光纖溫度傳感器的製作方法

2023-05-21 10:03:51 5

專利名稱：光纖溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本申請涉及溫度感測領域，尤其涉及在電磁和/或電氣環境及工 業機器中使用光纖溫度傳感器進行溫度感測的方法和裝置。
背景技術：
電機(如發電機、電動機、變壓器等)中的溫度測量和監控由於 存在電磁場和/或機械振動而需要特殊預防措施。具體地，在位於這 些機器內或附近的溫度感測頭部分中應避免金屬或導電零件的存在， 尤其在監控發電機和/或電動機的定子條的溫度或變壓器線圈的溫度 時更是如此。通過改變電場通路，金屬或導電組件還可產生局部放電。
此外，在這樣的電磁環境中進行溫度監控還需要長時間可靠的傳 感器以避免任何類型的故障報警，該故障報警成本高昂。進一歩地， 由於傳感器通常預期在振動條件下運行，這些溫度傳感器應表面粗糙 及防振動。
對於這些應用，將要測量的溫度通常低於20(TC。由於大量傳感 器通常不得不位於機器的各個部分中，監控成本如安裝、測量、維護 及修理成本應最小化且這些傳感器應儘可能小和儘可能最低程度的 幹擾。
利用光纖的溫度傳感器可將溫度變化變換為光變化，之後，光變 化可由遠離傳感器頭及遠離電磁環境的光電和/或電子裝置進行分 析。結合光纖的已知溫度傳感器的例子在下面描述。
6授予Norling的美國專利5,031,987 (通過引用組合於此)描述了 光傳感器面向單一光發射和接收光纖的成角端，使得該傳感器(由於 溫度或壓力變化)的任何移動均改變折射回光纖的光。為降低系統對 衝擊和振動的靈敏度，Norling公開了將磁力閉鎖的雙金屬熱帶用作 傳感器元件及與該傳感器元件的一端接合的磁鐵。在運行中，雙金屬 帶隨溫度變化響應於由磁鐵引起的磁吸引力。
授予Mishenko的美國專利5，295，206 (通過引用組合於此)描述 了用於人體的溫度傳感器，其中小的氣隙通過安裝在具有不同溫度膨 脹係數的金屬圓筒內的溫度敏感棒的相對伸長或退縮而增加或減小。 溫度敏感棒一端的反射表面將入射的通過光纖發射的光朝向平行且 靠近定位的光接收光纖反射。所接收的發射光的變化表示溫度變化。 然而，在反射光到達接收光纖的精確路途上出現瑣碎細節。具體地， 在光纖傳感器中，不可忽視的反射光量在分隔發射和接收光纖的氣體 周圍傳播並導致大量"噪聲"，因而影響溫度變化靈敏度及溫度測量 的再現性。此外，光纖的移動可能導致測量的不可再現性。此外，在 任何溫度和振動條件下必須確保溫度敏感棒長時間均處於最小橫向 摩擦，這要求高機械精度及精細調節成本。
授予Sawatari等的美國專利5,870,511 (通過引用組合於此)使 用與授予Mishenko的美國專利5,295,206類似的可變氣隙原理。在 Sawatari的專利中，傳感器頭具有連接到一光纖端部的傳感器外殼。 金屬反射表面連接到鄰近光纖端部的外殼以在反射表面和光纖之間 形成具有預定長度的間隙。檢測系統也被連接到光纖，其從反射表面 所反射光的幹涉圖確定傳感器頭處的溫度，除了在此關於Mishenko 專利中公開的設備所述的問題以外，在Sawatari專利中還必須考慮分 析幹涉圖的實質成本。
授予Robertson的美國專利5,359,445 (通過引用組合於此)描述 了具有圓柱形外殼的溫度傳感器，圓柱形外殼隨外部溫度變化徑向伸 長或退縮。該外殼包含兩根由透明、柔軟及組成圖案的薄膜分隔的方 向相對的光纖，薄膜密封到外殼上並隨外殼移動而變形。該傳感器可用於測量傳感器浸入其中的氣體或液體的溫度，但似乎不能測量固體 的溫度，因為其圓柱形外殼的移動及薄膜的圖案變形均因其圓柱形基 座相對於固體的摩擦而被阻礙，或者至少出現偏差。同樣，沒有對具 有徑向分量的振動效應進行預防。
其它專利(例如，授予Dammann的美國專利6,960,019及授予 Belleville等的美國專利5,392,117和5,202,939,這些專利均通過引用 組合於此)公開了光幹涉圖和Fabry-Perot幹涉法的分析以提出小的 光纖溫度傳感器。然而，這樣的傳感器通常需要與複雜、精密及昂貴 的幹涉分析裝置結合使用。
因此，需要提供一種小且粗糙的光纖溫度傳感器，其在電磁和/ 或振動環境中可有效地用於測量機器或裝備的給定部分的溫度，及其 不需要複雜且昂貴的、用於分析來自傳感器的信息的裝置。

發明內容
根據在此描述的系統，溫度傳感器包括發射光的傳送器及布置成 接收從該傳送器發射的光的第一接收器。溫度敏感元件位於傳送器和 第一接收器之間的光通路中，其可變地掩蔽傳送器所發射光的至少一 部分，其中由溫度敏感元件可變掩蔽的光部分隨溫度敏感元件的溫度 變化而變化。傳送器和接收器可以是光纖。溫度敏感元件可以是不導 電元件。第一檢測器可連接到第一接收器以分析由第一接收器接收的 光的光強度並基於光強度變化確定溫度敏感元件的溫度變化。第二接 收器可布置在第一接收器的旁邊，及第二接收器可接收來自傳送器的 光的未掩蔽部分，其中由第二接收器接收的未掩蔽光部分與溫度敏感 元件的溫度變化完全無關。第二檢測器可連接到第二接收器以用於校 準傳感器。第二檢測器使能在由至少下述之一引起的漂移方面校準傳 感器傳感器老化、室溫變化、及傳送器或第一接收器的光傳導率變 化。電子裝置可連接到傳送器和第一接收器，其包括基於反饋環路並 使用參考信號控制從傳送器發射的光的強度的驅動器，及其中該電子 裝置包括至少一分析第一接收器接收的光的強度變化並輸出至少一信號的發光強度分析器。溫度敏感元件可具有實質上正比於溫度變化 進行改變的幾何結構。
