CN1010889B - 高光效双光谱高温计 - Google Patents

Abstract

测量目标温度的高光效光谱高温计包括一光波导装置以收集并引导目标光束到达检测组件。检测组件由干涉滤光片和光检测器构成，他们可以调节定位以使得到达那里的目标光束有效的耦合。该高温计还包括一个信号处理装置，它从光检测器接收信号，也接收指示估算的火球等效黑体温度的信号，以及该两个检测器之间光谱宽度差的指示信号，并提供经补偿的温度信号。

Description

本发明涉及光学高温计。更确切地说是具有高光效干涉滤光片的双光谱光学高温计。

双光谱光学高温计为技术界所周知，通常用于测量运转中的喷气发动机涡轮叶片的温度。来自涡轮叶片的辐射或光包含叶片自身的发射成分和从喷气发动机内火球来的反射成分。从涡轮叶片来的光中反射成分的存在，造成高温计对叶片温度提供了一个错误的高指示。

在美国专利No：4，222，663，由Gebhart所公开的双光谱高温计中，将涡轮叶片来的光提供给两台有不同光谱带的高温计，相继的处理他们的输出以提供对反射能的数量的估算。由于硅是典型使用的检测器，因此在高温计之一的光路中必须放置一种光学滤光片以产生必要的光谱带差。该滤光片的通频带是硅的通频带的一部分。为了得到可接受的信噪比，在先技术的双光谱光学高温计的光谱带，对于经滤光的高温计是0.4至0.85微米，不经过滤光的高温计是0.4至1.1微米。

来自涡轮叶片的辐射必须由高温计收集，并装备一对检测器将光能转换成适合于相继处理的电信号。为了从涡轮叶片导出光，将光分开并提供给每一个检测器，典型的已有技术的双光谱高温计使用一分叉光纤束。由于在较低温度时可利用的能量较少而限制了整个性能。因此，分叉光纤束的使用，因为在较低温度时信噪比较低而导致较低的精度。分叉光纤束制造费用高，而且光学损失大，并且分叉光纤束使用寿命也大大的低于单光导纤维的使用寿命。

本发明的目的在于提供一种用于双光谱高温计的经改进的高光学 耦合效率的检测组件。

本发明的另一个目的在于提供一种具有高光学耦合效率的双光谱光学高温计。

根据本发明，一个用于测量远距离目标温度的双光谱光学高温计中的高光学耦合效率的检测组件包括一个适于接收具有一定光谱宽度的目标光束的外罩。还包括一干涉滤光片，该滤光片在第一与第二透明层之间有一反射层，每一层有一定的厚度。干涉滤光片可以在外罩之内被调节并定位，接收，并在反射层处将目标光束分成反射光束和剩余光束。剩余光束有一选定的剩余光谱宽度，它是目标光谱宽度的一部分。剩余光束被引导通过干涉滤光片。根据本发明所提供的检测组件包括一个定位于外罩中的以接收反射光束的第一光检测器，和一个定位于外罩中为了接收剩余光束的第二光检测器。第一和第二光检测器分别提供等效于反射光束和剩余光束的光信号。

根据本发明的另一方面，测量远距离目标温度的高光效双光谱高温计包括一个光导装置，该光导装置接收来自目标的具有一定光谱宽度的光束。该目标光束具有由来自目标的发射成分和从具有一个等效的黑体温度的火球来的反射成分。一个适于接收光波导并将目标光束提供给干涉滤光片的外罩。该滤光片的第一和第二透明层之间包含有一反射层，每一层具有一定的厚度。该滤光片可在外罩内调节定位，接收并在反射层上将目标光束进一步分成一反射光束和一剩余光束，剩余光束有一选定的剩余光束宽度，它是被导引通过滤光片的目标光谱宽度的一部分。根据本发明所提供的高光效双光谱高温计还包含分别定位在外罩内的第一和第二光检测装置，分别用于接收反射光束和剩余光束。第一和第二光检测器各自提供一个与反射光束和剩余光束 相当的电信号。信号处理机接收第一和第二光检测器的信号以及指示剩余光谱宽度量，和火球等效黑体温度估算的信号。信号处理机由第一光检测器的信号产生一个指示-等效黑体温度的经线性化的温度信号，以及由第二光检测器的信号产生一个指示一等效黑体温度的经线性化的温度信号。而且，信号处理机由第一和第二线性化的温度信号产生一个取决于估算的火球等效黑体温度和剩余光谱宽度的温度校正信号，并且由其中的差值提供一补偿温度信号。

