郝琳

【摘 要】熒光溫度傳感器憑其獨(dú)特的優(yōu)越性，在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹了熒光溫度傳感器在高壓設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)中、醫(yī)學(xué)檢測(cè)中、在石油鉆探等領(lǐng)域中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)測(cè)溫探頭。

【關(guān)鍵詞】熒光；溫度；傳感器；探頭

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，熒光光纖溫度傳感器憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，靈敏度極高，響應(yīng)速度快，能在高溫、高壓、易燃易爆、化學(xué)腐蝕惡劣等環(huán)境下使用，并且抗電磁干擾能力強(qiáng)，體積小，應(yīng)用靈活，電絕緣性好等等。

熒光光纖溫度傳感器是由多模光纖和在其頂部安裝的熒光物體（膜）組成。其測(cè)溫原理是根據(jù)原子物理能級(jí)躍遷原理，摻稀土熒光材料中的摻雜稀土離子，在激光、紫外光照射的激勵(lì)下，可以從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，然后再?gòu)募ぐl(fā)態(tài)返回到能量較低的能態(tài)，輻射出波長(zhǎng)更長(zhǎng)的可見(jiàn)光，這種光即為熒光。受激發(fā)熒光通常是按指數(shù)方式衰減的，衰減的時(shí)間常數(shù)為熒光壽命。實(shí)驗(yàn)證明，在不同的環(huán)境溫度下，熒光壽命也不同。而熒光壽命和被測(cè)溫度唯一對(duì)應(yīng)，因此通過(guò)測(cè)量熒光壽命的長(zhǎng)短，就可以得知當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度[1]。

1 高壓設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

發(fā)電廠和變電站中的高壓電器設(shè)備的安全運(yùn)行問(wèn)題一直是廣為關(guān)注的熱點(diǎn)，在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)柜觸點(diǎn)和母線連接處容易老化、松動(dòng)或接觸電阻過(guò)大而引起局部發(fā)熱嚴(yán)重，開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱如若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)往往容易導(dǎo)致火災(zāi)事故，造成大面積停電等。所以對(duì)全封閉的高壓開(kāi)關(guān)柜實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)和排除隱患，對(duì)保證安全可靠用電具有重要的意義。由于我國(guó)絕大多數(shù)的高壓電力設(shè)備采用封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無(wú)散熱裝置，而且長(zhǎng)期工作在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，散熱量集中，溫升發(fā)熱的現(xiàn)象嚴(yán)重危害電器設(shè)備的正常運(yùn)行[2]?，F(xiàn)多采用熱敏電阻，但是熱敏電阻的阻值與溫度的呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性關(guān)系，且元件的一致性差、互換性差、元件易老化、穩(wěn)定性較差，除特殊高溫?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍。而紅外測(cè)溫儀測(cè)量精度低、對(duì)溫度變化不敏感、易受環(huán)境因素影響（環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等）、對(duì)于光亮或者拋光的金屬表面的測(cè)溫讀數(shù)影響較大。熒光溫度傳感器有著熱敏電阻和紅外測(cè)溫儀無(wú)法比擬的優(yōu)越性：首先，熒光溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，傳感器尺寸小，安全可靠，易于在狹小的高壓設(shè)備內(nèi)部安裝，能很好地適應(yīng)高壓和大電流的檢測(cè)環(huán)境，從根本上解決了電類及紅外測(cè)溫系統(tǒng)等傳統(tǒng)的儀器容易受到電磁干擾和渦流發(fā)熱現(xiàn)象，以及無(wú)法保證長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的高壓絕緣性能等缺陷；其次，可遠(yuǎn)距離傳輸，使傳感器的光電器件脫離測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，避開(kāi)了惡劣的環(huán)境。由于采用全光纖微小探頭，無(wú)金屬材料，具有完全的電絕緣性，不受高壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)的影響，抗化學(xué)腐蝕和無(wú)污染；第三，熒光光纖溫度傳感器不僅限于物體表面的定向測(cè)量，其探頭還可以插入固體物質(zhì)中、浸入液體中或?qū)朐O(shè)備中，到達(dá)特定區(qū)域；最后，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快。

工業(yè)熒光光纖溫度傳感器采用Y型光纖作為光路傳導(dǎo)，如圖1所示。其探頭可由熒光物質(zhì)、云母、包層和套層組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?！伴L(zhǎng)”有熒光物質(zhì)的光纖芯用云母包裹，作為保護(hù)套，厚度為0.2mm，云母具有獨(dú)特的耐酸、耐堿、化學(xué)穩(wěn)定性能，還具有良好的絕緣和耐熱性、不燃性、防腐性，較好的透明度，以及在高溫狀態(tài)下能保持上述優(yōu)良的物理化學(xué)性能。包層用于固定云母和熒光物質(zhì)。光纖套層有外螺紋，方便與待測(cè)物連接。保護(hù)套管采用高膨松性玻璃纖維，具有耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。

