微小反应器中流场测温技术研究

袁方凌

（青岛大学 机电工程学院，山东 青岛 266071）

由于温度测量的应用范围不断扩展，使得对温度监控的创新、研究和发展一直在进行。这些测量环境为温度的准确测量提出了各种要求。微小流体反应器指的是反应器的尺寸达到微米级别，或者反应器中流体所在区域达到微米甚至更小量级，因此，接近被测流体可能十分困难,甚至探头和被测流体无法接触，或者存在电磁等的干扰，进而达不到较高的分辨率。

在微小流体反应器的温度监控中，主要的解决方法有光纤测温技术，液晶粒子测温技术、红外测温技术、微型热电偶测温、原子力显微技术、热反射显微技术、拉曼测量和内置温度传感器等。针对不同的测温环境，不同测温技术的优点得到了很好的的体现。

1 光纤测温技术

光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，以其独有的特质而得以广泛应用。光纤测温技术之所以越来越受到重视，是因为它不受电磁干扰，耐腐蚀，能无源实时监测、电绝缘、防爆性好，另外，它灵敏度高，使用寿命长，而且传输距离远，维护方便。基于以上特点，光纤传感器可运用于电磁、射频环境，因为传统的测温方法受到严重干扰无法正常工作；或者安装环境狭小，对传感器尺寸有特殊要求的环境。对于微小反应器中的流场测温，光纤测温技术也得到了很好的应用。

1.1 荧光光纤测温技术

1.1.1 基于傅里叶变换的荧光测温仪

王玉田及其团队对基于快速傅里叶变换的荧光测温仪进行了研究[1]。该研究提出了一种基于快速傅里叶变换的拟合方法的荧光光纤温度计。采用激光加热小基座法生长出端部掺Cr3+的蓝宝石光纤荧光温度传感头，根据荧光信号为单指数衰减信号的特点,采用首先对这种信号进行傅里叶变换,从变换后的非零次频谱项中计算出荧光寿命。通常的石英光纤荧光温度传感头,由于荧光感温元件与传导光纤束的分离,必须采用光学胶合剂及较复杂的外保护套以增加机械强度和稳定性,这使得传感头的热惯性增大,动态响应变差。

快速傅里叶变换测荧光寿命具有精度高,速度快等优点,同时又具有较高的信噪比,且不受本底噪声的干扰。采用更高光强的激光二极管,可以得到更高的分辨率。

1.1.2 双波长成比例荧光纳米粒子

荧光探针(fluorescent probe)在化学传感、光学材料及生物检测和识别等领域得到了广泛的应用，并成为实现上述功能的一种主要的技术手段。但以传统的有机荧光染料为主的荧光探针在应用中也存在一些难以克服的缺陷。

Hong-Shang Peng及其团队对成比例的荧光纳米颗粒进行检测温度进行了研究[2]。之前Peng等人研究过对可见光敏感的纳米粒子螯合物[3]，纳米粒子螯合物的荧光强度及衰减寿命对温度有很大的依赖性，试验中存在敏感度易破坏、探头易飘移等缺点。基于此研究，Peng发现双波长成比例荧光纳米粒子，能够避免以上缺点并提高灵敏度，并且能与经济廉价的便携式LED光源相兼容。

1.1.3 封装微珠荧光染料温度传感器

针对传统热电偶等热的测量方法难以适用的微流通道或细胞内的测温，H.Aoki等人提出了一种方法[4]，制造出微珠型温度传感器，用微珠封装荧光染料，使染料的浓度和体积的被精确地控制。对于微流通道中的实验如聚合酶链反应扩增DNA实验或毛细管电泳实验，以往的研究一般直接将荧光染料溶解在流体中，然而，这是难以实现染料浓度的均匀分布，荧光强度也缺乏统一在整个测量区域。另一方面，流体可能会与荧光染料相互作用，这可能会导致荧光强度的测量困难。而采用封装荧光染料，可以防止染料通过化学或物理方式扩散并且和周围流体相互作用，解决荧光强度测量困难的问题。

1.1.4 在罗丹明B中加入辅助材料的荧光染料

罗丹明B是知名的敏感温度指标，可利用其制作温度传感器的荧光染料。但是此类传感器的测温范围只有20~80℃，无法在高温下实现荧光的回收。

Hong Dinh Duong等人研究了在罗丹明B中加入辅助材料的荧光染料[5]。实验的测量模型是在罗丹明B中掺入二氧化硅凝胶或溶胶-凝胶基质。将罗丹明B包埋到二氧化硅凝胶或溶胶-凝胶制备的固体基质上并涂布光学光纤探头（光纤温度的传感器（FOTS））的前端，然后测量水溶液的温度。使用硅胶或硅烷可以提高荧光染料的环氧基和氨基的基团灵敏度。此外，这些材料还可以防止pH值对温度测量的干扰，减少了的离子强度的影响，并延长传感器的寿命时间超过3个月。

1.2 光纤光栅测温

W.博彻尔斯发明了一种包含光纤光栅的玻璃纤维，可直接置入微小反应器中，通过对Bragg光栅上的反射分析来检测反应器中温度分布[6]。玻璃纤维穿在一根在材料方面与反应隔离的保护软管中，用于排出反应组分对玻璃纤维产生的化学影响。此温度测量可从-60℃到1150℃，适用范围包括反应器、蒸馏塔、热交换器、混合器分离器及反应槽尺寸小的如毛细反应的微反应器。

