Как использовать оптоволоконное измерение температуры? Что включает в себя измерение температуры оптоволокна

1、 Принцип Оптоволоконное измерение температуры

Измерение температуры оптоволокна основано на различных оптических свойствах оптических волокон, которые изменяются в зависимости от температуры.

Принцип изменения оптической амплитуды: Оптоволоконные датчики температуры компонентного типа, Существует ситуация, когда оптическая амплитуда изменяется с температурой. При изменении температуры, Диаметр сердцевины и показатель преломления оптического волокна изменятся, Из-за этого свет, распространяющийся в волокне, рассеивается наружу из-за неровных траекторий, в конечном итоге это приводит к изменению амплитуды света. Например, в некоторых сценариях высокоточных лабораторных измерений, Это едва заметное изменение амплитуды света может быть зафиксировано специальным оборудованием для обнаружения, тем самым получая ситуацию изменения температуры.
Принцип вращения плоскости поляризации: Плоскость поляризации одномодового волокна вращается в зависимости от температуры, а изменение амплитуды можно получить через поляризатор. Датчики, основанные на этом принципе, имеют большое значение в конкретных оптических исследованиях или сценариях измерений, чувствительных к поляризационному вращению. Например, при изучении взаимосвязи между определенными оптическими материалами и температурой, Этот датчик может быть использован для точного получения влияния температуры на вращение поляризационной поверхности.
Принцип оптического фазового перехода: Когда длина, показатель преломления, и диаметр сердцевины одномодового волокна изменяются в зависимости от температуры, Свет, распространяющийся в волокне, претерпевает фазовый переход. Этот фазовый переход может быть получен с помощью интерферометра для измерения изменения амплитуды. Например, в интерферометре Маха Цендера, Свет от сигнального волокна смешивается со стабильным опорным лучом. За счет влияния температуры на сигнальное волокно, Изменяется фаза распространяющегося оптического сигнала, создание помех между двумя световыми столбами. Следовательно, Изменение фазы может быть обнаружено для отражения изменения температуры. В некоторых условиях, требующих чрезвычайно высокой точности измерения температуры, Например, мониторинг температуры в некоторых прецизионных приборах в аэрокосмической отрасли, Этот принцип измерения, основанный на оптическом фазовом переходе, может играть важную роль.
Основан на принципе спектральной вариации: Спектр поглощения некоторых веществ изменяется в зависимости от температуры, а температуру в реальном времени можно понять, анализируя спектр, передаваемый оптическими волокнами. Этот принцип широко используется в волоконно-оптических датчиках температуры, Например, в волоконно-оптических флуоресцентных датчиках температуры, Параметры излучаемой флуоресценции взаимно однозначно соответствуют температуре, А требуемую температуру можно получить, определив ее интенсивность флуоресценции или время жизни флуоресценции. Некоторые новые типы оптоволоконных датчиков температуры также используют тепловую чувствительность и эффект брэгговской решетки оптических волокон. Исходя из принципа, что отраженная длина волны брэгговского волокна Брэгговской решетки будет смещаться в зависимости от температуры, Изготовлены датчики температуры волоконно-оптической решетки. Чувствительный сигнал модулируется по длине волны, при этом на измерительный сигнал не влияют такие факторы, как колебания источника света, Потери на изгиб волокна, Потери при подключении, и старение детектора.
Основан на принципе проводимости энергии излучения: Для излучения (инфракрасный) Волоконно-оптические датчики температуры, Он в основном использует характеристики связи и передачи оптических волокон для проведения поверхностной энергии излучения измеряемого объекта (который связан с температурой поверхности измеряемого объекта) на фотоприемник и преобразовывать его в электрический выход. Этот тип датчика очень практичен в некоторых сценариях бесконтактного измерения температуры, например, измерение температуры вне высокотемпературной печи, и может получать информацию о температуре поверхности без прямого контакта с высокотемпературными объектами.
Основан на принципе полупроводниковых абсорбционных характеристик: В полупроводниковом абсорбционном типе оптоволоконный датчик температуры, Отрезанное оптическое волокно устанавливается в тонкую стальную трубу, и полупроводниковая тонкая пленка, чувствительная к температуре (такие как GaAs или InP) зажат между двумя концами волокна. Интенсивность проходящего света этой тонкой пленки для измерения температуры полупроводника изменяется в зависимости от измеренной температуры. Когда на одном конце оптического волокна вводится постоянная интенсивность света, Пропускающая способность тонкой пленки полупроводника, чувствительной к температуре, изменяется в зависимости от температуры, Интенсивность света, получаемого приемным элементом на другом конце оптического волокна, также изменяется в зависимости от измеряемой температуры. Следовательно, путем измерения выходного напряжения приемного элемента, Температура в положении датчика может быть измерена дистанционно. В некоторых сценариях, когда требуется мониторинг температуры для небольших устройств или определенных областей, Этот датчик может использовать свои преимущества компактности и точности измерений.

