光線測溫技術簡介及其應用
一、光纖探溫技術簡介
光纖(Optic Fiber)全稱爲光導纖維，是一種常用的圓柱形介質波導材料。光纖傳感技術實質是通過光纖通訊將光作爲被測量的載體對目標進行檢測。光纖傳感技術具有與所測對象非接觸性、測量的精度高和靈敏度高，而且反應速度快等特點。
光纖探溫的特點：
- 可以實現單點、多點和連續區域的測溫；
- 可以同時作爲測溫和傳輸的介質；
- 擁有抗電磁干擾能力、抗腐蝕、絕緣性能好，安裝方式靈活；
- 可以與消防、報警系統等聯動；
- 可以遠程傳輸數據，遠程查看和操控；
- 可以進行數據分析，故障點排查
光纖測溫技術根據應用場景不同，可以分類爲
- 點式溫度測量：在系統某些重點關注的地方部署單個溫度探頭進行測量。
- 準分佈式測量：電力系統生產中，需要對空域的溫度梯度場分佈進行測量，分佈式溫度測量的概念由此被提出。將單點式溫度測量沿光纖傳播方向串聯，可形成覆蓋多點溫度探測的準分佈式測量。
- 完全分佈式測量：光纖本身既可以作爲光信號傳輸的通道，也可以作爲溫度敏感材料傳導溫度變化。分佈式光纖測溫系統可通過部署一臺監控設備加上一根傳感光纖實現。單位光纖長度的監控成本隨着傳感距離的增加而降低，是目前極具發展前景的工程測溫方案。
二、測溫基本原理
I. 點式測溫技術
- 熒光輻射光纖溫度傳感技術：
在光纖末端鍍上熒光物質，通過測量熒光能量衰減時間，利用熒光物質本徵餘暉時間溫度相關性，可得出被測點的溫度值。使用熒光效應的光纖溫度傳感器適用溫度範圍-50~200℃，精度約爲±1℃。目前主要應用於電氣設備內部測溫。具有體積小，集成方便，性能可靠、抗電磁干擾，絕緣性能好，安裝方便，組網靈活的特點。 - 砷化鎵光纖測溫技術：
將砷化鎵晶體材料嵌入光纖的遠端作爲溫度探頭，在光纖近端設備註入入射光。當傳感器光源發出多波長入射光輻射到砷化鎵晶體上時，砷化鎵晶體材料在不同溫度下會吸收不同波長的入射光，沒有被吸收的波長的光則會被反射回設備。通過分析反射光的光譜，可以得到探頭處的溫度參數。
砷化鎵光纖傳感器的優點是通過絕對光譜測量獲得探頭溫度，而並非通過溫度變化量測量，因此不涉及現場定標，探頭通用性好。另外，砷化鎵傳感器傳感距離可以超過500m，光源壽命和在線檢測長期穩定性超過30年，是一種比較好的點式光纖測溫方案。 砷化鎵光纖的成本較高。
II. 準分佈式光纖測溫技術
代表性方案爲多個光纖光柵串聯的測溫系統。工作原理是沿光纖的縱向通過紫外光輻射，曝光刻蝕形成若干個不同中心波長的布拉格光纖光柵。每一個布拉格光纖光柵對特定的光波長是功率全反射。在光纖傳播方向上將多個布拉格光纖光柵順序串聯，形成空間上離散的準空間分佈測溫系統。將一束包含多個波長的寬譜光注入光纖，光束經過一系列光纖布拉格光柵，每個光柵反射回與其波長對應的單色光信號。當光纖光柵所處的環境溫度發生變化，光柵反射信號的波長也會發生變化。
這種光纖光柵式測溫系統的缺點在於，光纖光柵的機械強度較低，在複雜工況下容易損壞，因此對光纖光柵傳感器的可靠性有一定要求。波長解調的靈敏度也是一個問題，幾十度的溫升引起的反射光波長漂移不超過1nm。
其優點是探頭體積小、光路可適當彎曲，抗電磁輻射，便於遙測。
技術名詞
- 光柵：指的是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件。
- 布拉格光纖光柵：滿足布拉格條件的在光纖的纖芯部分形成的光柵
- 布拉格條件：λ=2neffΛ，其中Λ爲光柵週期，λ是真空波長，neff是光纖中光的有效折射率
- 溫度變化會引起光纖週期和有效折射率的變化，通過分析反射波長的變化可得出溫度變化。
III. 分佈式光纖測溫技術
