Comment utiliser la mesure de température par fibre optique? Que comprend la mesure de la température par fibre optique-INNO

1、 Le principe de mesure de température par fibre optique

Fiber optic temperature measurement is based on the various optical properties of optical fibers that vary with temperature.

Principle of optical amplitude variation: Capteurs de température à fibre optique de type composant, there is a situation where the optical amplitude varies with temperature. Quand la température change, the core diameter and refractive index of the optical fiber will change, causing the light propagating in the fiber to scatter outwards due to uneven paths, ultimately resulting in changes in the amplitude of the light. Par exemple, in some high-precision laboratory measurement scenarios, this subtle change in light amplitude can be captured by special detection equipment, thereby obtaining the temperature change situation.
Principle of polarization plane rotation: The polarization plane of a single-mode fiber rotates with temperature, and the amplitude change can be obtained through a polarizer. Les capteurs basés sur ce principe revêtent une grande importance dans la recherche optique spécifique ou dans des scénarios de mesure sensibles à la rotation de polarisation.. Par exemple, lors de l'étude de la relation entre certains matériaux optiques et la température, ce capteur peut être utilisé pour obtenir avec précision l'effet de la température sur la rotation de la surface de polarisation.
Principe du changement de phase optique: Quand la longueur, indice de réfraction, et le diamètre du cœur d'une fibre monomode change avec la température, la lumière se propageant dans la fibre va subir un changement de phase. Ce changement de phase peut être obtenu par un interféromètre pour mesurer le changement d'amplitude. Par exemple, dans un interféromètre Mach Zehnder, la lumière provenant d'une fibre de signal est mélangée à un faisceau de référence stable. En raison de l'influence de la température sur la fibre de signal, la phase du signal optique qui se propage change, provoquant des interférences entre les deux colonnes lumineuses. Donc, le changement de phase peut être détecté pour refléter le changement de température. Dans certains environnements nécessitant une précision de mesure de température extrêmement élevée, comme la surveillance de la température dans certains instruments de précision dans l'aérospatiale, ce principe de mesure basé sur le changement de phase optique peut jouer un rôle important.
Basé sur le principe de variation spectrale: le spectre d'absorption de certaines substances change avec la température, et la température en temps réel peut être comprise en analysant le spectre transmis par les fibres optiques. Ce principe est largement utilisé dans les capteurs de température à fibre optique, Par exemple, dans les capteurs de température à fluorescence à fibre optique, les paramètres de fluorescence émise ont une correspondance biunivoque avec la température, and the required temperature can be obtained by detecting its fluorescence intensity or fluorescence lifetime. Some new types of fiber optic temperature sensors also utilize the thermal sensitivity and Bragg grating effect of optical fibers. Based on the principle that the reflected wavelength of Bragg fiber Bragg grating will shift with temperature, fiber optic grating temperature sensors are made. The sensing signal is wavelength modulated, and the measurement signal is not affected by factors such as light source fluctuations, pertes par courbure des fibres, connection losses, and detector aging.
Based on the principle of radiation energy conduction: For radiation (infrarouge) capteurs de température à fibre optique, it mainly utilizes the coupling and transmission characteristics of optical fibers to conduct the surface radiation energy of the measured object (qui est liée à la température de surface de l'objet mesuré) au photodétecteur et le convertir en puissance électrique. Ce type de capteur est très pratique dans certains scénarios de mesure de température sans contact, comme mesurer la température à l'extérieur d'un four à haute température, et peut obtenir des informations sur la température de surface sans contact direct avec des objets à haute température.
Basé sur le principe des caractéristiques d'absorption des semi-conducteurs: Dans un type d'absorption semi-conducteur capteur de température à fibre optique, une fibre optique coupée est installée dans un mince tuyau en acier, et un film mince de détection de température semi-conducteur (comme GaAs ou InP) est pris en sandwich entre les deux extrémités de la fibre. L'intensité de la lumière transmise de ce film mince semi-conducteur détectant la température varie en fonction de la température mesurée.. Lorsqu'une intensité lumineuse constante est entrée à une extrémité de la fibre optique, la capacité de transmission du film mince de détection de température du semi-conducteur change avec la température, et l'intensité lumineuse reçue par l'élément récepteur à l'autre extrémité de la fibre optique change également avec la température mesurée. Donc, en mesurant la tension de sortie de l'élément récepteur, la température à la position du capteur peut être mesurée à distance. Dans certains scénarios où la surveillance de la température est requise pour de petits appareils ou des zones spécifiques, ce capteur peut tirer parti de ses avantages en termes de compacité et de précision des mesures.

