CN113739951A - 集成式活性光纤温度测量设备 - Google Patents
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Abstract
公开了集成式活性光纤温度测量设备的示例。该集成式温度测量设备包括集成在单个设备中的光纤探头和光电电路，然后该单个设备被单独地校准。该光纤探头具有光纤束，在该探头的尖端处带有活性材料。光电电路连接到光纤探头。该光电电路包括：被配置为向活性材料提供激发光的光源；用于检测发射光的检测器；被配置为根据单个波长范围下的发射强度的变化或两个或更多个波长范围的强度比的变化、寿命衰减或发射光的发射波长峰值的偏移来确定温度的处理单元；以及被配置为对集成式活性光纤温度传感器进行校准的校准装置。
Description
技术领域
本公开总体上涉及一种光纤温度测量设备，并且更具体地，涉及一种集成式活性光纤温度测量设备，其中光纤探头与光电器件集成在单个紧凑的组件中。
背景技术
除非本文另外指出，否则本节中描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且不会由于包含在本节中而被承认为现有技术。
诸如荧光粉(磷光体，phosphor)温度计之类的光纤温度传感器，是一种利用从荧光粉发射的冷光来确定物体温度的设备。通常，热成像荧光粉在被某一波长范围内的光激发时，会发射不同波长范围内的光。发射光的某些特性随着温度而变化，该特性包括亮度、颜色和余辉持续时间。发射光对温度的响应是通过各种方法监测的，诸如分析单个波长范围下的发射强度的变化或两个或更多个波长范围的强度比的变化、寿命衰减或者发射波长峰值的偏移。用于测量物体温度的荧光粉要么直接涂在表面上，要么放在探头内并与表面接触，然后用光源照射该荧光粉，并根据发射光的响应来确定物体的温度。
现有技术中已知的标准光纤温度测量***包括光纤探头(在其尖端处带有活性材料)，该光纤探头可经由光纤连接器连接到光电器件外壳。光纤连接器可以位于光电器件侧或光纤探头侧，或同时位于光电器件侧和光纤探头侧两者，并使得探头能够与光电器件分离。由于光电电路的尺寸，在已知的光纤温度测量***中，将探头和光电器件分离的能力对于维护和安装目的来说是必要的，因为这种***需要自由空间光分路器，该自由空间光分路器增加了光电器件外壳的尺寸。自由空间光分路器通常包括3个准直透镜和一冷镜，以形成用于指向活性材料的激发光和从活性材料返回的发射光的光路。因此，在典型的光纤温度传感器中，光纤探头和光电器件是可互换的，这意味着如果探头失准，用户可以移除该探头并连接新的探头，反之亦然，如果光电器件需要维护或更换，用户可以通过连接新的光电器件外壳来替换它。然而，光纤温度测量***的这种可互换的配置(非集成式配置)往往提供失准的测量。用可互换的光纤温度传感器实现的精度的当前状态为约+/-0.5℃。已知的可互换的光纤温度传感器的失准度是由光电器件转换器失准度、光路衰减的可变性和活性传感材料的光子响应的固有可变性所引起的失准度的组合。在光学领域，活性材料可重复性是固有的问题。活性材料是具有导致不可重复的温度/衰减依赖性的可变化学计量的复杂陶瓷。因此，在光纤温度计行业中，一个非常普遍的问题是保持活性材料的批次间的可重复性。这是非常困难的问题，并且通常涉及到根据某些光学特性对传感元件进行分类，以只选择那些满足更窄的、更准确的要求的元件，从而产生了更少的符合要求的可用组件。解决活性材料变化的问题的常见方法是对光纤探头和光电器件进行“配对”，这意味着单个特定的光学传感器被校准在一起以匹配特定的光电电路，然而在这种情况下，只有当使用该特定的一对光纤探头和光电器件进行测量时，才能获得这种精度。这很难实现，尤其是在大量部署且最终用户/客户需要找到正确的匹配对时。此外，当光纤或光电器件发生故障并需要丢弃时，新的(可互换的)光纤探头或电子器件将不符合规格，并且将不会与其他组件匹配。
此外，由光路衰减的可变性引起的激发能量变化也可能引起精度限制。
发明内容
