光纤高温传感器在石化行业安全监测中的应用研究

李丽君，高春亭，王金勇，王 伟

(1.山东科技大学，山东青岛 2665902.天津意安消防设备有限公司，天津 3003083.德州越海光通信科技有限公司，山东德州 253000)

光纤高温传感器在石化行业安全监测中的应用研究

李丽君1，高春亭1，王金勇2，王 伟3

(1.山东科技大学，山东青岛2665902.天津意安消防设备有限公司，天津3003083.德州越海光通信科技有限公司，山东德州253000)

针对目前光纤类温度传感器在高温测量中存在的问题和光纤高温传感器发展现状，自行设计和研制了一种全光纤高温传感器，该传感器为全光纤结构，采用新的传感原理，获得了一种适用于150～900 ℃的光纤高温传感器，其灵敏度为22 pm/℃，传感器温度传感线性度为99%。该传感器的开发可望解决石化等行业高温监测问题，同时还可以在电力、高速列车、消防及核辐射等恶劣环境中使用。

石化 高温 安全监测 光纤传感器

1 光纤高温传感器研究现状

光纤传感器具有现场不带电(本质安全)、测温范围广、响应速度快、灵敏度高和易于组网等特点，是近年来一种新兴的传感器技术，也是未来替代传统电类和机械类传感器的首选。其自身特点决定了该类传感器尤其适合于高压、强电磁场、剧烈震动、酸碱及核辐射等恶劣工况环境中进行安全监测。经过几年的发展和应用，实践证明光纤传感器在航空航天、材料、化工、能源、冶金和建材等环境中可以得到广泛应用[1,2]。光纤温度传感器是目前光纤传感器中应用最为广泛成熟的一种传感器，特别适合在石油化工等行业应用。尤其150 ℃以下的各类光纤传感器已经得到广泛应用，其可靠性和灵敏度明显优于现有相关电类传感器。然而，石化装置安全工况生产监控往往需要高温监测，而传统电类如热电偶和热电阻传感器还是目前高温传感器的首选，但是该类传感器存在灵敏度低、易受电磁场干扰、传感器结构复杂、体积大、安装调试困难、高温测量容易漏报和误报等缺点，因此，急需一种高温光纤传感器。

目前国内外提出的光纤高温传感器的研究主要包括[3]：①耐高温材料光纤高温传感器，如蓝宝石单晶高温光纤传感器，测量范围可达2 000 ℃左右；②分布式光纤高温传感器，如基于光纤后向喇曼散射的温度效应和光时域反射技术(OTDR)，绝缘光纤作为探测和传输温度信号的媒介,使传感器能够实时快速检测和准确定位任何形状复杂、环境恶劣的温度场；③高温FBG(Fiber Bragg Grating)传感器，如将光栅刻写于蓝宝石等耐高温光纤纤芯中及高温退火获得的高温传感器；④新型原理及结构高温传感器，如F-P腔和基于光纤干涉等原理的新型光纤结构，用于高温传感测量等技术。以上光纤高温传感器有的造价非常高，如宝石光纤的拉制等，有的虽然能够解决高温传感问题但是其精度低，如分布式光纤高温传感方案。其中新型传感原理和结构高温传感器是一种最具前途，而且价格低廉，传感器结构设计灵活的高温光纤传感器[4,5]。

本文介绍一种自行开发研制的光纤高温传感器，该传感器结构新颖，继承了光纤传感器的优点，同时具有全光纤结构、灵敏度高、量程大、价格低廉等特点。传感器除了可以正常用于-25～200 ℃的温度传感外，测量温度范围可延伸至900 ℃范围。传感器灵敏度为22 pm/℃，线性度可达99%。

2 原理及实验

传感器结构如图1所示，其中包括信号导入和导出单模光纤(SMF)，分别连接一对多模光纤(MMF)，中间连接一段传感光纤(SF)，该结构的原理为当外界温度发生变化时，光场将引起传感光纤的纤芯及包层模发生变化，因此将温度信号加载于共同输出信号之上，通过导出单模光纤将信号传递给解调系统，从而识别温度信号。

图1 传感器原理结构

而在该结构的输出光谱上体现为输出谱的波长漂移和相对功率的变化，其中温度与波长变化关系为[6]：

式中： △λ——波长漂移，nm；

λ——真空中光波波长,nm；

△T——温度差,K；

a——光纤纤芯直径，μm；

αcore和ξcore——光纤纤芯温度系数和热光系数,K-1；

L——传感光纤长度,mm。

数据测量结构如图2所示，其中包括C波段光源、解调设备，以及温度调节箱及传感器。首先，将传感器悬挂于温度传感箱内，这里要注意保持传感器不接触箱体内壁和避免其它干扰材料接触。通过均匀改变温箱温度，观测传感器输出特性，反复实验10次以上，取数据平均值，用以排除随机误差。并正向及反向分别加载温度，用以观测传感器的稳定性和重复性等。

