Sensores de temperatura de fibra óptica INNO ,sistemas de monitoreo de temperatura.
1、 Puntos clave para una amplia selección de sensores de fibra óptica para la medición de temperatura
Al seleccionar sensores de fibra óptica para medición de temperatura, múltiples factores deben ser considerados de manera integral.
1.1 Requisitos del campo de aplicación
Especial adaptabilidad ambiental
Si está en un entorno electromagnético/de radiofrecuencia, Los métodos tradicionales de medición de temperatura pueden verse gravemente interferidos y no funcionar correctamente.. Los sensores de fibra óptica se han convertido en una buena opción debido a sus características antiinterferencias electromagnéticas.. Por ejemplo, en el sistema de energía, Las áreas cercanas a cables de alto voltaje o equipos eléctricos tienen fuertes campos electromagnéticos., Y los sensores de fibra óptica pueden medir la temperatura de forma estable sin interferencias electromagnéticas., Garantizar la precisión y fiabilidad de las mediciones..
Cuando hay situaciones peligrosas como inflamabilidad., explosividad, y corrosión en el entorno de medición, existen requisitos especiales de seguridad/resistencia a la corrosión. Sensores de fibra óptica, debido a su inherente falta de riesgos de seguridad, como chispas eléctricas, Y algunos sensores de fibra óptica pueden tener resistencia a la corrosión mediante la selección de materiales. (como revestimientos o fundas especiales), Son adecuados para escenarios como el control de temperatura de tanques de almacenamiento en fábricas de productos químicos y la medición de temperatura en entornos inflamables y explosivos como pozos petroleros..
En algunos entornos de instalación con espacio limitado y requisitos especiales para el tamaño del sensor, Los sensores de fibra óptica pueden lograr mediciones precisas con su tamaño más pequeño. Los sensores de fibra óptica pueden adaptarse bien a espacios pequeños para la detección de temperatura, como el control de la temperatura dentro de pequeños dispositivos electrónicos e instrumentos de precisión.
Requisitos de precisión y sensibilidad de la medición.
Los sensores de fibra óptica son una opción adecuada para situaciones con requisitos de precisión particularmente altos, sensibilidad, esperanza de vida, estabilidad/confiabilidad, etc.. Por ejemplo, en el campo médico, Los sensores de fibra óptica se pueden utilizar para medir la temperatura de los tejidos internos del cuerpo humano.. Su alta precisión y sensibilidad pueden cumplir con los requisitos de la medición de las ciencias biológicas., y desempeñan un papel importante en el estudio de los mecanismos de regulación de la temperatura o el control de la temperatura durante la terapia térmica para determinadas enfermedades..
1.2 Selección de puntos de medición y tipos de sensores
La elección entre punto único y distribuido
Cuando hay menos de 50 puntos de medición, a “punto único” Generalmente se utiliza un sensor.. Por ejemplo, al monitorear la temperatura de un solo dispositivo pequeño (como un solo transformador de tipo seco) o un recipiente para líquidos de pequeña capacidad, un sensor de un solo punto puede cumplir los requisitos. Los sensores de un solo punto tienen un volumen pequeño y un costo relativamente bajo, y tiene ventajas en cuanto a diseño de espacio limitado y presupuesto de costos.. Un sensor de fibra óptica de un solo punto es suficiente para las necesidades de control de temperatura., como medir la temperatura del agua en un acuario pequeño para uso doméstico.
Cuando hay más de 50 puntos de medición, “repartido” Generalmente se utilizan sensores.. Por ejemplo, en el seguimiento de la distribución de la temperatura interior de numerosos pisos y diferentes habitaciones en edificios grandes, o en el control del campo de temperatura de puentes (donde numerosos puntos de medición están distribuidos en diferentes partes del puente), Los sensores de fibra óptica distribuidos pueden obtener continuamente información de temperatura desde múltiples puntos a través de un solo cable de fibra óptica.. Aunque el coste de un solo sensor puede ser mayor que el de un sensor de un solo punto, Es una mejor opción para el costo total y la eficiencia de adquisición de datos de una gran cantidad de puntos de medición.. Por ejemplo, en la sala de servidores de un centro de datos, para monitorear exhaustivamente la temperatura de una gran cantidad de servidores, Los sensores de fibra óptica distribuidos pueden cubrir numerosos puntos de monitoreo a la vez., reduciendo efectivamente el número de sensores, evitando la ocupación del espacio, y lograr un control eficiente de la temperatura.
1.3 Rango de temperatura, Exactitud, y requisitos de resolución
Coincidencia de rango de temperatura
Elija un sensor de fibra óptica adecuado según el rango de temperatura real medido. El rango de medición de temperatura de los sensores generalmente se divide en cuatro secciones: -40-+80 ℃- 40 – +250℃；- 40 – +400℃；+ 20-+60 ℃ (médico). Por ejemplo, en general, control de la temperatura interior (generalmente entre -10 ℃ -+40 ℃), la mayoría de los sensores de fibra óptica pueden cumplir los requisitos; El monitoreo de temperatura cerca de hornos industriales puede requerir sensores capaces de medir rangos de temperatura altos (como -40-+400 ℃ o incluso superior); en medicina, Los sensores con un rango de temperatura estrecho de +20-+60 ℃ son adecuados para monitorear la terapia de calor en partes específicas del cuerpo humano, como el cerebro.
