Hoe glasvezeltemperatuurmeting te gebruiken? Wat houdt glasvezeltemperatuurmeting in -INNO

1、 Het principe van glasvezel temperatuurmeting

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

Principle of optical amplitude variation: In component type fiber optic temperature sensors, there is a situation where the optical amplitude varies with temperature. Wanneer de temperatuur verandert, 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. Bijvoorbeeld, 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: Het polarisatievlak van een single-mode vezel roteert met de temperatuur, and the amplitude change can be obtained through a polarizer. Sensors based on this principle are of great significance in specific optical research or measurement scenarios sensitive to polarization rotation. Bijvoorbeeld, when studying the relationship between certain optical materials and temperature, this sensor can be used to accurately obtain the effect of temperature on the rotation of the polarization surface.
Principle of optical phase change: When the length, brekingsindex, and core diameter of a single-mode fiber change with temperature, the light propagating in the fiber will undergo a phase change. This phase change can be obtained by an interferometer to measure the amplitude change. Bijvoorbeeld, in a Mach Zehnder interferometer, light from a signal fiber is mixed with a stable reference beam. Due to the influence of temperature on the signal fiber, the phase of the propagating optical signal changes, causing interference between the two light columns. Daarom, the change in phase can be detected to reflect the temperature change. In some environments that require extremely high temperature measurement accuracy, such as temperature monitoring in some precision instruments in aerospace, this measurement principle based on optical phase change can play an important role.
Based on the principle of spectral variation: the absorption spectrum of some substances changes with temperature, and real-time temperature can be understood by analyzing the spectrum transmitted by optical fibers. This principle is widely used in fiber optic temperature sensors, Bijvoorbeeld, in fiber optic fluorescence temperature sensors, de uitgezonden fluorescentieparameters hebben een één-op-één overeenkomst met de temperatuur, en de vereiste temperatuur kan worden verkregen door de fluorescentie-intensiteit of fluorescentielevensduur ervan te detecteren. Sommige nieuwe typen glasvezeltemperatuursensoren maken ook gebruik van de thermische gevoeligheid en het Bragg-roostereffect van optische vezels. Gebaseerd op het principe dat de gereflecteerde golflengte van Bragg-vezel Bragg-roosters zal verschuiven met de temperatuur, Er worden glasvezelroostertemperatuursensoren gemaakt. Het detectiesignaal is golflengtegemoduleerd, en het meetsignaal wordt niet beïnvloed door factoren zoals lichtbronfluctuaties, buigverliezen van vezels, connection losses, and detector aging.
Gebaseerd op het principe van stralingsenergiegeleiding: Voor straling (infrarood) glasvezel temperatuursensoren, het maakt voornamelijk gebruik van de koppelings- en transmissiekarakteristieken van optische vezels om de oppervlaktestralingsenergie van het gemeten object te geleiden (which is related to the surface temperature of the measured object) naar de fotodetector en zet deze om in elektrische output. Dit type sensor is zeer praktisch in sommige contactloze scenario's voor temperatuurmeting, zoals het meten van de temperatuur buiten een hogetemperatuuroven, en kan informatie over de oppervlaktetemperatuur verkrijgen zonder direct contact met objecten met een hoge temperatuur.
Gebaseerd op het principe van halfgeleiderabsorptiekarakteristieken: In een halfgeleiderabsorptietype glasvezel temperatuursensor, een gesneden optische vezel wordt geïnstalleerd in een dunne stalen buis, en een halfgeleider temperatuurgevoelige dunne film (such as GaAs or InP) zit ingeklemd tussen de twee uiteinden van de vezel. The transmitted light intensity of this semiconductor temperature sensing thin film varies with the measured temperature. When a constant light intensity is input at one end of the optical fiber, the transmission ability of the semiconductor temperature sensing thin film changes with temperature, and the light intensity received by the receiving element at the other end of the optical fiber also changes with the measured temperature. Daarom, door het meten van de uitgangsspanning van het ontvangende element, the temperature at the sensor position can be remotely measured. In some scenarios where temperature monitoring is required for small devices or specific areas, this sensor can leverage its advantages of being compact and accurate in measurement.