2、 Méthodes techniques pour la mesure de la température par fibre optique

Mesure de température ponctuelle
Principe et fonctionnement: Déployer une seule sonde de température dans certaines zones clés du système pour la mesure. Cette méthode convient à la mesure précise de la température de points spécifiques, comme la surveillance de la température d'une puce clé dans les appareils électroniques, ou mesure de la température d'un point spécifique dans un environnement de culture cellulaire dans la recherche biomédicale. Il peut fournir des informations de température locale très précises en plaçant la sonde à fibre optique à l'emplacement cible et en utilisant les propriétés optiques de la fibre optique pour obtenir des données de température à ce point..
Caractéristiques des scénarios d'application: Dans certains appareils ou scénarios expérimentaux très sensibles aux changements de température locaux, la mesure de la température ponctuelle est essentielle. Par exemple, dans les instruments optiques d'ultra précision, les changements de température dans un petit composant peuvent avoir un impact significatif sur les performances globales de l'instrument. La mesure de la température ponctuelle peut surveiller avec précision la température de ce composant, fournissant une garantie pour le fonctionnement stable de l'instrument. De plus, cette méthode de mesure est relativement simple et rentable, ce qui le rend très pratique pour les situations où seuls quelques points de température spécifiques doivent être surveillés.
Mesure quasi distribuée
Principe et fonctionnement: La connexion de mesures de température en un seul point en série dans la direction de propagation de la fibre peut former une mesure quasi distribuée qui couvre la détection de température multipoint.. Dans la production de systèmes électriques, il est nécessaire de mesurer la répartition du champ de gradient de température dans l'espace aérien, et cette technologie peut être efficace. Il peut réaliser une mesure de température en plusieurs points en connectant plusieurs points de mesure en série sur une seule fibre optique., utilisant les caractéristiques de transmission et de sensibilité à la température de la fibre. Chaque point de mesure peut refléter indépendamment les changements de température et transmettre ces informations de température à un équipement de surveillance pour un traitement centralisé via des fibres optiques..
Caractéristiques des scénarios d'application: Dans les grandes installations électriques telles que les sous-stations, lignes de transport à haute tension, etc., une surveillance de la température de plusieurs pièces clés est nécessaire. La mesure quasi distribuée permet de surveiller la température de plusieurs points sur une seule fibre optique, réduisant la complexité et le coût du câblage. En même temps, dans certains grands équipements industriels ou structures de bâtiments, comme les grosses chaudières, ponts, etc., la technologie de mesure quasi distribuée peut également être utilisée pour surveiller la température à différents endroits, afin de détecter à temps les anomalies potentielles de température et de prévenir les accidents.
Mesure entièrement distribuée
Principe et fonctionnement: La fibre optique peut servir à la fois de canal pour la transmission du signal optique et de matériau sensible à la température pour conduire les changements de température.. Le fibre optique distribuée un système de mesure de la température peut être réalisé en déployant un dispositif de surveillance et une fibre de détection. Le coût de surveillance par unité de longueur de fibre diminue avec l'augmentation de la distance de détection, qui est actuellement une solution technique de mesure de température très prometteuse. Il est basé sur le principe de la réflectométrie optique dans le domaine temporel. (OTDR) des fibres optiques et l'effet de diffusion Raman des fibres optiques. En analysant la lumière de diffusion Raman vers l'arrière dans la fibre optique, il obtient des informations sur la répartition de la température le long de la fibre. Les impulsions laser interagissent avec les molécules de fibres, entraînant divers phénomènes de diffusion tels que la diffusion Rayleigh, Diffusion Brillouin, et diffusion Raman. L'intensité de la lumière diffusée Raman dépend de la température, et la répartition de la température le long de la fibre peut être obtenue en mesurant les changements d'intensité de la lumière diffusée Raman..
Caractéristiques des scénarios d'application: Dans certains scénarios nécessitant une surveillance de la température d'une vaste zone, comme les oléoducs longue distance, grandes installations de stockage, etc., la mesure entièrement distribuée peut utiliser une fibre optique pour réaliser une surveillance de la température de toute la zone. Il peut fournir des données de température précises et continues en temps réel, détecter de petits changements de température, et réalisez une mesure multipoint rapide et en temps réel de la distribution spatiale de la température sur une large plage et de longues distances.. Ceci est d’une grande importance pour garantir l’exploitation sûre des pipelines, prévenir les incendies, et réduisant considérablement les coûts et la complexité de la surveillance.
Fiber optic temperature sensing technology based on fluorescent radiation
Principle and Operation: The working mechanism of fluorescence temperature measurement is based on the fundamental physical phenomenon of photoluminescence. The so-called photoluminescence is a phenomenon of light emission, which refers to the emission of light when a material is excited by ultraviolet, visible, or infrared light. Dans les capteurs de température à fibre optique, the fluorescence characteristics of certain substances are utilized, and the intensity or lifetime of fluorescence changes when the temperature changes. Measure temperature by detecting changes in these fluorescence parameters. Par exemple, Mississippi State University in the United States uses a commercial epoxy adhesive as a temperature indicator (PAHs). PAHs emit fluorescence when excited by ultraviolet light, et l'intensité de la fluorescence diminue à mesure que la température autour de l'adhésif époxy augmente. En détectant les changements d'intensité de fluorescence, températures dans la plage de 20 ℃ à 100 ℃ peut être mesuré.
Caractéristiques des scénarios d'application: Cette technologie est plus adaptée dans certains scénarios où une précision de mesure de température élevée est requise et où l'environnement est relativement stable.. Par exemple, surveillance de la température dans des environnements de culture cellulaire dans le domaine biomédical, ou mesure de la température dans l'étude des performances de dissipation thermique de certains petits appareils électroniques. En raison de la sensibilité des caractéristiques de fluorescence aux changements de température et de la capacité de s'adapter à différentes plages de mesure de température en sélectionnant des matériaux fluorescents appropriés, des résultats précis de mesure de température peuvent être fournis dans ces scénarios. Entre-temps, par rapport à d'autres technologies, La technologie de détection de température par fibre optique à rayonnement fluorescent peut avoir une taille d'appareil plus petite, ce qui facilite son utilisation dans des environnements avec un espace limité.

