Cảm biến nhiệt độ sợi quang INNO ,hệ thống giám sát nhiệt độ.
1、 Những điểm chính để lựa chọn toàn diện cảm biến sợi quang để đo nhiệt độ
Khi lựa chọn cảm biến sợi quang để đo nhiệt độ, nhiều yếu tố cần được xem xét toàn diện.
1.1 Yêu cầu trường ứng dụng
Khả năng thích ứng môi trường đặc biệt
Nếu nó ở trong môi trường tần số điện từ/vô tuyến, các phương pháp đo nhiệt độ truyền thống có thể bị can thiệp nghiêm trọng và không thể hoạt động bình thường. Cảm biến sợi quang đã trở thành một lựa chọn tốt do đặc tính chống nhiễu điện từ của chúng. Ví dụ, trong hệ thống điện, khu vực gần cáp điện cao thế hoặc thiết bị điện có trường điện từ mạnh, và cảm biến sợi quang có thể đo nhiệt độ ổn định mà không bị nhiễu điện từ, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của phép đo.
Khi có những tình huống nguy hiểm như dễ cháy, tính bùng nổ, và ăn mòn trong môi trường đo, có những yêu cầu đặc biệt về an toàn/chống ăn mòn. Cảm biến sợi quang, do vốn có của chúng không có những rủi ro về an toàn như tia lửa điện, và một số cảm biến sợi quang có thể có khả năng chống ăn mòn thông qua việc lựa chọn vật liệu (chẳng hạn như lớp phủ hoặc vỏ bọc đặc biệt), phù hợp cho các tình huống như giám sát nhiệt độ bể chứa trong các nhà máy hóa chất và đo nhiệt độ trong môi trường dễ cháy nổ như giếng dầu.
Trong một số môi trường lắp đặt có không gian hạn chế và yêu cầu đặc biệt về kích thước cảm biến, Cảm biến sợi quang có thể đạt được phép đo chính xác với kích thước nhỏ hơn. Cảm biến sợi quang có thể thích ứng tốt với không gian nhỏ để phát hiện nhiệt độ, chẳng hạn như giám sát nhiệt độ bên trong các thiết bị điện tử nhỏ và dụng cụ chính xác.
Yêu cầu về độ chính xác và độ nhạy của phép đo
Cảm biến sợi quang là lựa chọn phù hợp cho các tình huống có yêu cầu đặc biệt cao về độ chính xác, sự nhạy cảm, tuổi thọ, sự ổn định/độ tin cậy, vân vân. Ví dụ, trong lĩnh vực y tế, Cảm biến sợi quang có thể được sử dụng để đo nhiệt độ của các mô bên trong cơ thể con người. Độ chính xác và độ nhạy cao của chúng có thể đáp ứng các yêu cầu đo lường khoa học đời sống, và đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cơ chế điều chỉnh nhiệt độ hoặc theo dõi nhiệt độ trong quá trình trị liệu bằng nhiệt đối với một số bệnh.
1.2 Lựa chọn điểm đo và loại cảm biến
Sự lựa chọn giữa điểm đơn và phân tán
Khi có ít hơn 50 điểm đo, Một “điểm duy nhất” cảm biến thường được sử dụng. Ví dụ, khi theo dõi nhiệt độ của một thiết bị nhỏ (chẳng hạn như máy biến áp loại khô đơn) hoặc một thùng chứa chất lỏng có dung tích nhỏ, một cảm biến điểm duy nhất có thể đáp ứng các yêu cầu. Cảm biến điểm đơn có khối lượng nhỏ và chi phí tương đối thấp, và có lợi thế trong việc bố trí không gian hạn chế và ngân sách chi phí. Một cảm biến sợi quang một điểm là đủ cho nhu cầu theo dõi nhiệt độ, chẳng hạn như đo nhiệt độ nước trong bể cá nhỏ để sử dụng trong gia đình.
Khi có nhiều hơn 50 điểm đo, “phân phối” cảm biến thường được sử dụng. Ví dụ, trong việc giám sát sự phân bố nhiệt độ trong nhà của nhiều tầng và các phòng khác nhau trong các tòa nhà lớn, hoặc trong việc theo dõi trường nhiệt độ của cầu (nơi có nhiều điểm đo được phân bố ở các phần khác nhau của cây cầu), Cảm biến sợi quang phân tán có thể liên tục thu được thông tin nhiệt độ từ nhiều điểm thông qua một sợi cáp quang. Mặc dù giá thành của một cảm biến đơn có thể cao hơn cảm biến một điểm, đó là sự lựa chọn tốt hơn cho tổng chi phí và hiệu quả thu thập dữ liệu của một số lượng lớn các điểm đo. Ví dụ, trong phòng máy chủ của trung tâm dữ liệu, để theo dõi toàn diện nhiệt độ của một số lượng lớn máy chủ, cảm biến sợi quang phân tán có thể bao gồm nhiều điểm giám sát cùng một lúc, giảm số lượng cảm biến một cách hiệu quả, tránh chiếm đóng không gian, và đạt được sự giám sát nhiệt độ hiệu quả.
1.3 Phạm vi nhiệt độ, Sự chính xác, và yêu cầu giải quyết
Phù hợp với phạm vi nhiệt độ
Chọn cảm biến sợi quang phù hợp dựa trên phạm vi nhiệt độ thực tế đo được. The temperature measurement range of sensors is generally divided into four sections: -40-+80 oC- 40 – +250oC；- 40 – +400oC；+ 20-+60 oC (thuộc về y học). Ví dụ, in general indoor temperature monitoring (usually between -10 oC -+40 oC), most fiber optic sensors can meet the requirements; Temperature monitoring near industrial furnaces may require sensors capable of measuring high temperature ranges (chẳng hạn như -40-+400 oC hoặc thậm chí cao hơn); In medicine, sensors with a narrow temperature range of+20-+60 ℃ are suitable for monitoring heat therapy in specific parts of the human body, such as the brain.
