一、熒光光纖測溫技術(shù)原理

熒光光纖測溫技術(shù)是一種創(chuàng )新的光學(xué)測溫方法。其基本原理是利用摻雜稀土離子(如鉺、鐿、銪等)的特種光纖材料的熒光特性隨溫度變化而變化的現象。當光纖受到激光激勵時(shí),摻雜離子被激發(fā)至高能級,隨后以熒光形式釋放能量,回到基態(tài)。熒光強度、熒光光譜、熒光壽命等參數都對溫度敏感。通過(guò)檢測和分析光纖傳回的熒光信號,即可實(shí)現對光纖所處環(huán)境溫度的精確測量。

熒光光纖測溫技術(shù)主要有兩種實(shí)現方式:熒光強度型和熒光壽命型。

1. 熒光強度型溫度傳感器

熒光強度型溫度傳感器利用熒光強度隨溫度變化的特性來(lái)測量溫度。當溫度升高時(shí),光纖材料中摻雜離子的熒光效率下降,熒光強度減弱;反之,溫度降低時(shí),熒光強度增強。通過(guò)建立熒光強度與溫度的標定關(guān)系,即可根據熒光強度的變化推算出被測對象的溫度。

熒光強度型傳感器結構簡(jiǎn)單,制作成本較低。但其容易受到光源功率波動(dòng)、光纖彎曲衰減、光纖接頭污染等因素的影響,導致測量精度下降。同時(shí),長(cháng)期使用過(guò)程中,光纖材料的熒光強度也會(huì )發(fā)生漂移,需要定期校準。因此,該類(lèi)型傳感器更適用于溫度變化范圍較小、精度要求不高的場(chǎng)合。

2. 熒光壽命型溫度傳感器

熒光壽命型溫度傳感器則利用熒光壽命隨溫度變化的特性來(lái)測量溫度。熒光壽命是指熒光從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)所需的時(shí)間,它僅與材料的特性和溫度有關(guān),而與激發(fā)光強度、光纖損耗等因素無(wú)關(guān)。當溫度升高時(shí),摻雜離子無(wú)輻射躍遷幾率增大,熒光壽命縮短;反之,溫度降低時(shí),熒光壽命延長(cháng)。通過(guò)測量熒光衰減曲線(xiàn),擬合計算出熒光壽命,再根據預先標定的熒光壽命-溫度關(guān)系曲線(xiàn),即可得到被測對象的溫度值。

與熒光強度型傳感器相比,熒光壽命型傳感器具有更高的測量精度和長(cháng)期穩定性。它克服了光源波動(dòng)、光纖彎曲等因素的干擾,且不需要頻繁校準,使用壽命長(cháng)。因此,熒光壽命型傳感器得到了越來(lái)越廣泛的應用。

二、熒光光纖測溫技術(shù)的特點(diǎn)

熒光光纖測溫技術(shù)具有以下幾個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn):

1. 電絕緣性能好

光纖本身是由二氧化硅等絕緣材料制成,具有極高的電阻率,可以在高壓、強電磁干擾環(huán)境下安全使用,不需要額外的電氣隔離和屏蔽措施。這一特性使其特別適合應用于高壓開(kāi)關(guān)柜、變壓器等高壓設備的溫度監測。

2. 抗電磁干擾能力強

光纖傳輸信號的載體是光,不受電磁場(chǎng)的影響。即使在強電磁干擾環(huán)境下,如變電站、發(fā)電廠(chǎng)等,光纖測溫系統也能保持穩定工作,不會(huì )出現信號失真、數據丟失等問(wèn)題。

3. 耐高溫、耐腐蝕性能好

石英光纖熔點(diǎn)高達1600℃以上,耐高溫性能優(yōu)異。同時(shí),石英光纖化學(xué)性質(zhì)穩定,能夠耐受各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)的侵蝕。在惡劣工況下,熒光光纖測溫系統的使用壽命大大高于傳統的熱電偶、熱電阻等測溫元件。

4. 電氣/熱絕緣,本質(zhì)安全

光纖屬于電氣/熱絕緣體,在測溫過(guò)程中,光纖與被測對象之間不存在導電回路,不會(huì )產(chǎn)生電火花、熱點(diǎn)等危險,因此具有本質(zhì)安全性。即使光纖破損,也不會(huì )引起短路、放電等事故。這一特性使其能夠應用于易燃、易爆環(huán)境。

5.體積小、重量輕,易于安裝

光纖的直徑一般為幾百微米,重量輕,柔軟性好,可以方便地嵌入或纏繞在被測對象表面,對設備結構和布局的影響很小。同時(shí),光纖傳感器安裝簡(jiǎn)單,不需要復雜的支架和固定裝置。