3、 Scénarios d'application de mesure de température par fibre optique

Secteur industriel
Système d'alimentation: Dans les centrales électriques, des capteurs de température à fibre optique peuvent être utilisés pour surveiller la température des équipements de production d'électricité tels que les générateurs, transformateurs, etc.. Par exemple, dans les transformateurs, des capteurs de température à fibre optique peuvent surveiller la température de l'huile à l'intérieur du transformateur et la température des composants clés en temps réel, ce qui permet de détecter rapidement les problèmes potentiels de surchauffe et de prévenir les accidents graves tels que les dommages matériels ou même les incendies causés par une surchauffe. De plus, les capteurs à fibre optique ont la caractéristique de résister aux interférences électromagnétiques et peuvent fonctionner de manière stable dans des environnements électromagnétiques forts tels que les systèmes électriques. Dans les lignes de transport à haute tension, des capteurs de température à fibre optique peuvent surveiller la température de la ligne en temps réel. Lorsque la ligne subit une augmentation anormale de la température en raison d'une surcharge ou d'autres raisons, ils peuvent fournir des avertissements en temps opportun pour garantir le fonctionnement sûr de la ligne de transport.
Industrie pétrochimique: Les capteurs de température à fibre optique jouent un rôle important dans l'extraction, transport, et stockage du pétrole. Dans les puits de pétrole, il peut être utilisé pour surveiller la température du fond de trou, comprendre la distribution de la température du réservoir, et fournir un support de données pour l’extraction pétrolière. En termes d'oléoducs, des capteurs de température à fibre optique peuvent être installés le long du pipeline pour surveiller la température en temps réel. Une fois qu'une température anormale est détectée en raison de fuites ou de facteurs environnementaux externes (comme l'impact de la fonte du pergélisol sur le pipeline), des mesures peuvent être prises en temps opportun pour prévenir des accidents tels que des marées noires. La surveillance de la température de l'huile à l'intérieur du réservoir d'huile pendant le stockage permet de garantir la qualité et le stockage sûr de l'huile..
Industrie manufacturière: Dans le processus de fabrication de grandes machines, comme les moteurs d'automobiles, moteurs d'aviation, etc., des capteurs de température à fibre optique peuvent être utilisés pour surveiller la température pendant le processus de production. Par exemple, la surveillance de la température du moule pendant le processus de coulée du moteur peut optimiser le processus de coulée et améliorer la qualité du produit. La surveillance de la température de l'outil pendant le traitement mécanique peut ajuster les paramètres de coupe en temps opportun et prolonger la durée de vie de l'outil.. En outre, la surveillance de la température des composants clés peut aider à garantir la précision de l'assemblage dans certains processus d'assemblage mécanique de haute précision.
Domaine médical
Surveillance de la température interne du corps humain: Les capteurs de température à fibre optique peuvent être transformés en minuscules sondes pour mesurer la température interne du corps humain. Par exemple, dans certaines chirurgies mini-invasives, des capteurs de température à fibre optique peuvent être insérés dans le corps humain via un cathéter pour surveiller la température autour du site chirurgical en temps réel, éviter les dommages tissulaires causés par les dommages thermiques pendant la chirurgie. Pendant le processus d'hyperthermie tumorale, les capteurs de température à fibre optique peuvent mesurer avec précision la température à l'intérieur du tissu tumoral, s'assurer que la température de l'hyperthermie se situe dans la plage de traitement efficace tout en évitant les dommages causés par la surchauffe aux tissus normaux environnants.
