電力設(shè)備熱點溫度監(jiān)測的技術(shù)類型（上）

------------?接上文?------------?

— 熒光光纖測溫?—

當(dāng)紫外光照射到某些特定物質(zhì)時，這些物質(zhì)會發(fā)射出各種顏色和強度不同的可見光，一旦紫外光停止照射，可見光也很快會消失，這種可見光就稱為熒光。

熒光光纖測溫技術(shù)即利用稀土元素（稀有金屬）在紫外線的照射下會產(chǎn)生熒光，該熒光的衰減速度隨溫度變化的特性來進(jìn)行測溫。典型熒光測溫系統(tǒng)如下圖，光源通過透鏡聚焦到光纖，經(jīng)由光纖傳輸至光纖探頭激發(fā)熒光；熒光同樣通過光纖返回，透過常規(guī)為45°的濾光鏡到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度解調(diào)。

熒光光纖測溫技術(shù)原理簡單，測溫探頭體積小、工藝簡單，易于在狹小結(jié)構(gòu)中安裝進(jìn)行測溫；同時，通過對熒光受激信號進(jìn)行反向放大，對比不同點的電壓進(jìn)行分析，可診斷系統(tǒng)光路的好壞，從而適當(dāng)調(diào)整溫度解析算法,同樣適用于電力設(shè)備內(nèi)部的溫度監(jiān)測。

熒光光纖測溫的解析方法是計算熒光材料的余暉時間常數(shù)，原則上和光強度沒有關(guān)系，但是，考慮到激發(fā)光效率、反向散射光收集能力，以及熒光比較弱等因素，熒光測溫系統(tǒng)需采用大芯徑和大數(shù)值孔徑的光纖，一般為芯徑大于200μm的硬質(zhì)石英特種光纖、玻璃光纖束或塑料材質(zhì)光纖等，因此其傳輸距離較短，一般小于15米，適用于小型電力設(shè)備的精確定位溫度測量，在大型電力設(shè)備如水輪發(fā)電機中并不適用。

—?光纖光柵傳感技術(shù)?—

光纖光柵傳感器的制備不同于上述兩種，是通過相位掩膜版制造技術(shù)或激光刻蝕等工藝，使用物理手段在光纖上形成固定間距的光波長反射柵格作為感溫物質(zhì)，利用熱脹冷縮時柵格變化導(dǎo)致反射或透射光波長的變化的特性進(jìn)行測溫。

一定帶寬的光與光柵長發(fā)生作用，光纖光柵反射回特定中心波長的寬帶光，并沿原傳輸光纖返回，其余寬帶光沿光纖繼續(xù)傳輸，其反射光的中心波長隨作用于光纖光柵的溫度變化而線性變化，測量光纖光柵反射的中心波長，即可測量出光纖光柵溫度傳感器測量點相應(yīng)的溫度值。

該種傳感器易受溫度-應(yīng)變交叉敏感影響，作為溫度傳感器使用時，易受應(yīng)力、振動等環(huán)境影響，縮短壽命，雖然國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了多方面的研究，針對不同應(yīng)用進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計和封裝，但技術(shù)方案并不完善，且柵格制備的一致性較難保證，難做備品，因此，應(yīng)用在實際測溫場景時，還需要更多的試驗驗證。

—?法布里-珀羅溫度傳感器?—

法布里-珀羅溫度傳感器及光纖法珀傳感器，主要由一個光纖干涉腔構(gòu)成，當(dāng)入射光信號入射到法珀腔內(nèi)時，一部分入射光被諧振腔的前端面反射；而入射到諧振腔內(nèi)的光波在后端面發(fā)生菲涅爾反射，并耦合到入射光纖，最終與前端面反射的光發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)光纖耦合器送達(dá)光電探測器。

常見的光纖法珀傳感器可分為本征型（IFPI）和非本征型（EFPI）兩類，IFPI中光纖除起到傳光作用外，還充當(dāng)干涉腔，使其在測量其它參量時易受溫度的交叉影響；EFPI傳感器中光纖僅起到傳光作用，干涉腔則由一段空氣或其它非光纖的固體介質(zhì)充當(dāng)，如毛細(xì)管式EFPI是最為典型的一種，但是該種傳感器優(yōu)于光纖直徑與毛細(xì)管直徑不匹配而易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大大降低了器件的機械性能和穩(wěn)定性；且EFPI在使用前都需要進(jìn)行標(biāo)定，限制了其在實際中的應(yīng)用。

光纖法珀傳感器同樣響應(yīng)速度快、抗電磁干擾，但其制備工藝繁雜，對光纖以及光源穩(wěn)定性要求極高，信號解調(diào)復(fù)雜實現(xiàn)難度較大，現(xiàn)有的技術(shù)還難以經(jīng)濟適用于實際應(yīng)用場景。

總結(jié)

綜上所述，從各種技術(shù)特性對比，不難看出，光纖溫度傳感器比電溫度傳感器更適合電力領(lǐng)域：

絕緣、抗電磁干擾。光纖溫度傳感器通過光的傳輸來感知溫度變化，使用石英玻璃進(jìn)行溫度信號傳輸，安全且不受電磁干擾影響，這對于電力系統(tǒng)中復(fù)雜的電磁環(huán)境非常重要。

測量范圍廣、精度高、響應(yīng)快。光纖傳感器能夠監(jiān)測較大范圍的溫度變化，并且具有很高的測量精度，能夠滿足電力設(shè)備在高溫條件下的監(jiān)測需求。

體積小、重量輕。光纖傳感器設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，便于在電力系統(tǒng)中安裝和部署。

壽命長、穩(wěn)定性好。光纖材料本身具有較長的使用壽命和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，適合在惡劣環(huán)境下長期使用。

就光纖溫度傳感器整體而言，各種技術(shù)各有優(yōu)勢。分布式光纖適合長距離、溫度分布監(jiān)測，如石油管道、輸電線路等基礎(chǔ)設(shè)施的溫度監(jiān)測；砷化鎵光纖具有良好的耐高溫性能，測溫精度不受光纖轉(zhuǎn)接限制，適宜對測溫可靠性、穩(wěn)定性和魯棒性要求高的場景，如大型油變繞組、發(fā)電機等大型電力設(shè)備測溫；熒光光纖則適合于短距離及對成本敏感的領(lǐng)域，如開關(guān)柜熱點，生物醫(yī)學(xué)等，能夠在較小溫度變化下提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果；光纖光柵更加適宜于應(yīng)力或應(yīng)力-溫度綜合作用下的場景測量，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、土木工程等領(lǐng)域；法珀光纖目前造價較高，常用于科研試驗溫度監(jiān)測中。