CN1019999C - 温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的温度传感器，它有一个内含有液晶的保护帽，在保护帽内至少终接有一根光波导。辐射到液晶内的光线的反射是与温度有关的。因此可用来测量温度，测量精度为±0.1℃。

Description

本发明涉及一种温度传感器，它包括一个液晶形式的温敏元件和至少一根光波导。

长期以来，液晶已用于温度测量技术。液晶有这样的特性，其螺旋分子取向也即螺旋节距是随温度变化的。通常。温度升高时节距变小。如果节距调整得在特定的低温界限上红光被全部反射。则液晶呈现出红色。温度升高时。反射光改变其颜色。经黄色、绿色变到蓝色（参考Bacci等人的《应用光学》25，第1079-1082页（1986年），Smith等人的《应用物理》24。第453～454页（1974年））。

在温度测量技术中早期使用的液晶。其缺点在于。反射光的颜色因而所测温度。是直观地估计出的、所以测量精度不够高。

本发明目的是要找出一种采用液晶的温度传感器。它具有高的测量精度。

已经发现。采用由液晶和至少一根光波导组成的温度传感器。可以达到上述目的。

因此，本发明涉及一种温度传感器。它包括一个保护帽。帽内含有螺旋分子取向的螺旋性向列型液晶。并至少终接一根光波导。

按照本发明。温度传感器。由内含有温敏元件并至少终接一根光波导的保护帽组成。

通常，保护帽为圆柱管形状。管的一个端面是开口的。另一个端面是封口的。保护帽尺寸取决于温敏元件的大小和单根或多根光波导的直径。帽的壁厚在圆周壁处是0.1至5毫米。最好为0.1至1毫米。在端口端面处是0.1至5毫米。最好为0.1至1毫米。最好由导热良好的材料例如金属制成。而最好用铝制成。然而。如果帽的壁厚足够薄。则塑料或陶瓷也适用作保护帽材料。适用的塑料例如有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯对酞酸盐、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯或多聚物粘胶等。

适用的陶瓷材料例如有氮化铝或碳化硅等。

温敏元件是具有螺旋分子取向的螺旋性向列型液晶。所述的螺旋性向列型液晶特别适用。因为它们比也用于温度测量的胆甾醇型液晶（即以胆甾醇化合物为基础的液晶）在化学性能和光化学性能上要稳定得多。

液晶可以是微封装的或不封装的。

液晶最好置于微囊内。微囊用蜡克或溶于水的聚合物例如聚乙烯醇灌封。也可以采用不封装的液晶。但是，它较易于被外界因素（例如紫外光）破坏。且较不容易处置。在保护帽内。液晶作为一个夹层处于帽的封口端壁内侧与光波导端面之间。其厚度为0.005至0.3毫米，最好为0.01至0.05毫米。

蜡克层最好采用无溶剂或溶剂的配方。因为溶剂会改变或破坏液晶的螺旋结构。为了改进通路惰性。可在蜡克中加入白色颜料。

保护帽内。在温敏元件朝向开口端面的一侧。至少终接一根光波导。这可以是单根光波导。也可以是束成一群的多根光波导。光波导的成束最好是将它们套入一个聚合物冷缩管套来实现。

光波导由一条芯线和一个包层组成。包层材料要比芯线材料的反射率略低些。芯线和包层可用玻璃（最好是石英玻璃）或塑料制成。

推荐的组合是玻璃芯线、塑料包层，或者塑料芯线、塑料包层。而塑料芯线、塑料包层为更好。

适用于芯线的塑料例如有聚甲烯丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、多氟丙烯酸盐或多氟丙烯酸酯。

适用于包层的塑料例如有多氟丙烯酸盐或多氟丙烯酸酯。这些可以是亚乙烯氟和四氟乙烯的共聚 物。

光波导的直径是0.05至3毫米，最好是0.5至1.0毫米。

通常，光波导的抛光端面与液晶的表面相接触。然而，有时也可以或需要在光波导与液晶之间留出一个间隙。其厚度为光波导的直径二倍至七倍。

按照本发明。温度传感器可用多种方法制造出来。

一种方法是将封装在含水聚合物溶液里的液晶囊贴敷到光波导的抛光端面上。经精选后，将内侧涂黑的保护帽推套至光波导上。再用例如环氧树脂粘合剂那样合适的封装化合物将光波导粘进保护帽内。也可以将液晶淀积到保护帽封口端面的内壁上。

最好，将液晶用蜡克灌封成微囊形式。蜡克的组成上面已叙述。此蜡光层可以贴敷到光波导端面上，也可以贴敷到保护帽封口端的内壁上。

从测量光源上可能发出有紫外光。为了防止它进入液晶。可以设置一个紫外光吸收滤光片。这种紫外光吸收滤光片可方便地放置在光源与光波导之间。

按照本发明测量温度时，借助于光波导将温度传感器连接到测量仪器上，测量仪器内包含有一个光源（光发射器）、一个光检测器、一个计值装置和一个指示装置。在温度传感器和测量仪器之间可方便地设置一种耦合。在测量仪器的内部和外部使光波导分支开。以便将温度传感器连接到光源和光检测器两者上。这个分支也可设置在温度传感器内。此时光波导作为多路波导进入测量仪器。

由光源发出的白光被液晶层反射。通过分支传导到光检测器。安装在光检测器前面的滤光片保证只有某些波长的光强被测出。并可以将例如一种波长的光强作为基准。

产生出一个与温度无关的基准的其它可能例子有：

（a）利用光纤前端面上反射回来的光强（弗雷斯内尔Fresnel反射）：

（b）利用液晶透明保护蜡克层上的弗雷斯内尔反射;

