CN104374489A - 一种半导体点式测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体点式测温系统，所述系统利用半导体材料在入射光波长不变时其光反射率随着温度的变化而变化这一特性，通过测量半导体材料反射光的强弱来实现对被测对象进行测温。本发明具有高绝缘性、抗电磁干扰、抗腐蚀、防爆、防雷击的特点，能在恶劣的坏境下工作；测量精度高，范围大，反应灵敏；温度检测探头结构简单、尺寸小巧、安装方便；可多机组网进行检测的特点。

Description

一种半导体点式测温系统

技术领域

本发明涉及电力设备综合监控领域使用的传感检测系统技术领域，尤其涉及一种半导体点式测温系统。

背景技术

工农业生产中的许多电力设备，例如高压开关柜、高压电缆等都在高电压、大电流的状态下运行。由于在使用过程中的机械振动、触头烧蚀等原因，可能造成接触处温度升高，引起接触处的氧化，使接触电阻进一步增加，温度进一步上升，继而出现局部熔焊或产生火花甚至电弧放电，殃及周围绝缘材料，最终造成电气设备的损坏，引发事故。而对于电气连接部位，例如高压开关柜触头及接点、干式变压器、箱式变电站、变电站、高压母线接头、高压电缆接头、刀闸开关等在长期运行过程中，因老化或接触电阻过大而发热现象时有发生；同时，由于供电负荷过大，电机开停时的冲击电流，加速了开关柜以及电缆接头的老化，近年来已发生多起开关柜连接点、电缆头过热造成的停电事故。因此，对电力设备温度的监测，实行电力设备运行状态监测和故障诊断技术，意义重大。

目前对电力设备或者电气连接点的监测手段大多采用手持式红外线测温仪定期进行，难以实现安全准确测温，设备缺乏跟踪监测手段，不能及时发现设备发热点，并且设备的安全可靠性得不到有效保证。

发明内容

针对上述部分问题，本发明提供了一种半导体点式测温系统，所述系统利用半导体材料在入射光波长不变时其光反射率随着温度的变化而变化这一特性，通过测量透过半导体材料的光的强弱来实现对被测对象进行测温。

本发明具有如下特点：

(1)所述系统的温度检测探头具有高绝缘性、抗电磁干扰、抗腐蚀、防爆、防雷击的特点，能在恶劣的坏境下工作；

(2)先进的光纤及光电子技术，在温度测点与主机之间使用光纤进行高压隔离和信号传输，因此具有本质的抗干扰能力；

(3)系统测量精度高，范围大，反应灵敏；

(4)温度检测探头结构简单、尺寸小巧、安装方便；

(5)温度检测探头一次安装，无须维护；

(6)可多机组网，实现全范围的温度数据检测；

(7)主机具有故障报警功能，为检修工作提供便利。

附图说明

图1某种半导体材料的光谱随温度变化示意图；

图2系统结构示意图；

图3封装套管示意图。

具体实施方式

在一个基础的实施例中，本发明提供了一种半导体点式测温系统，所述系统利用半导体材料在入射光波长不变时其光反射率随着温度的变化而变化这一特性，通过测量半导体材料反射光的强弱来实现对被测对象进行测温。

在这个实施例，所述系统主要利用半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性来实现。当一定波长的光通过半导体材料时，主要引起的吸收式本征吸收，即电子从价带激发到导带引起的吸收。对直接跃迁型材料，能够引起这种吸收的光子能量hv必须大于或等于材料的禁带宽度E_g，即：

hv≥E_g＝hv_g  (1)

式中，h为普朗克常数，v是频率。从上述公式(1)中可看出，本征吸收光谱在低频方向必然存在一个频率界限v_g，当频率低于v_g时不可能产生本征吸收。一定的频率v_g对应一个特定的波长λ_g，称为本征吸收波长，可以用下式求解找到提供光源的波长范围：

其中c为光速。

根据固体物理理论，直接跃迁型半导体材料的吸收波长是随着温度的变化而变化的。如图1所示是某种半导体材料的光谱变化随温度变化的示意图。当温度升高时，这种半导体材料本征吸收波长变大，透射率曲线向长波长方向移动，但形状不变；反之，当温度降低时，这种半导体材料本征吸收波长变小，透射率曲线保持形状不变而向短波长方向移动。当光源的光谱辐射强度不变时，半导体材料总透射率就随其温度发生变化，温度越高，总透射率越低。通过测量透过半导体材料的光的强弱即可达到测温的目的。

下面结合附图对本发明做进一步的阐述。

在一个实施例中，所述系统包括主机，如图2中黑线框中所示部分，所述主机中包括光分路器模块、光电转换模块、信号放大转换模块和数据处理模块，其中，所述光分路器模块内有光分路器，用于将多个传感器传回的光信号分发到所述光电转换模块中，由所述光电转换模块中相应的光电转换器进行光信号到电信号的转换，经过转换得到的电信号进入所述信号放大转换模块，在所述信号放大转换模块中电信号被放大并进行模数转换后传给所述数据处理模块，在所述数据处理模块中计算出温度值。