2、 Технические методы измерения температуры оптоволокна

Измерение точечной температуры
Принцип и принцип работы: Развертывание одного датчика температуры в определенных ключевых областях системы для измерения. Этот метод подходит для точного измерения температуры в определенных точках, например, мониторинг температуры ключевого чипа в электронных устройствах, или измерение температуры определенной точки в среде клеточной культуры в биомедицинских исследованиях. Он может предоставить очень точную информацию о местной температуре, размещая волоконно-оптический зонд в целевом месте и используя оптические свойства оптоволокна для получения данных о температуре в этой точке.
Характеристики сценария применения: В некоторых устройствах или экспериментальных сценариях, которые очень чувствительны к локальным изменениям температуры, Измерение температуры точки имеет важное значение. Например, в сверхточных оптических приборах, Изменения температуры в небольшом компоненте могут оказать существенное влияние на общую производительность прибора. Точечное измерение температуры позволяет точно контролировать температуру этого компонента, предоставление гарантии на стабильную работу инструмента. Сверх того, Этот метод измерения относительно прост и экономически выгоден, что делает его очень практичным в ситуациях, когда необходимо контролировать только несколько конкретных температурных точек.
Квазираспределенные измерения
Принцип и принцип работы: Последовательное соединение одноточечных измерений температуры вдоль направления распространения волокна может сформировать квазираспределенное измерение, охватывающее многоточечное определение температуры. В производстве энергосистем, Необходимо измерить распределение поля градиента температуры в воздушном пространстве, И эта технология может быть эффективной. Он может выполнять измерение температуры в нескольких точках, соединяя несколько точек измерения последовательно на одном оптическом волокне, Использование характеристик пропускания и температурной чувствительности волокна. Каждая точка измерения может независимо отражать изменения температуры и передавать эту информацию о температуре на контрольное оборудование для централизованной обработки по оптическим волокнам.
Характеристики сценария применения: На крупных энергетических объектах, таких как подстанции, высоковольтные линии электропередачи, и так далее., Требуется контроль температуры нескольких ключевых деталей. Квазираспределенные измерения позволяют осуществлять мониторинг температуры в нескольких точках на одном оптическом волокне, снижение трудоемкости и стоимости проводки. В то же время, в некотором крупном промышленном оборудовании или строительных конструкциях, такие как большие котлы, Мосты, и так далее., Квазираспределенная измерительная технология также может использоваться для мониторинга температуры в различных местах, с целью своевременного обнаружения потенциальных температурных аномалий и предотвращения аварий.
Полностью распределенное измерение
Принцип и принцип работы: Волоконная оптика может служить как каналом для передачи оптического сигнала, так и термочувствительным материалом для проведения изменений температуры. Тем распределенный волоконно-оптический Система измерения температуры может быть достигнута путем развертывания устройства мониторинга и чувствительного волокна. Стоимость мониторинга на единицу длины волокна снижается с увеличением расстояния срабатывания, которое в настоящее время является весьма перспективным инженерным решением для измерения температуры. Он основан на принципе оптической рефлектометрии во временной области (Оптическая рефлектометрия) оптических волокон и эффект комбинационного рассеяния оптических волокон. Анализируя обратное комбинационное рассеяние света в оптическом волокне, Он получает информацию о распределении температуры вдоль волокна. Лазерные импульсы взаимодействуют с молекулами волокон, что приводит к различным явлениям рассеяния, таким как рэлеевское рассеяние, Россыпь Бриллюэна, и комбинационное рассеяние света. Интенсивность комбинационного рассеяния света зависит от температуры, а распределение температуры вдоль волокна может быть получено путем измерения изменений интенсивности комбинационного рассеяния света.
Характеристики сценария применения: В некоторых сценариях, требующих мониторинга температуры на большой площади, такие как магистральные нефтепроводы, Большие складские помещения, и так далее., При полностью распределенном измерении может использоваться одно оптическое волокно для мониторинга температуры всей площади. Он может предоставлять точные и непрерывные данные о температуре в режиме реального времени, Обнаружение небольших изменений температуры, и обеспечьте быстрое многоточечное измерение пространственного распределения температуры в большом диапазоне и на больших расстояниях. Это имеет большое значение для обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов, предотвращение возгораний, и значительное снижение затрат и сложности мониторинга.
Оптоволоконная технология измерения температуры на основе флуоресцентного излучения
Принцип и принцип работы: Рабочий механизм измерения флуоресцентной температуры основан на фундаментальном физическом явлении фотолюминесценции. Так называемая фотолюминесценция – явление излучения света, что относится к излучению света, когда материал возбуждается ультрафиолетом, видимый, или инфракрасный свет. В оптоволоконных датчиках температуры, Используются флуоресцентные характеристики определенных веществ, а интенсивность или продолжительность жизни флуоресценции изменяется при изменении температуры. Измерение температуры путем обнаружения изменений этих параметров флуоресценции. Например, Университет штата Миссисипи в США использует коммерческий эпоксидный клей в качестве индикатора температуры (ПАУ). ПАУ излучают флуоресценцию при возбуждении ультрафиолетовым светом, А интенсивность флуоресценции уменьшается с увеличением температуры вокруг эпоксидного клея. Путем обнаружения изменений интенсивности флуоресценции, температуры в диапазоне 20 °C до 100 Можно измерить °C.
Характеристики сценария применения: Эта технология больше подходит в некоторых сценариях, где требуется высокая точность измерения температуры, а окружающая среда относительно стабильна. Например, Мониторинг температуры в средах клеточных культур в биомедицинской области, или измерение температуры при изучении характеристик теплоотдачи некоторых небольших электронных устройств. Благодаря чувствительности флуоресцентных характеристик к изменениям температуры и способности адаптироваться к различным диапазонам измерения температуры путем выбора соответствующих флуоресцентных материалов, В этих сценариях могут быть предоставлены точные результаты измерения температуры. Тем временем, по сравнению с другими технологиями, Технология измерения температуры оптоволокна с флуоресцентным излучением может иметь меньший размер устройства, Что упрощает его использование в условиях ограниченного пространства.

