光纤测温的原理和光纤测温的应用范围

光纤测温的原理

1.荧光光纤测温原理

基于荧光寿命的光纤温度测温，一般来说，荧光物质分子外层电子都处于相对稳定的状态下，当受到激发光照射，就会出现电子吸收能量跃迁的情况。在消失激发光之后，就会让其重新返回基态，但是会有能量不断辐射，从而产生荧光。针对其具体的测温，是在入射光消失开始，其物质表面的温度同荧光余晖衰减本身存在关联，其所谓的余晖衰减，实际上就是荧光寿命。而荧光寿命的长度和温度高低有着直接的关系。

在荧光物质温度确定之后，实际的余晖保持时间就是寿命，其本身和电流信号是单调关系。所以，通过特性曲线，就可以选择对应的材料作为探头，通过检测的电流值和时间支架的相互关系，就可以将表面温度明确，进而将监测点温度确定。

在工程实施中，相比正常的运行温度检测，在出现故障后的温度异常升高，因此检测意义更大。

荧光光纤测温原理（图）

2、分布式光纤测温原理

分布式光纤测温系统中的感温光纤为高拉曼散射效应多模光纤。每根感温光纤所铺设的地方的都是可以测温的，分布式光纤测温用于根据用户需求对不同的测温点进行分区管理，对每个测温点设置不同的报警参数，并至少用以实现，每个测温点设置多级报警条件，包括温度预警、温升预警、温度报警和温升报警。

光纤测温监控软件可结合实测温度和温度变化情况，甄别出真正事故和虚假事故，消除误报漏报；以及用户在工作站通过光纤测温监控软查询历史温度数据和报警记录，还可生成安全运行报表。通过网络与光纤测温主机进行通信，显示屏上实时显示每个测温点的位置、温度值和温度变化情况；当测量温度大于报警温度时，光纤测温主机触发所述火灾报警控制器动作，启动通风降温装置或灭火装置；同时光纤 温度监控软件触发软件界面的声光报警。

3、光纤光栅测温原理

光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时， 它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光 纤返回；其余宽带光则直接透射过去。

光纤光栅测温系统是一种准分布式温度监测系统，其利用光纤光栅的温度敏感特 性，通过对光纤光栅反射光信号中心波长的测量，得到待测点的温度、应变变化情况。光纤 光栅是利用光纤纤芯中锗材料的光敏特性并配合增敏处理，采用紫外曝光方 式在光纤纤芯中产生周期性的折射率变化，形成布拉格光栅结构。布拉格光栅结构具 有窄带反射的特性，一个宽谱的入射光经(通常采用 c 波段，带宽约 40hm)过布拉格 光栅后，只有满足波长匹配条件的极小谱宽的光信号被反射(3dB 带宽约 0．15nm)， 其余波长的光被透射进入下一个光纤光栅 光纤光栅反射光的中心波长与布拉格光栅的栅格周期、光纤芯层的折射率成正 比。由于光纤材料自身的热胀冷缩和热光效应，当环境温度、应变变化时，光纤光栅的 栅格周期以及光纤芯层的折射率都会发生变化，使得光纤光栅的反射光中心波长随之 改变，通过对反射光信号中心波长的精确测量．即可获得待测温度、应变的变化情况。

光纤光栅原理（图）

光纤测温的应用范围

测量科学和工业过程控制中，温度是比较重要的测量参数。科学研究中，温度测量在科学研究和产品场景范围中应用很广，很多化学的实验过程和反应都和温度的关系很大，在化工厂中，温度作为正在进行的产品生产过程运行进程的有比较重要的显示地位，因为化学反应的关键点和温度的高低有关系，如果温度监测和测温不准确，就会造成很大的效率损失，在很多情况下光纤温度控制器的错误将产生不可预估的后果。

还有许多其它的工业领域，使用光纤进行温度测量是有必要的，包括蒸汽发电光纤测温、塑料和玻璃生产温度监控、冶金工业的生产过程光纤温度传感器应用、牛奶和日常用品以及其它食品工业的光纤测温主机应用。在生物医学领域，病人常规的温度监测也可以使用光纤温度传感器，可以提供基本的诊断依据，在一些加热的治疗中，为了病人的安全，必须使用光纤监测温度。

温度测量的重要性可以从工业对温度传感器和光纤测温装置厂家的应用上看出来，据统计，每年的光纤温度传感器的销售额可以达几亿元，如果加上相关的光纤温度控制器、光纤温度变送器以及各种不同的光纤测温系统，这个数字更是惊人。

荧光光纤测温的应用

1.开关柜荧光光纤测温

开关柜光纤测温系统是福州华光天锐自助研发的应用于高压开关柜的荧光光纤测温装置，寿命长、抗电磁干扰，可以为变电站高压开关柜等设备的温度监测提供有效的保障，判断设备符合能力和使用寿命，为设备安全运行提供科学依据。采用国际先进的荧光光纤温度传感技术，具有耐高压、不受电磁干扰、长期可靠、易扩展等优点，对发电及供电系统的发电机、高压开关柜、环网柜、室外及地下电缆接头等监测点的温度进行实时在线监测。