傳送器可直接面向第一接收器，及其中傳送器和接收器之間的光 通路可以是傳送器和第一接收器之間的間隙。或者，可布置靶以將從 傳送器接收的入射光反射到第一接收器。靶可包括具有第一和第二面 的兩面反射鏡，其中第一面和第二面相對於彼此成大約90度角布置， 第一面從傳送器接收大約為45度的第一入射角的入射光並將該入射
光以大約45度的第二入射角反射到第二面上，第二面將從第一面接
收的入射光反射到第一接收器。靶可包括曲面反射鏡。靶可以是平面 反射鏡，及傳送器可相對於第一接收器成角。
進一步根據在此描述的系統，感測溫度的方法可包括提供發射光 的傳送器及提供接收從傳送器發射的光的第一接收器。從傳送器發射 的光的至少一部分在光由第一接收器接收之前被使得可變地掩蔽，其 中可變掩蔽的光部分根據溫度變化而變化。從傳送器發射的光的強度 可使用參考信號根據反饋環路進行控制。參考信號可被使得由第二接 收器接收，其中參考信號與溫度變化完全無關。由第一接收器接收的 光可被分析及溫度變化可被確定。可提供從傳送器接收入射光並將該 光反射到第一接收器的靶。
進一步根據在此描述的系統，溫度傳感器包括發射光的傳送光 纖、反射從傳送光纖接收的入射光的反射鏡、及布置成接收從反射鏡 反射的光的接收光纖。溫度敏感元件可位於傳送光纖和第一接收光纖 之間的光通路中，其可變地掩蔽從傳送光纖發射的光的至少一部分。 由溫度敏感元件可變掩蔽的光部分隨溫度敏感元件的溫度變化而變 化。反射鏡包括具有第一和第二面的兩面反射鏡，其中第一面和第二
面相對於彼此成大約90度角布置，第一面從傳送光纖接收大約為45 度的第一入射角的入射光並將該入射光以大約45度的第二入射角反 射到第二面上，第二面將從第一面接收的入射光反射到第一接收光
纖。或者，反射鏡可包括至少下述之一單一平面反射鏡和曲面反射
9鏡。可提供參考光纖，其從傳送光纖接收未掩蔽光部分，其中由參考 光纖接收的未掩蔽光部分與溫度敏感元件的溫度變化完全無關。
進一步根據在此描述的系統，感測溫度的方法包括提供發射光的 傳送光纖、提供反射從傳送器接收的光的反射鏡、及提供接收從反射 鏡反射的光的接收光纖。從傳送光纖發射的光的至少一部分在光由第 一接收光纖接收之前可被使得可變地掩蔽，其中可變掩蔽的光部分根 據溫度變化而變化。可提供從傳送光纖接收未掩蔽光部分的參考光 纖，其中由參考光纖接收的未掩蔽光部分與溫度敏感元件的溫度變化 完全無關。
進一步根據在此描述的系統，溫度傳感器包括外殼、位於外殼上 的連接接口、位於外殼中的發射光的傳送器、及位於外殼中的接收從 傳送器發射的光的接收器。溫度敏感元件可位於傳送器和第一接收器 之間的光通路中，其可變地掩蔽傳送器所發射的光的至少一部分，其 中由溫度敏感元件可變掩蔽的光部分根據溫度敏感元件的溫度變化 而變化。電子裝置可位於外殼中、連接到接收器及連接到連接接口。 電子裝置可檢測在接收器處接收的光、分析接收器處接收的光、及基 於光強度變化輸出指明溫度的信號。


本發明的實施方式結合幾個附圖進行描述，其中
圖1為根據在此所述的系統的光學溫度傳感器的實施例的示意圖。
圖2為根據在此所述的系統的光學溫度傳感器的傳感器頭的示 意圖。
圖3為根據在此所述的系統，圖2中所示傳感器頭的不同定向的 示意圖。
圖4為根據在此所述的系統，從入射光角度看見的兩面反射鏡組 合到傳感器頭內的示意圖示。圖5為根據在此所述的系統的另一實施例的、包括第三光纖的光 學溫度傳感器的示意圖。
圖6為根據在此所述的系統的實施例的傳感器頭中參考光纖的 安排，其中參考光纖布置在接收光纖的旁邊。
圖7為根據在此所述的系統的另一實施例的示意性圖示，其中從 傳送光纖發射的光直接由接收光纖接收，而沒有介於其間的反射鏡。
圖8為根據在此所述的系統的另一實施例的示意性圖示，其示出 了相對於光纖橫向布置的溫度敏感元件掩蔽入射光。
圖9為根據在此所述的系統的另一實施例的示意性圖示，其示出 了光纖和溫度敏感元件的另一結構。
圖IOA和10B為根據在此所述的系統的另一實施例的具有備選 結構的傳感器頭的示意圖，其中接收器相對於傳送器定向以在由平面 反射鏡反射時接收從傳送器發射的光。
圖IIA和11B為根據在此所述的系統的另一實施例的具有曲面 反射鏡的傳感器頭的示意圖。
圖12為根據在此所述的系統的實施例的包括發光強度分析器的 光學溫度傳感器的示意性圖示，發光強度分析器可包括溫度校準部 件，該部件可將發光強度變化變換為溫度敏感元件的溫度變化。
圖13為根據在此所述的系統的實施例的連接到光學溫度傳感器 的傳感器頭的電子裝置的示意電路圖。
