如何使用光纤监测温度? 光纤测温系统, 应用, 完整指南, 2025

1. 原理 光纤温度监测

光纤温度传感器是一种先进的传感器，它利用光学效应来测量温度变化. 它利用了光纤的独特特性, 例如它们的热敏性和布拉格光栅效应. 其基本原理是利用光纤的光学特性，通过测量光信号参数来反映环境温度的变化 (例如光强度, 阶段, 等。) 在光纤中. 以下是基于不同原理的几种常见的光纤温度监测方法:

1.1: 基于光振幅变化的原理:

 

元件式光纤温度传感器, 纤维的芯径和折射率随温度变化, 由于路径不平，导致在光纤中传播的光向外散射, 导致光振幅发生变化. 例如, 在一些特殊的纤维结构中, 温度变化会导致纤维内部的材料分布或结构特性发生变化, 导致传播过程中光的散射发生变化, 从而引起光的振幅变化. 通过检测这些振幅变化, 可以获取温度信息.
基于干涉原理: 在仪器中, 来自信号光纤的光与稳定的参考光束混合. 由于测量参数的影响 (如温度) 在信号光纤上, 传播光信号的相位发生变化, 导致两束光束之间产生干涉. 原则上, 合适的鉴相器可以检测到微小的变化, 而 stripe counter 可以检测到较大的变化. 这利用了光的干涉特性, 将温度对光纤中光信号相位的影响转化为可检测的干涉现象, 从而实现温度监测.

1.2: 基于拉曼散射效应原理:

基本原理 分布式光纤温度传感系统 (DTS公司) 基于光时域反射计 (OTDR的) 光纤原理和光纤的拉曼散射效应. 激光脉冲与光纤分子相互作用, 导致各种散射现象，例如瑞利散射, 布里渊散射, 和拉曼散射. 选择系统参考信号时，选择对温度变化最敏感的拉曼散射. 光纤测温的机理基于反向拉曼散射效应, 通过分析拉曼散射光信号来获取温度信息. 因为拉曼散射光的强度与温度有特定的关系, 温度变化会导致拉曼散射强度发生变化. 通过测量拉曼散射强度的变化, 温度值可以确定.

1.3: 基于布拉格光纤布拉格光栅的原理:

在准 分布式光纤 温度测量技术, 一个典型的解决方案是将多个光纤布拉格光栅串联起来的温度测量系统. 通过紫外线辐射沿光纤纵向曝光和蚀刻形成几个不同中心波长的布拉格光纤光栅. 每个布拉格光纤光栅都是特定波长光的功率全反射. 当光纤布拉格光栅的环境温度发生变化时, 来自光栅的反射信号的波长也会发生变化. 将包含多个波长的广谱光束注入光纤, 光束穿过一系列光纤布拉格光栅. 每个光栅反射与其波长相对应的单色光信号, 通过检测反射光波长的变化来反射温度变化.

1.4: 基于荧光辐射原理:

中荧光辐射光纤温度传感技术, 荧光物质涂覆在纤维的末端, 通过测量荧光能量的衰减时间，利用荧光物质固有余辉时间的温度相关性，可以得到被测点的温度值. 荧光物质的余辉时间随温度变化, 此特性用于温度测量. 其适用温度范围为 -50~200 °C, 精度约为 ± 1 °C, 常用于电气设备内部的温度测量.

1.5: 基于砷化镓晶体的光吸收/透射特性原理:

砷化镓光纤测温技术将砷化镓晶体材料嵌入光纤的远端作为温度探头, 并将入射光注入光纤的近端设备. 当传感器光源发射多波长入射光并辐射到砷化镓晶体上时, 砷化镓晶体材料在不同温度下会吸收不同波长的入射光, 未吸收的光波长将被反射回设备. 通过分析反射光的光谱, 可以获得探头处的温度参数. 该传感器的优点是它通过绝对光谱测量而不是温度变化测量来获得探头温度, 因此不涉及现场校准. 探头具有良好的通用性, 感应距离可超过 500m. 在线检测的光源寿命和长期稳定性可超过 30 年. 然而, 砷化镓纤维的成本相对较高.

