一、光纖溫度監(jiān)測技術(shù)的分類

光纖溫度監(jiān)測技術(shù)主要有以下幾類：

1. 根據(jù)物理特性調(diào)制方式分類
   • 相位調(diào)制型光纖溫度傳感器，像馬赫 – 澤德爾（MZ）干涉儀、FP法布里 – 珀羅干涉儀、光纖光柵溫度傳感器等就屬于此類。例如光纖光柵溫度傳感器，是沿著光纖的縱向通過紫外光輻射，曝光刻蝕形成若干個不同中心波長的布拉格光纖光柵。當(dāng)外界溫度發(fā)生改變時，光柵的反射信號波長會隨之變化，通過分析這種波長的改變就能確定溫度變化。此類傳感器的優(yōu)點是探頭體積小、光路可適當(dāng)彎曲，抗電磁輻射且便于遙測，但光纖光柵存在機械強度較低的問題，在復(fù)雜工況下容易損壞，并且波長解調(diào)的靈敏度有限，幾十度的溫升引起的反射光波長漂移不超過1nm?。
   • 幅度調(diào)制型光纖溫度傳感器，微彎損耗調(diào)制、偏振調(diào)制型溫度傳感器等是幅度調(diào)制型的代表，不過這類傳感器商品化應(yīng)用相對普及度低一些。
   • 偏振調(diào)制型，主要基于光纖偏振態(tài)隨溫度改變而進(jìn)行溫度測量，目前應(yīng)用場景相對有限。
   • 熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器，這種傳感器利用光纖溫度敏感的特性，在不同溫度下其對光的吸收或透過性能會發(fā)生改變，進(jìn)而根據(jù)光強等參數(shù)的變化確定溫度。但這種傳感器在靈敏度、響應(yīng)速度等方面可能受到材料本身熱色性能的局限。
   • 熒光光纖溫度傳感器，它的原理是在光纖末端鍍上熒光物質(zhì)，通過測量熒光能量衰減時間，利用熒光物質(zhì)本征余暉時間溫度相關(guān)性得出被測點溫度值。其適用溫度范圍為 – 50 – 200°C，精度約為±1°C，適用于電氣設(shè)備內(nèi)部等多種溫度監(jiān)測場景，具有小型化、集成方便、性能可靠、抗電磁干擾、絕緣性能好、安裝方便、組網(wǎng)靈活等特點。不過，熒光光纖測溫系統(tǒng)單根光纖測溫距離不能超過20米，并且測量結(jié)果可能會受環(huán)境噪聲、光源衰減等因素影響，在復(fù)雜環(huán)境下誤差可能較明顯。
2. 按照傳感信號傳輸中的功能分類
   • 傳光型光纖溫度傳感器，光纖在這類傳感器中只是起到傳輸測量信號的作用，敏感元件并非光纖。比如半導(dǎo)體光吸收傳感器，還有運用拉曼效應(yīng)ROTDR的傳感器、布里淵效應(yīng)BOTDR的傳感器等。拉曼散射和布里淵散射都是光纖中的光散射現(xiàn)象，它們對于溫度敏感，可以實現(xiàn)分布式溫度測量。拉曼散射有關(guān)的分布式光纖溫度測量可以達(dá)到測溫距離30km，空間分辨率3m，溫度分辨率0.1°C，測溫范圍0 – 200°C的效果；基于布里淵散射的傳感器測量長度能大于50km，溫度分辨率能達(dá)到1°C?。
   • 熱輻射光纖溫度傳感器，以光纖纖芯中的熱點本身所產(chǎn)生的黑體輻射現(xiàn)象為基礎(chǔ)，例如藍(lán)寶石光纖溫度傳感器，利用光纖內(nèi)產(chǎn)生的熱輻射來傳感溫度。
3. 按照測量形式及分布狀態(tài)分類
   • 點式溫度測量：在系統(tǒng)某些重點關(guān)注的地方部署單個溫度探頭進(jìn)行測量。如采用砷化鎵晶體材料嵌入光纖的遠(yuǎn)端作為溫度探頭的測溫技術(shù)，當(dāng)傳感器光源發(fā)出多波長入射光輻射到砷化鎵晶體上時，晶體在不同溫度下會吸收不同波長的入射光，未被吸收的光被反射回設(shè)備，通過分析反射光的光譜得到探頭處的溫度參數(shù)。其優(yōu)勢是通過絕對光譜測量獲得探頭溫度，不涉及現(xiàn)場定標(biāo)，探頭通用性好，而且傳感距離可以超過500m，光源壽命和在線檢測長期穩(wěn)定性超過30年，但成本較高。
   • 準(zhǔn)分布式測量：將單點式溫度測量沿光纖傳播方向串聯(lián)，可形成覆蓋多點溫度探測的準(zhǔn)分布式測量。比如多個光纖光柵串聯(lián)的測溫系統(tǒng)，沿著光纖縱向多個布拉格光柵順序分布，將寬譜光注入光纖后，每個光柵反射對應(yīng)波長的單色光，環(huán)境溫度變化時光柵反射信號波長改變，從而反映溫度變化，但光纖光柵機械強度低，在復(fù)雜工況易損壞。
   • 完全分布式測量：光纖本身既可以作為光信號傳輸?shù)耐ǖ溃部梢宰鳛闇囟让舾胁牧蟼鲗?dǎo)溫度變化。分布式光纖測溫系統(tǒng)只需部署一臺監(jiān)控設(shè)備加上一根傳感光纖便可以工作。單位光纖長度的監(jiān)控成本隨著傳感距離的增加而降低，是較為有發(fā)展前景的工程測溫方案。例如基于拉曼散射或布里淵散射原理的分布式光纖溫度傳感器，可以實時、連續(xù)地監(jiān)測長達(dá)數(shù)十公里的光纖沿線溫度分布。并且利用拉曼散射原理可達(dá)到空間分辨率為毫米級別的測量，測溫范圍也較廣。

