熒光光纖測溫儀原理

熒光光纖測溫儀器是一種基于熒光材料的光致發(fā)光現(xiàn)象的溫度測量設(shè)備，相對于傳統(tǒng)熱電偶式測量方法，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫高壓等優(yōu)勢，能夠在更加惡劣的外界環(huán)境下實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)檢測，具有廣闊的應(yīng)用前景。華光天銳基于熒光光纖測溫技術(shù)研發(fā)的熒光光纖測溫系統(tǒng)，相對于其他溫度測量方式對比，熒光光纖測溫技術(shù)所具有獨(dú)特優(yōu)勢，深入講解了熒光光纖測溫儀的工作原理，分析了影響溫度測量的關(guān)鍵因素，為熒光光纖測溫儀的設(shè)計(jì)建立了理論基礎(chǔ)。然后對熒光光纖測溫儀進(jìn)行了整體的設(shè)計(jì)，包括了光路、電路、軟件、結(jié)構(gòu)以及算法等內(nèi)容。為驗(yàn)證整體方案的可行性，設(shè)計(jì)了溫度測量的對比實(shí)驗(yàn)，由實(shí)際的數(shù)據(jù)對整體方案進(jìn)行分析研究。光纖測溫系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)和展望，提出了后續(xù)的光纖測溫改進(jìn)方向和思路。

熒光光纖測溫儀的技術(shù)：

(1)光機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)：

采用單光纖同時(shí)實(shí)現(xiàn)光源信號和熒光信號的傳遞，減小熒光光纖測溫儀的體積和熒光損失;

采用濾光片實(shí)現(xiàn)激勵(lì)光和熒光的篩選;

采用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)熒光光纖探頭的密封。

(2)解調(diào)電路的關(guān)鍵技術(shù)：

采用動(dòng)態(tài)調(diào)整信號輸入實(shí)現(xiàn)光源的周期性開關(guān)和輸出功率調(diào)整，間接實(shí)現(xiàn)采樣信號的振幅調(diào)整;

采用修正信號實(shí)現(xiàn)采樣信號的放大和偏置的修正;

精簡電路元器件，將控制、處理、通訊等功能集成芯片，利于熒光光纖測溫儀的小型化;

采用擬合算法，實(shí)現(xiàn)熒光壽命的計(jì)算和溫度換算;

對熒光壽命結(jié)果進(jìn)行濾波算法處理，減少誤差，提高輸出結(jié)果精度。

熒光光纖測溫儀的設(shè)計(jì)：

 

一、光路的熒光探頭部分采用先進(jìn)的技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)探頭保護(hù)方案，增加探頭的靈活性和密封效果;

二、解調(diào)儀部分器件的電特性隨溫度而產(chǎn)生一定變化，電路中添加了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)信號用于調(diào)整信號波形的穩(wěn)定，平衡波形精度和誤差;

三、數(shù)據(jù)處理部分提出組合濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有效減少誤差，提高輸出結(jié)果精度;

四、軟件部分設(shè)計(jì)多種工作模式和參數(shù)讀取配置功能，提高本系統(tǒng)的適應(yīng)性。

為什么要用熒光光纖測溫：

溫度是日常生產(chǎn)生活中重要的參考量，而且隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類社會的不斷發(fā)展，人們對于日常工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的溫度要求越來越高。如工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的鋼鐵生產(chǎn)，從原材料處理、煉鐵到模鑄、軋鋼等，對于溫度方面都有嚴(yán)格的把控。再如日常生活中生鮮的保鮮運(yùn)輸，溫度的監(jiān)測與控制對于食物的安全與口味有重要的影響。因此，溫度準(zhǔn)確測量的重要性不言而喻。同時(shí)，面對越來越專業(yè)的技術(shù)要求分類和技術(shù)條件的不斷細(xì)化，相應(yīng)的測量設(shè)備和測量技術(shù)分類也越來越多，為各種專用環(huán)境及特殊要求設(shè)計(jì)的溫度測量裝置的需求也在不斷涌現(xiàn)。在特殊情況及極端環(huán)境條件，以及快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、遠(yuǎn)程測量、多點(diǎn)測量等不同要求下，傳統(tǒng)的溫度測量和信號傳輸已經(jīng)越來越難以滿足不同的苛刻條件，實(shí)現(xiàn)的難度也越來越大。

熒光光纖測溫作用：

目前，傳統(tǒng)溫度測量設(shè)備在許多特殊的測量環(huán)境中使用存在一些實(shí)際的困難，如溫度被測點(diǎn)的環(huán)境相當(dāng)惡劣，如腐蝕、高壓、狹窄空間等，或是被測點(diǎn)所在區(qū)域存在強(qiáng)電磁干擾，如電機(jī)、高壓變壓器的溫度監(jiān)測等。針對以上困境，新型溫度傳感器大多需要具有抗強(qiáng)電磁干擾、絕緣性能好、響應(yīng)快、體積小等優(yōu)勢。隨著各種新材料和新工藝的應(yīng)用，以及新的測量方法的發(fā)掘，出現(xiàn)了多種新型的溫度測量設(shè)備。基于光纖通信技術(shù)的溫度測量設(shè)備便是其中之一。

在光纖熒光測量技術(shù)誕生之前，就已經(jīng)存在多種溫度測量技術(shù)。最早在 1714 年，便誕生了第一支水銀溫度計(jì)。水銀溫度計(jì)屬于膨脹式測量技術(shù)，其利用熱脹冷縮原理，溫度不同對應(yīng)水銀體積所占空間不一樣。水銀溫度計(jì)的刻度很形象的能夠顯示出溫度的數(shù)值。基于此原理，除液體外，后續(xù)還誕生了氣體、金屬等不同材質(zhì)的測量技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電學(xué)的大力發(fā)展帶來了新的測量思想和技術(shù)，熱電偶技術(shù)基于不同溫度下電子元器件不同的電屬性制作而來，是目前應(yīng)用最廣、種類最多的一種溫度測量技術(shù)。除此之外，光通信技術(shù)也為溫度的測量指出了新的方向，利用不同溫度下物體熱輻射不同的特性制作的紅外溫度測量裝置能夠在遠(yuǎn)距離和大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度的測量，以及利用熒光材料、光柵等中間器件實(shí)現(xiàn)溫度的間接測量的方法。

