de un dispositivo de monitoreo y una fibra de detección, y el costo de monitoreo por unidad de longitud de fibra disminuye con el aumento de la distancia de detección. Actualmente es una solución de medición de temperatura de ingeniería muy prometedora. Puede lograr la medición de temperatura en un solo punto, Multipunto, y áreas continuas, y puede servir como medio para la medición y transmisión de temperatura simultáneamente. Tiene capacidad anti interferencia electromagnética, Resistencia a la corrosión, Buen rendimiento de aislamiento, Métodos de instalación flexibles, Se puede vincular con la protección contra incendios, Sistemas de alarma, etc. También puede transmitir datos de forma remota, Ver y controlar de forma remota, y tiene ventajas como el análisis de datos y la resolución de problemas de puntos de falla.

3. Caso de aplicación de monitoreo de temperatura de fibra óptica

 

3.1 Aplicación en la construcción de energía de comunicación:

Problema resuelto: La sala de comunicaciones cuenta con un denso equipamiento y altos requisitos de seguridad. Una vez que se produce un incendio, provocará que toda la red de comunicación se paralice, Requiere control en tiempo real de la temperatura ambiente. Y con el rápido desarrollo de la tecnología 5G, Las salas de comunicación se están construyendo y ampliando rápidamente, lo que resulta en un aumento repentino en el número y la potencia de los equipos en las habitaciones. Los métodos tradicionales de medición electrónica de temperatura tienen desventajas, como puntos de medición de temperatura limitados, Instalación compleja de cables de transmisión, y no son propicios para el mantenimiento y la gestión.
Plan de implementación específico: Instalar un sistema de monitoreo de temperatura de fibra óptica distribuido (como la serie FGT) en el equipo y las líneas en la sala de computadoras para lograr el monitoreo de la temperatura en tiempo real, Análisis de tendencias, Detección remota y precisa de accidentes, Alerta temprana, Alarma y otras funciones. La parte central del sistema consiste principalmente en un cliente local, host de medición de temperatura de fibra óptica, cable óptico de detección de temperatura, y software de medición de temperatura. Por ejemplo, Las fibras ópticas con detección de temperatura ingresan a cada gabinete desde abajo y miden la temperatura dentro del gabinete dando vueltas alrededor de la parte delantera y trasera del gabinete; La fibra óptica de medición de temperatura se coloca en forma de S a lo largo de la bandeja de cables en la superficie de la bandeja de cables para el control de la temperatura de la bandeja de cables; La fibra óptica de medición de temperatura se coloca a lo largo de la ruta del cable del túnel subterráneo en la superficie del cable para el control de la temperatura del cable del túnel; Carga en el cliente local y en el cliente del centro de supervisión a través del protocolo TCP/IP, y el cliente puede mostrar información de temperatura en tiempo real de cada gabinete a través del software de monitoreo. Basado en la temperatura obtenida en tiempo real, Dibuje un mapa de nubes de temperatura de la sala de computadoras; Cuando se produce una alarma de alta temperatura anormal en un lugar determinado de la sala de computadoras, el host de medición de temperatura transmite la información de alarma al sistema de alarma a través del protocolo serie RS485 para el tratamiento de extinción de incendios correspondiente.
Valor de la aplicación: Además de las alarmas regionales, El posicionamiento de alerta temprana también puede localizar y establecer la temperatura de los puntos de alarma; La visualización de la temperatura en tiempo real puede determinar con precisión la tendencia de desarrollo de los accidentes de incendio y proporcionar una base de datos para la extinción de incendios; Tiene las ventajas de seguridad y confiabilidad (Alta sensibilidad, Sin interferencias electromagnéticas, Monitoreo pasivo en tiempo real, Buen aislamiento eléctrico, A prueba de explosiones, combinado con alarmas de temperatura fijas y diferenciales, Sin falsas alarmas), Fácil instalación (Fibra óptica anti tensión, Anti Impacto, Diámetro exterior pequeño, Buena flexibilidad, Pequeño volumen, Peso ligero, Se puede enrollar e instalar en la superficie del área de prueba en forma recta o de serpiente), Uso eficiente (Monitoreo a larga distancia, La detección y la transmisión de señales se pueden completar mediante un cable óptico, Todo listo en la terminal, Todo el sistema es sencillo y fiable, y la carga de trabajo de operación y mantenimiento es mínima), y vida útil ultra larga (El sistema de circuito de temperatura constante incorporado y el interruptor electroóptico de microordenador avanzado mejoran en gran medida la vida útil del equipo, con una vida útil de más de 15 años).

3.2 Aplicaciones en el campo del transporte:

En túneles de carretera, Los sensores de fibra óptica se pueden utilizar para monitorear parámetros como la temperatura y la humedad dentro del túnel, Detectar situaciones peligrosas como incendios e inundaciones de manera oportuna, y activar sistemas de alarma para garantizar la seguridad de los vehículos y los pasajeros. Los sensores de fibra óptica también tienen un importante valor de aplicación en la construcción de sistemas de transporte inteligentes y monitoreo de seguridad de vehículos, como el monitoreo de la temperatura de partes clave de los vehículos para garantizar la seguridad y confiabilidad de la operación del vehículo.

