Światłowodowy czujnik temperatury, wprowadzenie zasady. Który światłowodowy czujnik temperatury jest najlepszy-INNO

1、 Rodzaje Światłowodowe czujniki temperatury
There are various types of fiber optic temperature sensors based on different classification standards.

Component type and transmission type
Component type światłowodowy czujnik temperatury:
This type of sensor uses optical fibers as sensitive components. Na przykład, using a sensor that changes the amplitude of light with temperature, the principle is that the core diameter and refractive index of the optical fiber change with temperature, causing the light propagating in the fiber to scatter outward due to uneven paths, resulting in changes in light amplitude; There are also sensors that utilize the rotation of the polarization surface of light. The polarization surface of single-mode optical fibers rotates with temperature changes, and this rotation is detected by a polarizer to obtain amplitude changes; Ponadto, za pomocą czujników wykrywających zmiany fazy optycznej, długość, współczynnik załamania światła, i średnica rdzenia światłowodów jednomodowych zmieniają się wraz z temperaturą, powodując zmiany fazowe światła rozchodzącego się we włóknie. Tę zmianę fazy uzyskuje się za pomocą interferometru w celu pomiaru zmiany amplitudy. Wymagania dotyczące układu interferometrów w światłowodowych czujnikach temperatury typu komponentowego są bardzo rygorystyczne, a jedną z trudności jest to, że płaszczyzna polaryzacji światła rozprasza się po przejściu przez światłowód, a prążki interferencyjne mogą nie zostać zaobserwowane ze względu na ortogonalną polaryzację wiązki odniesienia i wiązki sygnału. Jednakże, jeśli referencyjna ścieżka optyczna jest stabilna, może mierzyć zmiany temperatury o ułamek stopnia Celsjusza.
Typ transmisji Światłowodowy czujnik temperatury:
Transmisyjne światłowodowe czujniki temperatury wykorzystują światłowody jako linie transmisyjne. Jednym z typów jest światłowodowy czujnik temperatury, który łączy w sobie czujnik termiczny, PROWADZONY, i światłowód; Inną metodą jest zainstalowanie wrażliwych komponentów, które przekształcają temperaturę na przepuszczalność światła i współczynnik odbicia na powierzchni czołowej światłowodu, tworząc światłowodowy czujnik temperatury. Na przykład, światłowodowy czujnik temperatury z panelem ciekłokrystalicznym zainstalowanym na czole światłowodu może mieszać trzy rodzaje ciekłych kryształów proporcjonalnie w panelu ciekłokrystalicznym. Na 10-45 °C, kolor zmienia się z zielonego na głęboki czerwony, i odbicie światła zmienia się odpowiednio. Czujniki typu transmisyjnego mogą uzyskać duży strumień świetlny w światłowodach, dlatego powszechnie stosuje się światłowody wielomodowe z dokładnością około 0.1 °C.

Other classifications based on working principles
Radiation (podczerwony) type fiber optic temperature sensor:
Composed of an optocoupler, transmission fiber, and optoelectronic converter. Mainly utilizing the coupling and transmission characteristics of optical fibers, the surface radiation energy of the measured object (which is related to the surface temperature of the measured object) is conducted to the photodetector and converted into electrical output. The optocoupler is the main component that determines the sensitivity of sensors, and its coupling efficiency is directly related to the numerical aperture of the optical fiber. To improve the sensitivity of sensors, optical fibers with larger numerical apertures should be used, but this will also affect the performance indicators of the sensor’s distance coefficient, which needs to be comprehensively considered. The main parameter of transmission optical fiber is transmittance. To improve transmittance, when the material is fixed, methods such as increasing the fiber diameter and shortening the fiber length can be adopted. Optoelectronic conversion elements generally use silicon photovoltaic cells, PbS or other detectors. When the optical fiber is directly coupled with the detector, the efficiency can reach over 85%. In addition to direct coupling, modulation disc coupling can also be used.