优选的，所述主机采用插板式可扩展面板设计，方便更换模块，同时也方便根据实际需要增加或者减少模块，所述面板上包括电源插孔、通信接口和温度检测探头接口。所述主机可使用AC85～265V或者DC 110～370V的电源，所述通信接口包括RS232，RS485。

优选的，所述系统还包括温度检测探头，所述温度检测探头通过光纤与主机上的温度检测探头接口相连，所述温度检测探头通过镀膜技术将半导体材料均匀镀在光纤轴向的横截端面上，再通过陶瓷管和航空胶将镀好半导体膜的光纤封装而成，通过使用绝缘材料封装可以使所述温度检测探头具有高绝缘性、抗电磁干扰、抗腐蚀、防爆、防雷击的特点，能在恶劣的坏境下工作。

由下述公式(2)可以看出，在半导体材料上反射回来的光强I和光学厚度nL有关：

$I=\frac{4\mathrm{RSin}\frac{\mathrm{\πnL}}{\mathrm{\λ}}}{{(1-R)}^2+4\mathrm{RSin}\frac{\mathrm{\πnL}}{\mathrm{\λ}}}---\left(2\right)$

其中，R为光纤与半导体镀膜界面光强反射率，n为半导体的折射率，L为所镀半导体膜厚度，λ为光纤中输入光的波长。由公式(2)即可得出温度一定时，膜厚变化，反射回来的光功率周期性变化。厚度一定时，温度变化，由于半导体的折射率也在变化，所以半导体反射回来的光功率也在变化。

更进一步的，所述温度检测探头使用封装套管封装，所述封装套管的一端有一突出的空心圆柱，所述空心圆柱的横截面为圆环，所述圆环的外径小于所述封装套管的直径，所述圆环的内径以能固定温度检测探头接口为准；在所述封装套管的另一端有一突出柱体，所述柱体的横截面有两条相同长度的平行边，每条边所在的柱体表面为矩形平面；与两条边相连的是两条圆弧，所述柱体横截面的圆弧能与所述封装套管的横截面重合；所述柱体有横贯柱体矩形平面的螺孔。

通过使用所述封装套管封装，使得温度检测探头便于安装和固定。由于测温环境的需要，所述封装套管必须能耐高温，耐高压，因而作为封装套管的材料必须具有高绝缘性、耐高温性和耐高压性。而根据温度检测探头大多是放置在高压开关柜、高压电缆以及电气连接点上，因而所述封装套管必须具有体积小巧、导热快或者散热快等特点。

优选的，采用99陶瓷楷模制造所述封装套管，所述套管具体结构如图3所示。所述封装套管的平面A便于直接贴在探测体表面，即将导热硅胶或金属胶均匀的涂抹在平面A上，这样可以很好的将发热体的热量传递给封装套管；平面A是螺丝空是用来放松设计的，因为电力开关柜、电力变压器、电动机、发电机都有很大的震动。而螺纹B则是传感器的另外的一种安装方式，可在被测物上钻一个标准的螺纹孔，就可将所述封装套管直接拧紧在被测物上。如图3右侧部分所示，如果所述封装套管制成大小Φ8×22mm，采用螺纹嵌入式，则只需在待测温物体表面上钻Φ2.5×5mm的盲孔，最后将所述封装套管拧在待测温物体表面即可。

可选的，所述温度检测探头根据现场应用情况的不同可以选择直接浇铸入待测物体，比如在对开关柜和断路器的具体实施方式中，所述温度检测探头和开关柜、断路器进行了一体化浇铸。

优选的，所述系统使用激光器提供光源。但是由于激光器发出的光的功率、波长等会随着环境温度的变化，电压的波动，电路的温度而发生很大的变化。而由原理可知，当激光器发出的光功率，波长发生变化时，即使环境温度没有变化，反射回来的光功率也会发生变化，由此不能正常的分辨出真正的温度变化。

更进一步的，所述激光器使用带半导体制冷器的蝶形激光器，通过设计温度闭环反馈控制的调制电路和光功率闭环反馈控制电路来实现激光器的恒温。

在另一实施例中，所述温度检测探头的信号传输光纤为普通光纤，为所述光纤套上绝缘增爬器。由于所述温度检测探头本身由陶瓷管和光纤组成，是绝缘等级很高的材料，但是为其传输信号的光纤由于表面堆积灰尘吸潮后，其绝缘等级就大大的降低，有可能引发高压闪络，造成事故，为解决此问题，就可以采取为光纤套上绝缘增爬器。