Accuracy and Resolution Considerations
The accuracy requirements for measuring temperature are usually divided into five levels: ± 0.05 oC, ± 0.1 oC, ± 0.3 oC, ± 0.5 oC, and ± 1 oC. For some situations that are very sensitive to temperature changes, such as high-precision experimental equipment (such as laboratory devices that require precise control of chemical reaction temperature) hoặc thiết bị y tế tiên tiến (chẳng hạn như theo dõi nhiệt độ trong một số quy trình tăng thân nhiệt chính xác của khối u), cần lựa chọn cảm biến sợi quang có độ chính xác cao (chẳng hạn như ± 0.05 oC hoặc ± 0.1 oC); Trong môi trường công nghiệp hoặc dân dụng nói chung, nơi yêu cầu độ chính xác không quá cao (chẳng hạn như theo dõi nhiệt độ phòng trong các nhà máy thông thường hoặc đo nhiệt độ trong nhà ở các hộ gia đình bình thường), Cảm biến có độ chính xác ± 0.5 oC hoặc ± 1 oC có thể đã đủ để đáp ứng yêu cầu. Về mặt độ phân giải, cảm biến có độ phân giải cao có thể phát hiện những thay đổi nhiệt độ nhỏ hơn, làm cho chúng phù hợp hơn để đo chính xác sự thay đổi nhiệt độ.
1.4 Các loại đầu dò làm việc
Đầu dò ngâm
Cảm biến nhúng có thể được sử dụng để đo nhiệt độ của chất rắn, chất lỏng, và khí. Trong công nghiệp, cảm biến nhúng phù hợp hơn để đo nhiệt độ của bể chứa chất lỏng công nghiệp. Cảm biến nhúng đã trải qua quá trình xử lý đặc biệt, và sợi quang có độ bền và độ dẻo dai cao, có thể chống ăn mòn hóa học trong bể chứa chất lỏng. Ví dụ, trong bể chứa nguyên liệu hóa học, Cảm biến sợi quang loại ngâm có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài trong dung dịch hóa học và đo chính xác nhiệt độ chất lỏng. Hơn thế nữa, đầu dò này có thể đo nhiệt độ nước trong bể cá một cách hiệu quả (môi trường chất lỏng), trường nhiệt độ trong lò nướng (môi trường khí đốt), hoặc nhiệt độ của đất (môi trường rắn).
Đầu dò loại liên hệ
Cảm biến tiếp xúc chuyên dùng để đo nhiệt độ bề mặt vật thể, chẳng hạn như giám sát nhiệt độ của thiết bị điện áp cao như máy biến áp loại khô, thiết bị chuyển mạch cao áp, và thanh cái cao thế. Trong vận hành và bảo trì các thiết bị hệ thống điện, bằng cách gắn các cảm biến sợi quang loại tiếp xúc lên bề mặt của thiết bị, sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt thiết bị có thể đạt được bất cứ lúc nào, để kịp thời phát hiện các vấn đề quá nhiệt, ngăn ngừa lỗi, và đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn, ổn định.
Đầu dò y tế
Cảm biến y tế được thiết kế đặc biệt để đo lường khoa học đời sống, với đầu dò nhỏ và mỏng, khi kết hợp với các thiết bị giải điều chế chuyên dụng, có thể đạt được tốc độ phản hồi nhanh và độ chính xác rất cao. Trong y học lâm sàng, Ví dụ, khi đo nhiệt độ cục bộ của một số cơ quan bên trong cơ thể con người (chẳng hạn như tim và gan) hoặc theo dõi nhiệt độ của các mô được cấy ghép, Cảm biến sợi quang y tế có thể tránh gây chấn thương quá mức cho cơ thể con người và đạt được phép đo nhiệt độ chính xác.
2. Những điểm chính để lựa chọn cảm biến sợi quang huỳnh quang
2.1 Nguyên tắc và đặc điểm
nguyên tắc
Cảm biến nhiệt độ sợi quang huỳnh quang là cảm biến đo nhiệt độ dựa trên nguyên lý huỳnh quang. Vật liệu huỳnh quang là vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng nhất định và phát ra ánh sáng có bước sóng dài hơn. Khi vật liệu huỳnh quang bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ, đặc tính huỳnh quang của chúng cũng sẽ thay đổi. Một cảm biến nhiệt độ sợi quang huỳnh quang điển hình bao gồm một số bộ phận như nguồn sáng,, sợi quang, vật liệu huỳnh quang, và máy quang phổ. Trước hết, nguồn sáng tạo ra ánh sáng kích thích có bước sóng nhất định, được truyền tới vật liệu huỳnh quang thông qua sợi quang. Sau khi hấp thụ ánh sáng kích thích, vật liệu huỳnh quang phát ra tín hiệu huỳnh quang có bước sóng xác định, được truyền trở lại máy quang phổ để phát hiện thông qua sợi quang. Khi nhiệt độ thay đổi, Đặc tính huỳnh quang của vật liệu huỳnh quang có thể là sự thay đổi cường độ huỳnh quang hoặc sự thay đổi bước sóng huỳnh quang. Giá trị nhiệt độ có thể được xác định bằng cách đo cường độ hoặc bước sóng của tín hiệu huỳnh quang.
đặc trưng
Độ chính xác cao: Vật liệu huỳnh quang đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, chế tạo cảm biến nhiệt độ sợi huỳnh quang có độ chính xác đo cao. Độ chính xác cao này rất quan trọng trong một số trường hợp nhạy cảm với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ, chẳng hạn như theo dõi nhiệt độ nuôi cấy tế bào trong y sinh. Ngay cả những sai lệch nhiệt độ nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào và kết quả thí nghiệm. Cảm biến sợi quang huỳnh quang có thể phát hiện chính xác sự thay đổi nhiệt độ và đảm bảo sự ổn định của môi trường thí nghiệm.
