電力設(shè)備熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的技術(shù)類型（上）

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— 熒光光纖測(cè)溫?—

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

熒光光纖測(cè)溫技術(shù)即利用稀土元素（稀有金屬）在紫外線的照射下會(huì)產(chǎn)生熒光，該熒光的衰減速度隨溫度變化的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)溫。典型熒光測(cè)溫系統(tǒng)如下圖，光源通過(guò)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(guò)光纖返回，透過(guò)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(cè)溫技術(shù)原理簡(jiǎn)單，測(cè)溫探頭體積小、工藝簡(jiǎn)單，易于在狹小結(jié)構(gòu)中安裝進(jìn)行測(cè)溫；同時(shí)，通過(guò)對(duì)熒光受激信號(hào)進(jìn)行反向放大，對(duì)比不同點(diǎn)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(cè)。

熒光光纖測(cè)溫的解析方法是計(jì)算熒光材料的余暉時(shí)間常數(shù)，原則上和光強(qiáng)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(cè)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(cè)量，在大型電力設(shè)備如水輪發(fā)電機(jī)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(guò)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(zhǎng)反射柵格作為感溫物質(zhì)，利用熱脹冷縮時(shí)柵格變化導(dǎo)致反射或透射光波長(zhǎng)的變化的特性進(jìn)行測(cè)溫。

一定帶寬的光與光柵長(zhǎng)發(fā)生作用，光纖光柵反射回特定中心波長(zhǎng)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(zhǎng)隨作用于光纖光柵的溫度變化而線性變化，測(cè)量光纖光柵反射的中心波長(zhǎng)，即可測(cè)量出光纖光柵溫度傳感器測(cè)量點(diǎn)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(shí)，易受應(yīng)力、振動(dòng)等環(huán)境影響，縮短壽命，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了多方面的研究，針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)際測(cè)溫場(chǎng)景時(shí)，還需要更多的試驗(yàn)驗(yàn)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(gè)光纖干涉腔構(gòu)成，當(dāng)入射光信號(hào)入射到法珀腔內(nèi)時(shí)，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(hào)經(jīng)光纖耦合器送達(dá)光電探測(cè)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(cè)量其它參量時(shí)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(jī)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(shí)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(duì)光纖以及光源穩(wěn)定性要求極高，信號(hào)解調(diào)復(fù)雜實(shí)現(xiàn)難度較大，現(xiàn)有的技術(shù)還難以經(jīng)濟(jì)適用于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

總結(jié)

綜上所述，從各種技術(shù)特性對(duì)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(guò)光的傳輸來(lái)感知溫度變化，使用石英玻璃進(jìn)行溫度信號(hào)傳輸，安全且不受電磁干擾影響，這對(duì)于電力系統(tǒng)中復(fù)雜的電磁環(huán)境非常重要。

測(cè)量范圍廣、精度高、響應(yīng)快。光纖傳感器能夠監(jiān)測(cè)較大范圍的溫度變化，并且具有很高的測(cè)量精度，能夠滿足電力設(shè)備在高溫條件下的監(jiān)測(cè)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(zhǎng)、穩(wěn)定性好。光纖材料本身具有較長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)。分布式光纖適合長(zhǎng)距離、溫度分布監(jiān)測(cè)，如石油管道、輸電線路等基礎(chǔ)設(shè)施的溫度監(jiān)測(cè)；砷化鎵光纖具有良好的耐高溫性能，測(cè)溫精度不受光纖轉(zhuǎn)接限制，適宜對(duì)測(cè)溫可靠性、穩(wěn)定性和魯棒性要求高的場(chǎng)景，如大型油變繞組、發(fā)電機(jī)等大型電力設(shè)備測(cè)溫；熒光光纖則適合于短距離及對(duì)成本敏感的領(lǐng)域，如開關(guān)柜熱點(diǎn)，生物醫(yī)學(xué)等，能夠在較小溫度變化下提供準(zhǔn)確的測(cè)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(chǎng)景測(cè)量，如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、土木工程等領(lǐng)域；法珀光纖目前造價(jià)較高，常用于科研試驗(yàn)溫度監(jiān)測(cè)中。