O guia de seleção definitivo para sensor de fibra óptica para medição de temperatura

1、 Pontos-chave para uma seleção abrangente de sensores de fibra óptica para medição de temperatura

Ao selecionar sensores de fibra óptica para medição de temperatura, vários fatores precisam ser considerados de forma abrangente.

1.1 Requisitos do campo de aplicação

Adaptabilidade ambiental especial
Se estiver em um ambiente eletromagnético/de radiofrequência, os métodos tradicionais de medição de temperatura podem sofrer severas interferências e não funcionar corretamente. Sensores de fibra óptica tornaram-se uma boa escolha devido às suas características anti-interferência eletromagnética. Por exemplo, no sistema de energia, áreas próximas a cabos de alta tensão ou equipamentos elétricos possuem fortes campos eletromagnéticos, e sensores de fibra óptica podem medir a temperatura de forma estável sem interferência eletromagnética, garantindo precisão e confiabilidade de medição.
Quando há situações perigosas, como inflamabilidade, explosividade, e corrosão no ambiente de medição, existem requisitos especiais para segurança/resistência à corrosão. Sensores de fibra óptica, devido à sua falta inerente de riscos de segurança, como faíscas elétricas, e alguns sensores de fibra óptica podem ter resistência à corrosão através da seleção de materiais (como revestimentos ou bainhas especiais), são adequados para cenários como monitoramento de temperatura de tanques de armazenamento em fábricas de produtos químicos e medição de temperatura em ambientes inflamáveis ​​e explosivos, como poços de petróleo.
Em alguns ambientes de instalação com espaço limitado e requisitos especiais de tamanho do sensor, sensores de fibra óptica podem obter medições precisas com seu tamanho menor. Sensores de fibra óptica podem se adaptar bem a pequenos espaços para detecção de temperatura, como monitoramento de temperatura dentro de pequenos dispositivos eletrônicos e instrumentos de precisão.
Requisitos de precisão e sensibilidade de medição
Sensores de fibra óptica são uma escolha adequada para situações com requisitos particularmente elevados de precisão, sensibilidade, vida útil, estabilidade/confiabilidade, etc.. Por exemplo, na área médica, sensores de fibra óptica podem ser usados ​​para medir a temperatura dos tecidos internos do corpo humano. Sua alta precisão e sensibilidade podem atender aos requisitos de medição de ciências biológicas, e desempenham um papel importante no estudo dos mecanismos de regulação da temperatura ou monitoramento da temperatura durante a terapia térmica para certas doenças.

1.2 Seleção de pontos de medição e tipos de sensores

A escolha entre ponto único e distribuído
Quando há menos de 50 pontos de medição, um “ponto único” sensor é normalmente usado. Por exemplo, ao monitorar a temperatura de um único dispositivo pequeno (como um único transformador do tipo seco) ou um recipiente líquido de pequena capacidade, um sensor de ponto único pode atender aos requisitos. Sensores de ponto único têm um volume pequeno e custo relativamente baixo, e tem vantagens em layout de espaço limitado e orçamento de custos. Um sensor de fibra óptica de ponto único é suficiente para necessidades de monitoramento de temperatura, como medir a temperatura da água em um pequeno aquário para uso doméstico.
Quando há mais de 50 pontos de medição, “distribuído” sensores são geralmente usados. Por exemplo, no monitoramento da distribuição da temperatura interna de vários andares e diferentes salas em grandes edifícios, ou no monitoramento do campo de temperatura de pontes (onde numerosos pontos de medição estão distribuídos em diferentes partes da ponte), sensores de fibra óptica distribuídos podem obter continuamente informações de temperatura de vários pontos através de um único cabo de fibra óptica. Embora o custo de um único sensor possa ser maior do que o de um sensor de ponto único, é a melhor escolha para o custo total e eficiência de aquisição de dados de um grande número de pontos de medição. Por exemplo, na sala de servidores de um data center, para monitorar de forma abrangente a temperatura de um grande número de servidores, sensores de fibra óptica distribuídos podem cobrir vários pontos de monitoramento ao mesmo tempo, reduzindo efetivamente o número de sensores, evitando a ocupação do espaço, e alcançar um monitoramento eficiente da temperatura.

1.3 Faixa de temperatura, Precisão, e Requisitos de Resolução

Correspondência de faixa de temperatura
Escolha um sensor de fibra óptica adequado com base na faixa de temperatura real medida. A faixa de medição de temperatura dos sensores é geralmente dividida em quatro seções: -40-+80 ℃- 40 – +250℃；- 40 – +400℃；+ 20-+60 ℃ (médico). Por exemplo, em geral monitoramento de temperatura interna (geralmente entre -10 ℃ -+40 ℃), a maioria dos sensores de fibra óptica pode atender aos requisitos; O monitoramento de temperatura próximo a fornos industriais pode exigir sensores capazes de medir altas faixas de temperatura (como -40-+400 ℃ ou até mais alto); Na medicina, sensores com uma faixa estreita de temperatura de +20-+60 ℃ são adequados para monitorar a terapia térmica em partes específicas do corpo humano, como o cérebro.