二、當(dāng)前主流光纖溫度監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點

（一）分布式光纖溫度監(jiān)測技術(shù)

1. 優(yōu)點
   • 測量范圍大、距離長：如基于拉曼散射原理的分布式光纖溫度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)長達(dá)30km的溫度測量，在一些大型設(shè)施如長距離的輸油管道、地下電纜等環(huán)境中，可以沿著整個設(shè)備或線路布置光纖，實現(xiàn)大規(guī)模溫度監(jiān)測，這樣可以一次性對很長的設(shè)施進(jìn)行溫度監(jiān)控，不需要像傳統(tǒng)手段那樣分成許多小段進(jìn)行測量，節(jié)省了人力、物力以及成本。
   • 分布式測量能力強：可提供光纖沿線全方位的溫度信息，實現(xiàn)溫度的空間分布測量。以隧道火災(zāi)預(yù)警為例，在隧道壁上鋪設(shè)分布式光纖傳感器，可以精確地知道每一段隧道的溫度情況，而不僅僅是幾個離散點的溫度。一旦某個位置有火災(zāi)隱患引發(fā)溫度異常上升，系統(tǒng)能立即定位到具體位置，而傳統(tǒng)的點式傳感器難以做到對整個隧道精準(zhǔn)全面的溫度預(yù)估。
   • 精準(zhǔn)度與分辨率較高：溫度分辨率能達(dá)到0.1°C，位置分辨率在頻域分析方法下甚至可以達(dá)到毫米級別，這個水平的分辨率在很多對溫度要求較為精確的場景下比較有利，例如在一些化工反應(yīng)管道上，細(xì)微的溫度變化可能就表示著反應(yīng)出現(xiàn)了異常情況，通過這種高分辨率的溫度監(jiān)測能及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。
   • 抗電磁干擾性強：由于光是其信號的載體，不受外界電磁干擾影響，在變電站、高壓電纜等電磁場復(fù)雜的環(huán)境中優(yōu)勢明顯。比如在變電站中，各種電氣設(shè)備產(chǎn)生很強的電磁場，采用分布式光纖溫度傳感器可以穩(wěn)定準(zhǔn)確地測量變電設(shè)備和線路的溫度，而傳統(tǒng)的電學(xué)類溫度傳感器可能會因為強磁場干擾而出現(xiàn)測量誤差。
2. 缺點
   • 系統(tǒng)硬件與軟件復(fù)雜，成本高：基于拉曼散射的光纖測溫硬件系統(tǒng)較大，測量距離增加時所需的軟件處理算法更復(fù)雜，制作硬件設(shè)備和開發(fā)軟件系統(tǒng)成本相對投入較高。對于一些小型場所或者對成本敏感的項目來說，可能難以承擔(dān)這種開支，限制了其推廣使用。
   • 安裝條件要求相對較高：光纖比較脆弱，如果安裝過程未嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，例如光纖彎曲半徑過小等容易導(dǎo)致光纖損壞，從而影響傳感器性能。而且在一些復(fù)雜環(huán)境下，如狹小空間、已有設(shè)施布局復(fù)雜的區(qū)域鋪設(shè)光纖也存在一定實際困難。像在已存在大量電纜的橋架中再鋪設(shè)光纖，可能會受到空間以及其他線路的阻礙。

（二）光纖光柵溫度監(jiān)測技術(shù)

