CN1007755B - 具有一组组合光学探测器的双光谱光学高温计 - Google Patents

Abstract

一种新颖的双光谱光学高温计其特征为一组组合的光学探测器。第一光学探测器吸收目标光束入射到这个光学探测器的某一光谱部分，使剩余的光束通过到达第二光学探测器。从两个光学探测器来的信号，与表示第一探测器的光谱吸收信号和等效黑体的火球温度的估计信号一起提供给信号处理器，由此，信号处理器提供一个补尝的温度信号。

Description

本发明涉及的是光学高温计，尤其是关于具有一组组合光学探测器的双光谱光学高温计。

光学高温计已为众知。并广泛地应用在航空发动机上。双光谱光学高温计已被用来测量正在运转的喷气发动机的涡轮叶片的温度。利用两个光谱频带，高温计能在由叶片所发射的光能量和燃烧火焰的反射能量之间提供所需的鉴别。

由Gebhart等人在美国专利4，222，663号所公开的双光谱光学高温计中，来自涡轮叶片的光提供给二个具有不同的光谱频带的高温计，其输出信号经连续处理后，能对反射能量的大小提供一个估计。一般，二个高温计都用硅光学探测器，因此具有相同的固有光谱频带。一个光学滤波器，它的滤波通频带是硅频带的一部分，并装置于其中一条光束的光学途径上，以在二个高温计之间产生一光谱频带差。在已有技术的双光谱光学高温计中，第一个未经滤波的高温计的光谱频带为0.4到1.1微米，第二个经滤波的高温计的光谱频带为0.4到0.85微米。

采用由相似的光谱频带材料制成的二个探测器也需要附加的光学部件来把接收到的光分离开来，并引导两个光束，这些附加的光学部件必须精细地校正，并且要求在喷气发动机处在恶劣的环境下而不被污染。此外，因这些光学附件的反射损耗会进一步减弱那些弱的短波长的光。结果在短波长可得到的有限的光学能量只在由光学探测器所提供的电信号里产生一个很差的信噪比。这个问题当二个光探测器都用硅时，所产生的整个光谱频带的重迭，就变得更为严重了。

本发明的目的是提供一种在双光谱光学高温计应用的组合探测器组件。本发明的另一个目的是提供一种以组合探测器组件为特征的双光谱光学高温计。

按照本发明，用来接收从远距离目标来的具有某一光谱宽度的光束的组合探测器组件包括一个适于接收目标光束的仪器罩，装置在这个仪器罩内的第一探测器，它吸收从目标光束来的、选定为目标光束光谱宽度一部分的第一光谱宽度的第一光学分量，提供与其等效的电信号。剩余的光束通过第一探测器到了第二探测器，也留在仪器罩内，提供与剩余的光束等效的电信号。

按照本发明的另一个方向，用来测量远距离目标温度的，具有一组组合探测器组件的双光谱光学高温计包括一个光导，用来接收来自目标的光束。这个光束具有某一光谱宽度，包括来自目标的发射分量和来自于估计等效于黑体温度的火球的反射分量。仪器罩适合于接收光导。双光谱光学高温计的特征为装置在仪器罩内的第一探测器，用来接收目标光束，并从其中吸收选定为目标光束光谱宽度的 一部分的某一光谱宽度的第一光学分量，同时使光束的剩余部分通过。第一探测器提供与第一光学分量等效的电信号。第二探测器也装置在仪器罩内，接收光束的剩余部分，提供与其等效的第二个电信号。这个高温计内还包括一个信号处理器，它接收第一和第二探测器的信号，同时也接收表示第一分量光谱宽度的信号和估计等效于黑体的火球温度的信号。信号处理器产生一个表示来自第一电信号的等效于黑体温度的温度信号，也产生来自第二探测器信号的、表示等效于黑体温度的温度信号。此外，信号处理器根据可估计的等效于黑体的火球温度和第一分量光谱宽度所表示的信号，从第一和第二温度信号的差提供一个温度校正信号。信号处理器还根据第一温度信号和温度校正信号之间的差异提供一个补偿的温度信号。

