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)光現象的溫度測量設備，相對于傳統熱電偶式測量方法，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)現溫度的實(shí)時(shí)檢測，具有廣闊的應用前景。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，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計建立了理論基礎。然后對熒光光纖測溫儀進(jìn)行了整體的設計，包括了光路、電路、軟件、結構以及算法等內容。為驗證整體方案的可行性，設計了溫度測量的對比實(shí)驗，由實(shí)際的數據對整體方案進(jìn)行分析研究。光纖測溫系統進(jìn)行了總結和展望，提出了后續的光纖測溫改進(jìn)方向和思路。

熒光光纖測溫儀的技術(shù)：

(1)光機結構的關(guān)鍵技術(shù)：

采用單光纖同時(shí)實(shí)現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)現激勵光和熒光的篩選;

采用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現熒光光纖探頭的密封。

(2)解調電路的關(guān)鍵技術(shù)：

采用動(dòng)態(tài)調整信號輸入實(shí)現光源的周期性開(kāi)關(guān)和輸出功率調整，間接實(shí)現采樣信號的振幅調整;

采用修正信號實(shí)現采樣信號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，利于熒光光纖測溫儀的小型化;

采用擬合算法，實(shí)現熒光壽命的計算和溫度換算;

對熒光壽命結果進(jìn)行濾波算法處理，減少誤差，提高輸出結果精度。

熒光光纖測溫儀的設計：

 

一、光路的熒光探頭部分采用先進(jìn)的技術(shù)代替傳統探頭保護方案，增加探頭的靈活性和密封效果;

二、解調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)調節信號用于調整信號波形的穩定，平衡波形精度和誤差;

三、數據處理部分提出組合濾波方法進(jìn)行數據處理，有效減少誤差，提高輸出結果精度;

四、軟件部分設計多種工作模式和參數讀取配置功能，提高本系統的適應性。

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(zhù)科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類(lèi)社會(huì )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(lái)越高。如工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內的鋼鐵生產(chǎn)，從原材料處理、煉鐵到模鑄、軋鋼等，對于溫度方面都有嚴格的把控。再如日常生活中生鮮的保鮮運輸，溫度的監測與控制對于食物的安全與口味有重要的影響。因此，溫度準確測量的重要性不言而喻。同時(shí)，面對越來(lái)越專(zhuān)業(yè)的技術(shù)要求分類(lèi)和技術(shù)條件的不斷細化，相應的測量設備和測量技術(shù)分類(lèi)也越來(lái)越多，為各種專(zhuān)用環(huán)境及特殊要求設計的溫度測量裝置的需求也在不斷涌現。在特殊情況及極端環(huán)境條件，以及快速動(dòng)態(tài)響應、遠程測量、多點(diǎn)測量等不同要求下，傳統的溫度測量和信號傳輸已經(jīng)越來(lái)越難以滿(mǎn)足不同的苛刻條件，實(shí)現的難度也越來(lái)越大。

熒光光纖測溫作用：

目前，傳統溫度測量設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)境相當惡劣，如腐蝕、高壓、狹窄空間等，或是被測點(diǎn)所在區域存在強電磁干擾，如電機、高壓變壓器的溫度監測等。針對以上困境，新型溫度傳感器大多需要具有抗強電磁干擾、絕緣性能好、響應快、體積小等優(yōu)勢。隨著(zhù)各種新材料和新工藝的應用，以及新的測量方法的發(fā)掘，出現了多種新型的溫度測量設備?；诠饫w通信技術(shù)的溫度測量設備便是其中之一。

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。水銀溫度計屬于膨脹式測量技術(shù)，其利用熱脹冷縮原理，溫度不同對應水銀體積所占空間不一樣。水銀溫度計的刻度很形象的能夠顯示出溫度的數值?；诖嗽?，除液體外，后續還誕生了氣體、金屬等不同材質(zhì)的測量技術(shù)。隨著(zhù)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)，是目前應用最廣、種類(lèi)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距離和大范圍內實(shí)現溫度的測量，以及利用熒光材料、光柵等中間器件實(shí)現溫度的間接測量的方法。

各種測溫系統的特點(diǎn)

膨脹式測溫系統

1.價(jià)格低廉2.操作、讀數方便3.機構簡(jiǎn)單易制作

1.準確度低2.易損壞3.不能實(shí)現自動(dòng)化

 

紅外熱成像測溫系統

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(wú)線(xiàn)測溫系統

1.安裝方便2.成本低

1.可靠性差，攜帶電池，壽命短，誤報率高

2.影響絕緣體性能

3.傳感器體積大，影響散熱，會(huì )給一次設備帶來(lái)安全隱患

 

光纖光柵測溫系統

1.可實(shí)現準分布式溫度測量，適合長(cháng)距離大區域測量

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(wú)法實(shí)現單個(gè)柜體配套，無(wú)法實(shí)現就地顯示

5.價(jià)格昂貴

熒光光纖測溫系統優(yōu)點(diǎn)

1.安全可靠，可實(shí)現免標定，一致性、互換性和穩定性好

2.壽命長(cháng)，免維護

3.探頭體積小，可深入發(fā)熱點(diǎn)內部，實(shí)現真實(shí)監測

4.抗電磁干擾，絕緣性好

5.可實(shí)現就地顯示，方便集成到操作系統

6.安裝方便

 

熒光測溫技術(shù)基于熒光材料的光致發(fā)光現象把溫度信號轉換為光信號，并利用光纖在光信號傳輸上的高效性，可有效的實(shí)現溫度的實(shí)時(shí)、遠距離測量。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(cháng)、免維護、穩定性和一致性較好的特點(diǎn)。除此之外，本系統還具有實(shí)時(shí)顯示、易集成至其他系統的功能和安裝方便的特點(diǎn)。

熒光光纖測溫系統應用場(chǎng)景

熒光溫度測量技術(shù)以其抗電磁干擾、體積小、動(dòng)態(tài)響應性好、抗腐蝕、傳輸距離遠、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測、測量外，其應用領(lǐng)域已經(jīng)漸漸的擴展至醫療上的微波加熱治療、變壓器內部溫度檢測或變電站溫度監控等特有或專(zhuān)有環(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)變壓器負載能力、運行可靠性和壽命等的變化。目前電力系統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，其內部主要是變壓器繞組線(xiàn)圈及冷卻油。光纖熒光探頭細長(cháng)結構使其可以安裝固定在變壓器線(xiàn)圈上，最大程度上減少數據監測滯后以及提高監測的精度。

熒光光纖測溫系統高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監測

在電力系統高壓場(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。光纖探頭細長(cháng)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，對于設備正常的運行不會(huì )產(chǎn)生影響，因而也更安全。應除此之外，光纖熒光測溫技術(shù)還可應用于煤炭、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(cháng)時(shí)間嚴格監控的場(chǎng)合。

光纖熒光溫度測量技術(shù)的研究從誕生至今已經(jīng)持續了很多年，但隨著(zhù)新的器件的不斷涌現，應用領(lǐng)域的不斷擴展，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，新的特性的敏感材料為我們提供了新的選擇，使傳感器的設計面臨新的理念。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)的應用上，如醫療、高壓電氣設備的監測、冶金加工、航空航天上在線(xiàn)溫度檢測上可以廣泛的應用。因此建立全面系統的光纖熒光溫度檢測理論，提供簡(jiǎn)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。