оптичний датчик температури-INNO

Огляд Флуоресцентний волоконно-оптичний датчик температури

Флуоресцентний волоконно-оптичний датчик температури – це тип датчика, який використовує характеристики флуоресцентних матеріалів для вимірювання температури. Він складається з багатомодових оптичних волокон і флуоресцентного об'єкта (фільм) встановлений зверху. Коли флуоресцентна речовина збуджується світлом певної довжини хвилі (спектр збудження), він випромінює енергію флуоресценції при збудженні. Після збудження скасовується, стійкість флуоресцентного післясвітіння залежить від таких факторів, як характеристики флуоресцентної речовини та температура навколишнього середовища. Ця збуджена флуоресценція зазвичай експоненціально згасає, де постійна часу згасання є часом існування флуоресценції або часом післясвітіння флуоресценції (нс). При різних температурах навколишнього середовища, згасання флуоресценції післясвітіння змінюється, тому температуру навколишнього середовища можна визначити, вимірявши тривалість післясвітіння флуоресценції. Його основна технологія полягає у флуоресцентних речовинах і відповідних алгоритмах моделювання. Флуоресцентний матеріал для вимірювання температури прожарюється при високій температурі 1200 ступінь, який має тривалий термін служби, стабільні та надійні робочі характеристики, suitable for large-scale industrial production, and can be widely applied in the industrial field. A typical fluorescent волоконно-оптичний датчик температури includes a light source, оптичне волокно, флуоресцентний матеріал, і спектрометр. Джерело світла генерує збуджуюче світло певної довжини хвилі, який передається на флуоресцентний матеріал через оптичне волокно. The fluorescent material absorbs the excitation light and emits a specific wavelength of fluorescent light signal, який потім передається назад на спектрометр для виявлення через оптичне волокно. При зміні температури, the flash characteristics (fluorescence intensity or wavelength) of the fluorescent material change, and the temperature value can be determined by measuring the intensity or wavelength of the flash signal.

Переваги Флуоресцентний волоконно-оптичний датчик температури

1. In terms of accuracy
Флуоресцентні матеріали особливо чутливі до перепадів температури, which enables fiber optic fluorescent temperature sensors to have high measurement accuracy and meet the needs of many measurement scenarios that require high temperature accuracy. Наприклад, precise control of reaction temperature in scientific experiments and monitoring of patient temperature in the medical field require accurate temperature measurement, і цей датчик може ефективно виконувати такі завдання. У певних сценаріях застосування, його точність може досягати рівня точності ± 0.05 ℃ або навіть вище.

2. Характеристики відповіді
Датчик має швидку реакцію, може відстежувати зміни температури в реальному часі та негайно реагувати. Ця функція особливо корисна в ситуаціях зі швидкими змінами температури, наприклад, моніторинг перевантаження в системах живлення та необхідність оперативного виявлення змін температури в зонах, де раптово генерується тепло під час промислових виробничих процесів, щоб запобігти потенційній загрозі безпеці.

3. Можливість розподілених вимірювань
Через одне оптичне волокно можна контролювати температуру в кількох місцях одночасно. Можна уявити, що моніторинг температури здійснюється в кількох точках усередині великої інженерної споруди, наприклад мостів, тунелі, Тощо., для виконання завдання потрібен лише один оптоволоконний кабель. Це не тільки економить витрати, але також дає змогу в режимі реального часу та комплексно оцінювати температурний статус загальної конструкції в різних частинах. Крім того, він може вимірювати температуру на тому ж оптичному волокні, а також може мати інші функції, такі як передача даних, значне підвищення ефективності волоконно-оптичних систем.

4. Антиінтерференційні характеристики
Не піддається впливу сигналів перешкод, здатні нормально працювати в складних електромагнітних середовищах. У деяких промислових середовищах із сильними електромагнітними полями (наприклад електропідстанції) або всередині електричного обладнання (наприклад розподільні пристрої, Тощо.), традиційні датчики температури (наприклад, термопари, терморезистори, Тощо.) генерувати індукційні струми в електромагнітному полі за рахунок вимірювальних зондів і проводів, виготовлених із власних металевих матеріалів. Ця течія, через скін-ефект і ефект вихрових струмів, can raise their own temperature, interfere with temperature measurement results, or make measurements unstable. The fluorescent fiber optic temperature sensor uses fiber optic transmission of optical signals, which are completely unaffected by electromagnetic interference, ensuring accurate and stable measurement.