2、 Technical methods for fiber optic temperature measurement

Point temperature measurement
Principle and operation: Deploy a single temperature probe in certain key areas of the system for measurement. This method is suitable for precise temperature measurement of specific points, such as temperature monitoring of a key chip in electronic devices, or temperature measurement of a specific point in a cell culture environment in biomedical research. It can provide very accurate local temperature information by placing the fiber optic probe at the target location and utilizing the optical properties of the fiber optic to obtain temperature data at that point.
Kenmerken van toepassingsscenario's: In sommige apparaten of experimentele scenario's die zeer gevoelig zijn voor lokale temperatuurveranderingen, punttemperatuurmeting is essentieel. Bijvoorbeeld, in ultra-precieze optische instrumenten, temperatuurveranderingen in een klein onderdeel kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de algehele prestaties van het instrument. Met punttemperatuurmeting kan de temperatuur van dit onderdeel nauwkeurig worden bewaakt, het bieden van een garantie voor de stabiele werking van het instrument. Bovendien, deze meetmethode is relatief eenvoudig en kosteneffectief, waardoor het zeer praktisch is voor situaties waarin slechts een paar specifieke temperatuurpunten moeten worden bewaakt.
Quasi gedistribueerde meting
Principle and operation: Door temperatuurmetingen op één punt in serie te verbinden langs de richting van de vezelvoortplanting kan een quasi gedistribueerde meting worden gevormd die temperatuurdetectie op meerdere punten omvat. Bij de productie van energiesystemen, het is noodzakelijk om de temperatuurgradiëntveldverdeling in het luchtruim te meten, en deze technologie kan effectief zijn. Het kan temperatuurmetingen op meerdere punten uitvoeren door meerdere meetpunten in serie op één optische vezel aan te sluiten, gebruikmakend van de transmissie- en temperatuurgevoeligheidskarakteristieken van de vezel. Elk meetpunt kan onafhankelijk temperatuurveranderingen weerspiegelen en deze temperatuurinformatie doorgeven aan bewakingsapparatuur voor gecentraliseerde verwerking via optische vezels.
Kenmerken van toepassingsscenario's: In grote energievoorzieningen zoals onderstations, hoogspanningstransmissielijnen, enz., temperature monitoring of multiple key parts is required. Quasi distributed measurement can achieve temperature monitoring of multiple points on a single optical fiber, reducing the complexity and cost of wiring. Tegelijkertijd, in some large industrial equipment or building structures, such as large boilers, bruggen, enz., quasi distributed measurement technology can also be used to monitor the temperature at different locations, in order to timely detect potential temperature anomalies and prevent accidents.
Fully distributed measurement