Considerações sobre precisão e resolução
Os requisitos de precisão para medir temperatura são geralmente divididos em cinco níveis: ± 0.05 ℃, ± 0.1 ℃, ± 0.3 ℃, ± 0.5 ℃, e ± 1 ℃. Para algumas situações que são muito sensíveis às mudanças de temperatura, como equipamento experimental de alta precisão (como dispositivos de laboratório que exigem controle preciso da temperatura da reação química) ou equipamento médico avançado (como monitoramento de temperatura em alguns processos de hipertermia tumoral de precisão), é necessário escolher sensores de fibra óptica com alta precisão (como ± 0.05 ℃ ou ± 0.1 ℃); Em ambientes industriais ou civis em geral onde os requisitos de precisão não são extremamente elevados (como monitoramento da temperatura ambiente em fábricas comuns ou medição de temperatura interna em residências comuns), sensores com precisão de ± 0.5 ℃ ou ± 1 ℃ já pode ser suficiente para atender aos requisitos. Em termos de resolução, sensores de alta resolução podem detectar mudanças de temperatura ainda menores, tornando-os mais adequados para medições precisas de mudanças de temperatura.

1.4 Tipos de sondas de trabalho

Sonda de imersão
Sensores de imersão podem ser usados ​​para medir a temperatura de sólidos, líquidos, e gases. Na indústria, sensores de imersão são mais adequados para medir a temperatura de tanques líquidos industriais. Sensores de imersão passaram por tratamento especial, e a fibra óptica tem forte resistência e resistência, que pode resistir à corrosão química em tanques de líquidos. Por exemplo, nos tanques de armazenamento de matérias-primas químicas, sensores de fibra óptica do tipo imersão podem funcionar de forma estável em soluções químicas por um longo tempo e medir com precisão a temperatura do líquido. Além disso, esta sonda pode medir efetivamente a temperatura da água em tanques de peixes (ambiente líquido), o campo de temperatura em fornos (ambiente de gás), ou a temperatura do solo (ambiente sólido).
Sonda tipo contato
Sensores de contato são especializados em medir a temperatura de superfícies de objetos, como monitoramento de temperatura de equipamentos de alta tensão, como transformadores do tipo seco, aparelhagem de alta tensão, e barramentos de alta tensão. Na operação e manutenção de equipamentos do sistema de energia, anexando sensores de fibra óptica do tipo contato à superfície do equipamento, as mudanças de temperatura na superfície do equipamento podem ser obtidas a qualquer momento, de modo a detectar oportunamente problemas de superaquecimento, prevenir falhas, e garantir a operação segura e estável do sistema de energia.
Sonda médica
Sensores médicos são especialmente projetados para medições de ciências biológicas, com sondas pequenas e finas que, quando emparelhado com dispositivos de demodulação dedicados, pode alcançar velocidades de resposta rápidas e precisão muito alta. Na medicina clínica, por exemplo, ao medir a temperatura local de certos órgãos dentro do corpo humano (como o coração e o fígado) ou monitorar a temperatura dos tecidos transplantados, sensores médicos de fibra óptica podem evitar causar trauma excessivo ao corpo humano e obter medições precisas de temperatura.

