熒光光纖測(cè)溫儀原理

熒光光纖測(cè)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(cè)量設(shè)備，相對(duì)于傳統(tǒng)熱電偶式測(cè)量方法，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫高壓等優(yōu)勢(shì)，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(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。華光天銳基于熒光光纖測(cè)溫技術(shù)研發(fā)的熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)，相對(duì)于其他溫度測(cè)量方式對(duì)比，熒光光纖測(cè)溫技術(shù)所具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，深入講解了熒光光纖測(cè)溫儀的工作原理，分析了影響溫度測(cè)量的關(guān)鍵因素，為熒光光纖測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)建立了理論基礎(chǔ)。然后對(duì)熒光光纖測(cè)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(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，由實(shí)際的數(shù)據(jù)對(duì)整體方案進(jìn)行分析研究。光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)和展望，提出了后續(xù)的光纖測(cè)溫改進(jìn)方向和思路。

熒光光纖測(cè)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(hào)和熒光信號(hào)的傳遞，減小熒光光纖測(cè)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(hào)輸入實(shí)現(xiàn)光源的周期性開(kāi)關(guān)和輸出功率調(diào)整，間接實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)的振幅調(diào)整;

采用修正信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)的放大和偏置的修正;

精簡(jiǎn)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(cè)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(duì)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(cè)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(hào)用于調(diào)整信號(hào)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(cè)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(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于日常工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的溫度要求越來(lái)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(duì)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(cè)與控制對(duì)于食物的安全與口味有重要的影響。因此，溫度準(zhǔn)確測(cè)量的重要性不言而喻。同時(shí)，面對(duì)越來(lái)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(cè)量設(shè)備和測(cè)量技術(shù)分類也越來(lái)越多，為各種專用環(huán)境及特殊要求設(shè)計(jì)的溫度測(cè)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(cè)量、多點(diǎn)測(cè)量等不同要求下，傳統(tǒng)的溫度測(cè)量和信號(hào)傳輸已經(jīng)越來(lái)越難以滿足不同的苛刻條件，實(shí)現(xiàn)的難度也越來(lái)越大。

熒光光纖測(cè)溫作用：

目前，傳統(tǒng)溫度測(cè)量設(shè)備在許多特殊的測(cè)量環(huán)境中使用存在一些實(shí)際的困難，如溫度被測(cè)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(cè)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(cè)等。針對(duì)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(shì)。隨著各種新材料和新工藝的應(yīng)用，以及新的測(cè)量方法的發(fā)掘，出現(xiàn)了多種新型的溫度測(cè)量設(shè)備。基于光纖通信技術(shù)的溫度測(cè)量設(shè)備便是其中之一。

在光纖熒光測(cè)量技術(shù)誕生之前，就已經(jīng)存在多種溫度測(cè)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(cè)量技術(shù)，其利用熱脹冷縮原理，溫度不同對(duì)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(cè)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(lái)了新的測(cè)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(lái)，是目前應(yīng)用最廣、種類最多的一種溫度測(cè)量技術(shù)。除此之外，光通信技術(shù)也為溫度的測(cè)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(cè)量裝置能夠在遠(yuǎn)距離和大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)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(cè)量的方法。

各種測(cè)溫系統(tǒng)的特點(diǎn)

膨脹式測(cè)溫系統(tǒng)

1.價(jià)格低廉2.操作、讀數(shù)方便3.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)溫系統(tǒng)

1.非接觸測(cè)溫2.使用方便3.成本低1.誤差大

2.只能測(cè)量表面溫度3.人工巡檢成本

 

無(wú)線測(cè)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(huì)給一次設(shè)備帶來(lái)安全隱患

 

光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)

1.可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式溫度測(cè)量，適合長(zhǎng)距離大區(qū)域測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)單個(gè)柜體配套，無(wú)法實(shí)現(xiàn)就地顯示

5.價(jià)格昂貴

熒光光纖測(cè)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(zhǎng)，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(cè)

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(cè)溫技術(shù)基于熒光材料的光致發(fā)光現(xiàn)象把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并利用光纖在光信號(hào)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(cè)量。光纖熒光測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)還具有壽命長(zhǎng)、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(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

熒光溫度測(cè)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(cè)、測(cè)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(cè)或變電站溫度監(jiān)控等特有或?qū)Ｓ协h(huán)境及要求的場(chǎng)合，受到廣大學(xué)者的重視及研究。

變壓器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這會(huì)影響其各元器件的性能，進(jìn)而帶來(lái)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(zhǎng)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(cè)滯后以及提高監(jiān)測(cè)的精度。

熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)

在電力系統(tǒng)高壓場(chǎng)合下常用高壓開(kāi)關(guān)柜來(lái)控制電壓通斷。開(kāi)關(guān)柜的主要測(cè)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(zhǎng)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(duì)于設(shè)備正常的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響，因而也更安全。應(yīng)除此之外，光纖熒光測(cè)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(chǔ)等需要對(duì)溫度長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)格監(jiān)控的場(chǎng)合。

光纖熒光溫度測(cè)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(duì)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(cè)、冶金加工、航空航天上在線溫度檢測(cè)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(cè)理論，提供簡(jiǎn)單、實(shí)用化技術(shù)，對(duì)提高我國(guó)這方面的科學(xué)儀器的水平具有重要的意義。