Consideraciones de precisión y resolución
Los requisitos de precisión para medir la temperatura generalmente se dividen en cinco niveles.: ± 0.05 ℃, ± 0.1 ℃, ± 0.3 ℃, ± 0.5 ℃, y ± 1 ℃. Para algunas situaciones que son muy sensibles a los cambios de temperatura., como equipos experimentales de alta precisión (como dispositivos de laboratorio que requieren un control preciso de la temperatura de reacción química) o equipo médico avanzado (como el control de la temperatura en algunos procesos de hipertermia tumoral de precisión), es necesario elegir sensores de fibra óptica con alta precisión (como ± 0.05 ℃ o ± 0.1 ℃); En entornos industriales o civiles en general donde los requisitos de precisión no son extremadamente altos (como el control de la temperatura ambiente en fábricas comunes o la medición de la temperatura interior en hogares comunes), sensores con una precisión de ± 0.5 ℃ o ± 1 ℃ puede que ya sea suficiente para cumplir los requisitos. En términos de resolución, Los sensores de alta resolución pueden detectar cambios de temperatura aún más pequeños, haciéndolos más adecuados para la medición precisa de cambios de temperatura.
1.4 Tipos de sondas de trabajo.
Sonda de inmersión
Los sensores de inmersión se pueden utilizar para medir la temperatura de los sólidos., liquidos, y gases. en la industria, Los sensores de inmersión son más adecuados para medir la temperatura de tanques de líquidos industriales.. Los sensores de inmersión han sido sometidos a un tratamiento especial, Y la fibra óptica tiene una gran resistencia y dureza., que puede resistir la corrosión química en tanques de líquidos. Por ejemplo, en los tanques de almacenamiento de materias primas químicas, Los sensores de fibra óptica de tipo inmersión pueden funcionar de manera estable en soluciones químicas durante mucho tiempo y medir con precisión la temperatura del líquido.. Además, Esta sonda puede medir eficazmente la temperatura del agua en peceras. (ambiente liquido), el campo de temperatura en los hornos (ambiente de gas), o la temperatura del suelo (ambiente sólido).
Sonda tipo contacto
Los sensores de contacto están especializados en medir la temperatura de las superficies de los objetos., tales como monitoreo de temperatura de equipos de alto voltaje, como transformadores de tipo seco, aparamenta de alta tensión, y barras colectoras de alta tensión. En la operación y mantenimiento de equipos del sistema eléctrico., conectando sensores de fibra óptica de tipo contacto a la superficie del equipo, Los cambios de temperatura en la superficie del equipo se pueden obtener en cualquier momento., para detectar oportunamente problemas de sobrecalentamiento, prevenir fallas, y garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema de energía..
sonda medica
Los sensores médicos están especialmente diseñados para mediciones de ciencias biológicas., con sondas pequeñas y delgadas que, cuando se combina con dispositivos de demodulación dedicados, Puede lograr velocidades de respuesta rápidas y una precisión muy alta.. En medicina clínica, Por ejemplo, al medir la temperatura local de ciertos órganos dentro del cuerpo humano (como el corazón y el hígado) o monitorear la temperatura de los tejidos trasplantados, Los sensores médicos de fibra óptica pueden evitar causar un trauma excesivo al cuerpo humano y lograr una medición precisa de la temperatura..
2. Puntos clave para la selección de sensores de fibra óptica fluorescentes
2.1 Principios y características
principio
Sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente es un sensor de medición de temperatura basado en el principio de fluorescencia. Los materiales fluorescentes son materiales que pueden absorber luz de una determinada longitud de onda y emitir luz de longitudes de onda más largas.. Cuando los materiales fluorescentes se ven afectados por los cambios de temperatura, sus características de fluorescencia también cambiarán. Un sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente típico incluye varias partes, como la fuente de luz., fibra optica, material fluorescente, y espectrómetro. En primer lugar, la fuente de luz genera luz de excitación de una determinada longitud de onda, que se transmite al material fluorescente a través de fibras ópticas. Después de absorber la luz de excitación., Los materiales fluorescentes emiten señales fluorescentes con longitudes de onda específicas., que se transmiten de regreso al espectrómetro para su detección a través de fibras ópticas.. Cuando la temperatura cambia, Las características de fluorescencia de los materiales fluorescentes pueden ser un cambio en la intensidad de la fluorescencia o un cambio en la longitud de onda de la fluorescencia.. El valor de la temperatura se puede determinar midiendo la intensidad o longitud de onda de la señal de fluorescencia..
característica
Alta precisión: Los materiales fluorescentes son particularmente sensibles a los cambios de temperatura., Hacer que los sensores de temperatura de fibra fluorescente tengan una alta precisión de medición. Esta alta precisión es muy importante en algunos escenarios que son sensibles a cambios sutiles de temperatura., como el control de la temperatura de los cultivos celulares en biomedicina. Incluso pequeñas desviaciones de temperatura pueden afectar el crecimiento celular y los resultados experimentales.. Los sensores de fibra óptica fluorescentes pueden detectar con precisión cambios de temperatura y garantizar la estabilidad del entorno experimental..