2. 光纤温度监测方法

根据不同的应用场景, 光纤测温技术可分为以下几类:

2.1: 点温度测量:

荧光辐射光纤温度传感技术: 荧光物质涂覆在纤维的末端, 通过测量荧光能量的衰减时间，并利用荧光物质固有余辉时间的温度相关性，得到被测点的温度值. 适用温度范围 -50~200 °C, 精度约为 ± 1 °C, 目前主要用于电气设备内部的温度测量. 具有体积小的特点, 轻松集成, 可靠的性能, 抗电磁干扰, 绝缘性能好, 安装方便, 和灵活的联网.

2.2 砷化镓光纤测温技术:

将砷化镓晶体材料嵌入光纤的远端作为温度探头, 将入射光注入光纤的近端设备. 当传感器光源发射多波长入射光并辐射到砷化镓晶体上时, 砷化镓晶体材料在不同温度下吸收不同波长的入射光, 未吸收的光波长被反射回设备. 探头处的温度参数是通过分析反射光的光谱获得的. 其优点是探头温度是通过绝对光谱测量获得的, 无需现场校准, 探头通用性好, 感应距离可超过 500m, 光源寿命和在线检测长期稳定性超过 30 年, 但成本相对较高.

2.3 准分布式测量:

光纤布拉格光栅系列温度测量系统: 通过沿纤维纵向的紫外线辐射, 通过曝光和蚀刻形成几个具有不同中心波长的布拉格光纤光栅. 每个布拉格光纤光栅都是特定波长光的功率全反射. 多个布拉格光纤光栅沿光纤传播方向依次串联，形成空间离散的准空间分布温度测量系统. 将宽带光注入光纤, 当光束穿过光纤布拉格光栅时, 每个光栅反射与其波长相对应的单色光信号. 当光纤布拉格光栅的环境温度发生变化时, 光栅反射信号的波长会发生变化. 它的探头体积小, 光路可以适当弯曲, 它耐电磁辐射, 并且易于遥测. 然而, 纤维布拉格光栅的机械强度低, 并且在复杂的工作条件下容易损坏, 这需要传感器的可靠性. 此外, 波长解调的灵敏度是个问题, 并且几十度的温升引起的反射光波长漂移不超过 1nm.

2.4 完全分布式测量:

分布式光纤测温系统 (DTS公司) 基于拉曼散射效应: 利用光时域反射器 (OTDR的) 光纤原理和拉曼散射效应. 激光脉冲与光纤分子相互作用，产生各种散射现象，例如拉曼散射, 温度是根据拉曼散射效应测量的. 该系统可以通过部署监控设备和传感光纤来实现, 单位光纤长度的监测成本随感应距离的增加而降低. 它是目前非常有前途的工程温度测量解决方案. 可实现单点测温, 多点, 和连续区域, 并可同时用作温度测量和传输的介质. 具有抗电磁干扰能力, 耐腐蚀性, 绝缘性能好, 灵活的安装方法, 可与消防装置联动, 警报系统, 等. 它还可以远程传输数据, 查看和控制, 并具有数据分析、故障点排查等优势.

3. 光纤温度监测应用案例

 

3.1 在通信发电中的应用:

问题解决: 通信机房设备密集，安全要求高. 一旦发生火灾, 它会导致整个通信网络瘫痪, 需要实时监测室温. 并随着 5G 技术的飞速发展, 通信室正在迅速建设和扩建, 导致房间内设备的数量和功率突然增加. 传统的电子测温方法存在测温点有限等缺点, 传输电缆的复杂安装, 不利于维护和管理.
具体实施方案: 安装分布式 光纤温度监测系统 (如 FGT 系列) 对机房内的设备和线路进行实时温度监测, 趋势分析, 远程精确检测事故, 预警, 闹钟等功能. 系统的核心部分主要由本地客户端组成, 光纤测温主机, 温度传感光缆, 和温度测量软件. 例如, 感温光纤从下方进入每个机柜，通过绕机柜前后旋转来测量机柜内部的温度; 测温光纤沿电缆桥架表面呈 S 形敷设，用于电缆桥架的温度监测; 测温光纤沿地下隧道光缆路线敷设在光缆表面，用于隧道光缆的温度监测; 通过 TCP/IP 协议上传到本地客户端和监控中心客户端, 客户端可以通过监控软件显示每个机柜的实时温度信息. 根据获得的实时温度, 绘制机房温度云图; 当机房内某一位置发生异常高温报警时, 测温主机通过 RS485 串口协议将报警信息传输到报警系统，进行相应的灭火处理.
应用价值: 除了区域警报, 预警定位还可以定位和设置报警点的温度; 实时温度显示可准确判断火灾事故的发展趋势，为消防提供数据依据; 具有安全可靠等优点 (高灵敏度, 无电磁干扰, 被动实时监控, 良好的电绝缘性, 防爆, 与固定温度和差温警报相结合, 无误报), 易于安装 (光纤抗拉, 抗冲击, 外径小, 良好的柔韧性, 体积小, 重量 轻, 可以缠绕并安装在测试区域表面，呈直线或蛇形), 高效使用 (远程监控, 检测和信号传输可由一根光缆完成, 在终端上设置, 整个系统简单可靠, 运维工作量最小), 和超长的使用寿命 (内置恒温电路系统和先进的微电脑电光开关，大大提高了设备的使用寿命, 使用寿命超过 15 年).