1. 優(yōu)點
   • 精度較好且穩(wěn)定性相對較高：能比較精確地測量溫度，并且在一些相對穩(wěn)定的工作環(huán)境下可以長時間穩(wěn)定工作。如在某些對溫度控制要求比較嚴(yán)格的工業(yè)生產(chǎn)過程中的加熱設(shè)備、恒溫容器等環(huán)境中，光纖光柵溫度傳感器可以持續(xù)準(zhǔn)確地提供溫度信息，確保生產(chǎn)的精度和穩(wěn)定性。
   • 體積小巧且靈活性好：探頭體積小，可以適應(yīng)一些空間狹小、形狀復(fù)雜等特殊的安裝環(huán)境，像在一些精密儀器內(nèi)部的溫度測量中，可以安裝到儀器內(nèi)部狹小的空間進(jìn)行溫度探測，對儀器整體運行影響還比較小。光路可適當(dāng)彎曲，這樣在安裝布局時靈活性大，根據(jù)實際需求調(diào)整傳感探頭位置等較為方便。
   • 抗電磁輻射能力強：在電磁輻射較為強烈的環(huán)境，比如雷達(dá)站附近的一些設(shè)施溫度監(jiān)測、大型電機設(shè)備等環(huán)境下，能正常工作而不受電磁輻射干擾。
   • 復(fù)用能力強：通過將多個光纖光柵進(jìn)行合理組合，可以構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，既可以進(jìn)行準(zhǔn)分布式測量也可以進(jìn)行遙測。例如在一個大型建筑結(jié)構(gòu)不同位置多點部署光纖光柵傳感器，將它們通過光纖連接到監(jiān)測中心，實現(xiàn)對整個建筑多點的溫度監(jiān)控。
2. 缺點
   • 機械強度低：光纖光柵在受到外力擠壓、過度彎曲或者振動等機械作用時容易發(fā)生損壞，在一些工作環(huán)境較惡劣或者設(shè)備振動頻率高的區(qū)域，其使用壽命和可靠性會受到影響。例如在高速運轉(zhuǎn)的機械加工設(shè)備內(nèi)部安裝光纖光柵溫度傳感器，設(shè)備的振動和加工過程中的沖擊力可能會折斷光纖光柵。
   • 波長解調(diào)靈敏度受限：通常情況下溫度變化引起的反射光波長變化較小，幾十度的溫升引起的反射光波長漂移不超過1nm，當(dāng)需要監(jiān)測微小的溫度變化時可能就無法滿足需求。
   • 生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高：制作光纖光柵需要在光纖上進(jìn)行精確的刻錄等操作，技術(shù)工藝要求高，并且封裝技術(shù)也需要進(jìn)一步提高，在生產(chǎn)過程中投入成本較多。此外，用于解調(diào)光纖光柵信號的光柵解調(diào)儀價格昂貴，進(jìn)一步增加了整體的使用成本，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

（三）熒光光纖溫度監(jiān)測技術(shù)

1. 優(yōu)點
   • 抗干擾能力強：基于熒光光纖來進(jìn)行溫度測量，不受周圍環(huán)境的電磁干擾，對于電磁環(huán)境復(fù)雜或者對電磁干擾有嚴(yán)格規(guī)避要求的場所，如電子設(shè)備密集的通信基站機房、高壓變電站附近的設(shè)備監(jiān)測等場景非常適用，可以在大量電器設(shè)備同時工作產(chǎn)生復(fù)雜磁場的情況下穩(wěn)定獲取溫度信息。
   • 遠(yuǎn)程測量能力適度：通過光纖可實現(xiàn)數(shù)十米距離的溫度測量而不影響測量精度，在一些大區(qū)域或者人員難以到達(dá)的環(huán)境下有一定優(yōu)勢。例如在大型倉庫中，貨物存儲高度較高或者空間分布復(fù)雜，通過熒光光纖溫度傳感器可以在倉庫邊緣部署光纖進(jìn)行核心區(qū)域貨物堆溫度的測量。
   • 無需電源（自身光纖不需要電源供應(yīng)）：其能量來源主要是光源，所以在某些特殊場所尤其是需要防爆、隔離電源的環(huán)境下使用非常有利，如石油化工中的危險氣體儲存區(qū)、煤礦井下開采區(qū)域等環(huán)境的溫度監(jiān)測。
   • 抗腐蝕和耐高溫性良好：光纖材料性質(zhì)穩(wěn)定，在惡劣的高溫、高壓或者腐蝕性化學(xué)物質(zhì)環(huán)境下依然能正常工作。比如在冶金工業(yè)的高溫熔爐周圍，進(jìn)行過往管道或者設(shè)備的溫度監(jiān)控時，熒光光纖溫度傳感器能承受惡劣的環(huán)境條件而持續(xù)準(zhǔn)確地測量溫度。
   • 長期穩(wěn)定性優(yōu)：熒光物質(zhì)和光纖結(jié)合具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性，使得整個光纖測溫系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定工作，減少了頻繁維護和校準(zhǔn)的工作量，降低了維護成本。
   • 電絕緣性和防爆性好：光纖傳感器本身是電絕緣體，不會導(dǎo)電，即使在易燃、易爆環(huán)境中也能進(jìn)行溫度監(jiān)測，不存在電氣安全隱患。
   • 環(huán)境適應(yīng)性強：可以在高溫、低溫、高壓、真空、輻射等極端環(huán)境下工作，從而滿足各種惡劣工況下的測溫需求。比如在航空航天的模擬實驗環(huán)境中或太空探索設(shè)備的溫度監(jiān)測場景下等，其適用的環(huán)境范圍比較寬泛。
   • 數(shù)據(jù)傳輸速度快：光纖的數(shù)據(jù)傳輸特性使得溫度數(shù)據(jù)能實現(xiàn)快速傳遞，進(jìn)而可以實現(xiàn)實時或近乎實時的溫度監(jiān)測，這在對于溫度變化需要快速響應(yīng)的系統(tǒng)中非常關(guān)鍵，比如在一些溫控要求極高的實驗設(shè)施或者超導(dǎo)設(shè)備的溫度監(jiān)控場景下，可以及時反饋溫度情況以便控制系統(tǒng)做出調(diào)整。
   • 易于集成和自動化：可以方便地與現(xiàn)有的計算機系統(tǒng)和自動化設(shè)備集成，方便在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中實現(xiàn)溫度監(jiān)控的自動化、智能化，能與工業(yè)控制系統(tǒng)良好對接實現(xiàn)控制邏輯。
2. 缺點
   • 測量誤差受環(huán)境因素影響：環(huán)境噪聲、光源衰減等因素會影響測量結(jié)果，尤其是在工況復(fù)雜的測量環(huán)境下測量誤差可能變得更加明顯，在選擇測量點和進(jìn)行測量時，需要進(jìn)行充分的準(zhǔn)備和校準(zhǔn)等措施來減少誤差，例如在多噪音源、多光源干擾的環(huán)境，要采用更高質(zhì)量的屏蔽光纖來避免干擾。
   • 技術(shù)復(fù)雜性較高：需要具備專業(yè)技術(shù)水平的人員來實施操作，包括安裝、校準(zhǔn)、維護等多方面工作，普通技術(shù)人員可能無法滿足要求，因此對操作人員需要專門的技術(shù)培訓(xùn)和認(rèn)證，這在一定程度上增加了使用成本和人員要求的門檻。
   • 成本相對較高：由于技術(shù)的復(fù)雜性以及對精度要求高，從傳感器設(shè)備的制造到系統(tǒng)組建的設(shè)備、技術(shù)等各種投入，使得整個熒光光纖測溫設(shè)備和系統(tǒng)的成本偏高。
   • 響應(yīng)速度存在挑戰(zhàn)：盡管具有快速響應(yīng)的特點，但在一些對實時測量要求極高的場合，例如需要納秒級響應(yīng)速度的超高速實驗設(shè)備熱監(jiān)測場景下，可能難以完全滿足需求。