Phản hồi nhanh: Cảm biến nhiệt độ sợi quang huỳnh quang có tốc độ phản hồi nhanh, có thể theo dõi sự thay đổi nhiệt độ trong thời gian thực, và trả lời ngay lập tức. Trong một số tình huống đòi hỏi thời gian thực, chẳng hạn như theo dõi nhiệt độ trong các phản ứng hóa học nhanh chóng, cần thu thập thông tin thay đổi nhiệt độ kịp thời để điều chỉnh điều kiện phản ứng. Cảm biến sợi quang huỳnh quang có thể phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi nhiệt độ và đảm bảo tiến trình phản ứng bình thường.
Đo lường phân phối: Cảm biến nhiệt độ sợi quang huỳnh quang có thể theo dõi nhiệt độ tại nhiều địa điểm cùng lúc thông qua một sợi cáp quang. Khả năng phát hiện phân tán này làm cho các cảm biến trở nên rất hữu ích trong các tình huống cần giám sát nhiều điểm. Ví dụ, trong một kho lạnh lớn, nhiệt độ ở các vị trí khác nhau cần được theo dõi đồng thời. Cảm biến sợi quang huỳnh quang sử dụng một sợi quang duy nhất để sắp xếp vật liệu huỳnh quang tại các vị trí khác nhau nhằm đạt được khả năng giám sát nhiệt độ phân tán tại nhiều điểm, giảm chi phí nối dây và độ phức tạp.
Khả năng chống nhiễu mạnh mẽ: Trong môi trường điện từ phức tạp, cảm biến nhiệt độ truyền thống có thể bị ảnh hưởng bởi tín hiệu nhiễu, trong khi cảm biến nhiệt độ sợi quang huỳnh quang có thể hoạt động bình thường mà không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu nhiễu. Ví dụ, trong môi trường công nghiệp có nhiều thiết bị điện từ hoặc theo dõi nhiệt độ xung quanh các trạm biến áp điện, cảm biến sợi quang huỳnh quang có thể thu được giá trị nhiệt độ ổn định.
Ổn định lâu dài: Vật liệu huỳnh quang có độ bền và ổn định cao, và cảm biến có thể duy trì độ ổn định hiệu suất cao trong quá trình sử dụng lâu dài. Thích hợp cho môi trường làm việc liên tục lâu dài, chẳng hạn như giám sát nhiệt độ của thiết bị thăm dò biển sâu (tiếp xúc lâu dài với môi trường dưới nước khắc nghiệt) hoặc trạm quan trắc địa vật lý dài hạn (yêu cầu thu thập dữ liệu dài hạn).
Phạm vi nhiệt độ rộng: Cảm biến nhiệt độ sợi quang huỳnh quang phù hợp với nhiều loại nhiệt độ môi trường, từ thấp đến âm Baidu đến cao tới vài trăm độ C. Cảm biến sợi quang huỳnh quang cũng có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của thiết bị nghiên cứu khoa học trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt, chẳng hạn như gần các miệng núi lửa có nhiệt độ cao hoặc ở các vùng Nam Cực lạnh giá.
Tính linh hoạt cao: Vật liệu huỳnh quang cho cảm biến có thể được lựa chọn và thiết kế theo nhu cầu thực tế để đáp ứng nhu cầu của các lĩnh vực ứng dụng cụ thể khác nhau. Ví dụ, vật liệu huỳnh quang cụ thể có thể được lựa chọn cho các hệ thống hóa học khác nhau để thích ứng với việc đo nhiệt độ trong môi trường hóa học và cải thiện khả năng thích ứng của cảm biến.
2.2 Cân nhắc lựa chọn và ứng dụng
Nên ưu tiên những tình huống có ít điểm đo
Theo mối tương quan giữa số lượng điểm đo và loại cảm biến đã đề cập trước đó, khi số điểm đo nhỏ hơn 50, Một “điểm duy nhất” cảm biến thường được sử dụng, và cảm biến huỳnh quang thuộc loại cảm biến điểm đơn. Trong các tình huống như theo dõi nhiệt độ của các thiết bị nhỏ, chẳng hạn như giám sát nhiệt độ bên trong của thiết bị gia dụng (chẳng hạn như ấm đun nước điện, máy sấy tóc, vân vân.), hoặc đo nhiệt độ của từng bình phản ứng nhỏ trong phòng thí nghiệm, Cảm biến sợi quang huỳnh quang có lợi thế trong việc kiểm soát chi phí và thuận tiện lắp đặt do số lượng điểm đo ít.
Phù hợp với các tình huống yêu cầu cao về tốc độ phản hồi và độ chính xác
Nếu yêu cầu về tốc độ phản hồi và độ chính xác để đo nhiệt độ cao trong các tình huống ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như trong một số thiết bị y tế chính xác (chẳng hạn như thiết bị điều trị bằng laser nhãn khoa có độ chính xác cao theo dõi nhiệt độ bên trong hoặc theo dõi nhiệt độ mạch máu trong phẫu thuật bắc cầu tim), Cảm biến sợi quang huỳnh quang có thể đáp ứng các yêu cầu do phản ứng nhanh và đặc tính có độ chính xác cao.
Không phù hợp với tình huống có số lượng điểm đo lớn
Do thực tế là cảm biến sợi quang huỳnh quang chủ yếu là loại điểm đơn, nếu cần theo dõi nhiệt độ cho một số lượng lớn các điểm (chẳng hạn như hơn 50 điểm đo), sử dụng cảm biến sợi quang huỳnh quang sẽ dẫn đến chi phí cao hơn. Trong trường hợp này, sẽ phù hợp hơn nếu chọn cảm biến phân tán, chẳng hạn như trong các kịch bản giám sát nhiệt độ của hàng trăm nút thiết bị trong các nhà máy công nghiệp lớn hoặc nhiều phòng trong các tòa nhà lớn.