Semiconductor absorption type fiber optic temperature sensor:
A cut optical fiber is installed inside a thin steel pipe, with a semiconductor temperature sensing thin film (such as GaAs or InP) sandwiched between the two ends of the fiber. 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. By measuring the voltage output of the receiving element, the temperature at the sensor position can be remotely measured.
Fiber optic fluorescence temperature sensor:
By coating the end of the optical fiber with fluorescent material and measuring the decay time of fluorescence energy, the temperature value of the measured point can be obtained by utilizing the intrinsic afterglow time temperature correlation of the fluorescent material. Applicable temperature range -50-200 °C, with an accuracy of approximately ± 1 °C. Obecnie, it is mainly used for temperature measurement inside electrical equipment. It has the characteristics of small size, łatwa integracja, niezawodne działanie, przeciwdziałające zakłóceniom elektromagnetycznym, dobre właściwości izolacyjne, wygodny montaż, i elastyczne sieciowanie.
Czujnik temperatury siatki Bragga z włókna szklanego:
Utilizing the unique temperature sensitivity of gratings to monitor temperature changes, with small size, fast response speed, wysoka stabilność, wysoka dokładność, and easy networking for multi-point monitoring. The monitoring installation is convenient and can be installed on the surface or embedded in the structure to be tested for internal temperature monitoring. Suitable for long-term temperature monitoring in power plants, koleje, and oil tanks, as well as temperature measurement in fields such as electricity, wojskowy, lotniczy, itp. Na przykład, the ADCD03-51-0001 high-temperature resistant fiber Bragg grating temperature sensor has an outer diameter of no more than 5mm. Multiple sensors are connected in series on one fiber without any fusion points in between, and can measure temperatures ranging from -40 ° C do 300 °C. The length of each sensor’s sensing part does not exceed the sensor’s length, średnica, number of sensors, sensing points, and their distance from each other can be set according to user needs.
Rozproszony światłowodowy czujnik temperatury:
By using optical fibers as sensing and signal transmission media, the signal of specific scattered light in the fiber (takie jak rozpraszanie Rayleigha, Rozpraszanie Ramana, i rozpraszanie Brillouina) can be measured to reflect changes in strain or temperature of the fiber itself or the environment it is in. One fiber can achieve simultaneous measurement of hundreds or thousands of sensing points.
2、 Porównanie światłowodu fluorescencyjnego, Siatka Bragga z włókna, i rozproszone światłowód
Aspekt zasadniczy
Włókno fluorescencyjne:
Włókno fluorescencyjne składa się z substancji fluorescencyjnych i pewnych rzadkich pierwiastków domieszkowanych w rdzeniu i płaszczu. Substancje fluorescencyjne mogą absorbować światło w określonym zakresie długości fal, ekscytować się, i emitują fluorescencję w różnych kierunkach. Fluorescencja spełniająca warunek całkowitego odbicia powierzchni styku płaszcza rdzenia światłowodu w kierunku promieniowania będzie transmitowana wzdłuż osi światłowodu. Pomiar temperatury uzyskuje się poprzez pomiar czasu zaniku energii fluorescencji i wykorzystanie korelacji temperaturowej wewnętrznego czasu poświaty substancji fluorescencyjnej w celu określenia wartości temperatury mierzonego punktu.
Siatka Bragga z włókna:
Siatka Bragga z włókna (FBG) wykorzystuje wrażliwe na temperaturę właściwości struktury siatki we włóknach optycznych. Kiedy zmienia się temperatura, współczynnik załamania światła i okres siatki światłowodu ulegną zmianie, powodując zmianę długości fali światła odbitego lub przepuszczanego przez siatkę. Określ zmiany temperatury, wykrywając zmiany tej długości fali. Na przykład, kiedy zmienia się temperatura, długość fali Bragga siatki z włókien Bragga będzie się zmieniać. Monitorując ten dryf, można uzyskać informacje o zmianach temperatury.