圖14為根據在此所述的系統的另一實施例的、連接到光學溫度 傳感器的傳感器頭的電子裝置的示意電路圖。
圖15、 16和17根據在此所述的系統的另一實施例的、用於溫度 測量的一體式小型傳感器的不同方向的示意圖。
具體實施例方式
現在參考附圖，附圖包括本說明書的一部分並圖示所述系統的示 例性實施方式。應當理解，在一些情況下，本發明系統的不同方面可 能示意性展示或可能擴大或改變以有助於理解本發明系統。
ii圖1為根據在此所述的系統的光學溫度傳感器的實施例10的示
意性圖示。光纖20、 30位於連接到光纖溫度傳感器頭100的管道40 中。管道40可以是不透明管道。 一根光纖20用作光發射器或傳送器 並連接到光源22。另一光纖30用作光接收器並連接到檢測器單元32 如光度計。光纖溫度傳感器頭100附著到需要確定其溫度的物體上。 或者，在其它實施例中，可能一根光纖既用作傳送器又用作接收器。 儘管附圖中涉及光纖，但可以預見其它光傳送器和接收器也可與在此 所述的系統一起使用。例如，本發明系統可被構造成使得本發明系統 的光傳送器為安裝在傳感器頭100中的直接光源，而沒有光纖介於其 間。
圖2和圖3示出了根據在此所述的系統的光學溫度傳感器10的 傳感器頭IOO實施例的不同定向的圖。標為"X" 、 "Y"和"Z"的 維說明圖2和3 (及其它附圖)的相對方向。傳感器頭100包含光纖 20、 30的可被連接在一起並穩固嵌入在傳感器頭100中的部分。光 纖20、 30的端部可面向反射靶，如反射鏡IIO。光纖20、 30可剛性 固定到反射鏡110上使得在振動和/或其它運動的情況下光纖20、 30 和反射鏡110—起移動。在所示實施例中，傳感器頭100具有立方體 部分，該部分使傳感器頭100能放在多個位置中從而在靠著將要測量 其溫度的物體的表面處是平坦的。在其它實施例中，傳感器頭可具有 至少一平坦邊緣，該邊緣接觸實質上形成配合的物體和/或至少一表 面或者在某些方面或多或少可與物體物理上對齊。傳感器頭可包括任 何形狀，其上具有指示傳感器頭靠著物體適當定位的標記。傳感器頭 可根據應用條件按需形成適當大小。
給定發光強度的光從光源22傳播、通過光纖20並沿光通路101 照在反射鏡110的第一反射表面112上。反射鏡110的第一反射表面 可與入射光的光通路101形成約45度角。之後，入射光以大約90度 角沿光通路102反射到反射鏡110的第二反射表面114上，第二反射 表面與反射鏡110的第一反射表面112形成約90度的正交平面。如 下所述，可布置具有預定熱性質的元件以響應於溫度阻礙和/或幹涉沿光通路102傳輸的光的至少一部分。反射鏡110的第二反射表面 114上的入射光再次沿光通路103反射為與初始入射光平行但方向與
初始入射光相反的光。可定位第二光纖30的端部以接收從第二反射 表面114沿光通路103反射的光，由光纖20傳送的入射光和由光纖 30接收的反射光之間的發光強度差可被測量。該差可由檢測器32確 定，檢測器可以是光度計、光感受器或測量發光強度的其它裝置。如 本說明書別處進一步描述的，檢測器可連接到光-溫度計算設備。光 度計和光-溫度計算設備可以是光電溫度變換器的一部分。應注意， 也可使用不同於在此所示的角度。
溫度敏感元件50，如由具有預定熱膨脹係數的非傳導材料製成 的剛性帶，可位於傳感器頭100中的固定支撐件60上，固定支撐件 可包括基座和導向臂和/或其它接收構件，及其中溫度敏感元件50具 有端部52，端部52部分掩蔽從反射鏡110的第一反射表面112沿光 通路102反射的光。在所示實施例中，沿光通路102的光的部分掩蔽 通過溫度敏感元件50響應於溫度變化在X方向膨脹或收縮而出現。 在實施例中，溫度敏感元件50的溫度增加越多，溫度敏感元件50對 從表面112沿光通路102反射的入射光的幹涉則越多，及由光纖30 接收的光的強度降低越多。在不同實施例中，由溫度敏感元件50可 變掩蔽的光部分可依照與溫度變化大約成線性比例關係地改變、依照 溫度變化的平方改變和/或經一些其它溫度關係改變。因此，所述系 統將溫度變化變換為光強度變化。
在於此所述的系統的實施例中，使用反射鏡使光纖能平行放置， 而不是彼此相對，從而光發射設備和光強度分析可僅定位在溫度傳感 器的一側上，而不必穿透裝備的兩相反側或將要測量其溫度的部分。
在此所述的系統的安排至少具有下述優點其可以非常小、可由 非傳導材料製成、及唯一移動部分是溫度敏感元件50的熱膨脹。為 使溫度敏感元件50的橫向側上的摩擦最小，溫度敏感元件50可以是 具有最小寬度和厚度的細長元件，及其橫向接觸點可限於最小數量的
13附於支撐件60上的導向器62。溫度敏感元件50的端部52在接收件 60外面的懸臂長度也可最小化以消除端部52上的振動效應。