3. Những điểm chính để lựa chọn cảm biến sợi quang phân tán
3.1 Nguyên tắc và thành phần cơ bản
nguyên tắc
Trong công nghệ cảm biến sợi quang phân tán, Sợi quang vừa là phương tiện cảm biến vừa là phương tiện truyền dữ liệu. Bằng cách tận dụng các đặc tính của sóng ánh sáng truyền trong sợi quang, các phép đo cảm biến liên tục có thể được thực hiện dọc theo chiều dài của sợi quang. Với sự trợ giúp của sự thay đổi sóng ánh sáng, các thông số vật lý môi trường như nhiệt độ, sự căng thẳng, áp lực , vân vân. có thể được trích xuất để thu được thông tin về trạng thái phân bố không gian của đối tượng được đo theo thời gian. Nguyên lý chính của công nghệ cảm biến sợi quang phân tán bao gồm công nghệ cảm biến dựa trên nguyên lý giao thoa quang học và công nghệ cảm biến dựa trên nguyên lý tán xạ như Rayleigh, Brillouin, Raman, vân vân. Bài viết này tập trung vào phép đo phản xạ miền tần số quang (OFDR) công nghệ dựa trên tán xạ Rayleigh, gián tiếp phản ánh độ biến dạng của các thành phần cấu trúc bằng cách cảm nhận độ căng của các sợi quang bố trí trên chúng. Biến dạng đo được thực tế được truyền từ các thành phần cấu trúc đến biến dạng trên sợi quang. Khi giải điều chế nhiệt độ hoặc biến dạng trong các cảm biến sợi quang phân tán, Công nghệ OFDR cho thấy cả biến dạng và nhiệt độ đều được giải điều chế bằng tín hiệu dịch chuyển tần số tán xạ Rayleigh trong sợi quang. Về nguyên tắc, không thể phân biệt được tín hiệu biến dạng và tín hiệu nhiệt độ. Vì thế, cần sử dụng các loại sợi cảm biến khác nhau để phân biệt độ căng và nhiệt độ trong quá trình thử nghiệm.
Thành phần cơ bản
Các cảm biến sợi quang phân tán được sử dụng phổ biến trên thị trường là cảm biến sợi quang trần hoặc cảm biến cáp quang phân tán được bọc và bọc thép ở lớp ngoài của cáp quang trần. Nói chung là, Sợi quang trần bao gồm một lõi, một tấm ốp, và một lớp phủ. Lõi và lớp bọc được làm từ silicon dioxide với các chỉ số khúc xạ khác nhau. Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của vỏ. Khi ánh sáng tới thỏa mãn góc phản xạ toàn phần trong sợi quang, nó có thể lan truyền trong sợi. Vật liệu phủ nói chung là este acrylic, chủ yếu dùng để bảo vệ sợi quang khỏi bị hư hại bên ngoài và tăng độ bền của nó, do đó kéo dài tuổi thọ của sợi quang. Cáp quang cảm biến phân tán có cấu tạo gồm một lớp vỏ bên ngoài quấn quanh sợi quang trần, và chất liệu vỏ ngoài đa phần là nhựa (chẳng hạn như PE, PVC, PTFE, ETFE, vân vân.). Chức năng chính của nó là tăng cường độ bền cấu trúc của các cảm biến sợi quang phân tán và cho phép chúng tồn tại tốt hơn trong môi trường khắc nghiệt.
3.2 Cân nhắc lựa chọn và ứng dụng
Số lượng điểm đo lớn và tình hình nhu cầu phân tán
Khi có nhiều hơn 50 điểm đo, “phân phối” các cảm biến như cảm biến cách tử sợi Bragg thường được sử dụng. Trong giám sát trường nhiệt độ của các công trình kỹ thuật lớn như cầu đường dài, đường hầm, và các tòa nhà lớn, có rất nhiều điểm đo. phân phối cảm biến sợi quang có thể bố trí các sợi dọc theo toàn bộ cấu trúc để thu được lượng lớn dữ liệu nhiệt độ từ mỗi điểm cùng một lúc, đạt được giám sát phân phối nhiệt độ toàn diện. Ví dụ, trên cây cầu vượt biển kéo dài vài km, lắp đặt các cảm biến sợi quang phân tán ở các phần khác nhau của thân cầu có thể phát hiện kịp thời sự bất thường về nhiệt độ ở những khu vực có vấn đề do thay đổi nhiệt độ môi trường hoặc ứng suất nhiệt bên trong, Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với việc bảo trì an toàn cây cầu.
Thích ứng với môi trường phức tạp và các kịch bản giám sát dài hạn
Cảm biến sợi quang phân tán có những ưu điểm như không nhiễm điện, kích thước nhỏ, khả năng uốn cong, khả năng chống nhiễu điện từ, độ nhạy cao, và khả năng chống ăn mòn. Giám sát nhiệt độ của đường ống hoặc cáp đường dài rất phù hợp trong một số môi trường điện từ phức tạp, chẳng hạn như xung quanh các trạm biến áp cao thế, xưởng sản xuất điện từ lớn, vân vân; Nó cũng có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ trong môi trường có độ ăn mòn mạnh, như đường ống nước thải ngầm, đường ống vận chuyển nguyên liệu hóa chất, vân vân. Hơn thế nữa, tại các địa điểm khai thác quy mô lớn hoặc các khoang ngầm nơi việc theo dõi nhiệt độ có độ dài bằng nhau, Cảm biến sợi quang phân tán có thể đáp ứng hiệu quả nhu cầu giám sát nhờ khả năng thích ứng tốt và đặc tính lắp đặt ở khoảng cách xa.