2. Pontos-chave para selecionar sensores fluorescentes de fibra óptica

2.1 Princípios e Características

princípio
Sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente é um sensor de medição de temperatura baseado no princípio da fluorescência. Materiais fluorescentes são materiais que podem absorver luz de um determinado comprimento de onda e emitir luz de comprimentos de onda mais longos.. Quando materiais fluorescentes são afetados por mudanças de temperatura, suas características de fluorescência também mudarão. Um sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente típico inclui várias peças, como fonte de luz, fibra óptica, material fluorescente, e espectrômetro. Primeiramente, a fonte de luz gera luz de excitação de um determinado comprimento de onda, que é transmitido ao material fluorescente através de fibras ópticas. Depois de absorver a luz de excitação, materiais fluorescentes emitem sinais fluorescentes com comprimentos de onda específicos, que são transmitidos de volta ao espectrômetro para detecção através de fibras ópticas. Quando a temperatura muda, as características de fluorescência dos materiais fluorescentes podem ser uma mudança na intensidade da fluorescência ou uma mudança no comprimento de onda da fluorescência. O valor da temperatura pode ser determinado medindo a intensidade ou comprimento de onda do sinal de fluorescência.
característica
Alta precisão: Os materiais fluorescentes são particularmente sensíveis às mudanças de temperatura, fazendo com que os sensores de temperatura de fibra fluorescente tenham alta precisão de medição. Esta alta precisão é muito importante em alguns cenários sensíveis a mudanças sutis de temperatura, como monitoramento de temperatura de cultura celular em biomedicina. Mesmo pequenos desvios de temperatura podem afetar o crescimento celular e os resultados experimentais. Sensores fluorescentes de fibra óptica podem detectar com precisão mudanças de temperatura e garantir a estabilidade do ambiente experimental.
Resposta rápida: Sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes têm uma velocidade de resposta rápida, pode monitorar mudanças de temperatura em tempo real, e responda imediatamente. Em algumas situações exigentes em tempo real, como monitoramento de temperatura durante reações químicas rápidas, é necessário obter informações sobre mudanças de temperatura em tempo hábil para ajustar as condições de reação. Sensores fluorescentes de fibra óptica podem responder rapidamente às mudanças de temperatura e garantir o progresso normal da reação.
Medição distribuída: Sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes podem monitorar temperaturas em vários locais simultaneamente através de um único cabo de fibra óptica. Esta capacidade de detecção distribuída torna os sensores muito úteis em situações onde vários pontos precisam ser monitorados. Por exemplo, em um grande armazém refrigerado, a temperatura em diferentes locais precisa ser monitorada simultaneamente. Sensores de fibra óptica fluorescentes usam uma única fibra óptica para organizar materiais fluorescentes em locais diferentes para obter monitoramento de temperatura distribuído em vários pontos, reduzindo custos e complexidade de fiação.
Forte capacidade anti-interferência: Em ambientes eletromagnéticos complexos, sensores de temperatura tradicionais podem ser afetados por sinais de interferência, enquanto os sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes podem funcionar normalmente sem serem afetados por sinais de interferência. Por exemplo, em ambientes industriais com muitos dispositivos eletromagnéticos ou monitoramento de temperatura em torno de subestações de energia, sensores de fibra óptica fluorescentes podem obter valores de temperatura de forma estável.
Estabilidade a longo prazo: Materiais fluorescentes têm forte durabilidade e estabilidade, e sensores podem manter estabilidade de alto desempenho durante o uso a longo prazo. Adequado para ambientes de trabalho contínuos de longo prazo, como monitoramento de temperatura de equipamentos de exploração em alto mar (exposição de longo prazo a ambientes subaquáticos agressivos) ou estações de monitoramento geofísico de longo prazo (exigindo coleta de dados de longo prazo).
Ampla faixa de temperatura: Sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes são adequados para uma ampla gama de temperaturas ambientais, desde menos Baidu até várias centenas de graus Celsius. Sensores fluorescentes de fibra óptica também podem ser usados ​​para monitoramento de temperatura de equipamentos de pesquisa científica em ambientes de temperaturas extremas., como perto de fontes vulcânicas de alta temperatura ou em regiões frias da Antártica.
Alta flexibilidade: Materiais fluorescentes para sensores podem ser selecionados e projetados de acordo com as necessidades reais para atender às necessidades de vários campos de aplicação específicos. Por exemplo, materiais fluorescentes específicos podem ser selecionados para diferentes sistemas químicos para se adaptarem à medição de temperatura em ambientes químicos e melhorar a adaptabilidade dos sensores.

2.2 Considerações sobre seleção e aplicação

Deve ser dada prioridade a situações com poucos pontos de medição
De acordo com a correlação entre o número de pontos de medição e o tipo de sensor mencionado anteriormente, quando o número de pontos de medição for menor que 50, um “ponto único” sensor é normalmente usado, e sensores fluorescentes pertencem ao tipo de sensor de ponto único. Em cenários como monitoramento de temperatura de pequenos dispositivos, como monitoramento de temperatura interna de eletrodomésticos (como chaleiras elétricas, secadores de cabelo, etc.), ou medição de temperatura de pequenos recipientes de reação individuais em laboratórios, sensores fluorescentes de fibra óptica apresentam vantagens no controle de custos e conveniência de instalação devido ao pequeno número de pontos de medição.
Adequado para cenários com altos requisitos de velocidade e precisão de resposta
Se os requisitos de velocidade de resposta e precisão para medição de temperatura forem altos em cenários de aplicação específicos, como em alguns equipamentos médicos de precisão (como monitoramento de temperatura interna de equipamento de tratamento oftálmico a laser de alta precisão ou monitoramento de temperatura de vasos sanguíneos durante cirurgia de ponte de safena), sensores fluorescentes de fibra óptica podem atender aos requisitos devido à sua resposta rápida e características de alta precisão.
Não é adequado para situações com um grande número de pontos de medição
Devido ao fato de que os sensores fluorescentes de fibra óptica são em sua maioria do tipo de ponto único, se o monitoramento de temperatura for necessário para um grande número de pontos (como mais de 50 pontos de medição), o uso de sensores de fibra óptica fluorescentes resultará em custos mais elevados. Nesse caso, é mais adequado escolher sensores distribuídos, como em cenários de monitoramento de temperatura de centenas de nós de equipamentos em grandes plantas industriais ou numerosas salas em grandes edifícios.