三、評價光纖溫度監(jiān)測技術(shù)優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)

（一）溫度分辨率

溫度分辨率是衡量光纖溫度監(jiān)測技術(shù)性能非常重要的指標(biāo)，表示技術(shù)能檢測到的最小溫度變化量。例如對于一些高精度要求的電子芯片散熱檢測，需要監(jiān)控到0.1°C甚至更小的溫度變化，此時就要求光纖溫度傳感器具有較高的溫度分辨率。在光纖測溫技術(shù)中，像有些基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)0.1°C的溫度分辨率，這使它可以用于精細(xì)溫度變化監(jiān)測場景，比如化工反應(yīng)過程中微小的溫度波動、生物培育過程中的溫度精確控制等。如果溫度分辨率不夠，可能就無法準(zhǔn)確察覺到這些細(xì)微的溫度變化，從而影響對整個過程的管控或者對一些潛在危險溫度變化的預(yù)警?。

（二）空間分辨率

1. 概念：空間分辨率體現(xiàn)了在光纖溫度監(jiān)測技術(shù)中對溫度測量沿光纖分布位置的精確判別能力，或者說可區(qū)分距離內(nèi)不同點的能力。
2. 影響范圍：對于基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器，在頻域分析方法下理論上可以達(dá)到毫米級別的空間分辨率。在大型的土木結(jié)構(gòu)建筑物中，如果使用分布式光纖溫度傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（因為結(jié)構(gòu)中不同位置溫度差異可能暗示應(yīng)力異常或者結(jié)構(gòu)隱患），空間分辨率支持準(zhǔn)確定位每個可能出現(xiàn)問題的位置，像檢測到某根梁柱具體位置的溫度異常（如果是因為結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力集中或者部件損傷造成溫度異常），若空間分辨率低可能就只能大概知道一段梁柱存在問題，而不能精確到某個局部。在一些其他場景如電力線熱分布檢測中，精確辨別不同位置的溫度也是提前發(fā)現(xiàn)局部故障隱患的關(guān)鍵。

（三）測溫范圍

1. 含義：即光纖溫度傳感器可以進(jìn)行有效測量的溫度區(qū)間。
2. 舉例說明：熒光光纖溫度傳感器適用溫度范圍 – 50 – 200°C，不同的光纖溫度監(jiān)測技術(shù)的測溫范圍有所不同，這就決定了其適用場景。比如在鋼鐵冶金工業(yè)的熔爐附近環(huán)境溫度極高，普通只適用于較低溫環(huán)境的光纖傳感器就無法工作，這里就需要用到能夠承受高溫、具有高溫度上限的光纖溫度監(jiān)測設(shè)備，否則無法監(jiān)測到相關(guān)高溫區(qū)域的真實溫度情況，進(jìn)而無法對設(shè)備和周圍環(huán)境進(jìn)行有效的安全監(jiān)控和熱量管理。有的像在低溫物理實驗等需要超低溫度環(huán)境監(jiān)測時，如果傳感器的低溫下限不夠低，也無法實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。