Rozproszony światłowód:
Na podstawie efektów rozpraszania w światłowodach, takie jak rozpraszanie Rayleigha, Rozpraszanie Ramana, i rozpraszanie Brillouina. Biorąc za przykład rozpraszanie Ramana, gdy światło jest przesyłane w światłowodzie, Występuje rozpraszanie Ramana, a intensywność światła rozpraszającego Ramana jest powiązana z temperaturą. Mierząc rozkład intensywności światła rozpraszanego przez Ramana wzdłuż światłowodu, można uzyskać informacje o temperaturze w różnych miejscach wzdłuż światłowodu. Różne mechanizmy rozpraszania mają różne charakterystyki i zakresy stosowane podczas pomiaru temperatury. Rozpraszanie Brillouina jest wrażliwe zarówno na temperaturę, jak i naprężenia, i konieczne jest rozróżnienie lub kompensacja odkształcenia podczas pomiaru temperatury; Intensywność rozpraszania Rayleigha jest stosunkowo słaba, ale może dostarczyć informacji na temat utraty włókna i może być również wykorzystany jako odniesienie do pomiaru temperatury.
Pod względem właściwości użytkowych
Włókno fluorescencyjne:
Zakres i dokładność pomiaru temperatury: obowiązujący zakres temperatur -50-200 °C, with an accuracy of approximately ± 1 °C. Ten zakres temperatur może zaspokoić potrzeby pomiaru temperatury wewnętrznej wielu konwencjonalnych urządzeń przemysłowych i elektrycznych. Na przykład, w niektórych scenariuszach monitorowania temperatury wewnątrz rozdzielnic i transformatorów, jego dokładność może również spełniać wymagania dotyczące normalnego monitorowania pracy sprzętu.
Zdolność przeciwzakłóceniowa: Ma silną zdolność przeciwdziałania zakłóceniom elektromagnetycznym, ponieważ jego zasada pomiaru opiera się na charakterystyce fluorescencji i jest niezależna od sygnałów elektromagnetycznych. W niektórych środowiskach o silnym działaniu elektromagnetycznym, takich jak podstacje i w pobliżu dużych silników, może pracować stabilnie, bez wpływu zakłóceń elektromagnetycznych i wpływu na wyniki pomiarów.
Wydajność izolacji: Ze względu na fakt, że światłowody są materiałami niemetalowymi oraz połączeniem substancji fluorescencyjnych i włókien optycznych, wykazują doskonałe właściwości izolacyjne. Do monitorowania temperatury urządzeń wysokiego napięcia, nie ma potrzeby martwić się problemami z izolacją, i pomiar temperatury może być bezpiecznie przeprowadzony.
Objętość i integracja: Mały rozmiar, łatwe do zintegrowania. Ułatwia to instalację wewnątrz urządzeń o ograniczonej przestrzeni lub w wąskich przestrzeniach, takie jak scenariusze pomiarów temperatury w małych mikrośrodowiskach, które nie są łatwo dostępne, takie jak mikrorurki i wąskie szczeliny.
Siatka Bragga z włókna:
Zakres i dokładność pomiaru temperatury: Na przykład, Odporny na wysokie temperatury światłowodowy czujnik temperatury siatki Bragga ADCD03-51-0001 może mierzyć temperatury w zakresie od -40 ° C do 300 °C, i ma dobrą zdolność adaptacji w niektórych środowiskach o wysokiej lub niskiej temperaturze. Ma wysoką dokładność i może zaspokoić potrzeby scenariuszy wrażliwych na zmiany temperatury, takie jak długoterminowe scenariusze monitorowania temperatury w elektrowniach, koleje, and oil tanks. Może dokładnie monitorować zmiany temperatury i w porę wykrywać potencjalne zagrożenia bezpieczeństwa.
Stabilność i niezawodność: It has high stability and can work stably for a long time in complex industrial environments. Na przykład, in temperature monitoring of railway tracks, it is possible to provide stable and accurate temperature measurement data in the face of frequent train vibrations and temperature changes in different seasons.
