荧光温度传感器的应用

郝琳

【摘 要】荧光温度传感器凭其独特的优越性，在生产生活的各个领域得到了广泛的应用。本文介绍了荧光温度传感器在高压设备温度在线监测中、医学检测中、在石油钻探等领域中的应用，并设计测温探头。

【关键词】荧光；温度；传感器；探头

随着科学技术的进步与发展，荧光光纤温度传感器凭借其独特的优点在生产生活的各个领域应用越来越广泛，如可实现非接触式测量，灵敏度极高，响应速度快，能在高温、高压、易燃易爆、化学腐蚀恶劣等环境下使用，并且抗电磁干扰能力强，体积小，应用灵活，电绝缘性好等等。

荧光光纤温度传感器是由多模光纤和在其顶部安装的荧光物体（膜）组成。其测温原理是根据原子物理能级跃迁原理，掺稀土荧光材料中的掺杂稀土离子，在激光、紫外光照射的激励下，可以从基态跃迁到激发态，然后再从激发态返回到能量较低的能态，辐射出波长更长的可见光，这种光即为荧光。受激发荧光通常是按指数方式衰减的，衰减的时间常数为荧光寿命。实验证明，在不同的环境温度下，荧光寿命也不同。而荧光寿命和被测温度唯一对应，因此通过测量荧光寿命的长短，就可以得知当时的环境温度[1]。

1 高压设备温度在线监测中的应用

发电厂和变电站中的高压电器设备的安全运行问题一直是广为关注的热点，在长期的运行过程中，开关柜触点和母线连接处容易老化、松动或接触电阻过大而引起局部发热严重，开关柜过热如若发现不及时往往容易导致火灾事故，造成大面积停电等。所以对全封闭的高压开关柜实现在线实时温度监测，提前发现和排除隐患，对保证安全可靠用电具有重要的意义。由于我国绝大多数的高压电力设备采用封闭结构，内部无散热装置，而且长期工作在高电压、大电流、强磁场的环境中，散热量集中，温升发热的现象严重危害电器设备的正常运行[2]。现多采用热敏电阻，但是热敏电阻的阻值与温度的呈现严重的非线性关系，且元件的一致性差、互换性差、元件易老化、稳定性较差，除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围。而红外测温仪测量精度低、对温度变化不敏感、易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰尘等）、对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大。荧光温度传感器有着热敏电阻和红外测温仪无法比拟的优越性：首先，荧光温度传感器可实现非接触式测量，传感器尺寸小，安全可靠，易于在狭小的高压设备内部安装，能很好地适应高压和大电流的检测环境，从根本上解决了电类及红外测温系统等传统的仪器容易受到电磁干扰和涡流发热现象，以及无法保证长期稳定可靠的高压绝缘性能等缺陷；其次，可远距离传输，使传感器的光电器件脱离测温现场，避开了恶劣的环境。由于采用全光纤微小探头，无金属材料，具有完全的电绝缘性，不受高压、强电磁场的影响，抗化学腐蚀和无污染；第三，荧光光纤温度传感器不仅限于物体表面的定向测量，其探头还可以插入固体物质中、浸入液体中或导入设备中，到达特定区域；最后，测量精度高，响应速度快。

工业荧光光纤温度传感器采用Y型光纤作为光路传导，如图1所示。其探头可由荧光物质、云母、包层和套层组成，其结构如图2所示。“长”有荧光物质的光纤芯用云母包裹，作为保护套，厚度为0.2mm，云母具有独特的耐酸、耐碱、化学稳定性能，还具有良好的绝缘和耐热性、不燃性、防腐性，较好的透明度，以及在高温状态下能保持上述优良的物理化学性能。包层用于固定云母和荧光物质。光纤套层有外螺纹，方便与待测物连接。保护套管采用高膨松性玻璃纤维，具有耐高温的优点。