（四）穩(wěn)定性

1. 長期穩(wěn)定性：光纖溫度傳感器在長時間工作過程中需要維持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。例如在海底光纜監(jiān)測系統(tǒng)中，可能需要連續(xù)多年監(jiān)測溫度，以判斷是否有海纜受到海水溫度變化影響出現(xiàn)潛在故障風(fēng)險等情況，這就要求光纖溫度傳感器系統(tǒng)具有很好的長期穩(wěn)定性，不會因為長時間運行而出現(xiàn)測量值偏差大等問題。長期穩(wěn)定性不好的傳感器可能在使用一段時間后就需要頻繁校準(zhǔn)或者更換，大大增加了維護成本和工作量。
2. 短期穩(wěn)定性：用以衡量系統(tǒng)在較短時間內(nèi)（如24小時）的性能波動情況。例如在電力設(shè)施的對比測試過程中，需要檢測光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)的短期穩(wěn)定性以確保在一天內(nèi)不同時段測量得到的溫度值誤差在可接受范圍內(nèi)，從而判斷此技術(shù)用于電力設(shè)備溫度監(jiān)測是否能夠準(zhǔn)確反映設(shè)備溫度變化情況，避免因為短期的穩(wěn)定性問題誤判設(shè)備運行狀態(tài)，造成電力故障隱患不能及時發(fā)現(xiàn)。

（五）測量速度

1. 概念解釋：測量速度影響光纖溫度傳感器完成一次溫度測量流程的快慢，是影響其能否快速發(fā)現(xiàn)溫度異常變化的重要因素。對于一些對溫度變化需要快速響應(yīng)的場景，例如在高速燃燒的航空發(fā)動機內(nèi)部材料的溫度監(jiān)測，快速的測量速度可以及時檢測到材料溫度升高幅度是否過快，避免因為測量速度慢無法及時獲取溫度變化數(shù)據(jù)而出現(xiàn)材料過熱損壞，繼而造成發(fā)動機故障等嚴(yán)重后果。
2. 舉例：在電力電纜火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中，如果光纖溫度傳感器測量速度慢，當(dāng)電纜溫度快速升高引發(fā)火災(zāi)隱患時，可能不能及時向控制系統(tǒng)發(fā)送準(zhǔn)確的溫度報警信號，從而延誤滅火或者故障隔離等緊急處理措施。因此，在這種對溫度變化響應(yīng)要求高的場景下，測量速度較快的光纖溫度傳感器更具優(yōu)勢。

（六）靈敏度

1. 定義理解：指光纖溫度傳感器對溫度變化的響應(yīng)敏感程度。
2. 舉例示例：在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，當(dāng)空氣中溫度微小波動可能意味著氣象或者環(huán)境質(zhì)量變化的初期信號時，高靈敏度的光纖溫度傳感器能夠快速捕捉到這種微小的溫度變化，從而起到早期預(yù)警的作用。如果靈敏度低則可能會遺漏這些重要的信號，導(dǎo)致后續(xù)環(huán)境問題不能及時處理或者氣象狀況預(yù)估失誤。同時，在一些超精密的實驗室環(huán)境或者光學(xué)設(shè)備內(nèi)部環(huán)境下，設(shè)備自身對溫度的微小波動非常敏感，此時就要求光纖溫度傳感器能夠有高靈敏度與之匹配來保障設(shè)備正常運行和實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（七）抗干擾能力

1. 應(yīng)對電磁干擾能力：光纖溫度傳感器的抗干擾能力包含對電磁干擾的抵御能力等多個方面。在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境和電子設(shè)備密集區(qū)域，電磁場環(huán)境復(fù)雜，如在大型數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)部，大量服務(wù)器同時工作產(chǎn)生強電磁場，如果光纖溫度傳感器抗電磁干擾能力差就無法準(zhǔn)確測量服務(wù)器溫度等關(guān)鍵設(shè)備的溫度，可能會因為電磁干擾得到完全錯誤的溫度測量值。
2. 抵抗其他干擾的能力：除電磁干擾外，像在一些化工環(huán)境下，傳感器還要抵抗化學(xué)腐蝕、污染等可能干擾測量的因素。例如，在化學(xué)氧化車間，光纖傳感器需要在充滿腐蝕性氣體的環(huán)境中準(zhǔn)確測量設(shè)備溫度，如果傳感器的抗腐蝕能力低或者抵抗化學(xué)物質(zhì)污染的能力差，就可能會造成傳感器探頭表面腐蝕或者被污染而影響光傳輸或者光與溫度的轉(zhuǎn)換效率等從而降低測量準(zhǔn)確性。