5. Довгострокова стабільність
Флуоресцентні матеріали мають високу міцність і стабільність, allowing sensors to maintain high performance stability over long periods of use. In situations where long-term uninterrupted temperature monitoring is required, such as during long-term scientific research experiments or temperature monitoring during the life cycle of some key industrial equipment, it can ensure stable and accurate temperature data collection for a long time without frequent calibration or sensor replacement.

6. Environmental temperature adaptability
Підходить для широкого діапазону температур навколишнього середовища, ефективні вимірювання можна проводити від мінус Baidu до кількох сотень градусів Цельсія. Це може відігравати роль як у низькотемпературних спеціальних експериментальних середовищах (наприклад, вимірювання температури, пов’язане з експериментами з ультранизькотемпературною надпровідністю) і високотемпературні середовища промислової обробки (наприклад, виплавка металу, Тощо.).

7. Гнучкість і масштабованість
Флуоресцентні матеріали для датчиків можна вибирати та проектувати відповідно до фактичних потреб, щоб відповідати вимогам різних конкретних областей застосування. Поки флуоресцентний матеріал відрегульований або замінений, він може адаптуватися до різних сценаріїв застосування. Наприклад, в медичній сфері, Цільові конструкції можуть бути створені для різних частин тіла людини або спеціальних середовищ різних медичних пристроїв.

Comparison between Fluorescent Fiber Optic Temperature Sensor and Other Optical Temperature Sensors

1. Comparison with infrared temperature sensors
Differences in working principles
Fluorescent fiber optic temperature sensor is based on the temperature fluorescence characteristics of fluorescent materials, and achieves temperature measurement by measuring the lifetime or intensity of fluorescent afterglow, as well as changes in wavelength; Infrared temperature measurement utilizes the principle that the infrared radiation energy of an object changes with temperature, and obtains temperature information by measuring the infrared radiation intensity of the target.
Наприклад, when measuring the temperature of a metal block that is being heated, a fluorescent fiber optic temperature sensor needs to place the optical fiber close to or connected to the surface of the metal block (with contact and non-contact installation methods), and use the changes in the fluorescent substance inside to measure the temperature; The infrared thermometer directly receives the infrared radiation emitted by the metal block for temperature measurement without the need for contact with the metal block.
Differences in accuracy and sensitivity
Infrared temperature measurement is greatly affected by factors such as target surface emissivity, температура навколишнього середовища, і відстань вимірювання, and its accuracy and sensitivity are relatively unstable. For some medium and low temperature measurement scenarios, there may be significant errors; The measurement accuracy of fluorescent fiber optic temperature sensors is relatively higher, оскільки чутливість флуоресцентних матеріалів до температури дозволяє їм точніше визначати зміни температури, і в діапазоні середніх і низьких частот, флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури можуть підтримувати хороші показники вимірювання.
Наприклад, у сценарії моніторингу температури всередині хімічної реакційної ємності з невеликими коливаннями температури та високими вимогами до точності вимірювань, точність датчика температури флуоресцентного волокна можна контролювати в невеликому діапазоні, тоді як точність інфрачервоного вимірювання температури важко гарантувати через такі фактори, як навколишнє середовище реакційної ємності та оптичні властивості самої ємності..
Адаптуйтеся до відмінностей у сценаріях
Infrared temperature measurement is suitable for non-contact and rapid temperature measurement of surface temperature in non low temperature scenarios, but it has a significant impact on the temperature reading of bright or polished metal surfaces, and can only measure the external temperature of objects, making it inconvenient to measure the internal temperature when there are obstacles; Fluorescent fiber optic temperature sensors can not only be used for surface temperature measurement, but also for measuring internal temperature through appropriate methods such as probe insertion. They will not affect the measurement accuracy of some special materials due to interference from optical properties and have strong universality.
Наприклад, інфрачервоне вимірювання температури може швидко отримати приблизну температуру поверхні для попереднього визначення ситуації з розсіюванням тепла під час вимірювання температури поверхні радіаторів електронних мікросхем. Однак, якщо необхідно виміряти внутрішню температуру чіпа або температуру в корені чіпа з радіаторами, це недостатньо. Флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури можуть досягти високоточного вимірювання чіпів з радіаторами, якщо волоконно-оптичний зонд може досягти внутрішньої частини чіпа або якщо розроблено відповідний зонд.