Networking capability: It facilitates multi-point monitoring of networking, allowing multiple sensors to be connected in series on a single fiber optic cable without any fusion points in between. This facilitates temperature monitoring of large areas or structures, such as temperature monitoring of different locations inside large building structures. Through networking, a comprehensive understanding of the temperature distribution of the entire structure can be achieved.
Rozproszony światłowód:
Measurement range and resolution: Pojedynczy światłowód może osiągnąć jednoczesny pomiar setek lub tysięcy punktów detekcji, z dużym zakresem pomiarowym, który może monitorować temperaturę na długich liniach światłowodowych lub na dużych obszarach. Jednakże, jego rozdzielczość temperaturowa może być nieco niższa w przypadku pomiaru poszczególnych punktów, ale w niektórych scenariuszach jest bardzo odpowiedni do monitorowania ogólnego trendu rozkładu temperatury, takie jak monitorowanie rozkładu temperatury wzdłuż długodystansowych rurociągów naftowych, który może szybko wykryć, czy istnieją lokalne obszary nieprawidłowej temperatury.
Rozdzielczość przestrzenna: Może osiągnąć rozproszony pomiar wzdłuż włókien optycznych i określić konkretne miejsce zmian temperatury. Do monitorowania temperatury w niektórych dużych infrastrukturach, takich jak mosty i tunele, it is possible to accurately locate the location of temperature anomalies, which helps to timely detect structural safety hazards.
In terms of application scenarios
Włókno fluorescencyjne:
Mainly used for temperature measurement inside electrical equipment, such as switch cabinets, transformatory, itp. In these scenarios, due to the limited internal space of the equipment, strong electromagnetic interference exists, and insulation performance is required. The small size, przeciwdziałające zakłóceniom elektromagnetycznym, and good insulation properties of fluorescent optical fibers make them an ideal temperature measurement tool.
Siatka Bragga z włókna:
Suitable for long-term temperature monitoring in power plants, koleje, and oil tanks, as well as temperature measurement in fields such as electricity, wojskowy, lotniczy, itp. Temperature monitoring can be carried out on key parts of the generator set in the power station to ensure the safe operation of the power generation equipment; Temperature monitoring can be carried out on railway tracks, przełączniki, and other parts to prevent problems such as rail deformation caused by temperature changes; In oil tank monitoring, abnormal changes in oil temperature can be detected in a timely manner to avoid safety accidents.
Rozproszony światłowód:
Widely used for temperature monitoring in large structures such as bridges and tunnels, as well as long-distance pipelines such as oil and gas pipelines. Do mostów, temperature distribution of bridge structures can be monitored under different seasons and weather conditions, providing data support for bridge maintenance and safety assessment; For long-distance pipelines, the temperature along the pipeline can be monitored in real-time to prevent problems such as pipeline deformation and leakage caused by temperature changes.
3、 Advantages of Fluorescent Fiber
Silna zdolność przeciwzakłóceniowa
Fluorescent fiber optic sensors measure temperature based on the temperature dependence of the afterglow time of fluorescent substances, and their working principle is independent of electromagnetic signals. In today’s complex electromagnetic environment, na przykład w pobliżu podstacji, rozdzielnica wysokiego napięcia, and other places with strong electromagnetic fields in the power system, traditional temperature sensors based on electrical principles may be subject to electromagnetic interference, co skutkuje niedokładnymi wynikami pomiarów. Fluorescent fiber optic sensors can work stably and will not be affected by external electromagnetic field interference to accurately measure temperature. This characteristic gives it unique advantages in temperature measurement in strong electromagnetic environments such as inside electrical equipment.