在此所述的系統有利地包括光發射光纖和光接收光纖並依賴於 當光發射光纖發射的光被位於發射和接收光纖之間的光通路上且其 尺寸隨溫度變化的不透明(或半透明)體可變地掩蔽時對接收光纖接 收的光強度變化的測量。該系統的優點在於不需要金屬或傳導件，這 使上述溫度傳感器可在電磁及電氣環境中使用，如電機或裝備。另外， 另一優點在於可只測量光強度變化，這使能使用比幹涉分析、 Fabry-Perot分析和/或光圖象分析更簡單、成本更低的光分析設備。 例如，根據在此所述的系統，將光強度轉換為溫度可使用在接收光纖 的另一端運行的簡單光感受器進行。
圖4為根據在此所述的系統，從入射光角度看見的、組合在傳感 器頭內的兩面反射鏡的示意性圖示。光照在反射鏡110的第一反射表 面112上，形成發光光斑101a，在來自光纖20的光圓柱形投射的情 況下光斑可以是圓形。光纖20和反射鏡110可定位成入射光產生發 光光斑101a，該光斑繼而被反射在反射鏡110的第二反射表面114 上。擊在第二反射表面114上的光的一部分由於溫度敏感元件50在 X方向的移動而被掩蔽，同時光的不同部分被反射為進入光纖30的 發光光斑102a。在本說明書中使用的術語"部分"可指一個或多個 區域或子集，在多個區域或子集的情況下，其可連接為整體或相互分 開。
在實施例中，由光纖20從光源22傳送的入射光與光纖30接收 的反射光之間的發光強度差源自從表面114反射並由光纖30接收的 發光光斑102a的大小的增加或減小。光通路102上的光的第一量被 溫度敏感元件50掩蔽和/或幹涉，而光通路102上的光的第二量被傳 送為發光光斑102a。第一量可反比於第二量，因為當第一量增加時， 第二量減小，反之亦然。第一量和第二量的和可以是完全恆定的值。 在一些情況下，第一量或第二量可以是零。圖5示出了在此所述的系統的另一實施例，其展示光纖溫度傳感 器10'，其中第三光纖70可位於管道中並連接到光纖溫度傳感器頭
100'。光纖70可以是與接收光纖30並排或鄰近布置並連接到參考檢 測器單元72的參考光纖，參考檢測器單元72如光度計可以是與檢測 器單元32同一類型的光度計。如本說明書別處進一步描述的，參考 光纖70使能對檢測器32進隨時行的光強度測量進行持續重新校準。
圖6示出了參考光纖70在傳感器頭100'中的安排，其中參考光 纖70布置在接收光纖30的旁邊。參考光纖70可被布置成使得無論 溫度如何，溫度敏感元件50均不幹涉參考光纖70接收的光。使用參 考光纖70的方案使光-溫度轉換變換器能通過持續重新校準連接到光 纖30的光度計32隨時進行的光強度測量而校正，其通過考慮由於光 度計老化、環境溫度變化、連接到光纖20和30的電子電路的溫度變 化引起的光靈敏度漂移和/或由於光纖老化和/或光發射器老化引起的 光強度漂移進行，因為這些漂移由參考光纖70捕獲。
圖7為在此所述的系統的傳感器頭的另一實施例200的示意性圖 示，其中從傳送光纖220發射的光由接收光纖230直接接收，而沒有 反射鏡介於其間。兩根光纖220、 230中的每一根可使它們的端部之 一跨小間隙254相互面對。如本說明書別處進一步描述的，光纖220 可被連接到光源222，及光纖230可將所接收的光傳給檢測器232和 /或發光強度分析器單元以按本說明書別處進一步所述那樣進行發光 強度和溫度分析。檢測器232可以是將光強度變換為電流及將電轉換 為溫度的簡單光度計。在這種情況下，如本說明書別處所闡釋，光強 度變化和溫度變化之間的關係近似為線性。光纖220、 230中的至少 一根(例如，如圖所示光纖220)可被適當彎曲以使其端部面對其它 光纖的端部。
溫度敏感元件250，如由具有預定熱膨脹係數的非傳導材料製成 的剛性帶， 一端252固定在固定支撐件260上，並使其其它端部依照 其熱膨脹刺入間隙254。隨著溫度敏感元件250的長度變化，元件250 按照其溫度變化膨脹到間隙254內或從間隙254收縮，這引起元件250的相應增大或減小。例如，溫度敏感元件250可幹涉從光纖220 端部出來的入射光使得溫度增加越多，光纖230接收的光強度減小越 多。因此，所述系統將溫度變化變換為光強度變化。如本說明書別處 進一步所述，將參考光纖組合到該實施例中也是可能的。
圖8為根據在此所述的系統的傳感器頭的另一實施例300的示意 性圖示，其示出了相對於光纖320、 330橫向布置的溫度敏感元件350 掩蔽入射光。如圖8中所示，反射鏡310可包括相對於彼此成90度 布置的兩面312、 314，及溫度敏感元件350相對於光纖320、 330橫 向布置。如本說明書別處進一步所述，將參考光纖組合到該實施例中 也是可能的。
圖9是根據在此所述的系統的傳感器頭的另一實施例400的示意 性圖示，其示出了光纖420、 430、 470和溫度敏感元件450的另一構 型。溫度敏感元件450成切線地鄰接在反射鏡410的反射鏡面414上， 如本說明書別處進一步所述，元件450的端部452掩蔽沿光通路402 的光。如圖9的說明性實施例所示，光纖470是布置在光傳送光纖 420和光接收光纖430之間的參考光纖，參考光纖用於接收未因溫度 敏感元件450響應於溫度變化的移動阻礙的光。該方案對於遭受機械 振動的環境有利，因為溫度敏感元件450上的懸臂效應被最小化。