图2 传感器测试装置

传感器输出谱如图3所示。该图为实验中的部分输出图谱，从图中可见，随着温度从170 ℃到800 ℃变化过程中，输出谱的波长发生了明显的漂移。

图3 传感器输出谱图

测试数据如图4所示，灵敏度为22 pm/℃，输出特性具有很好的线性关系，线性度达到99%。

图4 传感器温度输出特性关系曲线

3 光纤温度传感器与热电偶类传感器对比分析

热电偶传感器是一种目前工业上较常用的温度检测元件之一，它的工作原理为:通过将两种不同导体或半导体材料焊接，构成一个闭合回路，两种材料的焊接端即为测量端，当测量端温度变化即在两种金属的另一端产生热电动势，通过测量这个热电动势来获得温度的值。这种温度传感器通常由两种成对的金属导体构成，因而称为热电偶。其优点如下。

a)测量精度高。热电偶产生的热电动势，其大小与热电极材料及两端的温度差有关，与热电极长度、直径等无关。

b)测量范围广。温度测量范围-50～+1 600 ℃，某些特殊温度传感器如金铁镍铬可测最低-269 ℃，钨-铼热电偶最高温度为+2 800 ℃等。

c)构造简单，使用方便。结构主要包括两种金属丝构成的电极和外套管封装等简单结构，用起来非常方便。

热电偶传感器的缺点主如下。

a)材料昂贵，工艺复杂，电极材料为贵金属及合金等材料。

b)测量准确度难以超过0.2 ℃。

c)必须有参考端，并且温度要保持恒定。

d)高温或长期使用时，因受被测介质影响或气氛腐蚀作用(如氧化、还原)等而发生劣化。

e)不适合易燃易爆场合使用，长期温度监测效果难以保证。

由于光纤本身的特性，因此相比于热电偶温度传感器，光纤温度传感器具有许多优点，主要如下。

a)具有很高的灵敏度，一般为±0.1 ℃。

b)频带宽，动态范围大。

c)可根据实际需要做成各种形状。

d)易于组网，特别适合多点测量。

e)线路布设简单，可以实现现场全光纤化，现场不带电。

f)长期稳定性好。

通过以上对比可见，光纤温度传感器较热电偶类传感器更加适合应用于易燃易爆、多点测量、现场条件恶劣、长期实时温度测量需要。

4 光纤温度传感器的应用

光纤温度传感自问世以来,主要应用于电力系统、建筑、化工、航空航天、医疗以至海洋开发等领域，并已取得了大量可靠的应用实绩[7]。

a)光纤温度传感器在电力系统的应用。电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控；高压配电装置内易发热部位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管道的温度和故障点检测；地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等。

b)光纤温度传感器应用于建筑、桥梁健康监测。美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家早就开展了桥梁安全监测的研究，并在主要大桥上都安装了桥梁安全监测预警系统，用来监测桥梁的应变、温度加速度、位移等关键安全指标。

c)航空航天器传感应用。航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。

d)医学应用。光纤传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。医院病房温度监测火灾预警等。

e)煤矿隧道温度及设备放电、走火等预防和报警。

f)油罐、油库、输油管线、危险品仓库、大型仓库和大型货轮舱等温度火灾监控系统等。

g)化工原料、油料生产过程在线及动态监测等。

5 结语

自行设计和研制了一种适合于高温测量使用的光纤温度传感器，该传感器具有温度灵敏度高，全光纤结构，温度量程可以扩充至900 ℃高温环境，由于采用了新型感温结构和传感原理，既克服了高温宝石光纤价格高和制作困难的问题，又避开了光栅类高温光纤传感器长期在高温下使用的擦除效益等缺点，同时保留了光纤传感器易于组网和本质安全及灵敏度高等优点，该类传感器的开发和研制可望解决石化等行业对于高温光纤传感器的需求。

[1] B. Dong, L. Wei, D. Zhou. Miniature high-sensitivity high-temperature fiber sensor with a dispersion compensation fiber-based interferometer[J]. Opt. Lett., 2009(48):6466-6469.

[2] Yue Ma, Xueguang Qiao, Tuan Guo. Mach-Zehnder Interferometer Based on a Sandwich Fiber Structure for Refractive Index Measurement[J]. Sensors Journal, 2012: 2081-2085.

[3] 佟显义，宋丽萍.光纤高温传感器研究现状及应用前景[J].光器件，2014(10)：7-10.

[4] S. Pevec, D. Donlagic. All-fiber, long-active-length Fabry-Perot strain sensor[J]. Opt. Express, 2011(19) : 15641-15651.

[5] Linh Viet Nguyen, Dusun Hwang, Sucbei Moon, et al. High temperature fiber sensor with high sensitivity based on core diameter mismatch[J]. Optics Express,2008(16): 11369-11375.

[6] Bo Dong, Da Peng Zhou, Li Wei, et al. Temperature and phse independent lateral force sensor based on a core offset multi-mode fiber interferometer[J]. Optics Express, 2008( 16): 19291-19296.

[7] 徐雁.高温温度传感器研究与应用[D].太原：中北大学，2012.

ResearchofApplicationofOpticalFiberHighTemperatureSensorforSafetyMonitoringofPetroleumChemicalIndustry

LI Lijun1，Gao Chunting1， Wang Jinyong2, Wang Wei3

(1.Shandong University of Science and Technology,Shandong， Qingdao， 266590 2.Tianjin Italian Fire Equipment Co., Ltd.，Tianjin，300308 3.Dezhou Lightstar Technology Co., Ltd.,Shandong， Dezhou,253000)

According to the require of high temperature monitoring in petroleum chemical industry and the present situation problem of fiber optic high temperature sensor, a kind of noval principle and structure optical fiber high temperature sensor is designed and fabricated. The sensor has all fiber in-line structure, 150 ℃ to 900 ℃ temperature range with 22 pm/℃ sensitivity and 99% high temperature sensing linear degree. The development of this sensor is expected to solve the problem of high temperature monitoring in petrochemical industry, at the same time, this kind of sensor can also be used to the electric power, high speed train, fire, nuclear radiation and other harsh environment.

Petroleum chemical industry； high temperature； safety monitoring； optical fiber sensor

2016-01-11

李丽君，博士，教授，主要从事光纤传感器网络及技术研究工作。