Respuesta rápida: Los sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes tienen una velocidad de respuesta rápida, puede monitorear los cambios de temperatura en tiempo real, y responder inmediatamente. En algunas situaciones exigentes en tiempo real, como el control de la temperatura durante reacciones químicas rápidas, es necesario obtener información sobre el cambio de temperatura de manera oportuna para ajustar las condiciones de reacción. Los sensores de fibra óptica fluorescente pueden responder rápidamente a los cambios de temperatura y garantizar el progreso normal de la reacción..
Medición distribuida: Los sensores de temperatura de fibra óptica fluorescente pueden monitorear temperaturas en múltiples ubicaciones simultáneamente a través de un solo cable de fibra óptica.. Esta capacidad de detección distribuida hace que los sensores sean muy útiles en situaciones en las que es necesario monitorear múltiples puntos.. Por ejemplo, en un gran almacén frigorífico, Es necesario controlar simultáneamente la temperatura en diferentes lugares.. Los sensores de fibra óptica fluorescente utilizan una única fibra óptica para organizar materiales fluorescentes en diferentes ubicaciones para lograr un monitoreo distribuido de la temperatura en múltiples puntos., reduciendo los costos y la complejidad del cableado.
Fuerte capacidad antiinterferencia: En entornos electromagnéticos complejos, Los sensores de temperatura tradicionales pueden verse afectados por señales de interferencia., Mientras que los sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes pueden funcionar normalmente sin verse afectados por señales de interferencia.. Por ejemplo, en entornos industriales con muchos dispositivos electromagnéticos o monitoreo de temperatura alrededor de subestaciones eléctricas, Los sensores de fibra óptica fluorescentes pueden obtener valores de temperatura de forma estable.
Estabilidad a largo plazo: Los materiales fluorescentes tienen una gran durabilidad y estabilidad., y los sensores pueden mantener una alta estabilidad de rendimiento durante el uso a largo plazo. Adecuado para entornos de trabajo continuo a largo plazo, como el control de la temperatura de los equipos de exploración de aguas profundas (exposición prolongada a ambientes submarinos hostiles) o estaciones de monitoreo geofísico a largo plazo (Requiere recopilación de datos a largo plazo.).
Amplio rango de temperatura: Los sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes son adecuados para una amplia gama de temperaturas ambientales, desde menos Baidu hasta varios cientos de grados Celsius. Los sensores de fibra óptica fluorescente también se pueden utilizar para monitorear la temperatura de equipos de investigación científica en ambientes de temperaturas extremas., como cerca de respiraderos volcánicos de alta temperatura o en regiones frías de la Antártida.
Alta flexibilidad: Los materiales fluorescentes para sensores se pueden seleccionar y diseñar de acuerdo con las necesidades reales para satisfacer las necesidades de diversos campos de aplicación específicos.. Por ejemplo, Se pueden seleccionar materiales fluorescentes específicos para diferentes sistemas químicos para adaptarse a la medición de temperatura en entornos químicos y mejorar la adaptabilidad de los sensores..
2.2 Consideraciones de selección y aplicación
Se debe dar prioridad a situaciones con pocos puntos de medición.
Según la correlación entre el número de puntos de medición y el tipo de sensor mencionado anteriormente, cuando el número de puntos de medición es menor que 50, a “punto único” Generalmente se utiliza un sensor., y los sensores fluorescentes pertenecen al tipo de sensor de punto único. En escenarios como el control de temperatura de dispositivos pequeños, como el control de la temperatura interna de electrodomésticos (como hervidores eléctricos, secadores de pelo, etc.), o medición de temperatura de pequeños recipientes de reacción individuales en laboratorios, Los sensores de fibra óptica fluorescentes tienen ventajas en el control de costos y la conveniencia de la instalación debido al pequeño número de puntos de medición..
Adecuado para escenarios con altos requisitos de velocidad de respuesta y precisión.
Si los requisitos de velocidad de respuesta y precisión para la medición de temperatura son altos en escenarios de aplicación específicos, como en algunos equipos médicos de precisión (como equipos de tratamiento con láser oftálmico de alta precisión, monitoreo de la temperatura interna o monitoreo de la temperatura de los vasos sanguíneos durante la cirugía de bypass cardíaco), Los sensores de fibra óptica fluorescentes pueden cumplir con los requisitos debido a su respuesta rápida y características de alta precisión..
No apto para situaciones con una gran cantidad de puntos de medición.
Debido al hecho de que los sensores de fibra óptica fluorescentes son en su mayoría del tipo de punto único, si se requiere monitoreo de temperatura para una gran cantidad de puntos (como más de 50 puntos de medición), El uso de sensores de fibra óptica fluorescentes generará mayores costos.. En este caso, Es más adecuado elegir sensores distribuidos., como en escenarios de monitoreo de temperatura de cientos de nodos de equipos en grandes plantas industriales o numerosas salas en grandes edificios.