2 醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外用微波加溫?zé)岑熜录夹g(shù)治療癌癥己取得了明顯的療效。熱療本身既可以殺死癌細(xì)胞，又可以熱療和放療的綜合治療會(huì)大大的提高化放療的療效。臨床應(yīng)用證明，在對(duì)難以用手術(shù)或?qū)Ψ派渚€產(chǎn)生抵抗性、或再發(fā)生性癌腫的治療上，熱療的療效比其它治療手段更突出[3]。醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為，加熱治癌溫度以在42—44℃范圍內(nèi)為宜，癌細(xì)胞殘存率隨溫度升高明顯減少[4]。溫度過(guò)高會(huì)殺死人體的正常細(xì)胞，過(guò)低則達(dá)不到治療的目的，還會(huì)使癌細(xì)胞進(jìn)一步擴(kuò)散。因此需要對(duì)這一溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，光纖溫度傳感器能實(shí)現(xiàn)這個(gè)作用[5]。由此可以看出，溫度的控制在醫(yī)療中有著舉足輕重的關(guān)系。醫(yī)用型熒光溫度傳感器是特別為生命科學(xué)測(cè)量設(shè)計(jì)，探頭小而細(xì)，配合專用的解調(diào)器，可以達(dá)到很快的響應(yīng)速度和非常高的精度，也可以實(shí)現(xiàn)非接觸式溫度測(cè)量，因此測(cè)量方便。

目前，醫(yī)用熒光光纖測(cè)溫系統(tǒng)存在一些設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)，首先是降低光纖直徑引發(fā)的一系列困難。纖芯直徑變小導(dǎo)致光通量的減少，而光通量的減少直接導(dǎo)致所采集的信號(hào)強(qiáng)度變低，給信號(hào)的采集與處理帶來(lái)了很大困難。其次是醫(yī)用測(cè)溫探頭的安全問(wèn)題。醫(yī)用探頭的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。熒光材料硅酸氟化鎂是由固態(tài)物質(zhì)組成的惰性材料，它對(duì)于加熱、冷卻和化學(xué)碰撞的敏感度都十分穩(wěn)定，且對(duì)于生理醫(yī)學(xué)而言，它還是一種生理良性物質(zhì)。光纖芯外是塑料包層，包裹在包層外的是不透光的套管，熒光材料用硅酸鉀或硅酮樹(shù)脂固定在纖芯端部，熒光材料外是不透光的、由摻有二氧化鈦的硅酮樹(shù)脂的反射層，以防止散射光進(jìn)入光纖芯，影響測(cè)量精度。最外面一層是具有物理慣性的保護(hù)層，材料用聚四氟乙烯。這種傳感探頭，一是為了避免在電磁場(chǎng)中材料的電傳導(dǎo)，二是減小探頭直徑[6]。醫(yī)用熒光光纖溫（下轉(zhuǎn)第155頁(yè)）（上接第92頁(yè)）度計(jì)測(cè)溫傳感探頭外徑可做到0.3—0.4mm。用注射針頭可把探頭置入人體中。探頭一次性使用，大大降低了感染的出現(xiàn)與癌擴(kuò)散的風(fēng)除[4]。

3 在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

在石油鉆探中，準(zhǔn)確的井溫測(cè)量對(duì)于地質(zhì)資料解釋和油井監(jiān)測(cè)都具有十分重要的意義，要求：（1）溫度傳感器的熱平衡時(shí)要長(zhǎng)；（2）傳感器的移動(dòng)不能影響井下原始溫度場(chǎng)的分布；（3）能在高溫高壓環(huán)境下對(duì)井下的溫度場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的有效的監(jiān)測(cè)[7]。熒光光纖溫度傳感器可以滿足這些要求。利用浸入型傳感器，經(jīng)過(guò)特殊處理，光纖的強(qiáng)度和韌性都很強(qiáng)，可以抵御液體槽中的化學(xué)腐蝕。

熒光光纖溫度傳感器在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用有：（1）電力變壓器繞組溫度監(jiān)控；（2）可測(cè)量高壓開(kāi)關(guān)柜中梅花觸頭和靜觸頭咬合處的溫度，甚至可將其埋于絕緣筒中導(dǎo)電連接處；（3）高壓斷路器滅弧室溫度測(cè)量；（4）大電機(jī)定子、軸瓦、端部匯流環(huán)等溫度監(jiān)測(cè)；（5）大電機(jī)/互感器繞組等高壓設(shè)備的熱點(diǎn)溫度直接監(jiān)測(cè)。

總之，熒光光纖溫度傳感器在各個(gè)與生產(chǎn)生活息息相關(guān)領(lǐng)域都有應(yīng)用，如大壩安全監(jiān)測(cè)，地質(zhì)礦產(chǎn)勘探開(kāi)發(fā)等。并且，熒光溫度傳感器具有體積小，應(yīng)用靈活，響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]柏海鷹，王濟(jì)民.基于新型稀土發(fā)光材料的熒光光纖溫度傳感器系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004：660-662.

[2]李強(qiáng)，王艷松，劉學(xué)民.光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].電力系挽保護(hù)與控制，2010（38）：135-138.

[3]侯正田，侯承志，徐武松.光纖傳感器及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J].甘肅科技，2012，28（5）：142-143.

[4]孫偉.醫(yī)用熒光光纖測(cè)溫儀的研究[M].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]崔書平.醫(yī)用光纖溫度計(jì)的研究[M].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2003.

[6]孫圣和，王廷云，徐影.光纖測(cè)量與傳感技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000，209.

[7]張振奇，童茂松，曹慶芳，昌慶珍.光纖傳感器及其在石油鉆探中的應(yīng)用[J].石油儀器，2007，21（4）：1-4.

[責(zé)任編輯：湯靜]