在一方面，提供了一种集成式活性光纤温度测量设备。所提供的集成式活性光纤温度测量设备包括光纤探头和光电电路，该光电电路具有永久地连接到光纤探头的外壳。光纤探头具有光纤束和在功能上耦接到探头的第一端的活性材料。光电电路永久地连接到光纤探头的第二端，并且包括：光源，其与光纤束对准并被配置为向活性材料提供激发光；驱动器，其工作地耦接到光源以触发光源；检测器，其与光纤束对准以检测发射光；以及处理单元，其工作地耦接到光源和检测器，并被配置为基于分析单个波长范围下的发射强度的变化或两个或更多个波长范围下的强度比的变化、寿命衰减或者发射波长峰值的偏移来确定温度。光电电路还包括电源和校准装置，该校准装置耦接到处理单元，并被配置为通过对活性材料的光子行为的任何差异和光电电路中光耦合损耗的可变性进行补偿来对集成式活性光纤温度传感器进行校准，以校正设备的热输入与电输出的关系，从而使集成式设备被单独地校准以实现更高的精度。
在另一方面，光纤束包括：激发光导束，其工作地耦接到光源以将激发光传送到活性材料；以及发射光导束，其工作地耦接到检测器以将发射光传输到检测器。束分路器还可用于将单个光纤束分成激发光导束和发射光导束。
在又一方面，该设备是经由4-20mA电流环路供电的。
在一方面，该活性材料是热成像荧光粉。
在另一方面，该活性材料是整体式(monolithic)陶瓷金属氧化物荧光粉复合材料，其包括热成像荧光粉和金属氧化物材料。
除了上述方面和实施方式之外，通过参考附图和对以下详细描述的研究，另外的方面和实施方式将是显而易见的。
附图说明
在整个附图中，附图标记可以被重复使用以表明所引用的元件之间的对应关系。提供附图是为了说明本文所述的示例实施方式，而无意于限制本公开的范围。附图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制。例如，各种元件和角度的形状未按比例绘制，并且这些元件中的一些元件被任意地放大和放置，以改善附图的可读性。
图1是集成式活性光纤温度测量设备的示例的示意图。
图2是集成式活性光纤温度测量设备的示例的照片，其示出了永久地连接到光电电路外壳的光纤探头。
具体实施方式
图1示出了光纤温度测量设备300的示例，该设备将光纤探头310和光电电路312集成在单个实体中，然后可以单独地对该单个实体进行校准。这样，每个单独的光纤温度测量设备300都要作为生产的一部分经受自定义校准，以实现高测量精度。例如，本发明的光纤温度测量设备可以实现约+/-0.05℃的精度，并且是现有技术的光纤和电子元件可互换的光纤温度测量设备的精度的十倍。
光纤探头310包括光纤束321和带有活性材料的传感器320。该光纤束具有第一端322和第二端323。活性材料位于传感器320的尖端附近。传感器320在功能上耦接到光纤束321的第一端322。光纤束321的第二端323永久地连接到光电电路312。在一个实现方式中，活性材料是热成像荧光粉，其在用激发光照射时，会发射与激发光不同波长的光。例如，激发光可以是波长在200nm-400nm之间的UV光，或者是蓝色至绿色波长范围(例如400nm-600nm)的光。当活性材料被用这种激发光照射时，它将发射600nm-800nm的红色波长范围内的荧光。发射光对温度的响应是通过各种方法进行监测的，诸如分析单个波长范围下的发射强度的变化或两个或更多个波长范围下的强度比的变化、寿命衰减或者发射波长峰值的偏移。
光纤束321被配置为传输激发光和发射光。在一个实施方式中，光纤束可以包括用于将激发光传输到活性材料的激发光导(未示出)和用于传输从活性材料发射的光的发射光导(未示出)。
光纤束321的第二端323永久地连接到光电电路312。外壳313包围光电电路312。外壳313可以由模制塑料或任何其他合适的材料制成，并且可以具有：容纳光电电路312的内腔；端口315(见图2)，光纤束321的第二端323通过该端口连接到光电电路312；以及通信接口317。在一个实施方式中，第二端323被***端口315中，然后永久地粘合在那里。在另一实施方式中，第二端323可以使用粘合剂永久地连接到外壳端口315。如图2所示，通过将光纤束321永久地连接到光电器件外壳313上，提供了光纤探头310和光电器件312的集成式(过塑)设计。