2. Порівняння з PT100
Відмінності в принципах роботи та застосовних середовищах
PT100 використовує характеристику значення опору металу платини, що змінюється з температурою, для вимірювання температури, based on the principle of resistance; Флуоресцентний волоконно-оптичний датчик температури заснований на принципі флуоресценції. PT100 - датчик контактного типу.
У середовищі з електромагнітними перешкодами, металеві компоненти PT100 можуть створювати перешкоди, такі як перешкоди групи імпульсів, радіочастотні перешкоди, сплески, Тощо., що призведе до несправності або пошкодження термостата; Флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури, за рахунок використання волоконно-оптичної передачі оптичних сигналів, менш схильні до електромагнітних перешкод і можуть використовуватися в середовищах високої напруги та сильних електромагнітних перешкод, наприклад інтер'єри-трансформери, розподільний пристрій, Тощо.
Наприклад, у моніторингу температури всередині розподільної шафи високовольтної підстанції, якщо використовується PT100, через електромагнітні перешкоди, створювані різними електромагнітними пристроями всередині розподільної шафи, температура, виміряна PT100, може мати значні похибки або навіть пошкодити датчик через перешкоди; Але за допомогою флуоресцентних оптоволоконних датчиків температури можна точно й стабільно вимірювати температуру.
Відмінності в точності та стабільності
Під час використання PT100, у міру зміни часу та температури навколишнього середовища, на стійкість металу також можуть впливати його власні та інші навколишні фізичні та хімічні фактори, що призводить до незначних змін у співвідношенні температури опору, що впливає на точність і стабільність вимірювання; Після спеціальної обробки, флуоресцентний матеріал датчика температури флуоресцентного волокна має більшу стабільність і нелегко піддається впливу зовнішніх факторів (крім температури). Його точність є кращою, ніж PT100, у складних умовах.

3. Порівняння з розподілене волоконно-оптичне система вимірювання температури

Різні принципи роботи
Вимірювання температури флуоресцентного волокна базується на принципі післясвічення тривалості флуоресценції для вимірювання температури. Це вимагає фіксації флуоресцентного волокна на поверхні вимірюваного об’єкта та збудження його джерелом світла для вимірювання тривалості флуоресценції та інших параметрів, випромінюваних флуоресцентним волокном.. Потім, на основі цих параметрів розраховується температура вимірюваного об'єкта; Розподілене волоконно-оптичне вимірювання температури використовує властиві характеристики оптичних волокон для вимірювання температури шляхом внутрішнього відбиття та розсіювання. Зазвичай це передбачає прокладання оптичних волокон навколо вимірюваного об’єкта та збудження волокон за допомогою джерел світла, таких як лазери або світлодіоди.. Потім, based on the scattering and reflection characteristics of the internal optical signals of the fibers, the temperature of the object being measured is calculated.
Measurement application scenarios focus on different aspects
Fluorescent fiber optic temperature measurement is usually suitable for measurement occasions that require insulation and high voltage resistance in electromagnetic interference environments, such as high-voltage switchgear, трансформатори, microwave electromagnetic environments, Тощо. Because it can stably measure through the characteristics of fluorescent materials in such environments and does not interfere with equipment, Тощо; Distributed fiber optic temperature measurement is suitable for situations that require long-distance, безперервний, and high-precision temperature monitoring of the object being measured, наприклад моніторинг температури будівельних конструкцій, таких як нафто- та газопроводи, тунелі, мости, Тощо., тому що він може використовувати відображення розсіювання для моніторингу безперервних змін температури на великих відстанях уздовж оптоволоконного кабелю.