Principle and operation: Fiber optics can serve as both a channel for optical signal transmission and a temperature sensitive material for conducting temperature changes. De gedistribueerde glasvezel temperature measurement system can be achieved by deploying a monitoring device and a sensing fiber. The monitoring cost per unit fiber length decreases with the increase of sensing distance, wat momenteel een veelbelovende technische oplossing voor temperatuurmeting is. Het is gebaseerd op het principe van optische tijddomeinreflectometrie (OTDR) of optical fibers and the Raman scattering effect of optical fibers. By analyzing the backward Raman scattering light in the optical fiber, it obtains temperature distribution information along the fiber. Laser pulses interact with fiber molecules, resulting in various scattering phenomena such as Rayleigh scattering, Brillouin-verstrooiing, and Raman scattering. The intensity of Raman scattering light is temperature dependent, and the temperature distribution along the fiber can be obtained by measuring the intensity changes of Raman scattering light.
Kenmerken van toepassingsscenario's: In some scenarios that require temperature monitoring of a large area, such as long-distance oil pipelines, large storage facilities, enz., fully distributed measurement can use one optical fiber to achieve temperature monitoring of the entire area. It can provide accurate and continuous temperature data in real time, detect small temperature changes, and achieve real-time and fast multi-point measurement of spatial temperature distribution over a large range and long distance. Dit is van groot belang voor het veilig exploiteren van pijpleidingen, het voorkomen van branden, en het sterk verminderen van de monitoringkosten en complexiteit.
Glasvezeltemperatuurdetectietechnologie op basis van fluorescerende straling
Principe en werking: Het werkingsmechanisme van fluorescentietemperatuurmeting is gebaseerd op het fundamentele fysieke fenomeen fotoluminescentie. De zogenaamde fotoluminescentie is een fenomeen van lichtemissie, wat verwijst naar de emissie van licht wanneer een materiaal wordt geëxciteerd door ultraviolet, zichtbaar, or infrared light. In fiber optic temperature sensors, er wordt gebruik gemaakt van de fluorescentie-eigenschappen van bepaalde stoffen, en de intensiteit of levensduur van fluorescentie verandert wanneer de temperatuur verandert. Meet de temperatuur door veranderingen in deze fluorescentieparameters te detecteren. Bijvoorbeeld, De Mississippi State University in de Verenigde Staten gebruikt een commerciële epoxylijm als temperatuurindicator (PAK's). PAK's zenden fluorescentie uit wanneer ze worden geëxciteerd door ultraviolet licht, en de intensiteit van de fluorescentie neemt af naarmate de temperatuur rond de epoxykleefstof toeneemt. Door veranderingen in de fluorescentie-intensiteit te detecteren, temperaturen binnen het bereik van 20 ℃ tot 100 ℃ kan worden gemeten.
Kenmerken van toepassingsscenario's: Deze technologie is geschikter in sommige scenario's waarin een hoge temperatuurmeetnauwkeurigheid vereist is en de omgeving relatief stabiel is. Bijvoorbeeld, temperatuurmonitoring in celkweekomgevingen op biomedisch gebied, of temperatuurmeting bij de studie van de warmteafvoerprestaties van sommige kleine elektronische apparaten. Vanwege de gevoeligheid van fluorescentie-eigenschappen voor temperatuurveranderingen en het vermogen om zich aan te passen aan verschillende temperatuurmeetbereiken door geschikte fluorescerende materialen te selecteren, In deze scenario's kunnen nauwkeurige temperatuurmeetresultaten worden geleverd. In de tussentijd, compared to other technologies, fluorescentiestraling glasvezel temperatuurdetectietechnologie kan een kleiner apparaatformaat hebben, waardoor het gemakkelijker te gebruiken is in omgevingen met beperkte ruimte.