3. Puntos clave para la selección de sensores distribuidos de fibra óptica
3.1 Principios y componentes básicos
principio
En tecnología de detección distribuida de fibra óptica, La fibra óptica es a la vez un medio de detección y un medio de transmisión de datos.. Utilizando las características de las ondas de luz transmitidas en fibra óptica., Se pueden tomar mediciones de detección continua a lo largo de la dirección longitudinal de la fibra óptica.. Con la ayuda de cambios en las ondas de luz., Parámetros físicos ambientales como la temperatura., cepa, presión, etc.. se puede extraer para obtener información sobre el estado de distribución espacial del objeto medido a lo largo del tiempo. Los principios fundamentales de la tecnología de detección distribuida de fibra óptica incluyen la tecnología de detección basada en el principio de interferencia óptica y la tecnología de detección basada en principios de dispersión como Rayleigh., Brillouin, raman, etc.. Este artículo se centra en la reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia. (OFDR) tecnología basada en la dispersión de Rayleigh, que refleja indirectamente la tensión de los componentes estructurales al detectar la tensión de las fibras ópticas dispuestas sobre ellos. En realidad, la tensión medida se transmite desde los componentes estructurales a la tensión de las fibras ópticas.. Al demodular temperatura o tensión en sensores de fibra óptica distribuidos, La tecnología OFDR muestra que tanto la tensión como la temperatura son demoduladas por señales de cambio de frecuencia de dispersión Rayleigh en la fibra óptica.. En principio, Las señales de tensión y las señales de temperatura no se pueden distinguir.. Por lo tanto, Es necesario utilizar diferentes fibras sensoriales para distinguir la tensión y la temperatura durante la prueba..
Composición básica
Los sensores de fibra óptica distribuidos comúnmente utilizados en el mercado son sensores de fibra óptica desnudos o sensores de cable de fibra óptica distribuidos que están encapsulados y blindados en la capa exterior de cables de fibra óptica desnudos.. Generalmente, Las fibras ópticas desnudas están compuestas por un núcleo., un revestimiento, y una capa de recubrimiento. El núcleo y el revestimiento están hechos de dióxido de silicio con diferentes índices de refracción.. El índice de refracción del núcleo es mayor que el del revestimiento.. Cuando la luz incidente satisface el ángulo de reflexión total en la fibra., puede propagarse en la fibra. El material de recubrimiento es generalmente éster acrílico., que sirve principalmente para proteger la fibra óptica de daños externos y aumentar su dureza, extendiendo así la vida útil de la fibra óptica. El cable óptico de detección distribuida se compone de una funda exterior envuelta alrededor de fibra óptica desnuda., y el material de la funda exterior es mayoritariamente plástico. (como educación física, CLORURO DE POLIVINILO, PTFE, ETFE, etc.). Su función principal es fortalecer la resistencia estructural de los sensores distribuidos de fibra óptica y permitirles sobrevivir mejor en entornos hostiles..
3.2 Consideraciones de selección y aplicación
Gran número de puntos de medición y situación de demanda distribuida.
Cuando hay más de 50 puntos de medición, “repartido” Generalmente se utilizan sensores como los sensores de rejilla de Bragg de fibra.. En el campo de la monitorización de temperatura de grandes estructuras de ingeniería, como por ejemplo puentes de larga distancia., túneles, y grandes edificios, hay numerosos puntos de medición. Repartido sensores de fibra óptica Puede distribuir fibras a lo largo de toda la estructura para obtener una gran cantidad de datos de temperatura de cada punto a la vez., Lograr un monitoreo integral de la distribución de la temperatura.. Por ejemplo, en un puente marítimo de varios kilómetros de longitud, La instalación de sensores de fibra óptica distribuidos en diferentes partes del cuerpo del puente puede detectar rápidamente anomalías de temperatura en áreas problemáticas causadas por cambios de temperatura ambiental o estrés térmico interno., Lo cual es de gran importancia para el mantenimiento seguro del puente..
Adáptese a entornos complejos y escenarios de monitoreo a largo plazo
Los sensores distribuidos de fibra óptica tienen ventajas como la no electrificación, tamaño pequeño, flexibilidad, resistencia a la interferencia electromagnética, alta sensibilidad, y resistencia a la corrosión. El monitoreo de temperatura de tuberías o cables de larga distancia es muy adecuado en algunos entornos electromagnéticos complejos., como alrededor de subestaciones de alto voltaje, grandes talleres de fábrica electromagnética, etc.; También se puede utilizar para controlar la temperatura en entornos con fuerte corrosión., como tuberías subterráneas de aguas residuales, Tuberías de transporte de materias primas químicas., etc.. Además, en sitios mineros a gran escala o cavidades subterráneas donde el monitoreo de temperatura es de igual duración, Los sensores distribuidos de fibra óptica pueden satisfacer eficazmente las necesidades de monitoreo debido a su buena adaptabilidad y características de instalación a larga distancia..
Criterios de selección para el tipo de fibra y el material de la funda.
