光纖測(cè)溫技術(shù)綜述摘要：光纖測(cè)溫技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到人們普遍的關(guān)注，也在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域投入應(yīng)用。本文將介紹光纖測(cè)溫技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)的有利之處，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)：分布式光纖測(cè)溫技術(shù)、光纖光柵測(cè)溫技術(shù)和其他光纖測(cè)溫技術(shù)，整合總結(jié)各類(lèi)光纖測(cè)溫技術(shù)的工作原理和工程應(yīng)用。通過(guò)對(duì)各類(lèi)技術(shù)的應(yīng)用方向和應(yīng)用條件進(jìn)行分析，綜合闡述各類(lèi)光纖測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，并做出展望。關(guān)鍵詞：光纖測(cè)溫；分布式；光纖光柵；工作原理；工程應(yīng)用引言溫度是人類(lèi)生活和工作環(huán)境中非常重要的環(huán)境量，在電力、管道、機(jī)房、石化和煤礦等領(lǐng)域中，只有將溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，才能確保各領(lǐng)域的機(jī)器、儀器的正常工作，并確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和避免安全事故的發(fā)生。因此，對(duì)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和應(yīng)用是現(xiàn)代科學(xué)研究的重點(diǎn)，也是進(jìn)一步促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，用于溫度測(cè)量的傳感器的種類(lèi)繁多，主要有：紅外熱像測(cè)溫傳感器、無(wú)線測(cè)溫傳感器和光纖測(cè)溫傳感器。光纖測(cè)溫技術(shù)是利用光纖自身獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)和特點(diǎn)，測(cè)量各測(cè)試點(diǎn)溫度，具有絕緣性好，抗電磁、高壓，耐化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)，精度高、壽命長(zhǎng)、安全可靠。因此，光纖測(cè)溫技術(shù)在溫度檢測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越受重視，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。而光纖測(cè)溫主要分為三類(lèi)一一分布式光纖測(cè)溫技術(shù)、光纖光柵測(cè)溫技術(shù)和其他類(lèi)型的光纖測(cè)溫計(jì)術(shù)。本文將對(duì)光纖測(cè)溫技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行概述，對(duì)三大類(lèi)光纖測(cè)溫技術(shù)的特點(diǎn)、工作原理和實(shí)際應(yīng)用做出闡述，并在最后對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。1分布式光纖測(cè)溫1.1分布式光纖測(cè)溫工作原理［1］當(dāng)在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖時(shí)，激光脈沖在光纖中傳輸?shù)倪^(guò)程中與光纖分子相互作用，它在向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生多種形式的散射，有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中，瑞利散射對(duì)溫度不敏感;布里淵散射對(duì)溫度和應(yīng)力都敏感，容易受外界環(huán)境干擾，影響測(cè)量的準(zhǔn)確度；而后向拉曼散射光波的強(qiáng)度與所在光纖散射點(diǎn)的溫度有關(guān)。因此，光纖測(cè)溫原理就是依據(jù)后向拉曼散射的溫度效應(yīng)和光時(shí)域反射原理，當(dāng)入射光與散射介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞，在相互作用時(shí)，入射光可以放出或吸收一個(gè)與散射介質(zhì)分子振動(dòng)相關(guān)的高頻聲子，稱為斯托克斯光或反斯托克斯光，測(cè)量入射光和反射光之間的時(shí)間差，可得發(fā)射散射光的位置距入射端的距離，獲取空間溫度分布信息，實(shí)現(xiàn)溫度的分布式測(cè)量。光纖中光波散射示意如圖1所示。圖1光波散射示意圖圖2電纜隧道鎧裝感溫光纜敷設(shè)圖1.2分布式光纖測(cè)溫工程應(yīng)用電力系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的設(shè)備監(jiān)控，包括：電力電纜故障監(jiān)測(cè)、變電站高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行監(jiān)測(cè)和其他廠用電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)等。目前，已有很多案例，如應(yīng)用在韶關(guān)電廠、寧夏石嘴山發(fā)電廠、南京揚(yáng)子石化熱電廠、濟(jì)南鋼鐵廠等［2］。對(duì)于電力電纜故障監(jiān)測(cè)，大型的供電系統(tǒng)需要大量電纜維持電力傳輸系統(tǒng)，如果電纜過(guò)熱但不能及時(shí)檢測(cè)和處理，將阻礙整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)發(fā)生火災(zāi)等事故。