3、 Сценарии применения измерения температуры оптоволокна

Промышленный сектор
Система питания: На электростанциях, Волоконно-оптические датчики температуры могут использоваться для контроля температуры оборудования для производства электроэнергии, такого как генераторы, Трансформаторы, и так далее. Например, в трансформаторах, Оптоволоконные датчики температуры могут контролировать температуру масла внутри трансформатора и температуру ключевых компонентов в режиме реального времени, что помогает своевременно обнаруживать потенциальные проблемы с перегревом и предотвращать серьезные аварии, такие как повреждение оборудования или даже пожары, вызванные перегревом. Сверх того, Волоконно-оптические датчики обладают свойством устойчивости к электромагнитным помехам и могут стабильно работать в сильных электромагнитных средах, таких как энергосистемы. В высоковольтных линиях электропередачи, Оптоволоконные датчики температуры могут контролировать температуру линии в режиме реального времени. Когда на линии происходит аномальное повышение температуры из-за перегрузки или по другим причинам, Они могут своевременно предупреждать для обеспечения безопасной работы линии электропередачи.
Нефтехимическая промышленность: Волоконно-оптические датчики температуры играют важную роль в экстракции, транспорт, и хранение нефтепродуктов. В нефтяных скважинах, Его можно использовать для контроля температуры в скважине, Разберитесь в распределении пластовой температуры, и обеспечить информационную поддержку для добычи нефти. С точки зрения нефтепроводов, Вдоль трубопровода могут быть установлены оптоволоконные датчики температуры для контроля температуры в режиме реального времени. При обнаружении аномальной температуры из-за утечек или внешних факторов окружающей среды (такие как влияние таяния вечной мерзлоты на трубопровод), Можно своевременно принять меры для предотвращения аварий, таких как разливы нефти. Контроль температуры масла внутри масляного бака во время хранения помогает обеспечить качественное и безопасное хранение масла.
Обрабатывающая промышленность: В процессе производства крупногабаритного оборудования, такие как автомобильные двигатели, авиационные двигатели, и так далее., Волоконно-оптические датчики температуры могут использоваться для контроля температуры в процессе производства. Например, Мониторинг температуры пресс-формы в процессе литья в двигателе может оптимизировать процесс литья и повысить качество продукции. Контроль температуры инструмента во время механической обработки позволяет своевременно корректировать параметры резания и продлевать срок службы инструмента. В дополнение, Мониторинг температуры ключевых компонентов может помочь обеспечить точность сборки в некоторых высокоточных процессах механической сборки.
Медицинская сфера
Мониторинг внутренней температуры тела человека: Оптоволоконные датчики температуры могут быть превращены в крошечные зонды для измерения внутренней температуры человеческого тела. Например, при некоторых малоинвазивных операциях, Оптоволоконные датчики температуры могут быть введены в тело человека через катетер для мониторинга температуры вокруг места операции в режиме реального времени, Предотвращение повреждения тканей в результате термического повреждения во время операции. В процессе гипертермии опухоли, Волоконно-оптические датчики температуры могут точно измерять температуру внутри опухолевой ткани, обеспечение того, чтобы температура гипертермии находилась в пределах эффективного диапазона лечения, избегая при этом перегрева, повреждения окружающих нормальных тканей.