使用90度兩面反射鏡410的另一令人感興趣的特徵(其在圖9 上很明顯)在於，如果光纖420的端部為圓形，則沿反射鏡410的表 面412和表面414之間的通路402反射的光的截面將為橢圓形。通過 適當地限制反射鏡面412的尺寸，沿光通路402反射的光部分可被截 為正方形或矩形，使得因溫度敏感元件450的伸長或回縮引起的光變 化相較橢圓截面為更有利的線性變化。
根據在此所述的系統，也可使用其它傳感器頭構型。
圖10A和10B為具有備選構型的傳感器頭500的示意圖，其中 接收器530相對於傳送器520定向以在根據在此所述的系統的另一實 施例從平面反射鏡540反射時接收從傳送器520發射的光。在圖10A 中，傳感器頭500從一個角度示出，及在圖10B中，傳感器頭500從與圖10A中所示垂直的角度示出。平面反射鏡540可以為不包含
角的單一元件。傳送器520按會聚定向相對於接收器530定向，使得 從傳送器520發射的光從反射鏡540反射一次且所反射的光由接收器 530接收。如本說明書別處進一步所述，溫度敏感元件550布置成阻 礙或幹涉由接收器530接收的光的至少一部分。溫度敏感元件550被 示為位於反射鏡540和接收器530之間，然而，在其它實施例中，溫 度敏感元件550可位於傳送器520和反射鏡540之間和/或傳送器520 和接收器530之間和/或在此所述的構型的任何組合。在另一實施例 中，傳送器520和接收器530可相互鄰近定位，如彼此接觸，這將減 小會聚角。
圖IIA和IIB為根據在此所述的系統的另一實施例的、具有曲 面反射鏡640的傳感器頭600的示意圖。在圖IIA中，傳感器頭600 從一個角度示出，及在圖11B中，傳感器頭600從與圖IIA中所示 垂直的角度示出。傳送器620可平行於接收器630定位。從傳送器 620發射的光從曲面反射鏡640反射到接收器630。如圖所示，曲面 反射鏡640可具有相對於傳送器620和接收器630凹的形狀。反射鏡 640的其它變形也是可能的。如本說明書別處進一步所述，溫度敏感 元件650布置成阻礙或幹涉由接收器630接收的光的至少一部分。溫 度敏感元件650被示為位於反射鏡640和接收器630之間，然而，在 其它實施例中，溫度敏感元件650可位於傳送器620和反射鏡640之 間禾卩/或傳送器620和接收器630之間和/或在此所述的構型的任何組 合。
在其它實施例中， 一個或多個光變形透鏡可位於傳送器620和/ 或接收器630中的任一與曲面反射鏡640之間以改變反射鏡640的入 射光幾何形狀和/或接收器630所接收的反射光的幾何形狀，該透鏡 與溫度敏感元件650結合使用。例如，透鏡可將圓形入射光形狀變換 為具有細長几何形狀的光形狀，如平面矩形。這樣，接收器所接收的 光量可根據溫度敏感元件650的移動及由透鏡引起的變換後的光束 形狀進行變化。
17圖12為具有如本說明書別處進一步所述的類似構件的光學溫度 傳感器10'的示意性圖示，且另外示出了可包括溫度計算元件的發光 強度分析器80，溫度計算元件可將發光強度變化變換為溫度敏感元
件50的溫度變化。發光強度分析器80可包括模數轉換電路和/或適 當的計算電路(如傳統處理裝置如PC)和/或輸出電路(如顯示器或
適於輸出表示溫度變化的數字或模擬信號的電路)。
發光強度分析器80可以是獨立儀表和/或連接到檢測器32和/或 光源22的其它分析器單元，其分析從光源22傳送的光與檢測器32 接收的光之間的差並基於光強度變化確定溫度敏感元件50 (因而及 光學溫度傳感器附著在其上或與其連接的物體)的溫度變化。或者， 發光強度分析器80可形成檢測器32的一部分，例如作為其中的處理 器組件。發光強度分析器80可結合在此所述的任何傳感器使用。
在不同實施例中，傳感器均可使用非金屬或非導電零件製造以使 能在具有電或電磁場的環境中運行。例如，非導電光纖材料可用於傳 送器和接收器，具有已知熱膨脹係數的非導電材料可用於溫度敏感元 件，如本說明書進一步所述，用於其它組件的多種陶瓷材料可根據具 體應用情況進行選擇。例如，材料可選擇成適於低溫運行、室溫運行 和/或高溫運行或選擇為適於變化溫度範圍的適當材料。具體地，例 如，包含傳送器和接收器的不透明管道可由商用陶瓷組成，傳感器頭 的外殼可由商用陶瓷組成。在這裡的實施例中，陶瓷材料可以是紐約 Corning的Corning Incorporated提供的Macor⑧可加工玻璃陶瓷，盡 管任何其它適當的材料如其它可加工玻璃陶瓷材料也可使用。
在不同實施例中，在此所述的利用所述的簡單光掩蔽原理的系統 的實際運行可包括多種材料和構型設計選擇，包括考慮如下進一步 所述，選擇非導電但導熱的材料、總尺寸最小化、表面粗糙(抗振動 最大化)、及將使用的光強度分析設備和溫度計算設備的簡單性和低 成本。
構成溫度敏感元件的材料可以是非導電但剛性的材料，且具有足 夠高的熱膨脹係數以使溫度敏感元件的長度能隨溫度充分變化。在實
18施例中，適當的材料可以是玻璃微纖維增強的Teflon⑧，如來自Rogers Corporation的RT/duroid 5880 PTFE層壓材料，其在至少一方向具 有18.7mm/m的熱膨脹係數。應注意，材料在不同方向如長度、寬度、 深度方向可具有不同的熱膨脹係數，及在此所述的系統可使用由針對 一個或多個方向的熱膨脹性質選擇的材料製成的溫度敏感元件進行 設計。