Tiêu chí lựa chọn loại sợi và vật liệu vỏ bọc
Loại sợi quang:
Một số mẫu cáp quang đơn mode phổ biến trên thị trường, chẳng hạn như sợi dòng G652 và G657, có thể được sử dụng làm cảm biến dựa trên công nghệ OFDR tán xạ Rayleigh. Sự khác biệt giữa hai loại này là sợi dòng G657 là sợi có khả năng chống uốn cong, có tổn thất uốn nhỏ hơn so với dòng G652 ở cùng bán kính uốn. Đối với một số địa điểm thử nghiệm kỹ thuật hoặc thử nghiệm kết cấu phức tạp, cảm biến sợi quang chắc chắn gặp phải một số tổn thất uốn trong quá trình triển khai. Vì thế, cho công nghệ OFDR, chọn cáp quang dòng G657 làm cảm biến có nhiều ưu điểm hơn cáp quang dòng G652.
Khi cần kiểm tra độ biến dạng cấu trúc chính xác hoặc khi độ chính xác của cảm biến có thể được đảm bảo đồng thời bảo vệ sợi quang khỏi bị hư hỏng, sợi PI (sợi polyimide) có thể được sử dụng làm cảm biến vì hiệu ứng truyền biến dạng của vật liệu phủ của nó tương đương với hiệu ứng của sợi trần, và tốt hơn so với sợi thông thường (lớp phủ acrylic). Trong một số trường hợp đo thông thường, nếu yêu cầu về độ chính xác không đặc biệt cao, sợi đơn mode thông thường có thể đáp ứng yêu cầu. Đối với sợi quang đo nhiệt độ, sợi quang có vỏ bọc lỏng lẻo thường được chọn, bao gồm vỏ rỗng 0,9mm ở bên ngoài và sợi quang PI 165um ở trung tâm. Điều này cho phép sợi quang di chuyển tự do trong vỏ bọc, và sức căng do bên ngoài tạo ra được che chắn bởi lớp vỏ bên ngoài. Vì thế, cảm biến sợi quang có vỏ bọc lỏng lẻo chỉ có thể kiểm tra những thay đổi về nhiệt độ bên ngoài. Để kiểm tra biến dạng trong môi trường nhiệt độ không đổi, sợi trần hoặc sợi có vỏ bọc thường có thể đáp ứng yêu cầu. Việc lựa chọn chất xơ cụ thể có thể phụ thuộc vào tình huống ứng dụng thực tế; Để thử nghiệm biến dạng trong môi trường nhiệt độ thay đổi, cần sử dụng sợi quang bù nhiệt để thử nghiệm. Ví dụ, Một Sợi quang bù nhiệt độ bao gồm hai cảm biến sợi quang, một trong số đó là sợi quang có vỏ bọc chặt và cái còn lại là sợi quang có vỏ bọc lỏng lẻo. Sợi quang có vỏ bọc chặt bị ảnh hưởng bởi cả nhiệt độ và độ căng, trong khi sợi quang có vỏ bọc lỏng lẻo chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Bằng cách trừ đi hai, có thể thu được độ căng do sợi quang tạo ra.
Chất liệu vỏ bọc:
Trong môi trường khắc nghiệt, nếu sợi quang trần không còn phù hợp để sử dụng do chúng mỏng và dễ bị hư hỏng, cáp quang có vỏ bọc kín cần được lựa chọn để đảm bảo tỷ lệ sống sót. Mặc dù cáp quang có vỏ bọc chặt có độ bền kết cấu cao hơn so với cáp quang trần, Suy hao truyền tải biến dạng của chúng lớn hơn so với sợi quang trần, và sự mất truyền lực biến dạng tăng lên khi tăng đường kính vỏ bọc. Các loại sợi quang có vỏ bọc chặt thông thường có đường kính 0,9mm, 2đường kính mm, và thậm chí cả cáp quang bọc thép có đường kính lớn hơn. Thường xuyên, với điều kiện đảm bảo sự sống sót của cảm biến sợi quang, nên ưu tiên sử dụng các sợi có vỏ bọc chặt có đường kính nhỏ hơn làm cảm biến để đảm bảo hiệu suất cảm biến tốt hơn. Ngoài ra, vật liệu vỏ bọc nên được lựa chọn theo môi trường nhiệt độ thực tế. Vật liệu vỏ khác nhau (chẳng hạn như PE, PVC, PTFE, ETFE, vân vân.) có đặc tính chịu nhiệt độ khác nhau. Ví dụ, trong môi trường nhiệt độ cao, Có thể cần phải lựa chọn vật liệu vỏ bọc có khả năng chịu được nhiệt độ cao để bảo vệ sợi quang và đảm bảo hoạt động bình thường của cảm biến..
4. Những điểm chính để lựa chọn cảm biến cách tử Bragg sợi
4.1 Nguyên tắc và đặc điểm
nguyên tắc
Cảm biến Fiber Bragg Grated là loại cảm biến dùng để đo và giám sát các đại lượng vật lý. Nguyên lý của nó là sử dụng sợi quang có cấu trúc cách tử để cản trở ánh sáng phản xạ của ánh sáng tới. Bằng cách đo độ lệch pha của ánh sáng giao thoa và so sánh nó với cách tử mẫu, đại lượng vật lý đo được có thể thu được. Về mặt đo nhiệt độ, khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi, chu kỳ hoặc chiết suất của cách tử Bragg sợi sẽ thay đổi, dẫn đến sự dịch chuyển bước sóng của ánh sáng phản xạ. Bằng cách phát hiện sự thay đổi bước sóng, giá trị thay đổi nhiệt độ có thể đạt được.
đặc trưng
Độ nhạy cao: có khả năng đo sự thay đổi nhiệt độ tinh tế. Trong một số thiết bị hoặc môi trường nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ (chẳng hạn như giám sát nhiệt độ bên trong dụng cụ quang học có độ chính xác cao, giám sát nhiệt độ môi trường bảo quản nhiệt độ thấp của mẫu sinh học, vân vân.), ngay cả những dao động nhiệt độ nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị hoặc hiệu quả bảo quản mẫu. Cảm biến cách tử Fiber Bragg có thể phát hiện chính xác những thay đổi nhỏ này và đưa ra cảnh báo kịp thời hoặc điều chỉnh các biện pháp kiểm soát.