3、 Toepassingsscenario's van glasvezeltemperatuurmeting

Industriële sector
Voedingssysteem: Bij elektriciteitscentrales, glasvezeltemperatuursensoren kunnen worden gebruikt om de temperatuur van apparatuur voor energieopwekking, zoals generatoren, te bewaken, transformatoren, enz. Bijvoorbeeld, in transformers, glasvezeltemperatuursensoren kunnen de olietemperatuur in de transformator en de temperatuur van belangrijke componenten in realtime bewaken, which helps to detect potential overheating problems in a timely manner and prevent serious accidents such as equipment damage or even fires caused by overheating. Bovendien, fiber optic sensors have the characteristic of resisting electromagnetic interference and can work stably in strong electromagnetic environments such as power systems. In high-voltage transmission lines, fiber optic temperature sensors can monitor the temperature of the line in real time. When the line experiences abnormal temperature rise due to overload or other reasons, they can provide timely warnings to ensure the safe operation of the transmission line.
Petrochemical industry: Fiber optic temperature sensors play an important role in the extraction, vervoer, and storage of petroleum. In oil wells, it can be used to monitor downhole temperature, understand the distribution of reservoir temperature, and provide data support for oil extraction. In terms of oil pipelines, fiber optic temperature sensors can be installed along the pipeline to monitor the temperature in real time. Once abnormal temperature is detected due to leaks or external environmental factors (such as the impact of permafrost melting on the pipeline), measures can be taken in a timely manner to prevent accidents such as oil spills. Monitoring the oil temperature inside the oil tank during storage helps ensure the quality and safe storage of the oil.
Manufacturing industry: In the manufacturing process of large machinery, such as automobile engines, aviation engines, enz., fiber optic temperature sensors can be used to monitor the temperature during the production process. Bijvoorbeeld, monitoring the mold temperature during the engine casting process can optimize the casting process and improve product quality. Monitoring tool temperature during mechanical processing can adjust cutting parameters in a timely manner and extend tool life. In aanvulling, temperature monitoring of key components can help ensure assembly accuracy in some high-precision mechanical assembly processes.
Medisch gebied
Internal temperature monitoring of the human body: Fiber optic temperature sensors can be made into tiny probes for measuring the internal temperature of the human body. Bijvoorbeeld, in some minimally invasive surgeries, fiber optic temperature sensors can be inserted into the human body through a catheter to monitor the temperature around the surgical site in real time, avoiding tissue damage caused by thermal damage during the surgery. Tijdens het proces van tumorhyperthermie, glasvezeltemperatuursensoren kunnen de temperatuur in het tumorweefsel nauwkeurig meten, ervoor te zorgen dat de temperatuur van de hyperthermie binnen het effectieve behandelingsbereik ligt, terwijl schade door oververhitting aan omliggende normale weefsels wordt vermeden.
Temperatuurbewaking van medische apparatuur: In sommige medische apparaten, zoals magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) apparatuur, Röntgenmachines, enz., glasvezeltemperatuursensoren kunnen worden gebruikt om de temperatuur van belangrijke componenten in de apparatuur te bewaken. Vanwege de grote hoeveelheid warmte die deze apparaten tijdens bedrijf genereren, als de temperatuur van de componenten te hoog is, het kan de prestaties van de apparatuur beïnvloeden of zelfs defecten aan de apparatuur veroorzaken. Door realtime monitoring door glasvezeltemperatuursensoren, 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, and other 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. Through long-term monitoring of water temperature, changes in the thermal environment of water bodies can be understood, which is of great significance for studying the impact of water ecosystems and climate change on water bodies. Bijvoorbeeld, in some large lakes, by arranging fiber optic temperature sensors at different depths and locations, a water temperature distribution map of the entire lake can be drawn to analyze the impact of water temperature stratification on the lake ecosystem.
Soil temperature monitoring: In agricultural and ecological research, fiber optic temperature sensors can be used to monitor soil temperature. Soil temperature has a significant impact on the growth and development of plants. By monitoring soil temperature, guidance can be provided for agricultural production, such as determining the optimal sowing time, irrigation time, enz. In ecological research, changes in soil temperature can also affect the activity of soil microorganisms and the conversion of nutrients in the soil. Fiber optic temperature sensors can provide accurate temperature data for these studies.
Other special fields
In the aerospace field, fiber optic temperature sensors can be used to monitor the temperature of high-temperature components inside aircraft engines during testing and operation, ensuring the safe operation of the engine under extreme conditions such as high temperature and high pressure. In spacecraft, fiber optic temperature sensors can be used to monitor temperature changes outside the spacecraft, which is crucial for protecting internal equipment and instruments from extreme temperature fluctuations. In de tussentijd, in the development process of aerospace materials, fiber optic temperature sensors can also be used to test the performance of materials under different temperature conditions.
Military field: In military equipment such as tanks, missiles, enz., glasvezeltemperatuursensoren kunnen worden gebruikt om de temperatuur van belangrijke componenten in de apparatuur te bewaken. During the launch process of missiles, fiber optic temperature sensors can monitor the temperature of missile engines and other components in real time, ensuring the normal launch and flight of missiles. In the construction and maintenance of military facilities, fiber optic temperature sensors can be used to monitor environmental temperature, ensuring the safety and stability of military facilities.