包含在此所述的系統的傳感器頭可被氣密密封以免受灰塵、光和 蒸汽，並由使溫度敏感元件的溫度能快速採用將要測量的溫度的非導 電材料製成。在實施例中，適當的材料已被發現為來自Rogers Corporation的FR4。
整個傳感器的尺寸規格可被最小化。在實施例中，例如參考傳感 器10'，光纖20、 30、 70可具有約420微米(不包括外部不透明覆層) 的直徑，反射鏡110的每一表面112、 114可具有高度為約920微米、 厚度為約500微米及長度為約4mm的尺寸規格，具有從Unaxis Optics 獲得的、對800-870納米的波長範圍能實現98%的45度角反射的介 質反射塗層。溫度敏感元件50可以是具有約2cm長度的帶，用於測 量高於約-4(TC但低於約20(TC的溫度，其寬度約為250微米及其厚度 約為750微米。光源22可以是能夠提供在此所述的功能的適當光源， 包括LED和雷射二極體等，如從英國Dialight PLC獲得的發光二極 管。在此所述的系統的運行性能使能以士2。C的精度測量從-4(TC到 20(TC的溫度，該溫度對應於因溫度敏感元件的約300微米的位移引 起的光強度變化。所得到的傳感器頭100具有約3cmX lcmX2mm的
圖13為根據在此所述的系統的實施例，連接到光學溫度傳感器 10的傳感器頭100的電子裝置700的示意性電路圖。傳感器頭100 的設計和組件在本說明書別處描述。如下面詳細所述，電子裝置700 可實質上獨立於傳感器頭100的溫度或溫度變化控制照射在傳感器 頭100內的靶上的光量，例如通過調節照射在靶上的光強度進行。電 子裝置700可經位於管道如上述的管道40中的一對光纖720、 730連接到傳感器頭100。光纖720可以是光傳送光纜，及光纖730可以是
光接收光纜，儘管也可使用任何其它適當的光傳送器和/或光接收器。
發光源722提供由光纖720傳給傳感器頭100的光。如本說明書進一 步所述，發光源驅動器710可連接到發光源722並通過低通濾波器使 用反饋環路控制從光源722發射的光。光纖730將所接收的光從傳感 器頭100傳給測量單元，如測量光電池732。
如圖13中所示，測量光電池732的輸出連接到放大器740，放 大器用作其電壓信號輸入的高阻抗緩衝器。如本說明書進一步所述， 放大器740的輸出分別連接到帶通濾波器742和低通濾波器750。帶 通濾波器742可配置成消除不感興趣的信號，例如低頻範圍的電壓漂 移和與溫度變化無關的高頻信號。應當理解，在適當時也可使用其它 濾波器及其組合，包括低通濾波器和高通濾波器。帶通濾波器742的 輸出連接到從電子裝置700提供輸出信號的輸出轉換器744。如本說 明書別處進一步所述，輸出轉換器744可包括分析信號以確定作為測 量對象的物體的溫度變化和/或其它測量特徵的分析器。來自輸出轉 換器744的輸出信號可傳給顯示器以顯示物體溫度變化的測量。或 者，輸出轉換器744的輸出可傳給處理器、分析器和/或使用輸出信 號的其它系統。
在系統的反饋環路中，低通濾波器750的輸出可連接到放大器 752，該放大器用作其電壓信號輸入的高阻抗緩衝器。低通濾波器750 可用於獲得均值信號，該均值信號用作用於反饋給發光源驅動器710 的參考信號。由參考信號振蕩引起的移動效應通過對輸入信號應用低 通濾波器750而減弱。來自放大器752的輸出可連接為差分放大器 756的輸入。差分放大器756的另一輸入可以為放大器754的輸出， 放大器754具有連接到參考電壓712的輸入。放大器754可用作其電 壓信號輸入的高阻抗緩衝器。差分放大器756輸出其信號輸入之間的 差。來自差分放大器756的輸出可連接到發光源驅動器710以控制從 發光源722發射的光的強度。
20在此所述的系統可因光纖切割失配或差、光電池靈敏度、光纖衰 減等進行校準。除了校準之外，反饋也可補償因老化或操作引起的光 纖特性、發光源、光電池等的變化。
圖14為根據在此所述的系統的另一實施例，連接到光學溫度傳 感器10'的傳感器頭100'的電子裝置800的示意性電路圖。傳感器頭
100'的設計和組件在本說明書別處描述。如圖所示，傳感器頭100'可 經參考光纖870、光傳送光纖820和光接收光纖830電連接到電子裝 置800。如下面詳細所述，電子裝置800可實質上獨立於傳感器頭100' 的溫度變化控制照射在傳感器頭100'內的靶上的光量。傳感器頭100' 與上面結合電子裝置700所述的傳感器頭100類似，但增加了參考光 纖870，可能還有在此注意的其它區別。如本說明書別處進一步所述， 參考光纖870可位於傳感器頭100'中以接收從光傳送光纖820和/或 一些其它光源發射的光，其中來自參考光纖870的光量完全獨立於傳 感器頭100'內的溫度變化。