Surveillance de la température des équipements médicaux: Dans certains dispositifs médicaux, comme l'imagerie par résonance magnétique (IRM) équipement, Appareils à rayons X, etc., des capteurs de température à fibre optique peuvent être utilisés pour surveiller la température des composants clés à l'intérieur de l'équipement. En raison de la grande quantité de chaleur générée par ces appareils pendant le fonctionnement, si la température des composants est trop élevée, cela peut affecter les performances de l'équipement ou même provoquer une panne de l'équipement. Grâce à une surveillance en temps réel par des capteurs de température à fibre optique, timely heat dissipation measures can be taken to ensure the normal operation of the equipment.
Environmental protection field
Atmospheric temperature monitoring: In meteorological research, fiber optic temperature sensors can be used for measuring atmospheric temperature. Compared with traditional meteorological temperature measurement equipment, fiber optic temperature sensors have the characteristics of anti electromagnetic interference and high accuracy. Fiber optic sensors can be installed on meteorological towers or balloons to measure atmospheric temperature at different heights, providing more accurate data for meteorological research, weather forecasting, et d'autres applications.
Water temperature monitoring: In water environment monitoring, fiber optic temperature sensors can be used to measure the temperature of water bodies such as rivers, lakes, and oceans. Grâce à la surveillance à long terme de la température de l'eau, les changements dans l’environnement thermique des masses d’eau peuvent être compris, ce qui est d'une grande importance pour étudier l'impact des écosystèmes aquatiques et du changement climatique sur les masses d'eau. Par exemple, dans certains grands lacs, en disposant des capteurs de température à fibre optique à différentes profondeurs et emplacements, une carte de répartition de la température de l'eau de l'ensemble du lac peut être établie pour analyser l'impact de la stratification de la température de l'eau sur l'écosystème du lac.
Surveillance de la température du sol: Dans la recherche agricole et écologique, des capteurs de température à fibre optique peuvent être utilisés pour surveiller la température du sol. La température du sol a un impact significatif sur la croissance et le développement des plantes. En surveillant la température du sol, des orientations peuvent être fournies pour la production agricole, comme déterminer le moment optimal de semis, temps d'arrosage, etc.. Dans la recherche écologique, les changements de température du sol peuvent également affecter l’activité des micro-organismes du sol et la conversion des éléments nutritifs du sol. Les capteurs de température à fibre optique peuvent fournir des données de température précises pour ces études.
Autres domaines spéciaux
Dans le domaine aérospatial, des capteurs de température à fibre optique peuvent être utilisés pour surveiller la température des composants à haute température à l'intérieur des moteurs d'avion pendant les tests et le fonctionnement, assurer le fonctionnement sûr du moteur dans des conditions extrêmes telles que des températures et des pressions élevées. Dans un vaisseau spatial, des capteurs de température à fibre optique peuvent être utilisés pour surveiller les changements de température à l'extérieur du vaisseau spatial, ce qui est crucial pour protéger les équipements et instruments internes des fluctuations extrêmes de température. Entre-temps, in the development process of aerospace materials, les capteurs de température à fibre optique peuvent également être utilisés pour tester les performances des matériaux dans différentes conditions de température.
Domaine militaire: Dans les équipements militaires tels que les chars, missiles, etc., des capteurs de température à fibre optique peuvent être utilisés pour surveiller la température des composants clés à l'intérieur de l'équipement. Pendant le processus de lancement de missiles, des capteurs de température à fibre optique peuvent surveiller la température des moteurs de missiles et d'autres composants en temps réel, assurer le lancement et le vol normaux des missiles. Dans la construction et l'entretien d'installations militaires, des capteurs de température à fibre optique peuvent être utilisés pour surveiller la température ambiante, assurer la sécurité et la stabilité des installations militaires.