3. Pontos-chave para selecionar sensores de fibra óptica distribuídos

3.1 Princípios e Componentes Básicos

princípio
Na tecnologia de detecção de fibra óptica distribuída, a fibra óptica é tanto um meio de detecção quanto um meio de transmissão de dados. Ao utilizar as características das ondas de luz transmitidas em fibra óptica, medições de detecção contínua podem ser feitas ao longo da direção do comprimento da fibra óptica. Com a ajuda de mudanças nas ondas de luz, parâmetros físicos ambientais, como temperatura, variedade, pressão, etc.. pode ser extraído para obter informações sobre o status de distribuição espacial do objeto medido ao longo do tempo. Os princípios básicos da tecnologia de detecção de fibra óptica distribuída incluem tecnologia de detecção baseada no princípio de interferência óptica e tecnologia de detecção baseada em princípios de dispersão, como Rayleigh, Brillouin, Raman, etc.. Este artigo enfoca a reflectometria no domínio da frequência óptica (OFDR) tecnologia baseada no espalhamento Rayleigh, que reflete indiretamente a deformação dos componentes estruturais, detectando a deformação das fibras ópticas dispostas sobre eles. A deformação medida é na verdade transmitida dos componentes estruturais para a deformação nas fibras ópticas. Ao demodular temperatura ou tensão em sensores de fibra óptica distribuídos, A tecnologia OFDR mostra que tanto a deformação quanto a temperatura são demoduladas pelos sinais de mudança de frequência de espalhamento Rayleigh na fibra óptica. Em princípio, sinais de deformação e sinais de temperatura não podem ser distinguidos. Portanto, diferentes fibras de detecção precisam ser usadas para distinguir deformação e temperatura durante o teste.
Composição Básica
Os sensores de fibra óptica distribuídos comumente usados ​​no mercado são sensores de fibra óptica nua ou sensores de cabo de fibra óptica distribuídos que são encapsulados e blindados na camada externa dos cabos de fibra óptica nua. Geralmente, fibras ópticas nuas são compostas por um núcleo, um revestimento, e uma camada de revestimento. O núcleo e o revestimento são feitos de dióxido de silício com diferentes índices de refração. O índice de refração do núcleo é maior que o do revestimento. Quando a luz incidente satisfaz o ângulo de reflexão total na fibra, pode se propagar na fibra. O material de revestimento é geralmente éster acrílico, que serve principalmente para proteger a fibra óptica de danos externos e aumentar sua resistência, prolongando assim a vida útil da fibra óptica. O cabo óptico de detecção distribuída é composto por uma bainha externa enrolada em fibra óptica nua, e o material da bainha externa é principalmente plástico (como PE, PVC, PTFE, ETFE, etc.). Sua principal função é fortalecer a resistência estrutural dos sensores de fibra óptica distribuídos e permitir-lhes sobreviver melhor em ambientes agressivos..