图1是按照本发明所提供的具有一组组合探测器组件的双光谱光学高温计的简化方块图的示意图;

图2是在图1光学高温计中使用的一组组合探测器组件的剖面图;

图3是说明在图2探测器组件中所用的光学探测器材料的响应特征曲线。

首先参看图1，按照本发明提供的具有一组组合探测器组件的双光谱高温计的简化方块图的图示，双光谱高温计10包括装配在喷气发动机的机壳14内的探针12。这个探针应可装在光学上能视测到的目标上，如旋转的涡轮叶片16和18。

在一个正在运转的喷气发机动中，涡轮的叶片达到一个相当高的温度，这样它们本身就发射辐射，其光谱分布是温度的函数，如果发射率作了校正，通常能用众所周知“黑体”或“灰体”近似来表示。此外，从喷气发动机燃烧火焰或火球来的光也反射出来到涡轮叶片上，构成目标光束的一部分。火球的温度比涡轮叶片的温度要高，因此，两种光束的和就产生了一种等效黑体光谱能量分布，这种分布发出比实际涡轮叶片的温度要高得多的温度。

来自涡轮叶片的辐射构成了一个具有某一光谱宽度的目标光束并被探针所接收。这个探针可以包括镜头和其它常用的光学部件。另一方面，探针具有通用的设计，包括诸如光导纤维的外壳和使清洁气体通过探针外壳的流通装置等部件。上面所述的探针部件在典型的诊断高温计内都有使用。在本技术领域内的技术人员知道，可以根据高温计的用途，如作为诊断的高温计或飞行中的高温计，和根据每一种发动机型号作一些替换和修改。

目标光束由光导20所接收，光导按常规的方法固定在探针内。光导也是通用的，典型的由一个熔凝纤维光束或常用的宽频带石英或石英玻璃型组成，如Ensign    Bickford    Optics    HC-444-lu纤维。如在后面图2中将详细说明，目标光束提供给探测组件22。在最佳实施例中，这个探测组件包括一个第一光学探测器，它吸收选定作为目标光束一部分的具有某一光谱密度的目标光束的第一分量，和传输通过目标光束的剩余部分。探测组件还包括按顺序装置在第一光学探测器后面的第二光学探测器，吸收剩余的光束。第二光学探测器对于第一光学探测器来说按次序排列使两个光学探测器之间的光谱频带分离，因为第一光学探测器过滤了提供给第二光学探测器的辐射。用本发明可提供的探测组件，进入两个光学探测器的耦合效率几乎是相应的全部光谱范围的100%。

第一光学探测器在线路24上给出了表示可接收的第一分量光束能量的信号，构成了第一信号通道，其光谱频带相应于第一分量光束的光谱频带。同样，第二光学探测器构成第二信号通道，它的光谱频带限于光束剩余部分的频带，在线路26上给出了它所表示的信号。

这些信号均由信号处理器28所接收，该信号处理器是在本技术领域内已知的型号，并在最佳实施例中包含了合适的常用的模拟电路。另外，信号处理器在线路30和线路32上接收来自外部处理装置34的信号，这个外部处理装置不是本发明的一部分，图上没有表示出来。本发明表示出第一光学探测器信号的光谱范围和估计等效于黑体的火球或燃烧火焰的温度的光谱范围。

来自第一光学探测器的信号经过处理，提供一个表示第一信号通道的等效于黑体温度的信号。对于第二光学探测器的信号，信号处理器作相同的处理，产生表示第二信号通道的等效于黑体温度的信号。