Як вибрати найкращий флуоресцентний волоконно-оптичний датчик температури

1. Враховуйте вимоги сфери застосування
Адаптація до особливих вимог навколишнього середовища
У особливих ситуаціях, таких як сильні електромагнітні/радіочастотні перешкоди, горючість, вибуховість, корозії, Тощо. в робочому середовищі, флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури мають унікальні переваги. Наприклад, в нафтохімічній промисловості, є складні хімічні речовини, які можуть роз’їдати датчики. Дуже важливо вибрати датчики, які можуть протистояти корозії та безпечно працювати в цьому потенційно вибухонебезпечному середовищі.. The fiber probe and fiber itself of the fluorescent fiber optic sensor can withstand high voltage and some chemical corrosion without generating ignition sources such as electric sparks, thus meeting the temperature measurement requirements of this special environment. The temperature measurement environment of downhole equipment in oil extraction belongs to this category.
If the working environment is limited by small installation space, it is necessary to choose fiber optic probes and fibers of appropriate size. Fluorescent fiber optic temperature sensors can be made into smaller probes, and the fibers have strong flexibility and plasticity, making them easier to install in small spaces compared to other traditional sensors, such as temperature monitoring of heating parts inside some microelectronic devices.
Висока точність, чутливість, і вимоги до стабільності
In some scientific research experiments, such as high-precision physics experiments and biochemistry experiments, the accuracy control of temperature is very strict, so it is necessary to choose fluorescent fiber temperature sensors with high accuracy, such as sensor products with accuracy of ± 0.05 ℃ or ± 0.1 °C. Одночасно, if the experiment lasts for a long time, such as several days or even weeks for certain biochemical reactions, the stability of the sensor and the sensitivity of the measurement (which can quickly and accurately capture small temperature fluctuations) are also crucial. Це вимагає вибору датчиків, які використовують високоякісні флуоресцентні матеріали та мають хороші системи обробки сигналів, щоб гарантувати, що вимірювання не спричинить помилок через коливання температури навколишнього середовища або погіршення продуктивності флуоресценції матеріалу.
У деяких високоякісних галузях промисловості, наприклад обробка деталей в аерокосмічній галузі, відповідне обладнання для моніторингу температури також вимагає високої точності та тривалої стабільності датчиків.

2. Визначте спосіб вимірювання та діапазон вимірювання
Визначте тип датчика на основі точок вимірювання
Якщо точок вимірювання менше (зазвичай менше ніж 50), можна використовувати одноточковий флуоресцентний волоконно-оптичний датчик температури. Single point sensors have relatively low costs in this situation and are easy to flexibly layout and install for each individual measurement point. Наприклад, temperature monitoring of several special experimental equipment in a small laboratory only requires installing sensors separately for these devices.
Коли їх більше ніж 50 точки вимірювання, the overall cost of using a single point sensor will be very high, and the wiring will be very complex. В даному випадку, a distributed fiber optic temperature sensor system or other more suitable methods for large-scale multi-point measurement can be considered (if the overall accuracy requirements are not so high and a certain degree of substitution is allowed). There are hundreds or thousands of servers in a large data center room, and if temperature monitoring is required for some server locations, a large number of measurement points are needed. If single point sensors are used, the cost-effectiveness is extremely low.

