熒光溫度傳感器的應用

郝琳

【摘 要】熒光溫度傳感器憑其獨特的優越性，在生產生活的各個領域得到了廣泛的應用。本文介紹了熒光溫度傳感器在高壓設備溫度在線監測中、醫學檢測中、在石油鉆探等領域中的應用，并設計測溫探頭。

【關鍵詞】熒光；溫度；傳感器；探頭

隨著科學技術的進步與發展，熒光光纖溫度傳感器憑借其獨特的優點在生產生活的各個領域應用越來越廣泛，如可實現非接觸式測量，靈敏度極高，響應速度快，能在高溫、高壓、易燃易爆、化學腐蝕惡劣等環境下使用，并且抗電磁干擾能力強，體積小，應用靈活，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。其測溫原理是根據原子物理能級躍遷原理，摻稀土熒光材料中的摻雜稀土離子，在激光、紫外光照射的激勵下，可以從基態躍遷到激發態，然后再從激發態返回到能量較低的能態，輻射出波長更長的可見光，這種光即為熒光。受激發熒光通常是按指數方式衰減的，衰減的時間常數為熒光壽命。實驗證明，在不同的環境溫度下，熒光壽命也不同。而熒光壽命和被測溫度唯一對應，因此通過測量熒光壽命的長短，就可以得知當時的環境溫度[1]。

1 高壓設備溫度在線監測中的應用

發電廠和變電站中的高壓電器設備的安全運行問題一直是廣為關注的熱點，在長期的運行過程中，開關柜觸點和母線連接處容易老化、松動或接觸電阻過大而引起局部發熱嚴重，開關柜過熱如若發現不及時往往容易導致火災事故，造成大面積停電等。所以對全封閉的高壓開關柜實現在線實時溫度監測，提前發現和排除隱患，對保證安全可靠用電具有重要的意義。由于我國絕大多數的高壓電力設備采用封閉結構，內部無散熱裝置，而且長期工作在高電壓、大電流、強磁場的環境中，散熱量集中，溫升發熱的現象嚴重危害電器設備的正常運行[2]。現多采用熱敏電阻，但是熱敏電阻的阻值與溫度的呈現嚴重的非線性關系，且元件的一致性差、互換性差、元件易老化、穩定性較差，除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數熱敏電阻僅適合0～150℃范圍。而紅外測溫儀測量精度低、對溫度變化不敏感、易受環境因素影響（環境溫度，空氣中的灰塵等）、對于光亮或者拋光的金屬表面的測溫讀數影響較大。熒光溫度傳感器有著熱敏電阻和紅外測溫儀無法比擬的優越性：首先，熒光溫度傳感器可實現非接觸式測量，傳感器尺寸小，安全可靠，易于在狹小的高壓設備內部安裝，能很好地適應高壓和大電流的檢測環境，從根本上解決了電類及紅外測溫系統等傳統的儀器容易受到電磁干擾和渦流發熱現象，以及無法保證長期穩定可靠的高壓絕緣性能等缺陷；其次，可遠距離傳輸，使傳感器的光電器件脫離測溫現場，避開了惡劣的環境。由于采用全光纖微小探頭，無金屬材料，具有完全的電絕緣性，不受高壓、強電磁場的影響，抗化學腐蝕和無污染；第三，熒光光纖溫度傳感器不僅限于物體表面的定向測量，其探頭還可以插入固體物質中、浸入液體中或導入設備中，到達特定區域；最后，測量精度高，響應速度快。

工業熒光光纖溫度傳感器采用Y型光纖作為光路傳導，如圖1所示。其探頭可由熒光物質、云母、包層和套層組成，其結構如圖2所示。“長”有熒光物質的光纖芯用云母包裹，作為保護套，厚度為0.2mm，云母具有獨特的耐酸、耐堿、化學穩定性能，還具有良好的絕緣和耐熱性、不燃性、防腐性，較好的透明度，以及在高溫狀態下能保持上述優良的物理化學性能。包層用于固定云母和熒光物質。光纖套層有外螺紋，方便與待測物連接。保護套管采用高膨松性玻璃纖維，具有耐高溫的優點。