發光源822提供由光纖820傳給傳感器頭100'的光。如本說明書 進一步所述，發光源驅動器810可連接到發光源822並使用參考信號 控制從光源822發射的光。光纖830將所接收的光從傳感器頭100' 傳給測量單元，如測量光電池832。光纖870將所接收的光從傳感器 頭100'傳給參考單元，如參考光電池850。應注意，可使用任何適當 的光傳送器和/或光接收器替代光纖820、 830、 870。
參考光電池850的輸出連接到放大器852，放大器用作其電壓信 號輸入的高阻抗緩衝器。放大器852的輸出可連接到差分放大器856 的輸入。差分放大器856的另一輸入可以為放大器854的輸出，其中 放大器854具有參考電壓輸入812。放大器854可用作其電壓信號輸 入的高阻抗緩衝器。差分放大器856輸出其信號輸入之間的差。差分 放大器856的輸出可連接到發光源驅動器810，該驅動器使用來自差 分放大器856的輸出信號控制從發光源822發射的光的強度。其它已 知電路也可與在此所述的系統一起使用，例如，在另一實施例(未示 出)中，參考光電池850的輸出可連接到低通濾波器，該低通濾波器用於獲得參考信號的均值從而減弱不合乎需要的高頻信號對參考信 號的影響。
如圖14中所示，測量光電池832的輸出連接到放大器840，放 大器用作其電壓信號輸入的高阻抗緩衝器。放大器840的輸出連接到
低通濾波器842。低通濾波器842可配置成消除不感興趣的信號，例 如與溫度變化無關的非常高頻率的信號。應當理解，在適當時也可使 用其它濾波器及其組合，包括帶通濾波器和高通濾波器。低通濾波器 842的輸出連接到從電子裝置800提供輸出信號的輸出轉換器844。 如本說明書別處進一步所述，輸出轉換器844可包括分析信號以確定 作為測量對象的物體的測量特徵的分析器。來自輸出轉換器844的輸 出信號可傳給顯示器以顯示溫度。或者，輸出轉換器844的輸出可傳 給處理器、分析器和/或使用輸出信號的其它系統。
應注意，上述電子裝置700、 800中的每一個均可組合在本說明 書別處所述的光源22、檢測器32、參考檢測器72和/或發光強度分 析器80。另外，在不同實施例中，為製造在此所述的系統選擇的材 料可具有為減少可能導致測量誤差的變形而特別選擇的機械性質。例 如，所選製造材料可具有高壓縮強度、高彎曲強度、高連續服務溫度、 及高介質常數，以及本說明書別處所述的其它性質。如本說明書別處 進一步所述，參考光纖也可與上述任何傳感器類型一起使用。此外， 在此所述的電子裝置700、 800可與上述任何傳感器類型結合使用。
圖15、 16和17為根據在此所述系統的另一實施例的用於測量溫 度的一體式小型傳感器900不同方向的示意圖。小型傳感器900可包 括與本說明書別處所述的傳送器20和接收器30類似的傳送器920和 接收器930、與本說明書別處所述的溫度敏感元件50類似的溫度敏 感元件950、與本說明書別處所述的電子裝置700類似的用於分析所 接收信號的電子裝置980、及其它組件。如說明性實施例中所示，上 面提及的組件可全部組合到傳感器900的單一外殼904內。電子裝置 980可組合在傳感器900內的印刷電路板上並與電磁輻射隔離。來自 傳送器920的光可由光集中器922集中和/或接收器930接收的光可由光集中器932集中。光傳送器920和光接收器930可完全包含在外
殼904內。應注意，所示方案提供可不需要光纖的優點；然而，在所
示實施例中，光纖可用於光傳送器920和光接收器930中的一個或多 個。來自傳送器920的光入射在反射鏡940上並被反射到接收器930， 如本說明書別處進一步所述，光的一部分因溫度敏感元件950響應於 溫度變化而被掩蔽或幹涉。如本說明書別處進一步所述，電子裝置 980可分析所得到的光強度變化。
光傳送器920、光集中器922、光接收器930和光集中器932可 被附著到外殼904上或由結構支撐件905支撐。溫度敏感元件950可 附著到外殼904上或由結構支撐件915支撐。傳感器900被示為具有 連接接口 902以將傳感器數字連接到從傳感器900接收輸出信號的計 算機、計算機網絡或其它裝置，這些裝置可包括顯示結果的顯示器。 還應注意， 一根或多根參考光纖可組合到所示實施例中，在這種情況 下，電子裝置980的電路的至少一部分可與在此所述的電子裝置800 類似。
對於本領域技術人員而言，通過考慮在此公開的本發明的說明書 或實施可顯而易見地獲知本發明的其它實施方式。說明書及例子應僅 視為示例的性質，本發明的真實範圍和精神由下述權利要求指明。
權利要求
1、溫度傳感器，包括發射光的傳送器；布置成接收從所述傳送器發射的光的第一接收器；及位於傳送器和第一接收器之間的光通路中的溫度敏感元件，溫度敏感元件可變地掩蔽傳送器所發射光的至少一部分，其中由溫度敏感元件可變掩蔽的光部分隨溫度敏感元件的溫度變化而變化。
2、 根據權利要求1的溫度傳感器，其中傳送器和接收器是光纖。
3、 根據權利要求l的溫度傳感器，其中溫度敏感元件是不導電元件。
4、 根據權利要求1的溫度傳感器，其中溫度敏感元件具有隨所述溫度變化成比例改變的幾何形狀。