Tipo de fibra óptica:
Algunos modelos de fibra monomodo habituales en el mercado, como fibras de las series G652 y G657, Se pueden utilizar como sensores basados en la tecnología OFDR de dispersión Rayleigh.. La diferencia entre las dos es que las fibras de la serie G657 son fibras resistentes a la flexión., que tienen pérdidas de flexión menores en comparación con la serie G652 con el mismo radio de flexión. Para algunos sitios de pruebas de ingeniería o pruebas estructurales complejas, Los sensores de fibra óptica inevitablemente experimentan algunas pérdidas por flexión durante el despliegue.. Por lo tanto, para tecnología OFDR, Elegir la fibra óptica de la serie G657 como sensor tiene más ventajas que la fibra óptica de la serie G652.
Cuando se requieren pruebas de tensión estructural precisas o cuando se puede garantizar la precisión de la detección mientras se protege la fibra óptica contra daños, fibra PI (fibra de poliimida) Se puede utilizar como sensor porque el efecto de transmisión de tensión de su material de recubrimiento es comparable al de la fibra desnuda., y mejor que el de la fibra ordinaria (revestimiento acrílico). En algunos escenarios de medición ordinarios, si los requisitos de precisión no son particularmente altos, La fibra monomodo ordinaria puede cumplir los requisitos.. Para fibras ópticas de medición de temperatura., Generalmente se seleccionan fibras ópticas con funda suelta., que consisten en una funda hueca de 0,9 mm en el exterior y una fibra óptica PI de 165 um en el centro. Esto permite que la fibra óptica se mueva libremente en la funda., y la tensión generada por el exterior está protegida por la funda exterior. Por lo tanto, Los sensores de fibra óptica con funda suelta solo pueden probar cambios en la temperatura externa.. Para pruebas de deformación en un ambiente de temperatura constante, La fibra desnuda o la fibra enfundada generalmente pueden cumplir con los requisitos.. La elección específica de fibra puede depender del escenario de aplicación real.; Para pruebas de deformación en ambientes de temperatura variable, es necesario utilizar fibras ópticas de compensación de temperatura para las pruebas. Por ejemplo, a Fibra óptica de compensación de temperatura compuesta por dos sensores de fibra óptica., una de las cuales es una fibra óptica con funda ajustada y la otra es una fibra óptica con funda suelta. La fibra óptica fuertemente revestida se ve afectada tanto por la temperatura como por la tensión., mientras que la fibra óptica con funda suelta solo se ve afectada por la temperatura. restando los dos, Se puede obtener la tensión generada por la fibra óptica..
Material de la funda:
En ambientes hostiles, si las fibras ópticas desnudas ya no son adecuadas para su uso debido a su delgadez y susceptibilidad a sufrir daños, Es necesario seleccionar cables ópticos con funda ajustada para garantizar las tasas de supervivencia.. Aunque los cables ópticos con funda ajustada tienen una mayor resistencia estructural en comparación con las fibras ópticas desnudas, Su pérdida de transmisión de tensión es mayor que la de las fibras ópticas desnudas., y la pérdida de transmisión de tensión aumenta con el aumento del diámetro de la vaina. Los tipos convencionales de fibras ópticas con funda ajustada incluyen un diámetro de 0,9 mm., 2mm de diámetro, y cables ópticos blindados de diámetro aún mayor. Generalmente, bajo la condición de garantizar la supervivencia de los sensores de fibra óptica., Se recomienda priorizar el uso de fibras fuertemente revestidas con diámetros más pequeños como sensores para garantizar un mejor rendimiento de detección.. Además, El material de la funda debe seleccionarse de acuerdo con la temperatura ambiente real.. Diferentes materiales de funda (como educación física, CLORURO DE POLIVINILO, PTFE, ETFE, etc.) tienen diferentes propiedades de resistencia a la temperatura. Por ejemplo, en ambientes de alta temperatura, Puede ser necesario elegir materiales de funda que puedan soportar altas temperaturas para proteger la fibra óptica y garantizar el funcionamiento normal del sensor..
4. Puntos clave para la selección de sensores de rejilla Bragg de fibra
4.1 Principios y características
principio
El sensor de rejilla de fibra Bragg es un tipo de sensor que se utiliza para medir y monitorear cantidades físicas.. Su principio es utilizar una fibra óptica estructurada en rejilla para interferir con la luz reflejada de la luz incidente.. Midiendo la diferencia de fase de la luz de interferencia y comparándola con la rejilla de plantilla, La cantidad física medida se puede obtener.. En términos de medición de temperatura., cuando la temperatura exterior cambia, El período o índice de refracción de la rejilla de Bragg de fibra cambiará., resultando en un cambio de longitud de onda de la luz reflejada. Al detectar el cambio de longitud de onda, Se puede obtener el valor del cambio de temperatura..
característica
Alta sensibilidad: capaz de medir cambios sutiles de temperatura. En algunos dispositivos o entornos sensibles a los cambios de temperatura (como monitoreo de temperatura interna de instrumentos ópticos de alta precisión, ambiente de almacenamiento a baja temperatura monitoreo de temperatura de muestras biológicas, etc.), Incluso las pequeñas fluctuaciones de temperatura pueden afectar el rendimiento del dispositivo o la eficacia de conservación de las muestras.. Los sensores de rejilla de Fiber Bragg pueden detectar con precisión estos cambios sutiles y emitir advertencias oportunas o ajustar las medidas de control..