3.3 Aplicación en centrales eléctricas:

En comparación con el cable de detección de temperatura tradicional, El sistema de monitoreo de temperatura de fibra óptica es progresivo. En centrales eléctricas, Los sensores de temperatura de fibra óptica pueden monitorear la temperatura del equipo en tiempo real durante el funcionamiento, como el monitoreo de temperatura de equipos grandes como generadores y transformadores. Pueden detectar situaciones anormales como el sobrecalentamiento de manera oportuna, evitando así fallos en los equipos y garantizando el normal funcionamiento de las centrales eléctricas.

4. Equipo de monitoreo de temperatura de fibra óptica recomendado

IF-C de FJINNO sistema de medición de temperatura de fibra óptica de fluorescencia:
Capacidad antiinterferente de fluorescencia y método de medición: Tiene la característica de resistir las interferencias electromagnéticas, y la fibra óptica como medio de transmisión de señales no se ve afectada por la interferencia electromagnética, Garantizar un control preciso de la temperatura cerca de los equipos de potencia de alto voltaje. Soporta la medición multipunto, Se pueden configurar múltiples interfaces de medición en un transmisor de temperatura de fibra óptica fluorescente para lograr el monitoreo de temperatura multipunto.

5. Cómo elegir una solución adecuada de monitoreo de temperatura de fibra óptica

 

5.1: Tenga en cuenta los requisitos del escenario de medición:

Requisitos del rango de temperatura: Las diferentes tecnologías de monitoreo de temperatura de fibra óptica son aplicables a diferentes rangos de temperatura. Por ejemplo, la tecnología de detección de temperatura de fibra óptica con radiación de fluorescencia es adecuada para un rango de temperatura de -50 ~ 200 °C. Si la temperatura ambiente que se va a medir es baja o alta, Se requiere un esquema de monitoreo de temperatura de fibra óptica personalizado que pueda cubrir este rango de temperatura.

5.2: Puntos y áreas de medición:

Si se trata de una medición de temperatura de un solo punto, como la medición de la temperatura en una parte clave dentro de un equipo eléctrico, Los métodos de medición de temperatura basados en puntos, como la tecnología de detección de temperatura de fibra de radiación de fluorescencia o la tecnología de medición de temperatura de fibra de arseniuro de galio, son más adecuados; Si se requiere monitoreo de temperatura para áreas continuas o múltiples puntos, como armarios, Bandejas portacables, y cables de túneles subterráneos en edificios de comunicaciones, Sistemas distribuidos de monitoreo de temperatura de fibra óptica (GTp) son más adecuados para el control de la temperatura en múltiples áreas.

5.3: Tenga en cuenta las características de rendimiento del sensor:

Precisión y estabilidad: En algunos escenarios que requieren precisión de medición a alta temperatura, como el control de la temperatura en tiempo real durante los procedimientos quirúrgicos en el campo de la medicina, Es necesario seleccionar sensores de temperatura de fibra óptica de alta precisión.

5.4: Velocidad de respuesta del sensor:

En algunos escenarios en los que se requieren cambios rápidos de temperatura, como los sistemas de alarma contra incendios, Los sensores deben tener una velocidad de respuesta rápida para detectar aumentos anormales de temperatura de manera oportuna y emitir alarmas. La velocidad de respuesta de los diferentes sensores de temperatura de fibra óptica varía y debe seleccionarse de acuerdo con escenarios de aplicación específicos.

5.5: Tenga en cuenta los factores de costo:

Costo del equipo: El proceso de fabricación de sensores de temperatura de fibra óptica de alto rendimiento es complejo y costoso, lo que limita su aplicación a gran escala. Por ejemplo, Los sensores de fibra óptica de arseniuro de galio tienen muchas ventajas, Pero su costo es relativamente alto. En el caso de presupuesto limitado, Es necesario considerar exhaustivamente los costos del equipo y elegir una solución rentable de monitoreo de temperatura de fibra fluorescente.

5.6: Costes de instalación y mantenimiento:

La complejidad de instalar diferentes soluciones de monitoreo de temperatura de fibra óptica varía, y los costos de instalación también pueden diferir. Por ejemplo, en el sistema de monitoreo de temperatura de fibra óptica distribuido en el edificio de energía de comunicación, El método de tendido de cables de fibra óptica, La instalación y puesta en marcha del equipo afectará el costo de instalación. Al mismo tiempo, También hay que tener en cuenta los costes de mantenimiento, como la vida útil del equipo, si es propenso a fallos de funcionamiento, y la dificultad de reparación después de un mal funcionamiento. Algunos dispositivos con funciones de autodiagnóstico y mantenimiento remoto pueden tener costos de equipo más altos, sino en términos de costos de mantenimiento a largo plazo, Pueden ser más rentables.