Dobra wydajność izolacji
Fluorescencyjne czujniki światłowodowe składają się głównie z włókien optycznych i substancji fluorescencyjnych. Same światłowody są materiałami niemetalowymi, a dodatek substancji fluorescencyjnych sprawia, że cały czujnik ma dobre właściwości izolacyjne. W urządzeniach wysokiego napięcia, takich jak transformatory, rozdzielnica wysokiego napięcia, itp., Wydajność izolacji jest bardzo ważna. Jeśli używane są metalowe czujniki temperatury, mogą wystąpić zagrożenia związane z izolacją i problemy związane z bezpieczeństwem, takie jak zwarcia. Fluorescencyjne czujniki światłowodowe można instalować bezpośrednio wewnątrz tych urządzeń wysokiego napięcia w celu pomiaru temperatury, bez martwienia się o problemy z izolacją, zapewnienie bezpieczeństwa sprzętu i personelu.
Mały rozmiar i łatwa integracja
Konstrukcja fluorescencyjnych czujników światłowodowych jest stosunkowo prosta i ma niewielkie rozmiary. W niektórych scenariuszach zastosowań w ograniczonej przestrzeni, takie jak mikrorurki, wąskie szczeliny, oraz inne małe i mikrośrodowiska, które nie są łatwo dostępne, można go łatwo zainstalować i używać do pomiaru temperatury. Ponadto, jest łatwy w integracji i można go dobrze zintegrować z innymi urządzeniami lub systemami, nie zajmując zbyt dużo miejsca. Dobrze sprawdza się w pomiarze temperatury wewnątrz niektórych urządzeń wymagających dużej przestrzeni. Na przykład, w scenariuszach monitorowania temperatury wewnątrz niektórych zminiaturyzowanych urządzeń elektronicznych lub instrumentów precyzyjnych, niewielkie rozmiary i łatwa integracja fluorescencyjnych czujników światłowodowych są bardzo praktyczne.
Niezawodna wydajność
Fluorescencyjne czujniki światłowodowe mogą pracować stabilnie w odpowiednim zakresie temperatur -50-200 °C, with an accuracy of approximately ± 1 °C. Zasada pomiaru opiera się na nieodłącznych właściwościach substancji fluorescencyjnych, and as long as the performance of the fluorescent substance itself is stable, reliable temperature measurement results can be provided. In scenarios where electrical equipment operates for a long time and requires high temperature monitoring, fluorescent fiber optic sensors can continuously and stably provide accurate temperature data, which helps to timely detect temperature anomalies inside the equipment and ensure its normal operation.
Easy installation and flexible networking
Jeśli chodzi o instalację, fluorescencyjne czujniki światłowodowe, due to their small size and other characteristics, can be easily installed inside various devices or at locations where temperature measurement is required. In terms of networking, it can flexibly construct a temperature measurement network according to actual needs. Na przykład, in a large electrical equipment room, if temperature monitoring is required for multiple devices or multiple locations inside the devices, multiple fluorescent fiber optic sensors can be conveniently networked to achieve temperature monitoring of the entire area, timely grasp the temperature distribution situation, and facilitate equipment maintenance and management.
4、 Which type of fiber optic temperature sensor is the best
Although each type of fiber optic temperature sensor has its own advantages and strengths in different application scenarios, when considering multiple factors, fluorescent fiber optic sensors exhibit unique advantages in many aspects and can be considered as an excellent fiber optic temperature sensor in specific scenarios.

5、 Why is fluorescent fiber the best
Unique anti-interference and insulation performance
In modern industrial environments, zakłócenia elektromagnetyczne są wszechobecne, szczególnie w miejscach o gęstej instalacji elektrycznej, takich jak podstacje i pomieszczenia rozdzielcze. Fluorescencyjne czujniki światłowodowe posiadają naturalną odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, wynikającą ze specjalnych zasad pomiaru. Dzieje się tak, ponieważ określa temperaturę poprzez pomiar czasu zaniku energii fluorescencji, który nie jest związany z sygnałami elektromagnetycznymi. W porównaniu do innych typów światłowodowych czujników temperatury, chociaż mają również pewne zdolności przeciwzakłóceniowe, silne środowiska elektromagnetyczne mogą w dalszym ciągu na nie wpływać w pewnym stopniu. Na przykład, światłowodowe czujniki z siatką Bragga, chociaż same mają dobrą stabilność, może wystąpić pewne zakłócenia w transmisji i przetwarzaniu sygnału w przypadku narażenia na wyjątkowo silne zakłócenia elektromagnetyczne. W niektórych złożonych środowiskach zakłóceń elektromagnetycznych, detekcja sygnału oparta na zasadzie rozpraszania rozproszony światłowód czujniki również mogą doświadczać wahań.