四、最佳光纖溫度監(jiān)測技術(shù)的實際應(yīng)用案例

（一）光纖測溫系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用

1. 基本情況
   • 某發(fā)電廠裝機需要對全廠范圍內(nèi)眾多部位如電纜橋架、電纜溝及6KV開關(guān)柜的上靜觸頭、下靜觸頭、電纜接頭等部位進(jìn)行溫度監(jiān)測。采用了組合系統(tǒng)用一臺上位機實現(xiàn)長距離電纜溫度和高壓開關(guān)觸電溫度的全面監(jiān)測，并且把報警信號通過繼電器接點送入廠內(nèi)消防報警系統(tǒng) 。
2. **實現(xiàn)功能
   • 實時在線監(jiān)測：可實現(xiàn)24小時不間斷在線監(jiān)測，能進(jìn)行超溫預(yù)報警，從而做到無人值守。這對于大型發(fā)電廠眾多設(shè)備和線路溫度監(jiān)測非常重要，因為人工難以做到時刻對如此多的監(jiān)測點進(jìn)行檢查，通過實時在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠隨時發(fā)現(xiàn)異常溫度升高情況，提前預(yù)警防范火災(zāi)等危險和設(shè)備故障。
   • 準(zhǔn)確測溫：光纖的高測溫精度得以體現(xiàn)，而且溫度反應(yīng)靈敏，可以精確掌握電纜等設(shè)備的溫度變化情況。它相較于傳統(tǒng)的感溫電纜（傳統(tǒng)感溫電纜一般只是根據(jù)溫度到某個閾值進(jìn)行報警而無法精確測量具體溫度數(shù)值），更有助于發(fā)電廠精確判斷設(shè)備運行狀態(tài)，因為不同設(shè)備和運行工況下的正常溫度范圍有所區(qū)別，準(zhǔn)確測量能更好地定位設(shè)備是否在安全正常范圍溫度內(nèi)。
   • 快速反應(yīng)：系統(tǒng)可快速反應(yīng)全廠內(nèi)的電纜溫度情況，能夠?qū)崟r捕捉發(fā)熱點或者火情，并且迅速發(fā)出報警信號。這種快速反應(yīng)的能力可以使發(fā)電廠在第一時間對可能引發(fā)設(shè)備損壞或者火災(zāi)的溫度異常進(jìn)行處理，比如及時切斷故障線路或者開啟降溫設(shè)備等。
   • 報警功能優(yōu)化：按照實際需求能夠設(shè)置三級或者多級報警溫度，而且還能輔助溫升速率異常報警的功能。這有助于發(fā)電廠對不同位置不同重要性的設(shè)備進(jìn)行分級管控，例如對于一些核心關(guān)鍵位置的高壓設(shè)備，即使溫度小幅度異常上升也要及時報警處理；而對于一些相對次要的設(shè)備可能在溫度上升一定幅度后報警通知檢修人員定期查看。
   • 分區(qū)管理靈活：可以將整個被測區(qū)劃分成若干個不同區(qū)域，并且為每個區(qū)域分別設(shè)置報警溫度，這體現(xiàn)了很強的人性化管理能力。在大型的發(fā)電廠布局中，不同區(qū)域環(huán)境和設(shè)備不同，各自的溫度正常波動范圍以及風(fēng)險系數(shù)也不同，通過分區(qū)設(shè)置報警系統(tǒng)可以更精確地對不同區(qū)域分別管理。
   • 消防聯(lián)動：能夠?qū)⒒馂?zāi)報警信號通過繼電器干接點輸入消防報警系統(tǒng)，實現(xiàn)消防聯(lián)動。一旦某一位置因為溫度異常出現(xiàn)火災(zāi)隱患或者已經(jīng)起火，能立刻通知消防系統(tǒng)，提高整體安全性。
   • 數(shù)據(jù)共享：與廠內(nèi)MIS網(wǎng)鏈接后，可以在廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的任意一臺電腦上進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。這方便了發(fā)電廠內(nèi)部的生產(chǎn)管理調(diào)度人員隨時查看溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)安全管控決策，例如管理人員可以對比不同時間段、不同運行模式下的溫度數(shù)據(jù)總結(jié)設(shè)備運行規(guī)律以便優(yōu)化運行方案。
   • 本質(zhì)安全：從測量現(xiàn)場到控制室傳輸線路以石英為工作介質(zhì)，具有本質(zhì)絕緣、抗電磁微波干擾、耐腐蝕和耐老化的特點。在發(fā)電廠這種電磁場相對復(fù)雜，環(huán)境可能又有一些腐蝕性氣體或者液體存在的場景下，保證了溫度測量系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，也避免了在傳輸過程中因為介質(zhì)損壞等出現(xiàn)錯誤溫度信號或者安全隱患。
   • 高壓隔離：光纖作為可靠的絕緣物質(zhì)，可以有效隔離現(xiàn)場的高壓電，避免高壓電被引入控制室，保障了控制室內(nèi)設(shè)備和人員的安全。
   • 結(jié)構(gòu)簡單：整個系統(tǒng)由測溫主機和感溫光纖組成，中間環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換部件少。這樣大大降低了出現(xiàn)故障的機率以及后續(xù)的維護成本，因為故障點少并且維護主要集中在兩大組件上，對于發(fā)電廠這樣設(shè)備繁多且需要長期穩(wěn)定運行的場所來說，可以減少設(shè)備檢修維護工作量和成本。