可选的，可以使用绝缘增爬光纤代替普通光纤来解决闪络问题，省去了为光纤套上绝缘增爬器，所述绝缘增爬光纤为在光纤表面采用耐高温耐高压的绝缘材料包裹。

在另一个实施例中，所述主机能够对测得的温度以固定的时间周期存储温度数据，方便用户对历史温度数据的查询，其中存储的时间周期可以在主机中设置；并能通过主机上的通信接口与外围设备或系统传输数据，当所述主机与可视化设备相连时，可以实时显示被测对象的温度；当所述主机与具有数据处理设备比如计算机相连时，可以在显示器上显示温度曲线，方便用户观察监测对象温度变化。所述主机能够设置预警阈值，如果所测温度值高于预警阈值，则所述主机以声或光的形式报警。

在一个实施例中，所述主机通过通信接口与若干个其它主机相连进行组网监测，在这种情况下，每台主机都有一个唯一的固定通信地址。所述主机采用MODBUSRTU/ASC通信协议，使用RS485通信接口。通过RS485网络，一个系统可以同时最大监测32个主机。更进一步的，采用上位机软件可以讲各个监测点的温度数据实时显示在上位机软件上，当温度异常时，即可第一时间以声、光的形式报警，由此可以实现电力设备运行的自动化监测。

在一个对变压器二次侧套管进行测温的实施例中，使用温度检测探头的套管为陶瓷，与系统主机相连接的是特氟龙光缆或为耐高压耐高温的硅胶光缆。但由于变压器二次侧套管都是安装在户外的地面上，其灰尘、水蒸气等长时间在光缆上聚集以后，光缆有可能被击穿，所以在光缆上套上绝缘增爬器，以解决光缆表面聚集灰尘后被击穿问题。在本实施例中，对于在变压器的套管，采用表面敷贴式，即将导热金属胶均匀的涂抹在温度检测探头的平面上，贴附在所述套管的表面。所述主机和TFT彩色液晶屏连接，用于实时显示每个温度检测探头的温度数据。

通过上述实施例的介绍，可以看出本发明提供的测温系统具有绝缘、抗电磁干扰、安全、耐高电压、耐化学腐蚀、耐高温等特点，可以应用于高直流电场、磁场或强的高频场、微波场环境中对温度的接触测量，测量精度高，所述系统的测温精度可达±0.5℃，温度分辨率≤0.1℃，所述系统的测温范围为-10℃～120℃。

本说明书中每个实施例采用采用递进的方式描述，重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种激光半导体点式测温系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种半导体点式测温系统，其特征在于：

所述系统利用半导体材料在入射光波长不变时其光反射率随着温度的变化而变化这一特性，通过测量半导体材料反射光的强弱来实现对被测对象进行测温。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括主机，所述主机中包括光分路器模块、光电转换模块、信号放大转换模块和数据处理模块；

其中，所述光分路器模块用于将多个传感器传回的光信号分发到所述光电转换模块中，由所述光电转换模块中相应的光电转换器进行光信号到电信号的转换，经过转换得到的电信号进入所述信号放大转换模块，在所述信号放大转换模块中电信号被放大并进行模数转换后传给所述数据处理模块，在所述数据处理模块中计算出温度值；

所述系统还包括温度检测探头，所述温度检测探头通过光纤与主机上的温度检测探头接口相连，所述温度检测探头将半导体材料均匀镀在光纤轴向的横截端面上，再通过陶瓷管和航空胶将镀好半导体膜的光纤封装而成。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：优选的，所述主机采用插板式可扩展面板设计，所述面板上包括电源插孔、通信接口和温度检测探头接口。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述温度检测探头使用封装套管封装，所述封装套管的一端有一突出的空心圆柱，所述空心圆柱的横截面为圆环，所述圆环的外径小于所述封装套管的直径，所述圆环的内径以能固定温度检测探头接口为准；在所述封装套管的另一端有一突出柱体，所述柱体的横截面有两条相同长度的平行边，每条边所在的柱体表面为矩形平面；与两条边相连的是两条圆弧，所述柱体横截面的圆弧能与所述封装套管的横截面重合；所述柱体有横贯柱体矩形平面的螺孔。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统使用激光器提供光源。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述激光器使用带半导体制冷器的蝶形激光器，通过设计温度闭环反馈控制的调制电路和光功率闭环反馈控制电路来实现激光器的恒温。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：当所述温度检测探头的信号传输光纤为普通光纤时，为所述光纤套上绝缘增爬器。

8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述温度检测探头使用绝缘增爬光纤传输信号，所述绝缘增爬光纤为在光纤表面采用耐高温耐高压的绝缘材料包裹。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述主机能够对测得的温度以固定的时间周期存储温度数据，其中所述时间周期能够在主机中进行设置；通过所述通信接口，所述主机能够向外围设备或系统传输数据；所述主机能够设置预警阈值，如果所测温度值高于预警阈值，则所述主机以声或光的形式报警。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述半导体材料为直接跃迁型。