3.2 Considerações sobre seleção e aplicação

Grande número de pontos de medição e situação de demanda distribuída
Quando há mais de 50 pontos de medição, “distribuído” sensores como sensores de rede de Bragg de fibra são geralmente usados. No monitoramento de campo de temperatura de grandes estruturas de engenharia, como pontes de longa distância, túneis, e grandes edifícios, existem vários pontos de medição. Distribuído sensores de fibra óptica pode organizar fibras ao longo de toda a estrutura para obter uma grande quantidade de dados de temperatura de cada ponto de uma só vez, alcançando monitoramento abrangente da distribuição de temperatura. Por exemplo, em uma ponte marítima que se estende por vários quilômetros, a instalação de sensores de fibra óptica distribuídos em diferentes partes do corpo da ponte pode detectar prontamente anomalias de temperatura em áreas problemáticas causadas por mudanças de temperatura ambiental ou estresse térmico interno, o que é de grande importância para a manutenção segura da ponte.
Adapte-se a ambientes complexos e cenários de monitoramento de longo prazo
Sensores de fibra óptica distribuídos têm vantagens como não eletrificação, tamanho pequeno, flexibilidade, resistência à interferência eletromagnética, alta sensibilidade, e resistência à corrosão. O monitoramento de temperatura de tubulações ou cabos de longa distância é muito adequado em alguns ambientes eletromagnéticos complexos, como em torno de subestações de alta tensão, grandes oficinas de fábrica eletromagnética, etc.; Também pode ser usado para monitoramento de temperatura em ambientes com forte corrosão, como dutos subterrâneos de esgoto, dutos de transporte de matérias-primas químicas, etc.. Além disso, em locais de mineração em grande escala ou cavidades subterrâneas onde o monitoramento da temperatura é de igual duração, sensores de fibra óptica distribuídos podem atender efetivamente às necessidades de monitoramento devido à sua boa adaptabilidade e características de instalação de longa distância.
Critérios de seleção para tipo de fibra e material de bainha
Tipo de fibra óptica:
Alguns modelos comuns de fibra monomodo no mercado, como fibras das séries G652 e G657, podem ser usados ​​como sensores baseados na tecnologia OFDR de espalhamento Rayleigh. A diferença entre os dois é que as fibras da série G657 são fibras resistentes à flexão, que têm perdas de flexão menores em comparação com a série G652 no mesmo raio de curvatura. Para alguns locais de testes de engenharia ou testes estruturais complexos, sensores de fibra óptica inevitavelmente experimentam algumas perdas de flexão durante a implantação. Portanto, para tecnologia OFDR, escolher a fibra óptica da série G657 como o sensor tem mais vantagens do que a fibra óptica da série G652.
Quando testes precisos de deformação estrutural são necessários ou quando a precisão da detecção pode ser garantida enquanto protege a fibra óptica contra danos, Fibra PI (fibra de poliimida) pode ser usado como sensor porque o efeito de transmissão de tensão do seu material de revestimento é comparável ao da fibra nua, e melhor do que a fibra comum (revestimento acrílico). Em alguns cenários de medição comuns, se os requisitos de precisão não forem particularmente altos, fibra monomodo comum pode atender aos requisitos. Para medição de temperatura em fibras ópticas, fibras ópticas com bainha solta são geralmente selecionadas, que consiste em uma bainha oca de 0,9 mm na parte externa e uma fibra óptica PI de 165um no centro. Isto permite que a fibra óptica se mova livremente na bainha, e a tensão gerada pelo exterior é protegida pela bainha externa. Portanto, sensores de fibra óptica com bainha solta só podem testar mudanças na temperatura externa. Para testes de deformação em um ambiente de temperatura constante, fibra nua ou fibra com bainha geralmente podem atender aos requisitos. A escolha específica da fibra pode depender do cenário real de aplicação; Para testes de deformação em ambientes de temperatura variável, é necessário usar fibras ópticas de compensação de temperatura para testes. Por exemplo, um fibra óptica de compensação de temperatura composta por dois sensores de fibra óptica, uma das quais é uma fibra óptica com bainha apertada e a outra é uma fibra óptica com bainha frouxa. A fibra óptica firmemente revestida é afetada pela temperatura e pela deformação, enquanto a fibra óptica com bainha frouxa só é afetada pela temperatura. Subtraindo os dois, a deformação gerada pela fibra óptica pode ser obtida.
Material da bainha:
Em ambientes agressivos, se as fibras ópticas nuas não forem mais adequadas para uso devido à sua espessura e suscetibilidade a danos, cabos ópticos com bainha apertada precisam ser selecionados para garantir taxas de sobrevivência. Embora os cabos ópticos com bainha apertada tenham maior resistência estrutural em comparação com as fibras ópticas nuas, sua perda de transmissão de deformação é maior do que a das fibras ópticas nuas, e a perda de transmissão de deformação aumenta com o aumento do diâmetro da bainha. Os tipos convencionais de fibras ópticas com bainha apertada incluem 0,9 mm de diâmetro, 2mm de diâmetro, e cabos ópticos blindados de diâmetro ainda maior. Geralmente, sob a condição de garantir a sobrevivência dos sensores de fibra óptica, recomenda-se priorizar o uso de fibras firmemente embainhadas e com diâmetros menores como sensores para garantir melhor desempenho de detecção. Além disso, o material da bainha deve ser selecionado de acordo com a temperatura ambiente real. Diferentes materiais de bainha (como PE, PVC, PTFE, ETFE, etc.) têm diferentes propriedades de resistência à temperatura. Por exemplo, em ambientes de alta temperatura, pode ser necessário escolher materiais de bainha que possam suportar altas temperaturas para proteger a fibra óptica e garantir o funcionamento normal do sensor.