Measuring temperature range

Виберіть на основі фактично виміряного діапазону температур. Діапазон вимірювання температури волоконно-оптичними датчиками розділений на чотири секції:- 40°C- +80°C；- 40°C- +250°C；- 40C – +400°C；+ 20C -+600 °C (медичний). Наприклад, датчик з температурним діапазоном -40 °C -+80 ℃ може бути достатньо для звичайного моніторингу температури в приміщенні; Але для високотемпературних сценаріїв, таких як промислові печі або випробування двигунів літаків, датчики, які можуть вимірювати діапазони високих температур, наприклад -40 °C -+400 ℃ або навіть вище.
3. Пов'язано з продуктивністю зонда
Робочий тип зонда
Для занурювальних зондів, їх можна використовувати для вимірювання температури твердих тіл, рідини, і газів, наприклад вимірювання температури в резервуарах для промислових рідин. Цей зонд пройшов спеціальну обробку, і його оптичне волокно має сильну міцність і міцність, які можуть протистояти хімічній корозії в рідинних резервуарах. Наприклад, вимірювання температури реагентів (яка може бути сумішшю рідини, твердий, і газ) in a chemical reactor is very suitable.
Contact type probes are specifically designed to measure the temperature of object surfaces, such as temperature monitoring for high-voltage equipment such as dry-type transformers, високовольтні розподільні пристрої, і високовольтні шини. It can be well attached to the surface of the device to accurately transmit temperature to the inside of the sensor for measurement.
Medical probes are specially designed for life science measurements, з маленькими і тонкими зондами, які, у парі зі спеціальними пристроями демодуляції, може досягти швидкої реакції та дуже високої точності. Used in the medical field, such as high-precision temperature detection scenarios for small tissues or local areas within the human body.
The size of the probe and the length of the optical fiber
Select the probe size (діаметр) and fiber length based on the requirements of the measurement object and environment. Діаметр зонда зазвичай становить 0,5 мм; 0.5 – 1мм； 2.3мм； 3.2мм, Тощо. Стандартна довжина волокна 2M, але більшість може налаштувати довжину волокна зонда та довжину волоконного подовжувального кабелю відповідно до потреб. Якщо простір вимірювання вузький, може знадобитися вибрати зонд меншого діаметру та налаштувати довжину волокна відповідно до фактичного місця встановлення. Для вимірювання температури на невеликих зазорах в електронних компонентах, слід використовувати зонд малого діаметру, а довжину волокна слід налаштовувати відповідно до глибини зазору; Якщо вимірювати температуру всередині великих механічних структурних компонентів, потрібна більша довжина волокна, щоб поширюватися на серцевину, яку потрібно виміряти.

4. Інші параметри роботи обладнання
Точність і роздільна здатність
Коли потрібна точність і роздільність, точність вимірювання температури волоконно-оптичними датчиками зазвичай поділяють на п'ять рівнів: ± 0.05 °C; ±0,1 ℃； ±0,3 ℃； ±0,5 ℃； ± 1 °C. Якщо потрібне високоточне вимірювання температури, наприклад моніторинг внутрішньої температури в певних високоточних оптичних приладах або високоточний моніторинг температури чи пристрої для збереження клітин у медицині, датчики з високою точністю та роздільною здатністю, наприклад датчики з точністю ± 0.05 ℃ or ± 0.1 °C, потрібно вибрати; Якщо вимоги до точності не такі високі, датчики для контролю температури в приміщенні з точністю ± 1 ℃ також може відповідати вимогам.
частота дискретизації
Частота дискретизації системи вимірювання температури волоконно-оптичних датчиків зазвичай поділяється на чотири рівні:= 10 Гц； 20Гц； 1кхц； 200кхц. Під час моніторингу сценаріїв швидкої зміни температури, наприклад моніторинг температури гарячої точки всередині високошвидкісного двигуна, висока частота дискретизації (напр. 1кГц або 200 кГц) необхідна для своєчасного фіксування змін температури, щоб запобігти аварійним ситуаціям перегріву; Для деяких сценаріїв з відносно повільними змінами температури, наприклад, звичайний моніторинг температури в приміщенні, вибір частоти дискретизації 10 Гц або 20 Гц може відповідати вимогам.
Інтерфейс виведення сигналу
Вихід сигналу поділяється на аналоговий вихід і цифровий вихід. В автоматизованій системі управління промисловістю, краще обирати датчики з цифровими вихідними інтерфейсами для прямого збору та аналізу даних за допомогою таких пристроїв, як комп’ютери, так що передача та обробка цифрового сигналу можуть здійснюватися без перетворення сигналу; Якщо деякі традиційні системи керування приладами можуть підтримувати лише прийом аналогових сигналів, потім аналоговий вихідний інтерфейс можна безпосередньо підключити до приладового обладнання для відображення та простого керування.
Форма установки сповіщувача
Демодулятор сигналу в основному поставляється у портативному та стаціонарному вигляді, з дисплеєм або без нього. Стаціонарні продукти включають промислове стандартне встановлення на DIN-рейку, PCB плата, звичайний робочий стіл, і стандартного промислового типу шафи. Якщо це тимчасове використання на відкритому повітрі для визначення температури кількох точок усередині великого пристрою, його можна тримати в руках, портативний, гнучкий для пересування, простий в експлуатації та організації виявлення; If monitoring the long-term stability and operating temperature of a large production line equipment, it is necessary to choose a fixed and suitable industrial environment, such as DIN rail installation or cabinet installation, which can be easily connected to the production line automation monitoring system.