Мониторинг температуры медицинского оборудования: В некоторых медицинских устройствах, такие как магнитно-резонансная томография (МРТ) оборудование, Рентгеновские аппараты, и так далее., Оптоволоконные датчики температуры могут использоваться для контроля температуры ключевых компонентов внутри оборудования. Из-за большого количества тепла, выделяемого этими устройствами во время работы, если температура компонентов слишком высока, Это может повлиять на производительность оборудования или даже привести к выходу оборудования из строя. Благодаря мониторингу в режиме реального времени с помощью оптоволоконных датчиков температуры, Для обеспечения нормальной работы оборудования могут быть приняты своевременные меры по отводу тепла.
Сфера охраны окружающей среды
Мониторинг температуры атмосферы: В метеорологических исследованиях, Волоконно-оптические датчики температуры могут использоваться для измерения температуры атмосферы. По сравнению с традиционным метеорологическим оборудованием для измерения температуры, Оптоволоконные датчики температуры обладают характеристиками защиты от электромагнитных помех и высокой точностью. Волоконно-оптические датчики могут быть установлены на метеорологических вышках или аэростатах для измерения атмосферной температуры на разных высотах, предоставление более точных данных для метеорологических исследований, прогнозирование погоды, и другие приложения.
Контроль температуры воды: В мониторинге водной среды, Волоконно-оптические датчики температуры могут использоваться для измерения температуры водоемов, таких как реки, Озер, и океаны. Благодаря долгосрочному мониторингу температуры воды, Изменения в тепловой среде водоемов можно понять, что имеет большое значение для изучения влияния водных экосистем и изменения климата на водные объекты. Например, в некоторых крупных озерах, за счет размещения оптоволоконных датчиков температуры на разной глубине и в разных местах, Для анализа влияния стратификации температуры воды на экосистему озера может быть построена карта распределения температуры воды по всему озеру.
Мониторинг температуры почвы: В сельскохозяйственных и экологических исследованиях, Оптоволоконные датчики температуры могут использоваться для контроля температуры почвы. Температура почвы оказывает существенное влияние на рост и развитие растений. Путем контроля температуры почвы, Может быть предоставлено руководство для сельскохозяйственного производства, такие как определение оптимальных сроков посева, время полива, и так далее. В экологических исследованиях, Изменения температуры почвы также могут влиять на деятельность почвенных микроорганизмов и преобразование питательных веществ в почве. Волоконно-оптические датчики температуры могут предоставить точные данные о температуре для этих исследований.
Другие специальные поля
В аэрокосмической отрасли, Волоконно-оптические датчики температуры могут использоваться для контроля температуры высокотемпературных компонентов внутри авиационных двигателей во время испытаний и эксплуатации, обеспечение безопасной работы двигателя в экстремальных условиях, таких как высокая температура и высокое давление. В космических аппаратах, Волоконно-оптические датчики температуры могут использоваться для мониторинга изменения температуры за пределами космического аппарата, что имеет решающее значение для защиты внутреннего оборудования и приборов от экстремальных колебаний температуры. Тем временем, в процессе разработки аэрокосмических материалов, Волоконно-оптические датчики температуры также могут использоваться для проверки эксплуатационных характеристик материалов при различных температурных условиях.
Военная сфера: В военной технике, такой как танки, Ракет, и так далее., Оптоволоконные датчики температуры могут использоваться для контроля температуры ключевых компонентов внутри оборудования. В процессе пуска ракет, Оптоволоконные датчики температуры могут контролировать температуру ракетных двигателей и других компонентов в режиме реального времени, обеспечение нормального пуска и полета ракет. При строительстве и обслуживании военных объектов, Оптоволоконные датчики температуры могут использоваться для контроля температуры окружающей среды, обеспечение безопасности и устойчивости военных объектов.