2 医学检测中的应用

国内外用微波加温热疗新技术治疗癌症己取得了明显的疗效。热疗本身既可以杀死癌细胞，又可以热疗和放疗的综合治疗会大大的提高化放疗的疗效。临床应用证明，在对难以用手术或对放射线产生抵抗性、或再发生性癌肿的治疗上，热疗的疗效比其它治疗手段更突出[3]。医学界普遍认为，加热治癌温度以在42—44℃范围内为宜，癌细胞残存率随温度升高明显减少[4]。温度过高会杀死人体的正常细胞，过低则达不到治疗的目的，还会使癌细胞进一步扩散。因此需要对这一温度进行监测，光纤温度传感器能实现这个作用[5]。由此可以看出，温度的控制在医疗中有着举足轻重的关系。医用型荧光温度传感器是特别为生命科学测量设计，探头小而细，配合专用的解调器，可以达到很快的响应速度和非常高的精度，也可以实现非接触式温度测量，因此测量方便。

目前，医用荧光光纤测温系统存在一些设计上的难点，首先是降低光纤直径引发的一系列困难。纤芯直径变小导致光通量的减少，而光通量的减少直接导致所采集的信号强度变低，给信号的采集与处理带来了很大困难。其次是医用测温探头的安全问题。医用探头的结构图如图3所示。荧光材料硅酸氟化镁是由固态物质组成的惰性材料，它对于加热、冷却和化学碰撞的敏感度都十分稳定，且对于生理医学而言，它还是一种生理良性物质。光纤芯外是塑料包层，包裹在包层外的是不透光的套管，荧光材料用硅酸钾或硅酮树脂固定在纤芯端部，荧光材料外是不透光的、由掺有二氧化钛的硅酮树脂的反射层，以防止散射光进入光纤芯，影响测量精度。最外面一层是具有物理惯性的保护层，材料用聚四氟乙烯。这种传感探头，一是为了避免在电磁场中材料的电传导，二是减小探头直径[6]。医用荧光光纤温（下转第155页）（上接第92页）度计测温传感探头外径可做到0.3—0.4mm。用注射针头可把探头置入人体中。探头一次性使用，大大降低了感染的出现与癌扩散的风除[4]。

3 在其他领域中的应用

在石油钻探中，准确的井温测量对于地质资料解释和油井监测都具有十分重要的意义，要求：（1）温度传感器的热平衡时要长；（2）传感器的移动不能影响井下原始温度场的分布；（3）能在高温高压环境下对井下的温度场进行长时间的有效的监测[7]。荧光光纤温度传感器可以满足这些要求。利用浸入型传感器，经过特殊处理，光纤的强度和韧性都很强，可以抵御液体槽中的化学腐蚀。

荧光光纤温度传感器在智能电网领域的应用有：（1）电力变压器绕组温度监控；（2）可测量高压开关柜中梅花触头和静触头咬合处的温度，甚至可将其埋于绝缘筒中导电连接处；（3）高压断路器灭弧室温度测量；（4）大电机定子、轴瓦、端部汇流环等温度监测；（5）大电机/互感器绕组等高压设备的热点温度直接监测。

总之，荧光光纤温度传感器在各个与生产生活息息相关领域都有应用，如大坝安全监测，地质矿产勘探开发等。并且，荧光温度传感器具有体积小，应用灵活，响应速度快，测量精度高的优点。

【参考文献】

[1]柏海鹰，王济民.基于新型稀土发光材料的荧光光纤温度传感器系统[J].传感技术学报，2004：660-662.

[2]李强，王艳松，刘学民.光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述[J].电力系挽保护与控制，2010（38）：135-138.

[3]侯正田，侯承志，徐武松.光纤传感器及其医学应用[J].甘肃科技，2012，28（5）：142-143.

[4]孙伟.医用荧光光纤测温仪的研究[M].沈阳工业大学，2007.

[5]崔书平.医用光纤温度计的研究[M].沈阳工业大学，2003.

[6]孙圣和，王廷云，徐影.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000，209.

[7]张振奇，童茂松，曹庆芳，昌庆珍.光纤传感器及其在石油钻探中的应用[J].石油仪器，2007，21（4）：1-4.

[责任编辑：汤静]