光电器件312包括光源305，该光源工作地耦接到光纤束321的第二端323，以向传感器320中的活性材料提供激发光。还提供了驱动器(未示出)来触发光源。光源可以是激光器或LED，其被配置为在200nm-400nm之间的UV波段内、或在蓝色到绿色波长范围内(例如400nm-600nm)提供激发光。驱动器可以是任何合适的开关设备，其用于切换光源305的打开和关闭。光电器件312还包括被配置为接收从活性材料发射的光的检测器306。在一个实现方式中，检测器306可以是光电二极管。该光电二极管306可以将光信号(发射光)转换成模拟电信号。被光电探测器(例如光电二极管)吸收的光子产生电流。电信号可以使用放大器(未示出)进行增强，然后可以使用A/D转换器(未示出)将模拟电信号数字化。
在一个实现方式中，光源305与光纤束的激发光导对准，使得激发光进入并通过激发光导被传输到活性材料。另一方面，检测器306与发射光导对准，使得从活性材料发射的光被传输到检测器306。在一个实施方式中，光纤束321既可以传输激发光，也可以传输发射光(没有单独的激发光导和发射光导)。可以提供光纤束分路器307以将单个光纤束(如光纤束321)分离成激发光导308和发射光导309，从而允许使用光纤束321的一部分作为向传感器320传送激发光的路径，并使用光纤束321的剩余部分将发射光引导回光电探测器306。光纤束分路器307的集成取代了先前设备中所使用的自由空间光分路器，从而允许光电器件外壳的尺寸小得多。光电器件312和光纤分路器307可以被包括在单个小型印刷电路板上，这产生了整体小型集成式光纤温度测量设备300。
光电器件312还包括处理单元304，该处理单元工作地耦接到光源305和检测器306的驱动器，以便它能够控制光源305的触发时间和/或其强度/波长，并对从检测器306检测到的发射光进行处理。处理单元304对从A/D转换器获得的数字信号进行处理，以确定单个波长范围下的发射强度的变化或两个或更多个波长范围下的强度比的变化、寿命衰减或者发射波长峰值的偏移，其中的每一者都是所测量的温度的函数。例如，检测器306可以具有多个针对不同波长的灵敏度进行调谐的区域，以允许测量在不同波长下的发射强度。带有单个波长范围下的发射强度或两个或更多个波长范围的强度比的变化、寿命衰减或者发射波长峰值的偏移和测量参数值的预定查询表被预先编程到处理单元304中。因此，处理单元304处理数字信号并计算单个波长范围下的发射强度的变化或两个或更多个波长范围的强度比的变化、寿命衰减或者从活性材料发射的光的发射波长峰值的偏移，并且处理单元304使用查询表，根据这种计算值来确定测量的温度值。
光电电路312还包括为设备300供电的电源303。在一个实现方式中，电源303可以是带有发射器的环路电源。例如，电源303可以是4-20mA电流环路。在这种情况下，可以使用4-20mA环路现场布线302将电源303耦接到带电源的4-20mA读出单元301。带电源的4-20mA读出单元301和4-20mA环路现场布线302未被集成在光电电路312中。
光电电路312还包括耦接到处理单元304的校准装置，以对每个单独的设备300进行校准，从而使光纤探头310与光电电路312相匹配。在图1所示的说明性示例中，校准装置被并入处理单元304中。集成式设备300中的每个集成式设备都要作为生产的一部分经受自定义校准。使用常规温度传感器校准中所利用的标准干燥井或水浴(drywell or bath)校准方法对集成式设备进行校准。在期望的温度范围内，例如从50℃到450℃，以预定的设定值(以10℃的增量)记录具有光纤探头310的预定已知活性材料的每个单独传感器320的响应信号(例如，在单个波长范围下的发射强度或两个或更多个波长范围的强度比的变化、寿命衰减或者发射波长峰值的偏移)。传感器320通过***在干燥块校准器中的可追溯参考温度计进行测试。每个设定点处的温度是稳定的，并记录响应信号(例如衰减时间)和参考温度计(例如可追溯的SPRT-次级铂金记录温度计)读数。根据结果生成将响应信号(例如衰减时间)与温度读数相关联的自定义查询表，并上传到处理单元304的非易失性存储器，包括用于可追溯性目的的标识。在测量期间，通过校准点之间的线性(或其他)差值来报告温度读数。通过重复该过程并报告被测设备与参考温度计的任何温度偏差来执行校准的验证。参考设置的不确定性是在校准之前确立的，并记录在校准报告上。