主要针对变电站电力开关柜动静触头、母排、开关等接点的异常温度变化进行实时在线监测。借助这套系统，用户可以在本地和远程上位机上实时监测开关柜内监测部位的温度变化情况，根据温度变化情实时的发出警情报告（预警、报警和超限）。同时借助强大的上位机功能，可以分析温度变化周期，查看实时、历史曲线，预测警情变化等功能，还可以实现多用户远程数据交换。该系统由荧光光纤（含传感头）、光纤测温变送器、荧光光纤通讯软件、系统表头等组成。

荧光光纤在线测温系统主要针对开关柜、变压器长期运行过程中容易发生温度过高的部位（开关柜上下触点、接头；变压器绕组、铁心等）进行实时的在线监测，避免因负荷过重而引起的温度过高造成不必要的损失。

2.变压器荧光光纤测温

a.干式变压器荧光光纤测温系统

在轨道交通变压器上，经常会遇到各种电磁干扰和高压绝缘等问题，光纤本身的特点决定了荧光光纤对电磁干扰免疫，可以承受高压，光纤本身绝缘，所以可以很好的用在地铁干式变压器上，所以华光天锐的干式变压器光纤测温装置可以很好的应用在各种型号的变压器上。

测温点（图）

b.油浸式变压器绕组光纤测温装置

油浸式变压器绕组温度直接测量法是在绕组靠近导线部分埋设荧光光纤温度传感器探头，然后通过荧光光纤测温变送器获取传感器附近的温度值，可以在线不间断监测变压器设备． 直接测量法可以实时、准确测量出绕组热点温度;通过及时启动制冷设备，可以避免因变压器绕组过热引发的事故． 该方法最典型的应用代表为福州华光天锐的荧光光纤温度传感器，荧光光纤传感监测系统对变压器中、高压三相绕组温度 、顶层油温以及中部油温进行直接测。

3.环网柜荧光光纤测温

针对环网柜而言，当内部电缆接头因为温度较高引发氧化问题，导致电缆实际的使用寿命大幅度降低，并且还可能产生爆炸、绝缘击穿等一系列的危害，甚至还会出现大面积的停电事故，最终影响整个电网的运行安全。不难看出，对于环网柜的安全运行而言，测温装置检测环网柜中的电缆接头温度就具有重要的现实意义。

电力系统一次电气设备包含了断路器、变压器等组成部分。其连接由母线、引线等组成，由于在电流直接流过会有热量出现，这时故障点的温度升高，会导致电气故障扩大。如，发电厂本身的电缆接头、电缆局部放电，或者是电缆接头等连接位置，一旦出现温度偏高的情况，就会造成安全事故。

因此，对于环网柜电缆接头温度运行监测就显得至关重要，只有对环网柜电缆接头温度变化情况有所掌握，才可以做好事故隐患的发现与控制处理。但是考虑到环网柜设置的相对分散，再加上其处于封闭状态，长时间在高电压、大电流环境下，其电磁干扰过强，这样会产生较大的温度变化，并且也须投入大量的时间用于人工巡查，但是其效果依旧不明显，所以远程在线监测就成为环网柜主要的监控方式。

分布式光纤测温的应用

近年来，光纤传感器因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、测量范围广等特点得到了人们的广泛关注，并被逐步发展及应用于工业测量和生产等领域，其中分布式光纤传感系统具有长距离分布式传感能力，在某些领域（例如地铁、油气管道长距离分布式测温领域）形成了其它传感器无法取代的应用优势。

光纤传感技术不断进步，已广泛使用在军事、国防、航空航天、工矿企业、能源环保、工业控制等众多领域当中，其具有抗干扰性强、可靠性高、可布防于各类复杂环境等诸多优点。随着光纤传感技术的不断进步，分布式光纤传感技术作为可用于长距离监测的传感技术，在如消防管道的安全监测上开始被广泛应用。分布式光纤传感技术通过沿监测线路布设光缆，实时对各监测点的信号进行分析，对各点发生的行为进行智能化识别并合理产生报警来减少检测线路上所需的人力物力资源，提高监测效率。

1.电缆分布式光纤测温

电力电缆分布式光纤测温系统可以对电缆的温度进行在线监测，对电缆的发热故障点精确定位。监测现场安全可靠，测量准确、稳定性好；测温准确性达到±1℃，不受电磁干扰，传感器长期使用无需校正；实时在线、24小时守护，全天候值守，杜绝人为疏忽；扩展性强：测温系统可以采用单通道至多通道，可方便和电力内部网络相连接，支持各种通讯协议和规范；测温速度快，采用同步扫描、并行探测技术，数秒钟内可以完成温度数据采集与传输；可实现温升速率的测量，为温度监测提供强有力的技术支持；远程传输，距离可达数公里至数十公里，易于组网。

电缆光纤敷设示意（图）

电缆接头光纤敷设示意（图）

2.油气管道分布式光纤测温

油气管道泄漏时会引起泄漏点周围温度的变化，通过分布式光纤温度传感系统可以准确定位泄漏点。在天然气管线介质泄漏受压情况下，气态物质导致的泄漏点的低温，是由物质的物理性质、工艺条件和周围环境所决定的。这些点的温度异常可通过分布式温度测量而获得，并有很好的温度、距离和反应时间精度。管道本身发生泄漏事故时，泄漏出的天然气由于存在压力，会向管道周围发出喷射状的气体。如果能对整条天然气管道在现有的压力、流量探测技术基础上，利用沿管道敷设的通讯光缆，接入分布式光纤测温传感主机，就能够实时探测到泄漏点，并进行泄漏点的定位和报警显示。

天然气管道防泄漏检测（示意图）