信号处理器计算温度校正信号（T_c），同时将温度校正信号和第二温度信号联系起来，在线路36上提供补偿温度信号（T_t）给外部信号处理机38，这样

T_t＝T_u-T_c（1）

为了精确地计算温度校正信号，信号处理器必须接收（1）第一和第二温度信号，（2）表示第一信号通道的光谱宽度的信号，和（3）表示火球的等效于黑体温度的估计的信号。此外，温度校正信号是目标光束中反射能量的百分比的函数，是一个通常表示为第一温度（T₁）和第二温度（T₂）或（T₁-T₂）之间差的参数。

正如本技术领域内所众知，只给定燃烧火焰的等效于黑体温度的估计。目标光束中的反射能量的百分比在使得高温计输出信号变得不可接受以前，可以从0变到50%。因此，对于一个给定的第二光学探测器温度信号的大小，在温度校正信号（T_c）的大小和反射能量（T₁-T₂）的百分比之间有一个函数关系。

只用一个估计等效黑体的火球温度，当反射能量的百分比小于50%时，温度校正信号中的误差是小的。例如，给定一个4500°F的估计火球温度和50%的反射能量分量，误差大小小于30°F左右，即使估计的火球温度减小300°F，误差大小也如此。又例如，如果反射能量的百分比小于50%，由第二光学探测器温度信号的多值产生的曲线族（T_cV.（T₁-T₂））可以由常用的曲线拟合方法，用一个单值方程来近似，有如下的表达式：

T_t＝T₂-〔（0.3T₂-150）/（3500-T_u）〕（T₂-T₁）^1.28（2）这里，T_t是补偿温度，T₁和T₂如前面所说的温度。

本技术领域内的技术人员将注意到对于其它火球的等效黑体温度可以得到其它的经验方程。

而且，很明显，对于本技术领域内的技术人员，应用模拟或数字装置的替换算法也可以用来替代，特别，信号处理器的数字装置包括一个具有通用的计算机存储器和模拟一数字转换的高速计算机，它产生并在存储器内用通用的查算表格形式存贮与前面所述的信号相类似的温度校正信号和由通用方法得到的补偿温度信号。

图2是图1双光谱光学高温计所使用的一组组合光学探测器组件的剖面图。这组组合的光学探测器组件40包括仪器罩42，它是一种通用型号的仪器罩，如T0-5或T0-8，该仪器罩包括已作了适当修改的金属头46和外壳44。这个仪器罩也包括波导连接器48，它用常用的方法装在外壳上。在最佳实施例中，已对外壳作了改变，通过外壳的中心钻了一个孔，这样，光导纤维（20，图1）就装到波导连接器上，并可以通过波导连接器，这样就确定了光轴50。

包括光学探测器52和54的一组组合的探测器组件装在金属头上。光学探测器54是用常用的方法装在金属头上的。为了提高长波长的响应性，有一金属垫片55安装在光学探测器54的下方。电极56和58只显露一部分，提供了与沿光轴装配的光学探测器54的电接触。此外，外壳有用于绝缘的有支架的电极60和62的装置。这些电极穿过金属头，使陶瓷材料的洗净器64与光轴同轴安装在紧接光学探测器54的上方。陶瓷材料的洗净器是普通的型号，有一个环状的开口。光学探测器52用常用的方法装在陶瓷材料的洗净器上，装在环状开口的正上方，大致与光学探测器54平行。用通用的技术通过电极60和62提供与光学探测器52的电接触，在最佳实施例中包括了安装在陶瓷材料洗净器顶面上的金属触头。

金属外壳在金属头上滑动使光学纤维置于与光学探测器52基本上接触的位置。这样，目标光束从光导纤维出来，并被提供给光学探测器52，其吸收来自目标光束的第一分量。目标光束的剩余部分通过光学探测器52，提供给光学探测器54。普通的密封剂66，如硅酮环氧树脂用在金属头和外壳之间的空隙内，因此光导纤维可以送发出水分和其它污染物。在最佳实施例中，光学探测器52由硅组成，而光学探测器54由铟镓砷化物组成。