4. Pontos-chave para selecionar sensores de rede de Bragg de fibra

4.1 Princípios e Características

princípio
O sensor Fiber Bragg Grating é um tipo de sensor usado para medir e monitorar quantidades físicas. Seu princípio é utilizar uma fibra óptica estruturada em grade para interferir na luz refletida da luz incidente. Medindo a diferença de fase da luz de interferência e comparando-a com a grade modelo, a quantidade física medida pode ser obtida. Em termos de medição de temperatura, quando a temperatura externa muda, o período ou índice de refração da rede de Bragg de fibra mudará, resultando em uma mudança de comprimento de onda da luz refletida. Ao detectar a mudança de comprimento de onda, o valor da mudança de temperatura pode ser obtido.
característica
Alta sensibilidade: capaz de medir mudanças sutis de temperatura. Em alguns dispositivos ou ambientes sensíveis a mudanças de temperatura (como monitoramento de temperatura interna de instrumento óptico de alta precisão, monitoramento de temperatura do ambiente de armazenamento de baixa temperatura de amostras biológicas, etc.), mesmo pequenas flutuações de temperatura podem afetar o desempenho do dispositivo ou a eficácia da preservação da amostra. Os sensores de rede Fiber Bragg podem detectar com precisão essas mudanças sutis e emitir avisos oportunos ou ajustar medidas de controle.
Alta resolução: capaz de detectar o valor absoluto de pequenas mudanças. Ele tem um bom desempenho no monitoramento de pequenas diferenças de temperatura, como no estudo do desempenho de dissipação de calor de chips eletrônicos, onde é necessária uma compreensão precisa das pequenas diferenças de temperatura em vários pontos da superfície do chip. Sensores de rede de fibra Bragg podem fornecer resolução de temperatura de alta precisão para atender às necessidades de pesquisa.
Alta precisão: Pode obter resultados de medição de alta precisão, o que é muito importante em muitos experimentos de precisão, controle de processo de produção industrial (como controle de temperatura em processos de fabricação de vidro de alta precisão, onde pequenos desvios de temperatura podem afetar a qualidade do vidro), ou equipamentos médicos de última geração (como gerenciamento de temperatura interna de certos equipamentos especiais de tratamento a laser) cenários, ajudando a garantir a precisão do processo e a qualidade dos produtos e equipamentos.
Alta estabilidade: Os sensores de rede de Bragg de fibra têm alta estabilidade e podem manter a precisão mesmo em medições de longo prazo. Em cenários de monitoramento contínuo de temperatura a longo prazo, como monitoramento de temperatura de equipamentos aeroespaciais durante missões de vôo de longo prazo, registro de temperatura de longo prazo de estações de observação meteorológica, etc., sensores de grade Bragg de fibra podem funcionar de forma confiável e produzir dados de temperatura precisos de maneira estável.
Livre de interferência eletromagnética: Porque a transmissão do sinal é obtida através de sinais ópticos, sensores de rede de Bragg de fibra não são facilmente afetados por interferência eletromagnética. Isto o torna muito prático para medição de temperatura em ambientes eletromagnéticos fortes, como dentro de subestações do sistema de energia, grandes oficinas de fabricação de equipamentos eletromagnéticos, etc., sem ser facilmente afetado por interferência eletromagnética e erros de medição como sensores eletrônicos tradicionais.

4.2 Considerações sobre seleção e aplicação

Considere os requisitos de diversidade para medir quantidades físicas
Sensores de rede de Bragg de fibra podem ser usados ​​não apenas para monitoramento de temperatura, mas também para medir outras grandezas físicas, como monitoramento de deformação. Em alguns cenários de aplicação prática, como grandes estruturas de edifícios ou equipamentos mecânicos, se for necessário monitorar a temperatura dessas estruturas e ao mesmo tempo compreender a deformação da estrutura, sensores de rede de Bragg de fibra podem medir simultaneamente múltiplas grandezas físicas, como temperatura e deformação. Por exemplo, no monitoramento da saúde de estruturas de pontes, sensores de rede de Bragg de fibra são distribuídos ao longo do corpo da ponte, que pode obter simultaneamente dados de temperatura e deformação de diferentes partes, avaliar de forma abrangente o estado estrutural da ponte, e têm um significado importante para prever e prevenir possíveis danos, fadiga e outros problemas da ponte.
Adequado para um grande número de pontos de medição e cenários de medição distribuídos
Sensores de rede de Bragg de fibra podem funcionar bem quando envolvem um grande número de pontos de medição. Semelhante aos sensores de fibra óptica distribuídos, em instalações industriais de grande escala, instalações de construção, e outros cenários que exigem vários pontos de medição, sensores de grade de fibra óptica podem usar tecnologia de multiplexação para definir múltiplas grades em uma única fibra para obter medição de temperatura em diferentes posições. Por exemplo, em grandes usinas termelétricas, numerosos equipamentos e tubulações estão distribuídos por uma ampla área. Organizando razoavelmente redes de sensores de grade de fibra óptica, monitoramento de temperatura de locais-chave de diferentes equipamentos e tubulações em toda a usina pode ser alcançado, o que ajuda a melhorar a segurança e a eficiência da operação do equipamento.
Equilibrando requisitos de custo e desempenho
Embora os sensores de rede de Bragg de fibra tenham muitas propriedades excelentes, seus preços são relativamente altos. Em alguns cenários de aplicação sensíveis ao custo, é necessário equilibrar a relação entre desempenho e custo. Por exemplo, em algumas necessidades de monitoramento de temperatura interna de edifícios civis comuns, se apenas as mudanças aproximadas na temperatura interna geral forem obtidas, a alta precisão e desempenho dos sensores de rede de Bragg de fibra podem não ser necessários. Nesse caso, sensores de temperatura tradicionais de baixo custo podem ser escolhidos; Em alguns cenários de produção industrial de ponta ou de pesquisa científica, requisitos de alto desempenho, como precisão e confiabilidade na medição de temperatura, são necessários, e as vantagens de alto desempenho dos sensores de rede de Bragg de fibra podem ser totalmente refletidas quando o orçamento permitir.