Resolución alta: capaz de detectar el valor absoluto de pequeños cambios. Funciona bien en el seguimiento de pequeñas diferencias de temperatura., como en el estudio del rendimiento de disipación de calor de chips electrónicos, donde se requiere una comprensión precisa de las pequeñas diferencias de temperatura en varios puntos de la superficie del chip. Los sensores de rejilla de fibra de Bragg pueden proporcionar una resolución de temperatura de alta precisión para satisfacer las necesidades de investigación.
Alta precisión: Puede obtener resultados de medición de alta precisión., Lo cual es muy importante en muchos experimentos de precisión., control de procesos de producción industrial (como el control de temperatura en procesos de fabricación de vidrio de alta precisión, donde pequeñas desviaciones de temperatura pueden afectar la calidad del vidrio), o equipos médicos de alta gama (como la gestión de la temperatura interna de ciertos equipos especiales de tratamiento con láser) escenarios, ayudando a garantizar la precisión del proceso y la calidad de los productos y equipos.
Alta estabilidad: Los sensores de rejilla de fibra Bragg tienen una alta estabilidad y pueden mantener la precisión incluso en mediciones a largo plazo. En escenarios de monitoreo continuo de temperatura a largo plazo, como el control de la temperatura de los equipos aeroespaciales durante misiones de vuelo a largo plazo, Registro de temperatura a largo plazo de estaciones de observación meteorológica., etc., Los sensores de rejilla de fibra Bragg pueden funcionar de manera confiable y generar de manera estable datos de temperatura precisos.
Libre de interferencias electromagnéticas: Porque la transmisión de señales se logra a través de señales ópticas., Los sensores de rejilla de fibra Bragg no se ven fácilmente afectados por interferencias electromagnéticas.. Esto lo hace muy práctico para medir la temperatura en entornos electromagnéticos fuertes., como dentro de subestaciones del sistema eléctrico, Grandes talleres de fabricación de equipos electromagnéticos., etc., sin verse fácilmente afectado por interferencias electromagnéticas y errores de medición como los sensores electrónicos tradicionales.
4.2 Consideraciones de selección y aplicación
Considere los requisitos de diversidad para medir cantidades físicas.
Los sensores de rejilla de fibra de Bragg no solo se pueden utilizar para controlar la temperatura, sino también para medir otras cantidades físicas como el control de tensión. En algunos escenarios de aplicación práctica., como grandes estructuras de edificios o equipos mecánicos, si es necesario controlar la temperatura de estas estructuras y al mismo tiempo comprender la tensión de la estructura, Los sensores de rejilla de Bragg de fibra pueden medir simultáneamente múltiples cantidades físicas, como la temperatura y la tensión.. Por ejemplo, en el control de la salud de las estructuras de puentes, Los sensores de rejilla de Bragg de fibra se distribuyen a lo largo del cuerpo del puente., que puede obtener simultáneamente datos de temperatura y tensión de diferentes partes, Juzgar exhaustivamente el estado estructural del puente., y tienen importancia importante para predecir y prevenir posibles daños, fatiga y otros problemas del puente.
Adecuado para una gran cantidad de puntos de medición y escenarios de medición distribuidos
Los sensores de rejilla de fibra Bragg pueden funcionar bien cuando involucran una gran cantidad de puntos de medición. Similar a los sensores distribuidos de fibra óptica, en sitios industriales de gran escala, instalaciones del edificio, y otros escenarios que requieren numerosos puntos de medición, Los sensores de rejilla de fibra óptica pueden utilizar tecnología de multiplexación para configurar múltiples rejillas en una sola fibra para lograr mediciones de temperatura en diferentes posiciones.. Por ejemplo, en grandes centrales térmicas, Numerosos equipos y tuberías están distribuidos en una amplia zona.. Disponiendo razonablemente redes de sensores de rejilla de fibra óptica, Se puede lograr el monitoreo de temperatura de ubicaciones clave de diferentes equipos y tuberías en toda la planta de energía., lo que ayuda a mejorar la seguridad y eficiencia de la operación del equipo.
Equilibrar los requisitos de costo y rendimiento
Aunque los sensores de rejilla de Bragg de fibra tienen muchas propiedades excelentes, sus precios son relativamente altos. En algunos escenarios de aplicaciones sensibles al costo, es necesario equilibrar la relación entre rendimiento y coste. Por ejemplo, en algunos edificios civiles comunes se necesita monitoreo de temperatura interior, si solo se obtienen los cambios aproximados en la temperatura interior general, Es posible que no se requiera la alta precisión y rendimiento de los sensores de rejilla de Bragg de fibra.. En este caso, Se pueden elegir sensores de temperatura tradicionales de bajo costo.; En algunos escenarios de producción industrial o investigación científica de alto nivel., Se requieren requisitos de alto rendimiento, como precisión y confiabilidad de la medición de temperatura., y las ventajas de alto rendimiento de los sensores de rejilla de fibra de Bragg pueden reflejarse plenamente cuando el presupuesto lo permite..