Độ phân giải cao: có thể phát hiện giá trị tuyệt đối của những thay đổi nhỏ. Nó hoạt động tốt trong việc theo dõi sự khác biệt nhỏ về nhiệt độ, chẳng hạn như trong nghiên cứu hiệu suất tản nhiệt của chip điện tử, where precise understanding of the small temperature differences at various points on the chip surface is required. Fiber Bragg grating sensors can provide high-precision temperature resolution to meet research needs.
Độ chính xác cao: It can obtain high-precision measurement results, which is very important in many precision experiments, industrial production process control (such as temperature control in high-precision glass manufacturing processes, where small temperature deviations may affect the quality of glass), or high-end medical equipment (such as internal temperature management of certain special laser treatment equipment) scenarios, helping to ensure the accuracy of the process and the quality of products and equipment.
High stability: Fiber Bragg grating sensors have high stability and can maintain accuracy even in long-term measurements. Trong các kịch bản theo dõi nhiệt độ liên tục trong thời gian dài, chẳng hạn như giám sát nhiệt độ của thiết bị hàng không vũ trụ trong các chuyến bay dài hạn, ghi nhiệt độ dài hạn của trạm quan trắc khí tượng, vân vân., Cảm biến cách tử Bragg sợi có thể hoạt động đáng tin cậy và xuất dữ liệu nhiệt độ chính xác ổn định.
Không bị nhiễu điện từ: Bởi vì việc truyền tín hiệu được thực hiện thông qua tín hiệu quang, Cảm biến cách tử sợi Bragg không dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Điều này làm cho nó rất thiết thực để đo nhiệt độ trong môi trường điện từ mạnh, chẳng hạn như bên trong các trạm biến áp của hệ thống điện, xưởng sản xuất thiết bị điện từ lớn, vân vân., không dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và sai số đo như cảm biến điện tử truyền thống.
4.2 Cân nhắc lựa chọn và ứng dụng
Xem xét các yêu cầu về tính đa dạng để đo các đại lượng vật lý
Cảm biến cách tử sợi Bragg có thể được sử dụng không chỉ để theo dõi nhiệt độ, mà còn để đo các đại lượng vật lý khác như theo dõi biến dạng. Trong một số tình huống ứng dụng thực tế, chẳng hạn như các công trình xây dựng lớn hoặc thiết bị cơ khí, nếu cần thiết phải theo dõi nhiệt độ của các cấu trúc này đồng thời hiểu được độ căng của cấu trúc, Cảm biến cách tử Bragg sợi có thể đo đồng thời nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ và biến dạng. Ví dụ, trong việc theo dõi tình trạng của kết cấu cầu, Cảm biến cách tử sợi Bragg được phân bổ dọc theo thân cầu, có thể đồng thời thu được dữ liệu nhiệt độ và biến dạng từ các bộ phận khác nhau, đánh giá toàn diện tình trạng kết cấu của cầu, và có ý nghĩa quan trọng trong việc dự đoán và ngăn ngừa thiệt hại có thể xảy ra, mệt mỏi và các vấn đề khác của cây cầu.
Thích hợp cho số lượng lớn các điểm đo và các kịch bản đo phân tán
Cảm biến cách tử Fiber Bragg có thể hoạt động tốt khi liên quan đến số lượng lớn các điểm đo. Tương tự như cảm biến sợi quang phân tán, tại các khu công nghiệp quy mô lớn, cơ sở vật chất xây dựng, và các tình huống khác yêu cầu nhiều điểm đo, Cảm biến cách tử sợi quang có thể sử dụng công nghệ ghép kênh để đặt nhiều cách tử trên một sợi quang nhằm đạt được phép đo nhiệt độ ở các vị trí khác nhau. Ví dụ, trong các nhà máy nhiệt điện lớn, nhiều thiết bị và đường ống được phân phối trên một khu vực rộng. Bằng cách bố trí hợp lý mạng cảm biến cách tử sợi quang, Có thể đạt được việc giám sát nhiệt độ các vị trí quan trọng của các thiết bị và đường ống khác nhau trong toàn bộ nhà máy điện, giúp nâng cao tính an toàn và hiệu quả vận hành thiết bị.
Cân bằng chi phí và yêu cầu hiệu suất
Mặc dù cảm biến cách tử Bragg sợi có nhiều đặc tính tuyệt vời, giá của họ tương đối cao. Trong một số trường hợp ứng dụng nhạy cảm về chi phí, cần phải cân bằng mối quan hệ giữa hiệu suất và chi phí. Ví dụ, trong một số nhu cầu giám sát nhiệt độ trong nhà của tòa nhà dân sự thông thường, nếu chỉ thu được những thay đổi gần đúng về nhiệt độ tổng thể trong nhà, độ chính xác cao và hiệu suất của cảm biến cách tử sợi Bragg có thể không cần thiết. Trong trường hợp này, cảm biến nhiệt độ truyền thống chi phí thấp có thể được lựa chọn; Trong một số tình huống sản xuất công nghiệp cao cấp hoặc nghiên cứu khoa học, yêu cầu hiệu suất cao như độ chính xác và độ tin cậy của phép đo nhiệt độ, và những lợi thế hiệu suất cao của cảm biến cách tử Bragg sợi có thể được phản ánh đầy đủ khi ngân sách cho phép.
5. Phân tích so sánh các loại cảm biến sợi quang khác nhau
5.1 Sự khác biệt trong nguyên tắc đo lường
Nguyên lý cảm biến sợi quang huỳnh quang
Dựa trên sự thay đổi cường độ huỳnh quang hoặc bước sóng của vật liệu huỳnh quang khi thay đổi nhiệt độ, Phát hiện nhiệt độ đạt được bằng cách truyền tín hiệu qua sợi quang. Ánh sáng phát ra từ nguồn sáng được truyền tới vật liệu huỳnh quang thông qua sợi quang. Sau khi hấp thụ ánh sáng kích thích, vật liệu huỳnh quang phát ra tín hiệu huỳnh quang có cường độ hoặc bước sóng khác nhau tùy theo sự thay đổi nhiệt độ, sau đó được truyền đến máy quang phổ để phát hiện thông qua sợi quang.