（二）分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)在通信動力樓的應(yīng)用

1. 基本描述
   • 系統(tǒng)包括本地客戶端、光纖測溫主機、感溫光纜和測溫軟件，主要用于通信動力樓內(nèi)機柜、橋架電纜和地下隧道電纜的溫度監(jiān)測。基于拉曼散射與時域反射相結(jié)合的分布式光纖測溫方法，有效提高系統(tǒng)測溫空間分辨與降低系統(tǒng)敷設(shè)難度，可以實現(xiàn)溫度實時監(jiān)測、趨勢分析、事故遠(yuǎn)程準(zhǔn)確探測、預(yù)警、報警功能?。
2. **在通信動力樓中的意義
   • 保障通信安全穩(wěn)定運行：通信機房設(shè)備密集且對安全性要求極高，如果機房溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致溫度過高可能引發(fā)火災(zāi)或者使通信設(shè)備過熱損壞進(jìn)而造成整個通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓。通過分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)實時獲取機房內(nèi)各點的溫度情況，能及時調(diào)整溫控設(shè)備或者發(fā)現(xiàn)故障隱患點并處理從而保障通信網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運行。
   • 適應(yīng)通信機房發(fā)展需求：隨著5G技術(shù)發(fā)展通信機房新建和擴容速度加快，機房內(nèi)設(shè)備數(shù)量和功率急劇增加，傳統(tǒng)電子測溫方式測溫點數(shù)有限、敷設(shè)傳輸電纜復(fù)雜且不利于維護管理，而分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)沿光纖連續(xù)分布溫度監(jiān)測點多、敷設(shè)簡單且易于維護，可以有效地彌補傳統(tǒng)電子測溫方式的缺點，適應(yīng)通信機房不斷發(fā)展過程中的溫度監(jiān)測需求。

（三）FBG溫度傳感系統(tǒng)在鋁電解槽的應(yīng)用

1. 應(yīng)用背景
   • 鋁業(yè)公司一直在尋找能夠有效在線監(jiān)測鋁電解槽溫度狀態(tài)的技術(shù)。他們的測控團隊經(jīng)過傳熱計算，選取了幾個已知的溫度測點，使用FBG溫度傳感系統(tǒng)進(jìn)行測溫比對和驗證。因為FBG溫度傳感系統(tǒng)具有光纖傳感不受電磁干擾、可以高溫監(jiān)測（1000°C極限測溫）、有助于節(jié)能降耗（10% – 15%）、能夠24小時?365天實時在線不間斷監(jiān)測、集成度高（每套系統(tǒng)實時在線監(jiān)測112至450個溫度測點）、前端傳感安裝方便（易部屬，省導(dǎo)線）、后期維護成本低等優(yōu)勢，其能夠滿足電解鋁行業(yè)的工況要求。
2. 對鋁電解槽生產(chǎn)的影響
   • 實現(xiàn)大規(guī)模實時監(jiān)控與能耗調(diào)控：當(dāng)比對的溫度數(shù)據(jù)他們在整個生產(chǎn)車間應(yīng)用了這套系統(tǒng)。通過FBG溫度傳感系統(tǒng)可以為車間24小時?365天實時不間斷提供溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，企業(yè)可以對電解槽做能耗調(diào)控，最終節(jié)省了10%的能耗。這對于電解鋁這種高能耗行業(yè)來說，意義非凡，如果能耗控制更好，可以降低很大的成本支出。由于在電解鋁行業(yè)，槽控技術(shù)已經(jīng)較為完善，許多時候因為溫度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等原因使得企業(yè)不得不保留電解槽溫度余量，導(dǎo)致溫度高于理想值從而造成大量能源浪費，采用精確的溫度監(jiān)測技術(shù)可有效改善這種狀況。
   • 提高國內(nèi)電解鋁廠能效管理借鑒意義：這一成功案例對于國內(nèi)電解鋁廠能效管理有很好的借鑒意義。目前國內(nèi)電解鋁廠如果改善底層傳感器系統(tǒng)，在已有的較為完善的槽控技術(shù)基礎(chǔ)上，采用像FBG這種精確穩(wěn)定的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可以進(jìn)一步降低能耗，帶來更好的經(jīng)濟效益。

五、光纖溫度監(jiān)測技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

（一）提升傳感器靈敏度

1. 技術(shù)改進(jìn)的必要性：在眾多行業(yè)應(yīng)用場景中，對于溫度微小變化的精確檢測需求日益增加。例如在高端精密制造領(lǐng)域，如芯片制造過程中，加工設(shè)備對內(nèi)部溫度變化十分敏感，微小的溫度波動可能影響芯片的成品率；在生物醫(yī)學(xué)研究的諸多場景，如細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中溫度的細(xì)微改變可能會影響細(xì)胞的生長和活性。傳統(tǒng)的光纖溫度傳感器靈敏度可能無法滿足這些高精度要求。
2. 可能采取的技術(shù)手段：從光纖材料本身性能優(yōu)化的角度，開發(fā)新型溫度敏感的光纖材料，使得纖維材料自身對溫度變化更加敏感。例如探索摻雜特殊物質(zhì)的光纖，研究這些特殊添加劑如何與溫度產(chǎn)生更強的相互作用，從而在溫度變化時產(chǎn)生更顯著的光學(xué)特性變化。同時，在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進(jìn)行創(chuàng)新，采用特殊的光纖光柵結(jié)構(gòu)或者更優(yōu)化的干涉儀結(jié)構(gòu)等，可以對溫度變化有更強的響應(yīng)能力，從而轉(zhuǎn)化為更高的靈敏度輸出信號。