5. Análisis comparativo de diferentes tipos de sensores de fibra óptica
5.1 Diferencias en los principios de medición
Principio del sensor de fibra óptica fluorescente
Basado en la intensidad de la fluorescencia o los cambios de longitud de onda de los materiales fluorescentes bajo cambios de temperatura., La detección de temperatura se logra mediante la transmisión de señales a través de fibras ópticas.. La luz emitida por la fuente de luz se transmite al material fluorescente a través de fibras ópticas.. Después de absorber la luz de excitación., el material fluorescente emite señales de fluorescencia de diferentes intensidades o longitudes de onda según los cambios de temperatura, que luego se transmiten al espectrómetro para su detección a través de fibras ópticas..
Principio del sensor de fibra óptica distribuida
La fibra óptica es a la vez un medio de detección y un medio de transmisión., y la detección y medición continua se llevan a cabo a lo largo del cable de fibra óptica a través de las características de transmisión de ondas de luz en el cable de fibra óptica.. Tomando como ejemplo la tecnología OFDR basada en la dispersión de Rayleigh, demodulando la señal de dispersión de Rayleigh en la fibra óptica y obteniendo información sobre cambios en parámetros físicos como la temperatura, No es posible distinguir directamente entre señales de tensión y temperatura.. Es necesario seleccionar diferentes tipos de fibras ópticas para diferentes escenarios de medición., como fibras ópticas con funda suelta para medir la temperatura.
Principio del sensor de rejilla de fibra de Bragg
Mediante el uso de una fibra estructurada en rejilla para reflejar e interferir con la luz incidente., Los cambios de temperatura pueden causar un cambio en el período o índice de refracción de la rejilla de fibra., resultando en un cambio de longitud de onda de la luz reflejada. El valor del cambio de temperatura se puede obtener midiendo el cambio de longitud de onda..
5.2 Comparación de características de rendimiento
precisión de la medición
Sensor de rejilla de Bragg de fibra: En teoría, tiene alta precisión, que depende principalmente del control del espaciamiento del período de la rejilla y del índice de refracción efectivo, así como la linealidad del proceso de medición.. Cuando la precisión del mecanizado está garantizada, debido a su medición de relación de conversión lineal directa, su precisión es fácil de garantizar, y la luz reflejada es nítida en el dominio de la frecuencia, hacer que la medición de la línea espectral central sea más precisa. Tiene ventajas en escenarios que requieren alta precisión., como monitoreo de temperatura de equipos médicos de alta gama o investigación de laboratorio de alta precisión.
Sensor de fibra óptica fluorescente: La precisión de la medición depende principalmente de las características de la sustancia fluorescente que se excita para emitir fluorescencia y de la detección de cambios en la intensidad de la fluorescencia.. Actualmente, el nivel tecnológico hace que su precisión sea comparable a los otros dos, pero en aplicaciones prácticas, La precisión también se ve afectada por factores como los materiales., nivel de procesamiento, y resolución del demodulador de señal. Es adecuado para escenarios generales de alta precisión donde los requisitos de precisión no son los más altos., como el control de temperatura de equipos industriales generales.
Sensores de fibra óptica distribuidos: La precisión se ve afectada principalmente por la tecnología de detección utilizada. (como la tecnología OFDR basada en la dispersión de Rayleigh), el tipo de fibra óptica (como diferentes capas de recubrimiento, materiales de la funda, etc.), y la influencia del entorno de aplicación en la señal de detección. En algunos escenarios de medición distribuida a larga distancia, aunque la precisión de un solo punto puede no ser tan buena como la de los sensores de rejilla de Bragg de fibra, Puede proporcionar una distribución general de la temperatura., que es adecuado para escenarios de monitoreo de temperatura a gran escala donde los requisitos de precisión no son extremadamente altos, como el monitoreo de temperatura en el campo de grandes edificios.
velocidad de respuesta
Sensor de rejilla de Bragg de fibra: Se requiere un receptor de demodulación y demultiplexación de alto rendimiento, y la capacidad de procesamiento del receptor a menudo afecta su frecuencia de respuesta.. Relativamente hablando, su velocidad de respuesta se ve afectada por su compleja tecnología de detección de cambio de longitud de onda y otros factores. En escenarios con altos requisitos en tiempo real para la velocidad de respuesta, Puede que no sea tan bueno como los sensores de fibra óptica fluorescentes..
Sensor de fibra óptica fluorescente: Tiene la característica de respuesta rápida y puede responder rápidamente a los cambios de temperatura., principalmente debido a su principio de detección directa basado en características de fluorescencia. Funciona mejor en escenarios con altos requisitos de monitoreo de temperatura en tiempo real., como el control de la temperatura en determinados procesos de reacción química o el control de la temperatura en procesos biológicos de reacción rápida.