4、 Factors affecting the accuracy of fiber optic temperature measurement

Factors related to the inherent characteristics of optical fibers
Fiber optic materials: Different fiber optic materials have different coefficients of thermal expansion and optical properties, which can affect the accuracy of temperature measurement. Bijvoorbeeld, 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. Echter, in long-distance fiber temperature measurement, de opeenstapeling van deze kleine lengteveranderingen kan de meetnauwkeurigheid beïnvloeden. Bijvoorbeeld, in gedistribueerde glasvezeltemperatuurmeetsystemen over lange afstanden, als de veranderingen in de vezellengte als gevolg van temperatuurschommelingen niet nauwkeurig kunnen worden gecompenseerd, dit kan leiden tot een verkeerde inschatting van de temperatuur.
De brekingsindexvariatie van optische vezels: De brekingsindex van optische vezels varieert met de temperatuur, die de voortplantingskarakteristieken van licht in optische vezels beïnvloedt, zoals de fase en voortplantingssnelheid van licht. Wanneer de brekingsindex van optische vezels verandert als gevolg van temperatuurschommelingen, Glasvezelsensoren die de temperatuur meten op basis van faseveranderingen of lichtvoortplantingstijd zullen worden beïnvloed, waardoor de meetnauwkeurigheid afneemt.
Externe omgevingsfactoren
De complexiteit van omgevingstemperatuurveranderingen: De omgevingstemperatuur zelf kan ongelijkmatig zijn, met temperatuurgradiënten of snelle temperatuurschommelingen. In zo'n complexe temperatuuromgeving, glasvezelsensoren geven mogelijk niet nauwkeurig de werkelijke temperatuursituatie weer. Bijvoorbeeld, in buitenomgevingen, er is een groot temperatuurverschil tussen dag en nacht, en direct zonlicht overdag kan ervoor zorgen dat de plaatselijke temperatuur van de glasvezelkabel stijgt, terwijl het 's nachts snel zal afnemen. Deze frequente temperatuurverandering zal een uitdaging voor de meting vormen. Bovendien, de omgevingstemperatuur kan ook worden beïnvloed door factoren zoals luchtstroom en vochtigheid, het verder vergroten van de complexiteit van temperatuurmetingen.
Externe interferentiebronnen: In sommige speciale toepassingsscenario's, de aanwezigheid van externe interferentiebronnen kan de nauwkeurigheid van de glasvezeltemperatuurmeting beïnvloeden. Bijvoorbeeld, in industriële omgevingen, er zijn factoren zoals sterke elektromagnetische velden, trillingen, en chemische corrosie. Sterke elektromagnetische velden kunnen de overdracht van optische signalen in glasvezelsensoren verstoren, wat tot meetfouten leidt; Trillingen kunnen een lichte buiging of verplaatsing van optische vezels veroorzaken, het voortplantingspad van licht beïnvloeden en daarmee de meetnauwkeurigheid beïnvloeden; Chemische corrosie kan het oppervlak van optische vezels beschadigen of hun optische eigenschappen veranderen, het verminderen van de prestaties van sensoren.
Factoren die verband houden met sensorapparaten
Stabiliteit van de lichtbron: Voor glasvezeltemperatuursensoren, de stabiliteit van de lichtbron is cruciaal. Als de intensiteit of golflengte van de lichtbron fluctueert, it will affect the accuracy of sensors that measure temperature based on changes in light intensity or wavelength. Bijvoorbeeld, in fiber Bragg grating temperature sensors, the fluctuation of the light source may lead to inaccurate measurement signals because the sensing signal is wavelength modulated, and the instability of the light source can cause wavelength measurement deviations.
Performance of photodetector: The sensitivity, wavelength resolution, and other performance indicators of the photodetector will affect the measurement accuracy. If the sensitivity of the photodetector is insufficient, it may not be able to accurately detect weak changes in the light signal, thereby affecting temperature measurement. Bijvoorbeeld, in fiber optic temperature sensors based on fluorescence radiation, het is noodzakelijk om kleine veranderingen in fluorescentie-intensiteit of levensduur te detecteren. Als de gevoeligheid van de fotodetector niet voldoende is, deze veranderingen kunnen niet nauwkeurig worden verkregen, wat leidt tot temperatuurmeetfouten. In de tussentijd, de golflengteresolutie van de fotodetector is niet hoog, wat ook de meetnauwkeurigheid kan verminderen bij het meten van glasvezeltemperatuursensoren op basis van golflengteveranderingen.
Verpakking en installatie van sensoren: Het verpakkingsmateriaal en de structuur van sensoren kunnen de warmtegeleiding en de reactiesnelheid van sensoren op temperatuur beïnvloeden. Als de thermische geleidbaarheid van het verpakkingsmateriaal slecht is, het zal ervoor zorgen dat de sensor achterblijft als reactie op temperatuurveranderingen, waardoor de meetnauwkeurigheid wordt beïnvloed. Tijdens het installatieproces, als er slecht contact is tussen de sensor en het te meten object, of als de installatiepositie niet redelijk is, de meetresultaten geven mogelijk niet nauwkeurig de werkelijke temperatuur van het te meten object weer. Bijvoorbeeld, bij het meten van de temperatuur van kleine elektronische apparaatchips, als de glasvezeltemperatuursensor niet in nauw contact met de chip is geïnstalleerd, het kan de temperatuur van de omgeving meten in plaats van de werkelijke temperatuur van de chip.