每个单独的集成式光纤温度测量设备300的校准允许将所有先前提到的现有技术设备的失准度最小化到0.05℃，特定于给定的集成式光纤探头传感器(活性材料)/光电器件对的校准曲线实现了高精度并允许在每个单独的传感器上执行校准。
在一个实现方式中，活性材料是整体式陶瓷金属氧化物荧光粉复合材料，其在共同未决的美国专利申请号16/844,880中描述，该申请通过引用并入本文。整体式陶瓷金属氧化物荧光粉复合材料中的荧光粉可以是任何热成像荧光粉。该热成像荧光粉可以选自以下各者：掺锰的Mg4FGeO6:Mn和该类中所有可能的化学计量、掺铕的La2O2S:Eu、掺铕的Y2O3:Eu、掺铕的LuPO4:Eu、掺镝的YVO4:Dy、掺镝的Y2O3:Dy、掺镝的LuPO4:Dy、掺镝的钇铝石榴石YAG:Dy及其任意组合。金属氧化物选自以下各者：二氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)以及其任何组合。
本发明的集成式活性光纤设备将光纤测量探头(其尖端上带有活性材料)与光电电路集成到单个设备中。单个设备300包括驱动电路(带有驱动器的光源)、接收电路、处理单元以及连接到单独传感器的校准数据。
虽然已经示出和描述了本公开的特定元件、实施方式和应用，但应理解，由于本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下进行修改，特别是考虑到前述教导，本公开的范围不限于此。因此，例如在本文公开的任何方法或过程中，构成该方法/过程的行为或操作可以按任何合适的顺序执行，而不必限于任何特定的公开顺序。在各种实施方式中，元件和部件可以以不同的方式配置或布置、组合、和/或消除。以上描述的各种特征和过程可以彼此独立地使用，也可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。在整个本公开中，对“一些实施方式”、“一实施方式”等的引用，是指与实施方式有关的特定特征、结构、步骤、过程或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，在整个本公开中出现的短语“在一些实施方式中”、“在一实施方式中”等，不一定都是指同一个实施方式，而是可以指相同或不同的实施方式中的一个或更多个实施方式。
在适当的地方已经描述了实施方式的各种方面和优点。应理解的是，不一定所有这些方面或优点都可以根据任何特定的实施方式来实现。因此，例如应该认识到，各种实施方式可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式进行，而不一定实现本文可能教导或建议的其他方面或优点。
本文使用的条件性语言，诸如“能”、“能够”、“可以”、“可能”、“例如”等，除非另外特别说明，或另外在所使用的上下文中有其他理解，否则一般旨在表达某些实施方式包括，而其他实施方式不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件性语言一般无意暗示该特征、元件和/或步骤对一个或更多个实施方式是必需的，或者一个或多个实施方式必须包括用于在有或没有操作者输入或提示的情况下决定是否包括这些特征或在任何特定实施方式中执行这些特征、元件和/或步骤的逻辑。没有单个特征或特征组是任何特定的实施方式所要求的或不可缺少的。术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义词，并以开放式的方式包含性地使用，并且不排除附加的元件、特征、行为、操作等。同样，术语“或”是在其包含性意义上(而不是在其排他性意义上)使用的，因此，当用于例如连接元件的列表时，术语“或”是指列表中的一个、一些或所有的元件。
本文描述的实施方式的示例计算、模拟、结果、图表、数值和参数旨在说明而不是限制所公开的实施方式。其他实施方式可以与本文所述的说明性示例不同地进行配置和/或操作。
Claims (13)
1.一种集成式活性光纤温度测量设备，包括：