4、 Facteurs affectant la précision de la mesure de la température par fibre optique

Facteurs liés aux caractéristiques inhérentes aux fibres optiques
Matériaux à fibres optiques: Différents matériaux de fibres optiques ont différents coefficients de dilatation thermique et propriétés optiques, which can affect the accuracy of temperature measurement. Par exemple, certain special fiber optic materials may experience significant refractive index changes when subjected to temperature fluctuations, while others remain relatively stable. If inappropriate fiber optic materials are selected in high-precision temperature measurement scenarios, it may lead to significant deviations in measurement results.
Fiber length: Temperature changes can cause changes in fiber length. According to the principle of thermal expansion and contraction, when the temperature changes by 1 ℃, the change in length of single-mode fiber per kilometer may not differ significantly. Cependant, in long-distance fiber temperature measurement, the accumulation of these small length changes may affect measurement accuracy. Par exemple, dans les systèmes de mesure de température à fibre optique distribués longue distance, si les changements de longueur des fibres dus aux variations de température ne peuvent pas être compensés avec précision, cela peut conduire à une mauvaise appréciation de la température.
La variation de l'indice de réfraction des fibres optiques: L'indice de réfraction des fibres optiques varie avec la température, qui affecte les caractéristiques de propagation de la lumière dans les fibres optiques, comme la phase et la vitesse de propagation de la lumière. Lorsque l'indice de réfraction des fibres optiques change en raison des fluctuations de température, les capteurs à fibre optique qui mesurent la température en fonction des changements de phase ou du temps de propagation de la lumière seront affectés, réduisant ainsi la précision des mesures.
Facteurs environnementaux externes
La complexité des changements de température environnementale: La température ambiante elle-même peut être inégale, avec des gradients de température ou des fluctuations rapides de température. Dans un environnement de température aussi complexe, les capteurs à fibre optique peuvent ne pas refléter avec précision la véritable situation de température. Par exemple, dans des environnements extérieurs, il y a une grande différence de température entre le jour et la nuit, et la lumière directe du soleil pendant la journée peut provoquer une augmentation de la température locale du câble à fibre optique., tandis que la nuit, il diminuera rapidement. Ce changement fréquent de température posera un défi à la mesure. De plus, la température ambiante peut également être affectée par des facteurs tels que le flux d'air et l'humidité, augmentant encore la complexité de la mesure de la température.
Sources d'interférences externes: Dans certains scénarios d'application spéciaux, la présence de sources d'interférences externes peut affecter la précision de la mesure de la température par fibre optique. Par exemple, in industrial environments, there are factors such as strong electromagnetic fields, vibration, and chemical corrosion. Strong electromagnetic fields may interfere with the transmission of optical signals in fiber optic sensors, conduisant à des erreurs de mesure; Vibration may cause slight bending or displacement of optical fibers, affecting the propagation path of light and thus affecting measurement accuracy; Chemical corrosion may damage the surface of optical fibers or alter their optical properties, reducing the performance of sensors.
Factors related to sensor devices
Light source stability: For fiber optic temperature sensors, the stability of the light source is crucial. If the intensity or wavelength of the light source fluctuates, it will affect the accuracy of sensors that measure temperature based on changes in light intensity or wavelength. Par exemple, in fiber Bragg grating temperature sensors, la fluctuation de la source lumineuse peut conduire à des signaux de mesure inexacts car le signal de détection est modulé en longueur d'onde, et l'instabilité de la source lumineuse peut provoquer des écarts de mesure de longueur d'onde.
Performances du photodétecteur: La sensibilité, résolution de longueur d'onde, et d'autres indicateurs de performance du photodétecteur affecteront la précision de la mesure. Si la sensibilité du photodétecteur est insuffisante, il se peut qu'il ne soit pas en mesure de détecter avec précision de faibles changements dans le signal lumineux, affectant ainsi la mesure de la température. Par exemple, dans les capteurs de température à fibre optique basés sur le rayonnement fluorescent, il est nécessaire de détecter de petits changements dans l'intensité ou la durée de vie de la fluorescence. Si la sensibilité du photodétecteur n'est pas suffisante, ces changements ne peuvent pas être obtenus avec précision, conduisant à des erreurs de mesure de la température. Entre-temps, la résolution en longueur d'onde du photodétecteur n'est pas élevée, ce qui peut également réduire la précision des mesures lors de la mesure de capteurs de température à fibre optique en fonction des changements de longueur d'onde.
Conditionnement et installation de capteurs: Le matériau d'emballage et la structure des capteurs peuvent affecter la conduction de la chaleur et la vitesse de réponse des capteurs à la température.. Si la conductivité thermique du matériau d'emballage est mauvaise, cela entraînera un retard du capteur en réponse aux changements de température, affectant ainsi la précision des mesures. Pendant le processus d'installation, s'il y a un mauvais contact entre le capteur et l'objet mesuré, ou si la position d'installation n'est pas raisonnable, les résultats de mesure peuvent ne pas refléter avec précision la vraie température de l'objet mesuré. Par exemple, lors de la mesure de la température des puces de petits appareils électroniques, if the fiber optic temperature sensor is not installed in close contact with the chip, it may measure the temperature of the surrounding environment instead of the actual temperature of the chip.