5. Análise comparativa de diferentes tipos de sensores de fibra óptica

5.1 Diferenças nos princípios de medição

Princípio do sensor de fibra óptica fluorescente
Com base na intensidade de fluorescência ou nas mudanças de comprimento de onda de materiais fluorescentes sob mudanças de temperatura, a detecção de temperatura é obtida através da transmissão de sinais através de fibras ópticas. A luz emitida pela fonte de luz é transmitida ao material fluorescente através de fibras ópticas. Depois de absorver a luz de excitação, o material fluorescente emite sinais de fluorescência de diferentes intensidades ou comprimentos de onda de acordo com as mudanças de temperatura, que são então transmitidos ao espectrômetro para detecção através de fibras ópticas.
Princípio do Sensor Distribuído de Fibra Óptica
A fibra óptica é tanto um meio de detecção quanto um meio de transmissão, e a detecção e medição contínuas são realizadas ao longo do cabo de fibra óptica através das características de transmissão das ondas de luz no cabo de fibra óptica. Tomando a tecnologia OFDR baseada no espalhamento Rayleigh como exemplo, desmodulando o sinal de espalhamento Rayleigh na fibra óptica e obtendo informações sobre mudanças em parâmetros físicos como temperatura, não é possível distinguir diretamente entre sinais de deformação e temperatura. Diferentes tipos de fibras ópticas precisam ser selecionados para diferentes cenários de medição, como fibras ópticas com bainha solta para medição de temperatura.
Princípio do sensor de grade de Bragg de fibra
Usando uma fibra estruturada em grade para refletir e interferir na luz incidente, mudanças de temperatura podem causar uma mudança no período ou índice de refração da grade de fibra, resultando em uma mudança de comprimento de onda da luz refletida. O valor da mudança de temperatura pode ser obtido medindo a mudança do comprimento de onda.

5.2 Comparação de características de desempenho

precisão de medição
Sensor de grade de Bragg de fibra: Em teoria, tem alta precisão, que depende principalmente do controle do espaçamento dos períodos de grade e do índice de refração efetivo, bem como a linearidade do processo de medição. Quando a precisão da usinagem é garantida, devido à sua medição de relação de conversão linear direta, sua precisão é fácil de garantir, e a luz refletida é nítida no domínio da frequência, tornando a medição da linha espectral central mais precisa. Possui vantagens em cenários que exigem alta precisão, como monitoramento de temperatura de equipamentos médicos de última geração ou pesquisas laboratoriais de alta precisão.
Sensor fluorescente de fibra óptica: A precisão da medição depende principalmente das características da substância fluorescente que está sendo excitada para emitir fluorescência e da detecção de alterações na intensidade da fluorescência. Atualmente, o nível tecnológico torna sua precisão comparável aos outros dois, mas em aplicações práticas, a precisão também é afetada por fatores como materiais, nível de processamento, e resolução do demodulador de sinal. É adequado para cenários gerais de alta precisão onde os requisitos de precisão não são os mais elevados, como monitoramento de temperatura de equipamentos industriais em geral.
Sensores de fibra óptica distribuídos: A precisão é afetada principalmente pela tecnologia de detecção usada (como a tecnologia OFDR baseada no espalhamento Rayleigh), o tipo de fibra óptica (como diferentes camadas de revestimento, sheath materials, etc.), and the influence of the application environment on the sensing signal. In some long-distance distributed measurement scenarios, although the single point accuracy may not be as good as fiber Bragg grating sensors, it can provide overall temperature distribution, which is suitable for large-scale temperature monitoring scenarios where accuracy requirements are not extremely high, such as temperature field monitoring of large buildings.
velocidade de resposta
Sensor de grade de Bragg de fibra: É necessário um receptor de demodulação e demultiplexação de alto desempenho, e a capacidade de processamento do receptor muitas vezes afeta sua frequência de resposta. Relativamente falando, its response speed is affected by its complex wavelength shift detection technology and other factors. In scenarios with high real-time requirements for response speed, it may not be as good as fluorescent fiber optic sensors.
Sensor fluorescente de fibra óptica: It has the characteristic of fast response and can quickly respond to temperature changes, principalmente devido ao seu princípio de detecção direta baseado em características de fluorescência. Ele tem melhor desempenho em cenários com altos requisitos de monitoramento de temperatura em tempo real, como controle de temperatura em certos processos de reação química ou monitoramento de temperatura em processos biológicos de reação rápida.
Sensores de fibra óptica distribuídos: Sua velocidade de resposta é afetada por vários fatores, como tipo de fibra, tecnologia de detecção, etc.. No entanto, no processo de medição distribuída, eles podem monitorar continuamente a temperatura em diferentes pontos. Embora a velocidade de resposta de um único ponto possa não ser muito rápida, pode atender aos requisitos para obter a distribuição geral da temperatura sob um determinado período de amostragem. É particularmente adequado para cenários de monitoramento de estabilidade de temperatura de longo prazo, como grandes estruturas.
Faixa de medição (características distribuídas)
Sensor de grade de Bragg de fibra: Múltiplas grades podem ser definidas em uma única fibra óptica através da tecnologia de multiplexação para obter medição de vários pontos. No entanto, em comparação com sensores de fibra óptica fluorescentes, sua capacidade de medição distribuída depende mais de tecnologia de rede e suporte de equipamentos, e é limitado por fatores como custo. Por exemplo, o número de grades que podem ser definidas a um determinado custo é limitado, mas tem um bom desempenho em termos de precisão de ponto de medição único. É adequado para cenários de medição distribuída que exigem precisão de ponto único e têm relativamente menos pontos de medição, como medição de temperatura e deformação de centenas de nós principais em algumas estruturas de pontes.
Sensor fluorescente de fibra óptica: Possui uma certa capacidade de medição distribuída e pode monitorar simultaneamente a temperatura de vários locais através de um único cabo de fibra óptica. No entanto, é relativamente fraco em exigir grandes, medição distribuída de longa distância e é mais adequada para monitoramento de temperatura de vários pontos de medição em pequena escala, áreas relativamente concentradas, como monitoramento de temperatura de vários dispositivos em uma pequena oficina de fábrica.
Sensor de fibra óptica distribuído: especialmente projetado para medição distribuída, com a vantagem de ser capaz de obter medições contínuas de distribuição de temperatura em longa distância e em grande escala ao longo do cabo de fibra óptica. É adequado para monitoramento abrangente de campo de temperatura de grandes estruturas de engenharia, como galerias subterrâneas de tubos abrangentes. (milhares de metros ou até mais) e pontes marítimas ultralongas.