（c）利用液晶层前方非黑色基底上的反射。

对于不要求有良好通路惰性和长期稳定性的简单的温度测量。可以选择例如具有合适发射波长的发光二极管来代替白色光源。

偏助于按照本发明的温度传感器。在温度测量上具有以下优点：

简单，因而价廉;

有高的测量精度（±0.1℃），没有温度滞后现象;

由于采用非常少量的液晶和合适的传感器结构，使测量有高的灵敏度和短的响应时间;

有很小和紧密的传感触点，因而可进行点测量;

在应用上述液晶温度指示器的情况下，测量位置不必是可见的;测量和指示的位置在空间上可以分开;

电子计值法还可以对可见光谱范围之外的反射光成分进行计值。因此，可测量的温度范围能向上扩展到更短的波长，向下扩展到更长的波长;

与荧光化合物的温度传感器不同，采用本发明的传感器时测量光服从物理的反射定律，并以高的效率返回到测量光纤的计值单元;

传感器对电磁场、静电场和静磁场不敏感;

由于液晶的光照和测量光的反射是经由光波导以一定的方式发生的，所以象目视观察非封装的液晶时由于视角倾斜而会发生的那种测量误差，在这里是不可能出现的;借助于数值孔径可控制彩色的光谱纯度;

也可以通过光波导来评估可见的彩色。

通过合适地选择液晶混合物，可以在宽的界限内选定可测量的温度范围，以满足测量要求。

按照本发明的温度传感器，其应用例子有：

医学方面的温度测量，例如肿瘤的微波治疗、皮肤表面的温度测量和层析X射线图示检查等;

易***环境中的温度测量;

工业生产用或家用的微波加热装置方面的温度测量。

附图示出按照本发明的温度传感器可能的实施例。其中：

“1”表示保护帽。

“2”表示温敏元件。

“3”表示光波导。

“4”表示封填物。

“5”表示冷缩管套。

图1示出仅仅包含单根光波导的一种温度传感器。在保护帽（1）封口端面的内侧是液晶（2）。光波导（3）尽管推入保护帽（1）内，以使其端面与液晶（2）相接触。封填物（4）防止液晶（2）受大气环境因素的影响。

图2的温度传感器包含两根光波导（3），它们终接在液晶（2）的前间隔开一个。约等于光波导直径三倍的距离，并由冷缩管套（5）夹持在一起。

图3示出使用一整束光波导（3）的情况。除成束外。该图中的温度传感器结构在其他方面是与图1中的传感器一样的。

图4中的温度传感器与图2中的传感器有相同的结构。不同之处在于用多束光波导代替了两根光波导（3）。

例1

微封装的液晶灌封在蜡克中。蜡克直接贴敷到聚合物光波导（直径1毫米）的端面上。由液晶确定的可测量温度范围是25℃至45℃。经蜡克处理后。敏感的传感器顶端用一个保护帽保护。保护帽由涂黑的聚四氟乙烯制成。保护帽的封口只有0.1毫米厚。以使其与测量对象有良好的热接触。传感器连接到一个测量仪器上。由灯光发出的白光经由光波导传送到液晶层。在特定波长上选择性地反射的光是光纤顶端温度的一个量度。反射光通过Y型接头传导到一个前面有滤光片的检测器上。可测量出630纳米和800纳米的光强。630纳米的光强极大地依赖于温度。而800纳米的光强是与温度无关的。可作为光波导传输（通路惰性）中光源变异或改变时的基准信号。比值I（630纳米）/I（800纳米）是仅仅取决于温度的测得量，它可直接校准成温度刻度。

例2

两根石英玻璃多模光波导（每根直径125微米）由一个塑料冷缩管套挤一端夹持在一起。它们连接到测量仪器内的光源和光检测器上。经过热压冷缩后。管套牢靠地将光波导封包起来。把一个涂有黑蜡克的、内侧淀积有薄的非封装液晶层的铝帽。推压到两根光波导的组合端上。液晶层与两光纤端向间有300微米的间隙。以保证反射光很好地投射到通往光检测器的光波导内。为了保护液晶层免受紫外光照射。必须用一个位于液晶前面的滤光片来除去灯光中发出的紫外线。液晶在-10℃至+10℃范围内是敏感的。用这种传感器可达到的测量精度是±0.1℃。由于铝帽具有良好的导热性和轻的质量。所以传感器的响应时间短。为1至2秒。

例3

选定类似于例2的结构，但采用两根500微米直径的聚合物光波导和一个微封装的液晶层。为了改进通路惰性在包含有液晶的蜡克混合物内加入白色颜料，它能产生出小量的附加反射光。这不与温度有关，可将它用作基准值，以改进温度传感器的长期稳定性。

Claims (5)

1、一种具有至少±0.1℃的测量精度的温度传感器，它包括含有螺旋分子取向的螺旋性向列型液晶的保护帽，所述液晶被微封装于蜡克层内，在保护帽内至少端接一根光波导，该光波导为可连接的，用以对含有一光源、光检测器和计算及指示装置的仪器进行测量。

2、根据权利要求1中提出的温度传感器，其中，保护帽为圆柱管形式，它的一个端面是开口的，另一个端面是封口的。

3、根据权利要求1中提出的温度传感器，其中，保护帽由金属聚合物或陶瓷制成。

4、根据权利要求1中提出的温度传感器，其中，液晶置于保护帽封口端的内侧。

5、根据权利要求1中提出的温度传感器，其中，光波导终接在保护帽开口端面内的液晶一侧。

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