5、 Equipment types for fiber optic temperature measurement

Component type fiber optic temperature sensor
Working principle and characteristics: Component based fiber optic temperature sensors use the characteristics of the fiber itself to sense temperature changes and measure them. Par exemple, en utilisant un capteur qui modifie l'amplitude de la lumière avec la température, the core diameter and refractive index of the optical fiber change with temperature, provoquant la diffusion de la lumière se propageant dans la fibre vers l'extérieur en raison de chemins inégaux, entraînant des changements dans l’amplitude de la lumière; Using a sensor that rotates the polarization surface of a single-mode fiber, the polarization surface of the fiber rotates with temperature, and the amplitude change is obtained through a polarizer; By using a sensor that detects changes in optical phase, la longueur, indice de réfraction, and core diameter of a single-mode fiber vary with temperature, causing a phase change in the light propagating in the fiber. Ce changement de phase est ensuite mesuré par un interféromètre pour obtenir des changements d'amplitude. L'avantage des capteurs de température à fibre optique de type composant est qu'ils utilisent directement les caractéristiques de la fibre elle-même et ont une sensibilité élevée.. Cependant, son inconvénient est qu'il nécessite une qualité et des performances élevées de la fibre optique, et nécessite des instruments et une technologie plus précis pour garantir l'exactitude des mesures pendant la fabrication et l'utilisation..
Application scenario: Il est plus adapté aux scénarios de surveillance de la température dans les recherches en laboratoire ou aux équipements d'instruments de précision haut de gamme qui nécessitent une précision de mesure de température extrêmement élevée et des environnements de mesure relativement stables.. Par exemple, surveillance de la température à l'intérieur d'instruments optiques de haute précision, ou mesure précise de petits changements de température dans des expériences physiques et chimiques.