Sensores de fibra óptica distribuidos: Su velocidad de respuesta se ve afectada por varios factores como el tipo de fibra., tecnología de detección, etc.. Sin embargo, en el proceso de medición distribuida, pueden monitorear continuamente la temperatura en diferentes puntos. Aunque la velocidad de respuesta de un solo punto puede no ser muy rápida, Puede cumplir los requisitos para obtener la distribución general de temperatura en un determinado período de muestreo.. Es particularmente adecuado para escenarios de monitoreo de estabilidad de temperatura a largo plazo, como estructuras grandes..
Rango de medición (características distribuidas)
Sensor de rejilla de Bragg de fibra: Se pueden configurar múltiples rejillas en una sola fibra óptica mediante tecnología de multiplexación para lograr la medición de múltiples puntos.. Sin embargo, en comparación con sensores de fibra óptica fluorescentes, su capacidad de medición distribuida depende más de la tecnología de red y el soporte de equipos, y está limitado por factores como el costo. Por ejemplo, el número de rejillas que se pueden fijar a un determinado coste es limitado, pero funciona bien en términos de precisión de un solo punto de medición. Es adecuado para escenarios de medición distribuida que requieren precisión de un solo punto y tienen relativamente menos puntos de medición., como la medición de temperatura y tensión de cientos de nodos clave en algunas estructuras de puentes.
Sensor de fibra óptica fluorescente: Tiene cierta capacidad de medición distribuida y puede monitorear simultáneamente la temperatura de múltiples ubicaciones a través de un solo cable de fibra óptica.. Sin embargo, es relativamente débil a la hora de exigir, Medición distribuida a larga distancia y es más adecuado para el monitoreo de temperatura de múltiples puntos de medición en pequeña escala., áreas relativamente concentradas, como la monitorización de la temperatura de numerosos dispositivos en un pequeño taller de fábrica.
Sensor de fibra óptica distribuido: especialmente diseñado para medición distribuida, con la ventaja de poder lograr una medición continua de la distribución de temperatura a larga distancia y a gran escala a lo largo del cable de fibra óptica. Es adecuado para el monitoreo integral de la temperatura en el campo de grandes estructuras de ingeniería, como galerías de tuberías subterráneas. (miles de metros o incluso más) y puentes marítimos ultralargos.
5.3 Comparación de costos y complejidad
costo
Sensor de rejilla de Bragg de fibra: El costo es relativamente alto., principalmente debido a los altos requisitos de rendimiento, como alta precisión y estabilidad., que resultan en mayores costos en los procesos de fabricación, accesorios del equipo, y otros aspectos. En escenarios donde el presupuesto es limitado y los requisitos de rendimiento, como la precisión, no son muy altos, su rentabilidad puede no ser alta, como escenarios de monitoreo de temperatura en algunos edificios residenciales comunes.
Sensor de fibra óptica fluorescente: Con costo moderado y estructura relativamente simple., Es una opción rentable en escenarios donde la precisión y el rendimiento cumplen con los requisitos., como el control de la temperatura de equipos industriales generales o la gestión de la temperatura de pequeñas instalaciones comerciales.
Sensores de fibra óptica distribuidos: El costo depende de la escala de medición., tipo de fibra óptica requerida, y equipos de demodulación de soporte. En escenarios de medición a gran escala, aunque el coste de un único sensor de fibra óptica distribuido puede no ser bajo, Puede tener una ventaja de costos sobre un sensor de un solo punto al lograr mediciones de la misma escala debido a su capacidad para cubrir una gran cantidad de puntos de medición.; Sin embargo, en escenarios de medición a pequeña escala, el costo es relativamente alto. Por ejemplo, al controlar la temperatura de varios dispositivos pequeños individuales, El uso de sensores de fibra óptica distribuidos es una pérdida de costes..
complejidad
Sensor de rejilla de Bragg de fibra: Utiliza una rejilla para detectar cambios de temperatura., y el sistema implica una compleja tecnología de detección de cambio de longitud de onda, que requieren equipos de demodulación complejos para medir con precisión los cambios de longitud de onda de la luz reflejada. La complejidad de los equipos y la tecnología es relativamente alta., y el nivel técnico de los operadores y los requisitos de mantenimiento del equipo también son relativamente altos.
Sensor de fibra óptica fluorescente: La estructura y el principio de funcionamiento son relativamente simples., perteneciente al método de detección de intensidad de luz. Solo requiere una fuente de luz para excitar la fluorescencia y luego detectar cambios en la intensidad o longitud de onda de la fluorescencia.. No requiere equipos ni tecnología de demodulación complejos., y tiene bajos costos de mantenimiento y dificultades operativas.
Sensores de fibra óptica distribuidos: entre ellos, Las tecnologías de detección como OFDR basadas en dispersión de Rayleigh son relativamente complejas., que implica una demodulación precisa de señales de dispersión de Rayleigh en fibras ópticas, y selección y configuración especiales de tipos de fibra. (como capas de recubrimiento, vainas, etc.) Se requieren en diferentes escenarios de medición., lo que resulta en una alta complejidad en el uso y mantenimiento.
Sensor de temperatura de fibra óptica, Sistema de monitoreo inteligente, Fabricante distribuido de fibra óptica en China
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