5. Consider cost-effectiveness
Due to the fact that various types of fiber optic sensors are relatively new technology products with generally high prices, users usually need to make a choice between product performance/functionality and price. По-перше, determine your minimum performance requirement baseline, and then compare factors such as price among product lines that can meet this baseline requirement.

Наприклад, if there are three different brands of fluorescent fiber optic temperature sensors, Product A has an accuracy of ± 0.1 °C, Висока роздільна здатність, and good anti-interference ability, with a price of 1000 юань; The precision of product B is ± 0.3 °C, slightly inferior in anti-interference ability, and the price is 800 юань; The precision of product C is ± 0.5 °C, which basically meets the anti-interference requirements of the usage environment. The price is 600 юань. If precision and anti-interference are highly valued and the budget is sufficient, product A can be chosen; If the precision requirement is not extremely high and the budget is limited, then C product is also an option.

Application Case of Fluorescent Fiber Optic Temperature Sensor

1. У сфері електромереж
Temperature monitoring is crucial in the power grid. Флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури мають характеристики високої точності та швидкої реакції, який може точно контролювати зміни температури в процесах промислового виробництва. Наприклад, в такому обладнанні, як розподільні пристрої та трансформатори, флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури можуть контролювати температуру критичних точок підключення, своєчасно виявляти температурні аномалії, запобігання перегріву та виникненню дуги. Традиційні датчики температури можуть неточно зчитувати дані в середовищі з такою високою напругою через електромагнітні перешкоди, але флуоресцентні волоконно-оптичні датчики не піддаються впливу таких перешкод і мають високу надійність. Крім цього, високі температури в трансформаторах можуть спричинити старіння ізоляції та призвести до несправностей. Fluorescent lifetime fiber optic temperature sensors can be installed in the oil or near the windings of transformers to monitor temperature, забезпечення нормальної роботи та продовження терміну їх служби.

2. Медична сфера
При магнітно-резонансній томографії (МРТ) Технології, надпровідні магніти потрібно охолоджувати до надзвичайно низьких температур. Флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури можуть використовуватися для моніторингу продуктивності систем охолодження та забезпечення правильної температури магнітів. Завдяки наявності сильних магнітних полів у середовищі МРТ, звичайні електронні датчики температури можуть зазнавати перешкод або пошкоджуватися, тоді як волоконно-оптичні датчики не мають цих проблем. Крім цього, Флуоресцентні волоконно-оптичні сенсори, що працюють протягом усього терміну служби, також можуть використовуватися в клінічній медицині, наприклад, моніторинг температури пацієнта під час моніторингу температури або термічної терапії, забезпечити безпечне та ефективне лікування. Завдяки високій точності та швидкій реакції, вони підходять для ситуацій, які вимагають суворого контролю температури.

3. Енергоменеджмент
В енергетиці, флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури можуть бути використані для контролю робочої температури енергетичного обладнання та систем, забезпечення безпечного та ефективного використання енергії.

Підсумовуючи, Флуоресцентні волоконно-оптичні датчики температури відіграють важливу роль у багатьох сферах завдяки своїй високій точності, швидка реакція, довгострокова стабільність, і стійкість до електромагнітних перешкод. З постійним розвитком технологій, перспективи їх застосування стануть ще ширшими.