因此，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的具體應(yīng)用主要是一一實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜表面溫度；由電纜的溫度分布確定溫度異常點(diǎn)。該測(cè)溫技術(shù)已可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)一般的220kV電纜線路工程中，在冶金等需要大量電力電纜供電的企業(yè)中廣為應(yīng)用，巴潤(rùn)礦業(yè)公司也將其應(yīng)用到了公司內(nèi)部的10/110kV供電系統(tǒng)中，為系統(tǒng)的安全工作提供保障［3］。國(guó)電寧夏石嘴山發(fā)電有限責(zé)任公司也引入了分布式全光纖測(cè)溫系統(tǒng)，在電纜隧道內(nèi)安裝4條2km長(zhǎng)的鎧裝溫度傳感電纜，如圖2所示，對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行無(wú)盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)［4］。2光纖光柵測(cè)溫2.1光纖光柵測(cè)溫工作原理光纖光柵技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)纖芯折射率周期性變化的光纖進(jìn)行利用，光纖的長(zhǎng)度通常在10mm左右，，當(dāng)入射光譜通過(guò)光纖Bragg光柵時(shí)，光柵的反射作用會(huì)使得一單色光KB被反射回來(lái)，該機(jī)理相當(dāng)于一個(gè)反射鏡。被反射回來(lái)的單色光的中心波長(zhǎng)KB不僅與光柵折射率變化周期有關(guān)，而且還與纖芯的有效折射率有關(guān)，一旦光纖光柵周?chē)臏囟犬a(chǎn)生變化，光柵周期以及有效纖芯折射率都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，由此光柵Bragg信號(hào)的波長(zhǎng)就會(huì)出現(xiàn)漂移。因此，對(duì)Bragg波長(zhǎng)KB的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即可得知其周?chē)鷾囟鹊淖兓闆r，它們滿足的公式是：2.2光纖光柵測(cè)溫工程應(yīng)用電力系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題在上文中已有提到，光纖光柵在這一方面的應(yīng)用主要包括一一監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)電纜線的表面溫度、監(jiān)測(cè)大型用電工廠的用電安全情況等。南方電網(wǎng)公司使用光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)深圳某110kV變電站變壓器進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，在易出現(xiàn)過(guò)熱異常處前后安裝設(shè)置了15個(gè)測(cè)溫光纖，監(jiān)測(cè)過(guò)程中數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確，異常狀態(tài)時(shí)報(bào)警及時(shí)，通過(guò)該系統(tǒng)可以隨時(shí)掌握變壓器的工作狀況。而對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)柜的溫度監(jiān)測(cè)，光纖光柵測(cè)溫相對(duì)于分布式光纖測(cè)溫應(yīng)用得更為廣泛，如天津天辰變電站和上辛口變電站都是使用光纖光柵的技術(shù)［2］。3熒光光纖測(cè)溫3.1熒光光纖測(cè)溫工作原理熒光光纖傳感探頭是一種特殊稀土熒光物質(zhì)，熒光物質(zhì)接受一定波長(zhǎng)(受激譜)的光激勵(lì)后，受激輻射出熒光能量，會(huì)發(fā)出熒光，激勵(lì)消失后，熒光發(fā)光的持續(xù)性取決于熒光物質(zhì)特性、環(huán)境因素，以及激發(fā)狀態(tài)的壽命，這種受激發(fā)熒光通常是按指數(shù)方式衰減的，其衰減的時(shí)間常數(shù)為熒光壽命或熒光衰落時(shí)間(ns)。溫度的高低決定了這種物質(zhì)被激發(fā)出熒光壽命的長(zhǎng)短，熒光光纖測(cè)溫原理正是基于通過(guò)測(cè)量熒光壽命來(lái)反演出溫度。3.2熒光光纖測(cè)溫工程應(yīng)用熒光光纖測(cè)溫也可以用于電力方面，最主要的就是用于開(kāi)關(guān)柜。將熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)用于高電壓智慧型開(kāi)關(guān)柜上，并與原始的測(cè)溫技術(shù)相較，通過(guò)最終應(yīng)用效果可發(fā)現(xiàn)：熒光光纖沒(méi)有導(dǎo)電能力，完全絕緣，可以保障不會(huì)漏電，同時(shí)，測(cè)量精度非常高，綜合性能好。陜西葫蘆頭水電站在多個(gè)電氣設(shè)備組柜上同時(shí)安裝了熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)，確定了6個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)，該系統(tǒng)多次在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行異常時(shí)響鈴，使監(jiān)管人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)有效防范熒光光纖測(cè)溫技術(shù)雖然在電氣領(lǐng)域也有所應(yīng)用，但是其價(jià)格較高且安裝復(fù)雜，因此，對(duì)電氣設(shè)備、電廠環(huán)境等進(jìn)行溫度測(cè)量多使用的是光纖光柵測(cè)溫。4小結(jié)光纖測(cè)溫作為一種新型傳感測(cè)溫技術(shù)，以抗電磁干擾能力強(qiáng)、受環(huán)境影響小、壽命長(zhǎng)和精度高等優(yōu)勢(shì)，正逐步替代原有的紅外熱像測(cè)溫和無(wú)線測(cè)溫技術(shù)，并逐漸深入應(yīng)用到社會(huì)