4、 Факторы, влияющие на точность измерения температуры оптоволокна

Факторы, связанные с присущими оптическим волокнам характеристиками
Волоконно-оптические материалы: Различные волоконно-оптические материалы имеют разные коэффициенты теплового расширения и оптические свойства, которые могут повлиять на точность измерения температуры. Например, Некоторые специальные волоконно-оптические материалы могут испытывать значительные изменения показателя преломления при воздействии температурных колебаний, в то время как другие остаются относительно стабильными. При выборе неподходящих волоконно-оптических материалов в сценариях высокоточного измерения температуры, Это может привести к значительным отклонениям в результатах измерений.
Длина волокна: Изменения температуры могут привести к изменению длины волокна. По принципу теплового расширения и сжатия, при изменении температуры на 1 °С, Изменение длины одномодового волокна на километр может существенно не отличаться. Однако, при измерении температуры волокна на больших расстояниях, Накопление этих небольших изменений длины может повлиять на точность измерений. Например, в распределенных волоконно-оптических системах измерения температуры на большие расстояния, если изменения длины волокна из-за колебаний температуры не могут быть точно компенсированы, Это может привести к неправильной оценке температуры.
Изменение показателя преломления оптических волокон: Показатель преломления оптических волокон изменяется в зависимости от температуры, который влияет на характеристики распространения света в оптических волокнах, такие как фаза и скорость распространения света. Когда показатель преломления оптических волокон изменяется из-за колебаний температуры, Это повлияет на оптоволоконные датчики, которые измеряют температуру на основе фазовых изменений или времени распространения света, тем самым снижая точность измерений.
Внешние факторы окружающей среды
Сложность изменения температуры окружающей среды: Сама температура окружающей среды может быть неравномерной, с температурными градиентами или резкими колебаниями температуры. В такой сложной температурной среде, Оптоволоконные датчики могут неточно отражать истинную температурную обстановку. Например, на открытом воздухе, существует большая разница температур между днем и ночью, А прямые солнечные лучи в течение дня могут привести к повышению местной температуры оптоволоконного кабеля, в то время как ночью он будет стремительно снижаться. Такое частое изменение температуры создаст проблемы для измерений. Сверх того, На температуру окружающей среды также могут влиять такие факторы, как воздушный поток и влажность, Дальнейшее усложнение измерения температуры.
Источники внешних помех: В некоторых специальных сценариях применения, Наличие внешних источников помех может повлиять на точность измерения температуры оптоволокна. Например, в промышленных условиях, Есть такие факторы, как сильные электромагнитные поля, вибрация, и химическая коррозия. Сильные электромагнитные поля могут создавать помехи для передачи оптических сигналов в волоконно-оптических датчиках, приводящие к погрешностям измерения; Вибрация может привести к незначительному изгибу или смещению оптических волокон, влияя на путь распространения света и, таким образом, влияя на точность измерений; Химическая коррозия может повредить поверхность оптических волокон или изменить их оптические свойства, снижение производительности датчиков.
Факторы, связанные с сенсорными устройствами
Стабильность источника света: Для оптоволоконных датчиков температуры, Стабильность источника света имеет решающее значение. Если интенсивность или длина волны источника света колеблется, Это повлияет на точность датчиков, которые измеряют температуру на основе изменения интенсивности света или длины волны. Например, в волоконных датчиках температуры брэгговской решетки, Колебания источника света могут привести к неточным измерительным сигналам, поскольку чувствительный сигнал модулирован по длине волны, а нестабильность источника света может привести к отклонениям при измерении длины волны.
Производительность фотоприемника: Чувствительность, Разрешение по длине волны, и другие эксплуатационные показатели фотоприемника повлияют на точность измерений. Если чувствительность фотоприемника недостаточна, Он может быть не в состоянии точно обнаруживать слабые изменения светового сигнала, тем самым влияя на измерение температуры. Например, в волоконно-оптических датчиках температуры на основе флуоресцентного излучения, Это необходимо для обнаружения небольших изменений интенсивности флуоресценции или времени жизни. Если чувствительность фотоприемника недостаточна, Эти изменения не могут быть получены точно, приводящие к погрешностям измерения температуры. Тем временем, Разрешение фотоприемника по длине волны не высокое, что также может снизить точность измерений при измерении оптоволоконных датчиков температуры на основе изменения длины волны.
Упаковка и установка датчиков: Материал упаковки и структура датчиков могут влиять на теплопроводность и скорость реакции датчиков на температуру. Если теплопроводность упаковочного материала плохая, Это приведет к задержке работы датчика в ответ на изменения температуры, тем самым влияя на точность измерений. В процессе установки, при плохом контакте датчика с измеряемым объектом, или если положение установки не является разумным, Результаты измерений могут неточно отражать истинную температуру измеряемого объекта. Например, при измерении температуры микросхем небольших электронных устройств, если оптоволоконный датчик температуры установлен не в тесном контакте с чипом, Он может измерять температуру окружающей среды, а не фактическую температуру чипа.