带有光纤束和传感器的光纤探头，所述光纤束具有第一端和第二端，所述传感器带有活性材料，所述传感器在功能上耦接到所述第一端，使得当用激发光照射所述活性材料时，所述活性材料发射与所述激发光不同波长的发射光，并且所述光纤束被配置为传输所述激发光和所述发射光；以及
光电电路，所述光电电路具有永久地连接到所述光纤束的所述第二端的外壳，所述光电电路包括：
光源，所述光源与所述光纤束对准并且被配置为向所述活性材料提供所述激发光；
驱动器，所述驱动器工作地耦接到所述光源以触发所述光源；
检测器，所述检测器与所述光纤束对准以检测所述发射光；
处理单元，所述处理单元工作地耦接到所述光源的所述驱动器和所述检测器，所述处理器根据单个波长范围下的发射强度的变化或两个或更多个波长范围的强度比的变化、寿命衰减或者所述发射光的发射波长峰值的偏移来确定温度；
电源，所述电源与所述驱动器和所述处理单元进行电气通信以向所述驱动器和所述处理单元提供电力；以及
校准装置，所述校准装置耦接到所述处理单元，所述校准装置被配置为通过对所述活性材料的光子行为的任何差异和所述光电电路中的光耦合损耗的可变性进行补偿来对所述集成式活性光纤温度传感器进行校准，以校正所述设备的热输入与电输出的关系，使得所述集成式光纤温度测量设备被单独地校准以实现更高的精度。
2.根据权利要求1所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述检测器是光电二极管。
3.根据权利要求1所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述光源提供200nm-600nm的波长范围内的激发光。
4.根据权利要求1所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述校准装置包括存储器，所述存储器用于储存将所述活性材料的衰减时间与在预定的设定点处和在预定的温度下记录的测量温度相关联的自定义查询表。
5.根据权利要求1所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述光纤束包括：激发光导，所述激发光导工作地耦接到所述光源以将所述激发光传送到所述活性材料；以及发射光导，所述发射光导工作地耦接到所述检测器以将所述发射光传输到所述检测器。
6.根据权利要求5所述的集成式活性光纤温度测量设备，所述集成式活性光纤温度测量设备还包括光纤分路器以将单个光纤束分离成所述激发光导和所述发射光导。
7.根据权利要求1所述的集成式活性光纤温度测量设备，所述集成式活性光纤温度测量设备还包括耦接到所述光电电路的通信接口。
8.根据权利要求1所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述电源是被配置为向所述光纤温度测量设备供电的带有发射器的环路电源。
9.根据权利要求8所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述设备是经由4-20mA电流环路供电的。
10.根据权利要求1所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述活性材料是热成像荧光粉。
11.根据权利要求10所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述热成像荧光粉选自掺锰的Mg4FGeO6:Mn和该类中所有可能的化学计量、掺铕的La2O2S:Eu、掺铕的Y2O3:Eu、掺铕的LuPO4:Eu、掺镝的YVO4:Dy、掺镝的Y2O3:Dy、掺镝的LuPO4:Dy、掺镝的钇铝石榴石YAG:Dy及其任意组合。
12.根据权利要求10所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述活性材料是整体式陶瓷金属氧化物荧光粉复合材料。
13.根据权利要求12所述的集成式活性光纤温度测量设备，其中，所述金属氧化物选自二氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)及其任意组合。
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