1 引言
微波消解是近年来兴起的一种样品前处理手段，具有速度快、试剂用量少、样品不易被沾污、节约能源等优点，目前已在生物、地质、冶金、煤炭、医药、食品、环境监测等领域内，得到了广泛地应用。样品消解时，样品表面层和内部在不断搅动下破裂、溶解，不断产生新鲜的表面与酸反应，促使样品迅速溶解。与常规的高温灰化及湿法消化比较，微波消解技术具有省时、省酸、安全、污染小以及损失少、易实现自动监控等独特优点，被应用广泛。
2 微波消解仪传统测温存在的问题
温度一直是微波消解仪的关键指标，而参加热力学反应样品温度的实时在线检测，则是微波消解仪的一项关键技术。传统的温度传感器，如热电偶等，由于常规温度传感器热电偶的测温探头是由金属材料制成的，所以在强电磁场下测温时，测温探头会产生感应电流，并在传感器的输入回路上产生压降，与有用信号叠加在一起，直接成为干扰信号，引起测量误差。另外，感应电流在测温探头及导线上产生的欧姆热会使温度传感器自身的温度升高，影响测量系统的准确性。
热电偶、热电阻等温度传感器一般采用金属保护套管或耐高温的无机非金属保护套管，我们在强微波场中对这两种高温使用的普通热电偶进行试验发现，常规高温用热电偶受微波场的影响是不能够正常使用的，主要表现为以下两个方面：（1）热电偶出现“自身发热”和“打火”的现象：热电偶外面的保护套管、测温探头和引线都是金属的，它们在微波场中会产生感应电流，由于肌肤效应、涡流效应和欧姆效应，不仅致使测温探头和其引线自身发热而影响测温准确性，更严重的是其在微波场中放电（俗称“打火”）而使测温探头损坏。（2）无法正常测温：热电偶的保护套管一般为无机非金属材料如刚玉套管，该保护套管到达某一高温开始吸收微波而不断升温，导致热电偶无法测量被加热物料的温度。
3 荧光测温的工作机理
荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上的。所谓光致发光，就是当某些材料由于受到紫外、可见或红外区内的某种形式的电磁辐射的激发时，所产生的超热辐射以外的发光现象。这种发光，是材料吸收入射光子所获的那部分能量的释放形式。如果荧光的某一参数受温度调制，且关系单调，就可用这种关系测温。某些稀土荧光物质受紫外线照射并激发后，在可见光谱中发射线状光谱，即荧光及其余辉(余辉为激励停止后的发光)。而线状光谱的强度与激励光源强度及荧光材料的温度有关，若光源恒定，荧光线状光谱的强度是温度的单值函数，且随时间衰减。一般情况下外界温度越低荧光越强，余辉的衰减越慢。通过滤光片滤除激励光谱，测量荧光余辉发射光谱线的强度即可确定温度。
图1 荧光特性曲线
但这种测量方法要求激励光强及信号通道稳定，由于难于实现，因此很少采用。从半导体理论来讲，余辉的衰减直至消失是光的淬灭过程。实际晶体中，原子(或离子)不停地在平衡位置作热振动。晶体的热振动会对运动粒子产生散射，即阻止它们在晶体中的运动。在严格的理想周期势场中，粒子跃迁在外电场作用下是不受任何阻碍的。但实际晶体中的晶格振动使理想周期势场遭到破坏，粒子跃迁所放出来的能量被晶格振动(即转化声子的形式-声子是表示晶格振动的准粒子)吸收，使发光效率降低，最终导致光淬灭。温度越高，晶格振动越强，参与吸收的声子数越多。上述过程越强，光淬灭就越快。荧光余辉的衰变时间常数也是温度的单值函数，荧光材料的温度决定光淬灭的快慢，即衰变时间常数的大小，荧光特性曲线如图1所示。
荧光余辉的强度与时间的关系为：
式中：
A—常系数；
t—余辉衰减时间；
—停止激励时荧光峰值强度，它是温度T的函数。
τ(T)就是荧光余辉衰变时间常数，即荧光余辉寿命，也是温度T的函数。通常温度越高，时间常数越小，只要测得时间常数的值，就可以求出温度，图2为某一荧光物质的τ值与温度的关系。
图2 时间常数τ与温度T的关系
应用这种方法测温的最大优点就是被测温度只取决于荧光材料的时间常数，而与系统的其他变量无关，例如光源强度的变化、传输效率、耦合程度的变化等都不影响测量结果，在原理上比光强测温法有明显优势。
4 光纤传感探头的设计
光纤传感探头是由红宝石激光棒经过切割、磨光得到长为4mm、面积为1mm2的长方形晶体，并被置入具有低温度膨胀系数的不锈钢容器内。从2个绿色光LED发出的激励光提供了高强度的激励光输入，其峰值波长为565nm，激励光通过PCS600Si光纤传送到传感头。另外一个红色光LED发出的光峰值波长在697nm，其主要用来平衡2个探测器输出的灵敏度，该LED发出的光也通过600Lm光纤送到传感头，其波长与温度依赖的R线波长很接近，是LED光源中最实用的一种光源。
红宝石荧光衰变时间常数是温度的函数，室温下寿命时间常数t=3.5ms，为了有效地提取荧光余辉信号，选择LED的调制频率不宜过高，但仪表有一定的实时性要求，调制频率又不宜太低，故驱动电流的周期定为32ms，其中LED开14ms关18ms。由于传感器的设计采用了输入光纤与输出光纤对接的方式，将在一部分激励光穿透红宝石。虽然在荧光信号进入光电探测器之前，通过了玻璃滤光片，但荧光中仍掺有激励光，因此我们在提取LED熄灭后荧光信号，用荧光衰减的面积，反映此时被测物体的温度。
5 结论
微波消解仪的荧光光纤测温系统的研制是一项重要的课题。它能为微波消解仪的温度检测提供了合法有效的技术手段和方法，提高了微波消解仪的检测水平，对计量领域微波消解仪的发展起到了巨大的推动作用。该项工作的完成能进一步满足日益发展的检测、校准市场的需求，保证量值传递的准确可靠，更好地与国际检测技术接轨，具有非常可观的经济效益和意义深远的社会效益。
参考文献
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[3] 赵舫，唐忠，崔昊杨. 基于荧光光纤测温的电气设备在线监测系统[J]. 电测与仪表，2015，52(4)：85-89.
作者简介：赵盛梅，阳泉市质量技术监督检验测试所，工程师，研究方向：医学计量。
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