图3是在图2的探测器组件的最佳实施例中，用来作为光学探测器材料的硅和铟镓砷化物的响应特征曲线图。座标轴67和68分别对应于每入射波功率的对数输出电流和波长。

已有技术的双光谱光学高温计通常用由硅组成的光学探测器，硅光学探测器是既安全又便宜的。在作为温度的函数的特性方面仅显示出很小漂移。

两个光学探测器使用同样的材料导致了光谱频带的重迭，这就造成了固有的特征曲线的局限性。因为目标光束中的大部分能量是处在那些大于被硅吸收的波长范围，信噪比就受到限制。而且，目标光束中的被涡轮叶片反射出来的分量强度很弱，光谱频带之间的重迭就进一步减小了可得到的信噪比。

按照本发明提供的组合光学探测器组件不仅具有机械稳定和光学部件少的优点，而且光学探测器材料的响应特征之间很小重迭，就本身内在地保证了较大的信噪比。

在最佳实施例中，组合光学探测器组件中第一个光学探测器由硅组成。如前面图2所示，当目标光束入射到第一个光学探测器上时（52，图2），硅实际上就吸收了波长为0.4和1.05微米之间的那一部分，如曲线70所示，交点72和74分别相对应于0.4和1.05微米。目标光束的剩余部分将通过硅并提供给第二个光学探测器（54，图2），它对波长为1.05和1.8微米之间的光束敏感，由曲线76所示，其交点78和80分别对应于0.8和1.8微米。在最佳实施例中，光学探测器54由铟镓砷化物的光电二极管组成，之所以选择它是由于它的响应性和高频响应以及在中等环境温度时较低的无照电流和噪声。在本技术领域的技术人员将会注意到其它的红外探测材料，如锗，可能替代它。

另外，前面提供的组合光学探测组件已经增进了高频响应，因为它能在光导纤维和光学探测器之间高效率地输送发射功率信号。光学探测器52吸收了全部从波导出来的发射光学功率，除了在光导纤维探测器的分界面上有小量的连接损失。光学探测器54吸收了从大约1.05微米到它的响应范围的上限的几乎全部的入射波功率，在最佳实施例中该上限大约为1.8微米。这包括了在它的范围内的最高输出部分的75%以上，这就提高了高温计总的信噪比性能。

同样，虽然本发明已由其最佳实施例说明和叙述了，但在本技术领域内的技术人员都应该知道可对其作各种各样其它的变化和增删，而不背离本发明的精神和范围。

Claims (3)

1、一种具有一组组合光学探测器组件的用于测量远距离目标温度的双光谱光学高温计，它包括：

光导装置，用来接收来自目标，具有某一光谱宽度和来自目标的一个发射分量和来自有某一温度的火球反射分量的光束，

适于接收所述光导的仪器罩装置，

安装在所述仪器罩装置内的第一光学探测器装置，用来吸收来自所述目标光束，其光谱宽度选定为目标光束光谱宽度的一部分的第一光学分量而使光束的剩余部分通过，所述第一探测器装置提供一个与所述第一光学分量等效的电信号，

安装在所述仪器罩装置内的第二光学探测器装置，用来吸收所述光束的剩余部分，并提供与此等效的第二电信号，以及用于接收所述第一和第二探测器信号的信号处理装置，其特征在于所述信号处理装置还接收表示所述第一分量光谱宽度和与所述等效黑体的火球温度的估计信号，而且：

根据所述第一光学探测器信号产生一个表示等效黑体温度的温度信号，

根据所述第二光学探测器信号产生一个表示等效黑体温度的温度信号，

根据所述第一温度信号和所述第二温度信号之差，产生一个取决于所述估计的等效黑体火球温度信号和所述第一分量的光谱宽度信号的温度校正信号，

根据所述第一温度信号和所述温度校正信号之差产生一个校正后温度信号。

2、如权利要求1的双光谱光学高温计，其特征在于所述第一光学探测器装置包括硅。

3、如权利要求1的双光谱光学高温计，其特征在于所述第二光学探测器装置包括砷化铟镓。