（二）拓寬溫度測量范圍

1. 滿足極端環(huán)境應(yīng)用需求：隨著人類在極端環(huán)境下的探索和活動增多，如深海探測事業(yè)的發(fā)展、極地科考的深入以及航空航天等領(lǐng)域涉足宇宙極端溫度環(huán)境，對能在超低溫和超高溫環(huán)境準(zhǔn)確測量溫度的傳感器需求緊迫。例如在深海海底火山附近研究生物生態(tài)系統(tǒng)，那里的高溫、高壓以及復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)變化環(huán)境需要耐高溫、高壓且能在復(fù)雜化學(xué)環(huán)境下正常工作的溫度傳感器；在太空探測中，衛(wèi)星設(shè)備、星體表面探測儀器等也需要能適應(yīng)宇宙極端大范圍溫度變化（如接近絕對零度到幾百度甚至上千度溫度波動）的傳感器進(jìn)行設(shè)備溫度監(jiān)測和環(huán)境熱量分析。
2. 技術(shù)研發(fā)方向：一方面，研究特殊的光纖涂層或者保護材料，使其既能夠適應(yīng)高溫環(huán)境下不被燒毀、融化或者改變特性，又能在低溫環(huán)境下保持柔韌性和光學(xué)傳導(dǎo)性能。另一方面，針對高溫環(huán)境探索光纖結(jié)構(gòu)耐高溫設(shè)計，如優(yōu)化光纖芯和包層的材料配比，或者研發(fā)新型的光纖光柵制造工藝使其在高溫下依然能保持波長的穩(wěn)定測量能力；針對低溫環(huán)境研究光纖中光信號傳播的物理機制以及如何抵御低溫下可能出現(xiàn)的物理凝凍等影響信號傳輸?shù)默F(xiàn)象。

（三）增強系統(tǒng)的智能化水平

1. 融入大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)：隨著監(jiān)測設(shè)備部署數(shù)量的增加以及監(jiān)測范圍的擴大，光纖溫度監(jiān)測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將海量增長。通過將大數(shù)據(jù)技術(shù)融入光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Υ罅繗v史和實時溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲、管理和分析。人工智能算法可以挖掘這些數(shù)據(jù)中的潛在規(guī)律，例如預(yù)測設(shè)備的溫度變化趨勢、提前預(yù)警溫度異常升高，或者基于溫度模式識別來進(jìn)行故障診斷等。在大型發(fā)電站中，可以利用以前積累的海量溫度數(shù)據(jù)和當(dāng)前實時數(shù)據(jù)，通過機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建發(fā)電設(shè)備溫度模型，用于預(yù)測發(fā)電設(shè)備在不同負(fù)荷、不同環(huán)境因素下最可能的溫度變化，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，優(yōu)化發(fā)電設(shè)備的維護計劃和運行參數(shù)。
2. 實現(xiàn)自動化運維和自適應(yīng)功能：智能化水平提升之后，光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)有望實現(xiàn)自動化的維護操作，當(dāng)系統(tǒng)檢測到自身某個部分（比如某段光纖或者傳感器）出現(xiàn)故障信號時能自動觸發(fā)自檢、報告故障點、提示維修方法甚至自動切換備用設(shè)備或者線路保證溫度監(jiān)測工作繼續(xù)正常運行，實現(xiàn)自我維護和修復(fù)功能，減少人工干預(yù)工作量。另外，根據(jù)監(jiān)測到的溫度環(huán)境特點傳感器自動調(diào)整自身測量模式或者參數(shù)達(dá)到自適應(yīng)溫度環(huán)境的目的，例如在溫度變化波動不定的復(fù)雜環(huán)境下，傳感器自動改變采集時間間隔或者測量分辨率等參數(shù)來更靈活和準(zhǔn)確地獲取溫度信息。

（四）探索復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用解決方案

1. 復(fù)雜環(huán)境中的挑戰(zhàn)：在強腐蝕環(huán)境（如化工工業(yè)中的強酸強堿生產(chǎn)車間）、高輻射區(qū)域（如核電站內(nèi)部的某些高放射性區(qū)域）以及強振動工作場景（如大型沖壓、鍛造等重型機械工作車間）等條件下，光纖溫度傳感器面臨諸多挑戰(zhàn)。如在化學(xué)腐蝕環(huán)境下光纖的防護層、探頭等可能被腐蝕破壞影響測量甚至很快失去功能；在高輻射環(huán)境下光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能被放射性物質(zhì)破壞從而影響光傳輸?shù)忍匦裕辉趶娬駝迎h(huán)境下光纖的安裝固定性受到挑戰(zhàn)，可能導(dǎo)致光纖發(fā)生斷裂或者信號傳輸抖動。
2. 可能的解決方案：針對不同的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行個性化的光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。對于強腐蝕環(huán)境，研發(fā)特殊的抗腐蝕光纖外殼或者涂層材料（相似于深海光纖）保護光纖的同時也要開發(fā)可以抵御腐蝕氣體或者液體污染的傳感器探頭設(shè)計。在高輻射環(huán)境下，可以借鑒核工業(yè)中防護輻射的設(shè)計思路用于光纖溫度傳感器，在保證光纖能夠正常進(jìn)行溫度 – 光信號轉(zhuǎn)換的同時合理采用輻射屏蔽材料或者結(jié)構(gòu)減少輻射對光纖的損害。對于強振動環(huán)境則重點在光纖的安裝方式上創(chuàng)新，采用彈性的、減震的安裝座和固定結(jié)構(gòu)，并且在光纖線路布置上盡量避免單根光纖過長增加易受損風(fēng)險，采用多段短光纖集成以及增加冗余備份線路的方式保障整體的溫度監(jiān)測功能。