5、 Типы оборудования для измерения температуры оптоволокна

Компонентный оптоволоконный датчик температуры
Принцип работы и характеристики: Компонентные оптоволоконные датчики температуры используют характеристики самого волокна для обнаружения изменений температуры и их измерения. Например, с помощью датчика, который изменяет амплитуду света в зависимости от температуры, Диаметр сердцевины и показатель преломления оптического волокна изменяются в зависимости от температуры, Из-за этого свет, распространяющийся по волокну, рассеивается наружу из-за неровных траекторий, что приводит к изменению амплитуды света; Использование датчика, который вращает поляризационную поверхность одномодового волокна, Поляризационная поверхность волокна вращается в зависимости от температуры, а изменение амплитуды получается через поляризатор; С помощью датчика, который обнаруживает изменения оптической фазы, длина, показатель преломления, и диаметр сердцевины одномодового волокна изменяются в зависимости от температуры, вызывая фазовый сдвиг в свете, распространяющемся в волокне. Затем этот фазовый переход измеряется интерферометром для получения изменений амплитуды. Преимущество оптоволоконных датчиков температуры компонентного типа заключается в том, что они напрямую используют характеристики самого волокна и обладают высокой чувствительностью. Однако, Его недостатком является то, что он требует высокого качества и производительности оптического волокна, и требует более точных приборов и технологий для обеспечения точности измерений во время производства и использования.
Сценарий применения: Он больше подходит для сценариев мониторинга температуры в лабораторных исследованиях или для высокотехнологичного прецизионного измерительного оборудования, требующего чрезвычайно высокой точности измерения температуры и относительно стабильных условий измерения. Например, Мониторинг температуры внутри высокоточных оптических приборов, или точное измерение малых изменений температуры в физических и химических экспериментах.

Волоконно-оптический датчик температуры, Интеллектуальная система мониторинга, Производитель распределенного оптоволокна в Китае