3.2 在交通领域的应用:

在公路隧道中, 光纤传感器可用于监测隧道内的温度和湿度等参数, 及时检测火灾、洪水等危险情况, 并触发警报系统，以确保车辆和乘客的安全. 光纤传感器在智能交通系统的建设和车辆安全监控中也具有重要的应用价值, 如监测车辆关键部件的温度，确保车辆运行的安全性和可靠性.

3.3 在发电厂中的应用:

与传统温度传感电缆相比, 光纤温度监测系统是进步性的. 在发电厂中, 光纤温度传感器可以在运行过程中实时监测设备的温度, 例如发电机和变压器等大型设备的温度监测. 他们可以及时检测到过热等异常情况, 从而避免设备故障，保证发电厂的正常运行.

4. 推荐的光纤温度监测设备

FJINNO 的 IF-C 荧光光纤测温系统:
荧光抗干扰能力及测量方法: 具有抵抗电磁干扰的特点, 光纤作为信号传输介质不受电磁干扰的影响, 确保高压电力设备附近的准确温度监测. 支持多点测量, 可在荧光光纤温度变送器上设置多个测量接口，实现多点温度监测.

5. 如何选择合适的光纤温度监测解决方案

 

5.1: 考虑测量方案的要求:

温度范围要求: 不同的光纤温度监测技术适用于不同的温度范围. 例如, 荧光辐射光纤温度传感技术适用于 -50~200 °C 的温度范围. 待测环境温度过低或过高时, 需要一种可以覆盖此温度范围的定制光纤温度监测方案.

5.2: 测量点和区域:

如果是单点温度测量, 例如测量电气设备内部关键部件的温度, 基于点的温度测量方法，如荧光辐射光纤温度传感技术或砷化镓光纤温度测量技术更合适; 如果连续区域或多个点需要温度监测, 如橱柜, 电缆桥架, 以及通信电力建筑中的地下隧道电缆, 分布式光纤温度监测系统 (DTS公司) 更适合多区域的温度监测.

5.3: 考虑传感器的性能特征:

精度和稳定性: 在某些需要较高温度测量精度的场景中, 例如医疗领域外科手术过程中的实时温度监测, 需要选择高精度光纤温度传感器.

5.4: 传感器响应速度:

在某些需要快速温度变化的场景中, 例如火灾报警系统, 传感器需要具有快速的响应速度，以便及时检测到异常温度升高并发出警报. 不同光纤温度传感器的响应速度各不相同，需要根据具体应用场景进行选择.

5.5: 考虑成本因素:

设备成本: 高性能光纤温度传感器的制造过程复杂且成本高昂, 这限制了它们的大规模应用. 例如, 砷化镓光纤传感器具有许多优点, 但他们的成本相对较高. 预算有限时, 需要综合考虑设备成本，选择高性价比的荧光光纤温度监测方案.

5.6: 安装和维护成本:

安装不同光纤温度监测解决方案的复杂程度各不相同, 安装成本也可能有所不同. 例如, 在 分布式光纤温度监测系统 在通信电力大楼中, 光缆的敷设方法, 设备的安装调试都会影响安装成本. 同时, 还需要考虑维护成本, 如设备的使用寿命, 是否容易发生故障, 以及故障后维修的难度. 一些具有自诊断和远程维护功能的设备可能会有更高的设备成本, 但就长期维护成本而言, 它们可能更具成本效益.

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