Istotną zaletą fluorescencyjnych czujników światłowodowych jest także izolacja. W środowiskach wysokiego napięcia, jak transformatory wewnętrzne i rozdzielnice wysokiego napięcia, dobra izolacja jest kluczem do zapewnienia bezpiecznej pracy i dokładnych pomiarów czujników. Materiał niemetaliczny i właściwości strukturalne fluorescencyjnych czujników światłowodowych sprawiają, że są one doskonałe pod względem właściwości izolacyjnych. Inne światłowodowe czujniki temperatury mogą nie być porównywalne pod względem wydajności izolacji z fluorescencyjnymi czujnikami światłowodowymi. Na przykład, niektóre światłowodowe czujniki temperatury z elementami metalowymi lub stosunkowo złożonymi konstrukcjami mogą wymagać dodatkowych środków izolacyjnych w środowiskach wysokiego napięcia, rosnące koszty i złożoność instalacji.
Dostosuj się do specjalnych środowisk pomiarowych
Niewielki rozmiar i łatwa integracja fluorescencyjnych czujników światłowodowych umożliwiają ich dostosowanie do niektórych specjalnych środowisk pomiarowych. Tradycyjnych czujników temperatury może nie nadawać się do montażu w małych przestrzeniach, takich jak mikrokanały i wąskie szczeliny, lub ich instalacja może mieć wpływ na normalne działanie urządzenia. Fluorescencyjne czujniki światłowodowe można łatwo zainstalować w tych lokalizacjach i dokładnie mierzyć temperaturę. W niektórych urządzeniach elektrycznych o rygorystycznych wymaganiach dotyczących układu przestrzennego, takie jak małe przekaźniki, precyzyjne instrumenty elektroniczne, itp., fluorescent fiber optic sensors can be used for temperature monitoring without affecting the structure and performance of the equipment. Dla kontrastu, although fiber Bragg grating sensors also have the characteristic of small size, fluorescent fiber optic sensors have higher flexibility in some ultra small spaces or special shaped measurement environments. Distributed fiber optic sensors do not have advantages in these extremely small space measurement scenarios because they are usually based on measuring the entire fiber optic cable.
Reliability and cost-effectiveness
Fluorescent fiber optic sensors have an accuracy of approximately ± 1 ° C within their applicable temperature range of 50-200 °C, providing stable and reliable temperature measurements. The measurement principle is based on the intrinsic characteristics of fluorescent substances, and as long as the performance of the fluorescent substance is stable, może pracować stabilnie przez długi czas. In the temperature monitoring scenario inside electrical equipment, its reliability can meet the monitoring requirements for long-term operation of the equipment. Ponadto, from a cost-benefit perspective, fluorescent fiber optic sensors may have better cost-effectiveness compared to other fiber optic temperature sensors in meeting specific scenarios such as temperature measurement inside electrical equipment. Na przykład, in some scenarios that do not require ultra wide temperature measurement ranges or ultra long distance distributed measurements, the cost of fluorescent fiber optic sensors may be lower, a instalacja i konserwacja mogą być łatwiejsze, podczas gdy czujniki światłowodowe mogą mieć wyższe koszty w przypadku niektórych czujników o wysokiej precyzji, scenariusze pomiarów w szerokim zakresie temperatur. Rozproszone czujniki światłowodowe mają również stosunkowo wyższe koszty sprzętu i instalacji, gdy wymagane są rozproszone pomiary na duże odległości.