5、 根據權利要求1的溫度傳感器，還包括連接到第一接收器的第一檢測器，該檢測器分析第一接收器所接收的光的光強度並基於光強度變化確定溫度敏感元件的溫度變化。
6、 根據權利要求1的溫度傳感器，還包括布置在第一接收器旁邊的第二接收器，其中第二接收器接收來自傳送器的光的未掩蔽部分，及其中由第二接收器接收的未掩蔽光部分與溫度敏感元件的溫度變化完全無關。
7、 根據權利要求6的溫度傳感器，還包括連接到第二接收器的、用於校準所述傳感器的第二檢測器。
8、 根據權利要求7的溫度傳感器，其中第二檢測器使能在由至少下述之一引起的漂移方面校準傳感器傳感器老化、室溫變化、及傳送器或第一接收器的光傳導率變化。
9、 根據權利要求1的溫度傳感器，其中傳送器直接面向第一接收器，及其中傳送器和接收器之間的光通路是傳送器和第一接收器之間的間隙。
10、 根據權利要求1的溫度傳感器，還包括布置成將從傳送器接收的入射光反射到第一接收器的靶。
11、 根據權利要求10的溫度傳感器，其中耙包括具有第一面和第二面的兩面反射鏡，其中第一面和第二面相對於彼此成大約90度角布置，第一面從傳送器接收大約為45度的第一入射角的入射光並將該入射光以大約45度的第二入射角反射到第二面上，第二面將從第一面接收的入射光反射到第一接收器。
12、 根據權利要求10的溫度傳感器，其中耙至少包括下述之一:曲面反射鏡和平面反射鏡，其中當耙是平面反射鏡時，傳送器相對於第一接收器成角。
13、 根據權利要求1的溫度傳感器，還包括連接到傳送器和第一接收器的電子裝置，該電子裝置包括基於反饋環路並使用參考信號控制從傳送器發射的光的強度的驅動器，及其中該電子裝置包括至少一分析第一接收器接收的光的強度變化並輸出至少一信號的發光強度分析器。
14、 感測溫度的方法，包括提供發射光的傳送器；提供接收從傳送器發射的光的第一接收器；及使從傳送器發射的光的至少一部分在光由第一接收器接收之前被可變地掩蔽，其中可變掩蔽的光部分根據溫度變化而變化。
15、 根據權利要求14的方法，還包括使用參考信號根據反饋環路控制從傳送器發射的光的強度。
16、 根據權利要求15的方法，還包括使參考信號由第二接收器接收，其中參考信號與所述溫度變化完全無關。
17、 根據權利要求14的方法，還包括分析由第一接收器接收的光並確定溫度變化。
18、 根據權利要求14的方法，還包括提供從傳送器接收入射光並將該光反射到第一接收器的革巴。
19、 溫度傳感器，包括發射光的傳送光纖；反射從傳送光纖接收的入射光的反射鏡； 布置成接收從反射鏡反射的光的接收光纖；及位於傳送光纖和第一接收光纖之間的光通路中的溫度敏感元件， 該溫度敏感元件可變地掩蔽從傳送光纖發射的光的至少一部分，其中 由溫度敏感元件可變掩蔽的光部分隨溫度敏感元件的溫度變化而變 化。
20、 根據權利要求19的溫度傳感器，其中反射鏡包括具有第一 面和第二面的兩面反射鏡，其中第一面和第二面相對於彼此成大約90度角布置，第一面從傳送光纖接收大約為45度的第一入射角的入 射光並將該入射光以大約45度的第二入射角反射到第二面上，第二 面將從第一面接收的入射光反射到第一接收光纖。
21、 根據權利要求20的溫度傳感器，其中反射鏡至少包括下述 之一單一平面反射鏡和曲面反射鏡。
22、 根據權利要求19的溫度傳感器，還包括 從傳送光纖接收未掩蔽光部分的參考光纖，其中由參考光纖接收的未掩蔽光部分與溫度敏感元件的溫度變化完全無關。
23、 感測溫度的方法，包括 提供發射光的傳送光纖； 提供反射從傳送光纖接收的光的反射鏡； 提供接收從反射鏡反射的光的接收光纖；及 使從傳送光纖發射的光的至少一部分在光由第一接收光纖接收之前被可變地掩蔽，其中可變掩蔽的光部分根據溫度變化而變化。
24、 根據權利要求23的方法，還包括提供從傳送光纖接收未掩蔽光部分的參考光纖，其中由參考光纖 接收的未掩蔽光部分與溫度敏感元件的溫度變化完全無關。
25、 溫度傳感器，包括 夕卜殼；位於外殼上的連接接口； 位於外殼中的、發射光的傳送器；位於外殼中的、接收從傳送器發射的光的接收器； 位於傳送器和第一接收器之間的光通路中的溫度敏感元件可，該 溫度敏感元件可變地掩蔽傳送器所發射的光的至少一部分，其中由溫 度敏感元件可變掩蔽的光部分根據溫度敏感元件的溫度變化而變化； 及位於外殼中的、連接到接收器並連接到連接接口的電子裝置，其 中電子裝置檢測在接收器處接收的光、分析接收器處接收的光、及基 於光強度變化輸出指明溫度的信號。
全文摘要
本發明溫度傳感器能夠在電磁和/或電氣環境如發電機、電動機及變壓器中運行和/或能夠在振動情況頻繁或持續的環境中運行，其包含至少一光發射光纖、一光接收光纖及隨溫度變化可變地掩蔽所發射的光的非導電可膨脹物體。光接收光纖將光強度及光強度變化傳給包括光度計和光-溫度計算設備的電子裝置。
文檔編號G01K5/00GK101636646SQ200780047376
公開日2010年1月27日 申請日期2007年12月19日 優先權日2006年12月19日
發明者瓊·普羅諾沃斯特, 馬蒂厄·克盧捷, 馬裡厄斯·克盧捷 申請人:維保監測系統公司