5、 Apparatuurtypes voor glasvezeltemperatuurmeting

Componenttype glasvezeltemperatuursensor
Werkingsprincipe en kenmerken: Op componenten gebaseerde glasvezeltemperatuursensoren gebruiken de eigenschappen van de vezel zelf om temperatuurveranderingen waar te nemen en te meten. Bijvoorbeeld, using a sensor that changes the amplitude of light with temperature, de kerndiameter en brekingsindex van de optische vezel veranderen met de temperatuur, causing the light propagating in the fiber to scatter outward due to uneven paths, resulting in changes in light amplitude; Met behulp van een sensor die het polarisatieoppervlak van een single-mode vezel roteert, het polarisatieoppervlak van de vezel roteert met de temperatuur, en de amplitudeverandering wordt verkregen via een polarisator; Door een sensor te gebruiken die veranderingen in de optische fase detecteert, the length, brekingsindex, en kerndiameter van een single-mode vezel variëren met de temperatuur, waardoor een faseverandering ontstaat in het licht dat zich in de vezel voortplant. Deze faseverandering wordt vervolgens gemeten door een interferometer om amplitudeveranderingen te verkrijgen. Het voordeel van optische temperatuursensoren van het componenttype is dat ze direct gebruik maken van de eigenschappen van de vezel zelf en een hoge gevoeligheid hebben. Echter, het nadeel is dat het een hoge kwaliteit en prestatie van de optische vezel vereist, en vereist nauwkeurigere instrumenten en technologie om de meetnauwkeurigheid tijdens productie en gebruik te garanderen.
Toepassingsscenario: Het is meer geschikt voor temperatuurbewakingsscenario's in laboratoriumonderzoek of hoogwaardige precisie-instrumentapparatuur die extreem hoge temperatuurmeetnauwkeurigheid en relatief stabiele meetomgevingen vereisen. Bijvoorbeeld, temperatuurbewaking in optische instrumenten met hoge precisie, of nauwkeurige meting van kleine temperatuurveranderingen in fysische en chemische experimenten.