Nguyên lý cảm biến sợi quang phân tán
Sợi quang vừa là môi trường cảm biến vừa là môi trường truyền dẫn, và việc cảm biến, đo lường liên tục được thực hiện dọc theo sợi cáp quang thông qua đặc tính truyền sóng ánh sáng trong sợi cáp quang. Lấy công nghệ OFDR dựa trên tán xạ Rayleigh làm ví dụ, bằng cách giải điều chế tín hiệu tán xạ Rayleigh trong sợi quang và thu được thông tin về những thay đổi trong các thông số vật lý như nhiệt độ, không thể phân biệt trực tiếp giữa tín hiệu biến dạng và nhiệt độ. Các loại sợi quang khác nhau cần được chọn cho các kịch bản đo khác nhau, chẳng hạn như sợi quang có vỏ bọc lỏng để đo nhiệt độ.
Nguyên lý của cảm biến cách tử sợi Bragg
Bằng cách sử dụng sợi có cấu trúc dạng lưới để phản xạ và cản trở ánh sáng tới, sự thay đổi nhiệt độ có thể gây ra sự thay đổi về chu kỳ hoặc chỉ số khúc xạ của cách tử sợi, dẫn đến sự dịch chuyển bước sóng của ánh sáng phản xạ. Giá trị thay đổi nhiệt độ có thể thu được bằng cách đo sự dịch chuyển bước sóng.
5.2 So sánh đặc tính hiệu suất
độ chính xác đo lường
Cảm biến cách tử sợi Bragg: Về lý thuyết, nó có độ chính xác cao, điều này chủ yếu phụ thuộc vào việc kiểm soát khoảng cách cách tử và chỉ số khúc xạ hiệu quả, cũng như tính tuyến tính của quá trình đo. Khi độ chính xác gia công được đảm bảo, do phép đo mối quan hệ chuyển đổi tuyến tính trực tiếp của nó, độ chính xác của nó rất dễ dàng để đảm bảo, và ánh sáng phản xạ sắc nét trong miền tần số, làm cho phép đo vạch quang phổ trung tâm chính xác hơn. Nó có lợi thế trong các tình huống đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như theo dõi nhiệt độ thiết bị y tế cao cấp hoặc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm có độ chính xác cao.
Cảm biến sợi quang huỳnh quang: Độ chính xác của phép đo chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính của chất huỳnh quang bị kích thích phát huỳnh quang và việc phát hiện sự thay đổi cường độ huỳnh quang. Hiện nay, trình độ công nghệ làm cho độ chính xác của nó có thể so sánh được với hai loại còn lại, nhưng trong ứng dụng thực tế, độ chính xác cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như vật liệu, mức độ xử lý, và độ phân giải giải điều chế tín hiệu. Nó phù hợp với các kịch bản có độ chính xác cao nói chung, nơi yêu cầu độ chính xác không cao nhất, chẳng hạn như giám sát nhiệt độ của thiết bị công nghiệp nói chung.
Cảm biến sợi quang phân tán: Độ chính xác chủ yếu bị ảnh hưởng bởi công nghệ phát hiện được sử dụng (chẳng hạn như công nghệ OFDR dựa trên tán xạ Rayleigh), loại sợi quang (chẳng hạn như các lớp phủ khác nhau, vật liệu vỏ bọc, vân vân.), và ảnh hưởng của môi trường ứng dụng đến tín hiệu cảm biến. Trong một số kịch bản đo lường phân tán ở khoảng cách xa, mặc dù độ chính xác của một điểm có thể không tốt bằng cảm biến cách tử sợi quang Bragg, nó có thể cung cấp sự phân bổ nhiệt độ tổng thể, phù hợp với các kịch bản giám sát nhiệt độ quy mô lớn, nơi yêu cầu độ chính xác không quá cao, chẳng hạn như giám sát trường nhiệt độ của các tòa nhà lớn.
tốc độ phản hồi
Cảm biến cách tử sợi Bragg: Cần có bộ thu giải điều chế và phân kênh hiệu suất cao, và khả năng xử lý của máy thu thường ảnh hưởng đến tần số đáp ứng của nó. Nói một cách tương đối, tốc độ phản hồi của nó bị ảnh hưởng bởi công nghệ phát hiện sự thay đổi bước sóng phức tạp và các yếu tố khác. Trong các tình huống có yêu cầu thời gian thực cao về tốc độ phản hồi, nó có thể không tốt bằng cảm biến sợi quang huỳnh quang.
Cảm biến sợi quang huỳnh quang: Nó có đặc tính phản ứng nhanh và có thể phản ứng nhanh với sự thay đổi nhiệt độ, chủ yếu là do nguyên lý phát hiện trực tiếp dựa trên đặc tính huỳnh quang. Nó hoạt động tốt hơn trong các tình huống có yêu cầu giám sát nhiệt độ thời gian thực cao, chẳng hạn như kiểm soát nhiệt độ trong một số quy trình phản ứng hóa học hoặc theo dõi nhiệt độ trong các quy trình phản ứng nhanh sinh học.
Cảm biến sợi quang phân tán: Tốc độ phản hồi của chúng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau như loại sợi, công nghệ phát hiện, vân vân. Tuy nhiên, trong quá trình đo lường phân tán, họ có thể liên tục theo dõi nhiệt độ ở các điểm khác nhau. Mặc dù tốc độ phản hồi của một điểm có thể không nhanh lắm, nó có thể đáp ứng các yêu cầu để đạt được sự phân bố nhiệt độ tổng thể trong một khoảng thời gian lấy mẫu nhất định. Nó đặc biệt thích hợp cho các tình huống giám sát độ ổn định nhiệt độ lâu dài như các công trình lớn.