2 液晶粒子测温

在由温度梯度引起的流动中，流场的温度和速度场测量,对于传热传质研究是非常重要的。热色液晶(liquid crystal)作为一种新的温度测试技术出现后，立刻得到了广泛的应用。

2.1 热色液晶测温

张曦及其团队对液晶测温测速技术在流体实验中的应用进行了研究[7]。该实验中所用液晶牌号为BM/R294W/S-33，它的温度响应范围是4℃(29℃-33℃)，响应时间在毫秒量级，基本上可以实时显示流场温度变化。液晶颗粒大小为50微米左右.随着温度的升高，液晶颜色从红色开始，逐渐变为黄色，绿色，蓝色。当超出它的温度范围后，变为无色。由于液晶从不同角度观察时颜色有差别，因此要保证测量时的观察角度和标定时的观察角度基本一致。

热色液晶测温技术具有全场测量、直观显示和对流场干扰小等优点.液晶测量温度的灵敏度为0.01℃～0.05℃，测量精度为0.05℃～0.2℃.光波波长越短，测量灵敏度和精度越高.但是，热色液晶测温技术也有其不足之处：如温度显示范围窄，大约为0.5℃－5℃搀合液晶粒子要考虑它对流体的跟随性、匹配性等问题。

2.2 液晶测温新型图像分析方法

PIV技术相比于其他的实验技术，如电容体层摄影术，X射线断层扫描，磁共振成像或正电子发射粒子跟踪，具有非侵入和廉价的优势。新的实验技术，如微波的热成像，目前正在调查其潜在的未来使用。

J.F.de Jong,等人对于PIV成像研究了一种新的图像分析方法[8]。最初开发示踪粒子的流体流动模式的可视化，成功扩展了PIV气体粒子系统。对于颗粒流PIV可以达到一个比较高的时间分辨率和空间分辨率，但技术只能施加到伪二维的系统，因为视图需要其他的辅助功能。之后连续使用瞬时图像与一个高速摄像头，图像对的交叉相关分析用来重建完整的温度场。实验采用新的图像分析算法（DIA）及采用离散粒子模型（DPM），产生一定程度强度的离子分布函数，生成人工图像影响拟合参数。结果表明这种算法将大大减小误差。

3 红外测温

在微槽群性能测试实验过程中，温度是实验中需要测量的重要参数之一，因此它是否能被精确测量直接影响到实验的精度甚至实验的结论.非接触式温度测量方法在微尺度实验中拥有较大的优势.王涛等人采用红外测温仪测量[9]，没有任何测点和被测量物体相接触，不会破坏被测量物体的原有温度场分布，同时对于布置没有特殊的要求，比较简单方便。

实验将将毛细微槽放入密闭容器中，通过改变直流稳压稳流电源的电压来调节加热膜的加热量，待温度稳定后通过红外测温仪测量其温度分布。实验证明了红外测温仪测量液体工质在受热微槽表面的温度场分布的可行性。

4 微型热电偶测温

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect）。现在最小的市售热电偶直径为13-15微米，但即使这个大小，也必须非常小心的加入电线和构建一个实用的微型探测设置[10]。热电偶可用于绝对或差分测量。并且经济性较好。但是微型热电偶也存在一些缺点，他的精度较低，可能存在干扰，且温度分布不能平面成像。

5 热反射显微技术

一般而言，能否获得高品质的热图像主要依赖于物质对热反射系数。对于大多数的物质，其热反射系数一般在10-4/K—10-5/K之间[11]。据此，可以利用P-I-N二极管阵列捕捉信号并利用交流耦合模拟器显示热成像结果。加州大学Santa Cruz等人利用由16个二极管阵列的显微相机得出了一个典型的微型冷却器成像结果[12]。此方法灵敏度高且非常适合用于高速热瞬变测量。

6 内置温度传感器

在一些情况下，内置温度传感器是十分理想的。Altet等人曾将传感器分布在微小装置内，通过发射器和接收器得到装置中温度的分布[13]。此方法简单方便，但对传感器的空间分布有较高要求，且存在扰动，影响测量精度，空间分辨率较低。

7 总结

针对微小反应器中流体温度场分布的测控，主要的方法有荧光光纤测温法、光纤光栅测温法、PIV液晶粒子测温法以及红外测温法。对传统的荧光染料加以改良，荧光光纤测温的精度将大大提升，同时也能降低测温对流场的干扰。光纤光栅测温将光栅包裹在玻璃纤维中，也能很好的保护反应的正常进行。液晶粒子测温作为一种新的温度测试技术出现后，立刻得到了广泛的应用，具有直观显示、全场测量、无干扰等优点。而红外测温作为非接触式测温法，在对微小反应器中流体测温时，也能达到较好的效果。随着各领域科学的不断发展，温度测控技术也在不断提升，相信更多新型高效测温法将在未来得到更多更好的应用。

［1］王玉田,王冬生,崔立超.基于快速傅里叶变换的荧光测温仪[J].测控技术,2006,25(11)：18-20.

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［3］Peng HS,Stich M,Yu JB et al.Luminescent europium(III)nanoparticles for sensing and imaging of temperaturein the physiological range[J].Adv Mater 2010,22：716-719.

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