5.3 Comparação de custos e complexidade

custo
Sensor de grade de Bragg de fibra: O custo é relativamente alto, principalmente devido aos requisitos de alto desempenho, como alta precisão e estabilidade, que resultam em custos mais elevados nos processos de fabricação, acessórios de equipamentos, e outros aspectos. Em cenários onde o orçamento é limitado e os requisitos de desempenho, como precisão, não são muito altos, sua relação custo-benefício pode não ser alta, como cenários de monitoramento de temperatura em alguns edifícios residenciais comuns.
Sensor fluorescente de fibra óptica: Com custo moderado e estrutura relativamente simples, é uma escolha econômica em cenários onde a precisão e o desempenho atendem aos requisitos, como monitoramento de temperatura de equipamentos industriais em geral ou gerenciamento de temperatura de pequenas instalações comerciais.
Sensores de fibra óptica distribuídos: O custo depende da escala de medição, tipo de fibra óptica necessário, e equipamento de desmodulação de apoio. Em cenários de medição em grande escala, embora o custo de um único sensor de fibra óptica distribuído possa não ser baixo, pode ter uma vantagem de custo em relação a um sensor de ponto único na obtenção de medições da mesma escala devido à sua capacidade de cobrir um grande número de pontos de medição; No entanto, em cenários de medição de pequena escala, o custo é relativamente alto. Por exemplo, ao monitorar a temperatura de vários pequenos dispositivos individuais, usar sensores de fibra óptica distribuídos é um desperdício de custos.
complexidade
Sensor de grade de Bragg de fibra: Ele usa uma grade para detectar mudanças de temperatura, e o sistema envolve tecnologia complexa de detecção de mudança de comprimento de onda, exigindo equipamento de desmodulação complexo para medir com precisão as mudanças de comprimento de onda da luz refletida. A complexidade do equipamento e da tecnologia é relativamente alta, e o nível técnico dos operadores e os requisitos de manutenção dos equipamentos também são relativamente altos.
Sensor fluorescente de fibra óptica: A estrutura e o princípio de funcionamento são relativamente simples, pertencente ao método de detecção de intensidade de luz. Requer apenas uma fonte de luz para excitar a fluorescência e, em seguida, detectar alterações na intensidade da fluorescência ou no comprimento de onda. Não requer equipamentos e tecnologia de demodulação complexos, e tem baixos custos de manutenção e dificuldades operacionais.
Sensores de fibra óptica distribuídos: Entre eles, tecnologias de detecção como OFDR baseadas no espalhamento Rayleigh são relativamente complexas, envolvendo demodulação precisa de sinais de espalhamento Rayleigh em fibras ópticas, e seleção e configurações especiais de tipos de fibra (como camadas de revestimento, bainhas, etc.) são necessários em diferentes cenários de medição, resultando em alta complexidade no uso e manutenção.

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