單波長髮射光入射到光纖後，從光纖返回的散射光包括3種頻率分類，瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，其散射光強的分佈如圖。瑞利散射對溫度不敏感，而拉曼散射和布里淵散射具有溫度調製特性，可以作爲分佈式光纖測溫的技術方案。
分佈式光纖測溫技術的基本原理包括對反射光的時域或者頻域分析。光時域分析反射(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)的主要原理是將一束高功率的激光入射到光纖中，散射回來的光強隨時間變化，得到相關物理量沿光纖傳播方向的分佈。光頻域分析反射(Optical Frequency-Domain Reflectometer，OFDR)的原理是在光纖終端解析光的頻域信息，區分出攜帶信息的信號光，對其進行分析得到溫度的特徵。
基於時域的拉曼測溫方法中是通過分析兩路光，一路是不隨溫度變化的參照光，一路是攜帶溫度信號的光，比較它們的光強來得到光纖沿線的溫度場分佈。目前已研製出測溫距離30km，空間分辨率3m，溫度分辨率0.1℃，測溫範圍覆蓋0~200℃的拉曼測溫系統。
基於頻域的拉曼測溫方法是利用網絡分析儀解析頻域信號，通過光纖的復基帶傳輸函數進行溫度的分佈式測量，相較於時域分析的方法由更好的位置分辨率，理論上可以達到毫米級別。
基於時域的布里淵測溫方式是在脈衝光和連續光信號的共同作用下，布里淵散射光會在另一路光的作用下被放大，通過檢測布里淵散射光的強度變化，可以測算溫度的變化。基於布里淵時域分析技術的光纖溫度傳感器的測量長度大於50km，溫度分辨率1℃。
基於頻域分析的布里淵測溫系統是通過網絡分析儀解析光纖的復基帶傳輸函數，以及函數幅值和相位解調處溫度信息。
三、光纖測溫技術的應用
1. 感溫電纜在電力系統中的應用
分佈式光纖光柵測溫與報警系統主要由三部分構成，主要功能分別如下：傳感器與光纖傳輸系統：由光纖傳感單元、多路器、光端接線盒、熔斷器、光纖等組成；
數據採集系統：由激光發生器、集成放大器、數採儀、標定系統、工控機等組成。
光纖測溫系統能實現的功能：
- 火災自動報警：對光纖傳感器檢測的區域溫度數據進行實時採集，存儲和顯示，並能對歷史數據進行動態分析和追蹤，一旦發現溫度異常波動，可以自動發出火災預警。
- 監測點定位：圖形化人機界面，顯示監測位置；
- 遠程網絡在線狀態查詢：溫度和報警數據存在硬盤中，可以設置採樣間隔，可以通過網絡遠程查看數據。
- 可以設定不同的報警條件:如溫度超過某一臨界值，溫升速率超過某個值，溫度超過平均溫度達到某個值；
- 溫度統計:可以溫度數據進行統計分析
- 系統聯動：溫度異常時可以報警，電話或者短信提醒；
- 線路自檢及故障定位：能夠對溫度異常的位置進行準確定位
- 溫度分佈曲線
2. 感溫光纖測量隧道溫度監測
光纖測溫有幾個重要的參數，包括測溫範圍、測量長度、溫度分辨率和空間分辨率。通常來說，光纖測溫的測溫範圍可從零度到數百攝氏度，光纖測溫的測量長度較長，可達幾km到幾十km，溫度分辨率從零點幾度到幾度不等，空間分辨率以m級居多。在儲能系統中，m級的空間分辨率可以幫助系統識別到單個pack級別的溫度異變，如果希望識別位置更加精確，那麼就需要採用空間分辨率更高的光纖測溫系統。
Refernce
- 光線測溫技術簡介及其應用
- 黃長江，肖家賓，李新堂．光纖測溫技術現狀研究及發展趨勢 [J]．電力信息與通信技術， 2022， 20(2)： 102-108．
- 朱卓玲. 分佈式光纖測溫技術在電力行業中的應用研究[D].華東理工大學,2017.
- 張琨鵬,富兆龍.分佈式光纖測溫傳感技術的設計應用[J].通用機械,2018(09):54-56+58.
- 鄒墨. 光纖測溫技術在電力系統中的應用[D].福州大學,2013.