Phạm vi đo (đặc điểm phân bố)
Cảm biến cách tử sợi Bragg: Nhiều cách tử có thể được đặt trên một sợi quang thông qua công nghệ ghép kênh để đạt được phép đo nhiều điểm. Tuy nhiên, so với cảm biến sợi quang huỳnh quang, khả năng đo lường phân tán của nó phụ thuộc nhiều hơn vào công nghệ mạng và hỗ trợ thiết bị, và bị giới hạn bởi các yếu tố như chi phí. Ví dụ, số lượng cách tử có thể được đặt ở một mức chi phí nhất định bị giới hạn, nhưng nó hoạt động tốt về độ chính xác của một điểm đo. Nó phù hợp với các kịch bản đo phân tán yêu cầu độ chính xác của một điểm và có ít điểm đo tương đối hơn, chẳng hạn như đo nhiệt độ và biến dạng của hàng trăm nút chính trong một số kết cấu cầu.
Cảm biến sợi quang huỳnh quang: Nó có khả năng đo phân tán nhất định và có thể theo dõi đồng thời nhiệt độ của nhiều vị trí thông qua một sợi cáp quang. Tuy nhiên, nó tương đối yếu trong việc yêu cầu quy mô lớn, đo lường phân tán ở khoảng cách xa và phù hợp hơn để theo dõi nhiệt độ của nhiều điểm đo ở quy mô nhỏ, khu vực tương đối tập trung, chẳng hạn như giám sát nhiệt độ của nhiều thiết bị trong xưởng sản xuất nhỏ.
Cảm biến sợi quang phân tán: được thiết kế đặc biệt để đo lường phân tán, với ưu điểm là có thể đạt được phép đo phân bổ nhiệt độ quy mô lớn và liên tục dọc theo cáp quang. Nó phù hợp để giám sát trường nhiệt độ toàn diện của các công trình kỹ thuật lớn như phòng trưng bày đường ống toàn diện dưới lòng đất (hàng ngàn mét hoặc thậm chí lâu hơn) và những cây cầu vượt biển siêu dài.
5.3 So sánh chi phí và độ phức tạp
trị giá
Cảm biến cách tử sợi Bragg: Chi phí tương đối cao, chủ yếu là do yêu cầu hiệu suất cao như độ chính xác và độ ổn định cao, dẫn đến chi phí cao hơn trong quá trình sản xuất, phụ kiện thiết bị, và các khía cạnh khác. Trong các trường hợp ngân sách hạn chế và các yêu cầu về hiệu suất như độ chính xác không cao lắm, hiệu quả chi phí của nó có thể không cao, chẳng hạn như kịch bản theo dõi nhiệt độ ở một số tòa nhà dân cư thông thường.
Cảm biến sợi quang huỳnh quang: Với chi phí vừa phải và kết cấu tương đối đơn giản, đó là một lựa chọn hiệu quả về mặt chi phí trong các tình huống mà độ chính xác và hiệu suất đáp ứng được yêu cầu, chẳng hạn như giám sát nhiệt độ của thiết bị công nghiệp nói chung hoặc quản lý nhiệt độ của các cơ sở thương mại nhỏ.
Cảm biến sợi quang phân tán: Chi phí phụ thuộc vào thang đo, loại cáp quang cần thiết, và hỗ trợ thiết bị giải điều chế. Trong các kịch bản đo lường quy mô lớn, mặc dù chi phí của một cảm biến sợi quang phân tán có thể không thấp, nó có thể có lợi thế về chi phí so với cảm biến một điểm trong việc đạt được các phép đo ở cùng thang đo do khả năng bao phủ một số lượng lớn các điểm đo; Tuy nhiên, trong các kịch bản đo lường quy mô nhỏ, chi phí tương đối cao. Ví dụ, khi theo dõi nhiệt độ của một số thiết bị nhỏ riêng lẻ, sử dụng cảm biến cáp quang phân tán là một sự lãng phí chi phí.
sự phức tạp
Cảm biến cách tử sợi Bragg: Nó sử dụng cách tử để cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ, và hệ thống này liên quan đến công nghệ phát hiện sự thay đổi bước sóng phức tạp, yêu cầu thiết bị giải điều chế phức tạp để đo chính xác sự thay đổi bước sóng của ánh sáng phản xạ. Độ phức tạp của thiết bị và công nghệ tương đối cao, và trình độ kỹ thuật của người vận hành và yêu cầu bảo trì thiết bị cũng tương đối cao.
Cảm biến sợi quang huỳnh quang: Cấu tạo và nguyên lý làm việc tương đối đơn giản, thuộc phương pháp phát hiện cường độ ánh sáng. Nó chỉ cần một nguồn sáng để kích thích huỳnh quang và sau đó phát hiện những thay đổi về cường độ hoặc bước sóng huỳnh quang. Nó không yêu cầu thiết bị và công nghệ giải điều chế phức tạp, và có chi phí bảo trì thấp và khó khăn trong vận hành.
Cảm biến sợi quang phân tán: Trong số đó, các công nghệ phát hiện như OFDR dựa trên tán xạ Rayleigh tương đối phức tạp, liên quan đến việc giải điều chế chính xác các tín hiệu tán xạ Rayleigh trong sợi quang, và lựa chọn và cài đặt đặc biệt của các loại sợi (chẳng hạn như lớp phủ, vỏ bọc, vân vân.) được yêu cầu trong các kịch bản đo lường khác nhau, dẫn đến độ phức tạp cao trong việc sử dụng và bảo trì.
Cảm biến nhiệt độ sợi quang, Hệ thống giám sát thông minh, Nhà sản xuất cáp quang phân phối tại Trung Quốc
|
|
 |