2 醫學檢測中的應用

國內外用微波加溫熱療新技術治療癌癥己取得了明顯的療效。熱療本身既可以殺死癌細胞，又可以熱療和放療的綜合治療會大大的提高化放療的療效。臨床應用證明，在對難以用手術或對放射線產生抵抗性、或再發生性癌腫的治療上，熱療的療效比其它治療手段更突出[3]。醫學界普遍認為，加熱治癌溫度以在42—44℃范圍內為宜，癌細胞殘存率隨溫度升高明顯減少[4]。溫度過高會殺死人體的正常細胞，過低則達不到治療的目的，還會使癌細胞進一步擴散。因此需要對這一溫度進行監測，光纖溫度傳感器能實現這個作用[5]。由此可以看出，溫度的控制在醫療中有著舉足輕重的關系。醫用型熒光溫度傳感器是特別為生命科學測量設計，探頭小而細，配合專用的解調器，可以達到很快的響應速度和非常高的精度，也可以實現非接觸式溫度測量，因此測量方便。

目前，醫用熒光光纖測溫系統存在一些設計上的難點，首先是降低光纖直徑引發的一系列困難。纖芯直徑變小導致光通量的減少，而光通量的減少直接導致所采集的信號強度變低，給信號的采集與處理帶來了很大困難。其次是醫用測溫探頭的安全問題。醫用探頭的結構圖如圖3所示。熒光材料硅酸氟化鎂是由固態物質組成的惰性材料，它對于加熱、冷卻和化學碰撞的敏感度都十分穩定，且對于生理醫學而言，它還是一種生理良性物質。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脂的反射層，以防止散射光進入光纖芯，影響測量精度。最外面一層是具有物理慣性的保護層，材料用聚四氟乙烯。這種傳感探頭，一是為了避免在電磁場中材料的電傳導，二是減小探頭直徑[6]。醫用熒光光纖溫（下轉第155頁）（上接第92頁）度計測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與癌擴散的風除[4]。

3 在其他領域中的應用

在石油鉆探中，準確的井溫測量對于地質資料解釋和油井監測都具有十分重要的意義，要求：（1）溫度傳感器的熱平衡時要長；（2）傳感器的移動不能影響井下原始溫度場的分布；（3）能在高溫高壓環境下對井下的溫度場進行長時間的有效的監測[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，經過特殊處理，光纖的強度和韌性都很強，可以抵御液體槽中的化學腐蝕。

熒光光纖溫度傳感器在智能電網領域的應用有：（1）電力變壓器繞組溫度監控；（2）可測量高壓開關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電連接處；（3）高壓斷路器滅弧室溫度測量；（4）大電機定子、軸瓦、端部匯流環等溫度監測；（5）大電機/互感器繞組等高壓設備的熱點溫度直接監測。

總之，熒光光纖溫度傳感器在各個與生產生活息息相關領域都有應用，如大壩安全監測，地質礦產勘探開發等。并且，熒光溫度傳感器具有體積小，應用靈活，響應速度快，測量精度高的優點。

【參考文獻】

[1]柏海鷹，王濟民.基于新型稀土發光材料的熒光光纖溫度傳感器系統[J].傳感技術學報，2004：660-662.

[2]李強，王艷松，劉學民.光纖溫度傳感器在電力系統中的應用現狀綜述[J].電力系挽保護與控制，2010（38）：135-138.

[3]侯正田，侯承志，徐武松.光纖傳感器及其醫學應用[J].甘肅科技，2012，28（5）：142-143.

[4]孫偉.醫用熒光光纖測溫儀的研究[M].沈陽工業大學，2007.

[5]崔書平.醫用光纖溫度計的研究[M].沈陽工業大學，2003.

[6]孫圣和，王廷云，徐影.光纖測量與傳感技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，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用[J].石油儀器，2007，21（4）：1-4.

[責任編輯：湯靜]