成果推介：一种可应用于极端环境的荧光光纤测温装置

所在学院：智能与电子工程学院

获奖情况：辽宁省第九届“互联网+”大学生创新创业大赛高教主赛道金奖

所属领域：高端装备制造，上转换机理，稀土发光材料

项目介绍：

1、痛点问题：随着国家经济和科技的不断的强大，电子器件也有了迅猛的进展。除去常规电性能指标以外，对器件的转换效率要求也越来越高，发热越来越少，增强其可靠性。许多器件在极端环境的条件下无法正常工作，在这里我们将极端环境定义为黑暗无光，狭小，高温高压以及人类正常难以工作的恶劣环境，提高传感器和其他器件在极端环境下的工作的可靠性是十分必要的。

2、解决方案：我们通过仿真设计优化电路，采用固定变量法，寻求其他可变值的线性回归参数并进行拟合，探寻最优偏置激励条件来得到频率和转换效率最优的MOS参数。

图1 MOS管原理电路

经过多次仿真实验后，得出大量优化数据。上转换机理发光稀土材料，开发和制作优化薄膜电路以及新型薄膜开关，为此我们团队推出了实验优化来进行对钼酸盐最优浓度配比的计算研究，构建回归方程和编码空间，并将制备样品进行送检，为了证明得到的是纯相材质，我们将XRD结果与国际标准卡对比，确保一致。

图2 XRD测试谱图与标准卡片

同时，应用TEM电子显微镜测试表征样品形貌以及荧光光谱测试。

图3 荧光激发和发射样品谱图

样品同时送检国家高新科技企业，ISO，CNAS双认证的测试平台，得到测试结果，确保材料的耐用性和稳定性。

图4 样品相关的TEM测试图

将得到的数据进行发光强度积分面积计算处理，得到发光图谱后，分析其灵敏度，温度以及电学特性。我们得出该材料适用于温度传感，电学传感以及光学传感的传感器研发。

图5 样品中温度传感灵敏度分析数据

随后将优化过后的材料用作传感器的研发，迄今为止，我们已经开发出基于压力传感器的薄膜开关和荧光光纤测温装置，并支持定制款极端环境三维立体成像机器人，结合二次图像重建算法，完成基于位图对图形和地形的扫描等功能。

图6 地形二次重建系统图

3、竞争优势分析：

(1) 绝缘耐压性高

全光测量装置。该传感器在30cm爬电距离内可耐受超过140kV工频电压,完全满足开关柜的绝缘耐压要求。

(2) 防污闪能力强

荧光光纤测温装置针对不同的电压等级,采用不同的、耐污性能强的硅纤外套或聚四氟乙烯外套被覆特种光纤进行信号传输，可确保系统的安全性。

(3) 感温材料具有高可靠性

温度传感器的感温物质为仅对温度敏感的稀土材料，该材料的长期稳定性已被充分验证，相关系统已成功应用于设备监测30年以上。

(4) 分布式系统架构,稳定性高

为真正分布式系统，可灵活配置，各测温单元之间彼此独立，互不影响，不会因为一个环节的影响而导致整个系统的失效，具备良好的鲁棒性，可靠而稳定。

(5) 准确定位测量点

感温探针体积小(3mm)，可准确定位安装位置。

(6) 测温周期小，实时性高

单通道测温周期小于1秒钟，可充分保证报警的及时性。

4、市场应用场景：

荧光光纤测温装置是针对高压开关柜、刀闸开关、电缆接头、变压器等高压电力设备因绝缘老化或接触不良所引发故障和火灾的早期预测而设计的。开关柜、刀闸开关、电缆接头、变压器等设备属于强电流、高电压的电气设备，其电气环境条件相对恶劣（诸如电磁场、辐射、浪涌、电脉冲等电磁干扰大），而光纤具有电绝缘、本征安全、不受电磁干扰等特性，所以传感器的探头可以直接以接触的方式安装在被测点上，“零距离”地监测开关触头、电缆接头的温度异常来预测可能发生的故障，防止电气火灾的发生。