各種測溫系統(tǒng)的特點(diǎn)

膨脹式測溫系統(tǒng)

1.價(jià)格低廉2.操作、讀數(shù)方便3.機(jī)構(gòu)簡單易制作

1.準(zhǔn)確度低2.易損壞3.不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

 

紅外熱成像測溫系統(tǒng)

1.非接觸測溫2.使用方便3.成本低1.誤差大

2.只能測量表面溫度3.人工巡檢成本

 

無線測溫系統(tǒng)

1.安裝方便2.成本低

1.可靠性差，攜帶電池，壽命短，誤報(bào)率高

2.影響絕緣體性能

3.傳感器體積大，影響散熱，會給一次設(shè)備帶來安全隱患

 

光纖光柵測溫系統(tǒng)

1.可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式溫度測量，適合長距離大區(qū)域測量

2.采用光纖技術(shù)，抗電磁干擾

3.絕緣性好

1.傳感器探頭大，安裝困難

2.可靠性低，光柵易退敏、易失效

3.壽命短

4.無法實(shí)現(xiàn)單個(gè)柜體配套，無法實(shí)現(xiàn)就地顯示

5.價(jià)格昂貴

熒光光纖測溫系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1.安全可靠，可實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定，一致性、互換性和穩(wěn)定性好

2.壽命長，免維護(hù)

3.探頭體積小，可深入發(fā)熱點(diǎn)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)真實(shí)監(jiān)測

4.抗電磁干擾，絕緣性好

5.可實(shí)現(xiàn)就地顯示，方便集成到操作系統(tǒng)

6.安裝方便

 

熒光測溫技術(shù)基于熒光材料的光致發(fā)光現(xiàn)象把溫度信號轉(zhuǎn)換為光信號，并利用光纖在光信號傳輸上的高效性，可有效的實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離測量。光纖熒光測量技術(shù)繼承了光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，相比與其他的溫度測量技術(shù)，除了具有抗腐蝕、絕緣性好、體積小等特點(diǎn)，還能有效減少電磁干擾。同時(shí)，光纖熒光測量技術(shù)還具有壽命長、免維護(hù)、穩(wěn)定性和一致性較好的特點(diǎn)。除此之外，本系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)顯示、易集成至其他系統(tǒng)的功能和安裝方便的特點(diǎn)。

熒光光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用場景

熒光溫度測量技術(shù)以其抗電磁干擾、體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好、抗腐蝕、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸損耗低等特點(diǎn)，除去日常生產(chǎn)生活中常用的溫度監(jiān)測、測量外，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)漸漸的擴(kuò)展至醫(yī)療上的微波加熱治療、變壓器內(nèi)部溫度檢測或變電站溫度監(jiān)控等特有或?qū)Ｓ协h(huán)境及要求的場合，受到廣大學(xué)者的重視及研究。

變壓器在工作時(shí)會產(chǎn)生大量的熱量，這會影響其各元器件的性能，進(jìn)而帶來變壓器負(fù)載能力、運(yùn)行可靠性和壽命等的變化。目前電力系統(tǒng)中大量使用油浸變壓器，油浸式變壓器。變壓器主體外形為油箱外壁，其內(nèi)部主要是變壓器繞組線圈及冷卻油。光纖熒光探頭細(xì)長結(jié)構(gòu)使其可以安裝固定在變壓器線圈上，最大程度上減少數(shù)據(jù)監(jiān)測滯后以及提高監(jiān)測的精度。

熒光光纖測溫系統(tǒng)高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測

在電力系統(tǒng)高壓場合下常用高壓開關(guān)柜來控制電壓通斷。開關(guān)柜的主要測量溫度的點(diǎn)是觸頭接合部位，但此部位的空間比較窄小。光纖熒光探頭的尺寸很小，直徑更小。光纖探頭細(xì)長的外形可以使其輕易彎曲穿插入狹小的空間，然后與靜觸頭接觸并固定，對于設(shè)備正常的運(yùn)行不會產(chǎn)生影響，因而也更安全。應(yīng)除此之外，光纖熒光測溫技術(shù)還可應(yīng)用于煤炭、石油等礦產(chǎn)鉆探中和工業(yè)生產(chǎn)中的原料（如石油、天然氣）存儲等需要對溫度長時(shí)間嚴(yán)格監(jiān)控的場合。

光纖熒光溫度測量技術(shù)的研究從誕生至今已經(jīng)持續(xù)了很多年，但隨著新的器件的不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對傳感器的性能要求提高，還有很大的發(fā)展空間；另一方面，性能優(yōu)越的新材料不斷涌現(xiàn)，新的特性的敏感材料為我們提供了新的選擇，使傳感器的設(shè)計(jì)面臨新的理念。作為一個(gè)很有發(fā)展前途的技術(shù)，光纖熒光溫度傳感技術(shù)在一些特殊行業(yè)的應(yīng)用上，如醫(yī)療、高壓電氣設(shè)備的監(jiān)測、冶金加工、航空航天上在線溫度檢測上可以廣泛的應(yīng)用。因此建立全面系統(tǒng)的光纖熒光溫度檢測理論，提供簡單、實(shí)用化技術(shù)，對提高我國這方面的科學(xué)儀器的水平具有重要的意義。