附图简述

图1是根据本发明所提供的高光效双光谱高温计的简化了的框图说明;

图2是图1的光学高温计所采用的高光效检测器组件的断面说明;而

图3是图2的高光效检测组件的另一个实施例的断面说明。

实现本发明的最好方式

首先，参照图1，在根据本发明所提供的高光效双光谱高温计的简化框图的说明中，高光效双光谱高温计10包括安装在喷气发动机箱2中的探头11。探头应定位以光学地观察一个目标，例如旋转的涡轮叶片14和16。

运转中的喷气发动机，其涡轮的叶片达到一个上升了的温度，由此他们就发射出辐射，辐射的强度和光谱分布是温度的函数，并通常能由众所周知的“黑体”近似值来近似地表示。如果考虑到发射率的变化，该近似值一般地被当作一个“灰体”。另外，由喷气发动机火球或燃烧火焰来的光被反射离开涡轮叶片并且也构成目标光束的一部分。火球的温度显著地比涡轮叶片的温度高，因此两个光束的叠加产 生了一个等效的黑体光谱能量分布，它所得出的温度比涡轮叶片的实际温度高出很多。

由涡轮叶片来的光构成目标光束，并由探头收集。探头可以包含有透镜和类似的其它普通的光学元件，只要是为了提高探头的光收集和聚焦能力所需要的。另一方面，该探头是一种常规设计的器件，包含有作为光导纤维紧固件的元件，内部光学衰减机构，并保证净化的气流通过探头外罩。上面所描述的探头的构件通常用于一种典型的诊断高温计中。在本领域中的技术人员将知道，可根据高温计是用作诊断还是飞行中的高温计，并根据每一发动机的型式而可能作出各种替换和改进。

固定在探头内侧的光波导装置18，它接收目标光束。典型的光波导装置由一熔凝纤维光纤束或光学纤维组成，这种光纤是一种一般的宽带石英或熔凝硅石，例如：Ensign    Bickford    Optics    HC-414-1u纤维。将目标光束提供给检测组件20，这将在后面参照图2作详细的描述。在最佳的实施方式中，检测组件包括二个对目标光束的波长和强度敏感的光检测器和一个定位在他们之间的干涉滤光片，滤光片为检测器提供目标光束的光谱带分配。用根据本发明所提供检测组件，进入两个光检测器的耦合效率，通常为各自的总的光谱范围的60%和80%之间。

第一光检测器将信号提供给线路22，线路22指示对反射光束的接收能量而构成第一信号通道，第一信号通道的光谱带与目标光束的光谱带相对应。同样，第二光检测器构成第二信号通道，它的光谱带只限于是目标光束光谱带的一部分，它将信号提供给线路24以指示所接收的剩余光束的能量。

这些信号由信号处理机26接收。处理机26是本技术领域中熟知的型式，在最佳实施例中还相应地包含有通常的模拟电路。此外，信号处理机还从没有表示出来的并与本发明无关的外部处理装置32上接收在线路28和线路30上的信号，这些信号指示出第一光检测器信号的光谱范围和火球等效黑体温度的估算值。

信号处理机对由第一光检测器来的信号作线性处理，以便为第一信号通道提供一个指示等效黑体温度的信号。信号处理机对第二光检测器信号执行相同的线性处理，得到第二信号通道的等效黑体温度的指示信号。

反射能的存在造成在第一或非滤光的高温计中温度的读数比真正的叶片温度高。第二或经滤光的高温计将指示出甚至更高的温度。因为第二高温计的光谱范围受干涉滤光片限制到较短的波长。

信号处理机计算温度校正信号（Tc）和提供线路34上的补偿温度信号（Tt）给外部信号处理器36，将温度校正信号与非滤光的温度信号（Tu）联系起来，就得到：

Tt＝Tu-Tc    （1）

为了准确地计算出温度校正信号，信号处理机必须接收（1）线性化的温度信号，（2）带滤光片高温计的光谱宽度的指示信号和（3）火球等效黑体温度估算值的指示信号。另外，温度校正信号是目标光束中反射能百分比的函数，通常表达成线性化的经滤光温度（Tf）和线性化的非经滤光的温度（Tu）的差或（Tf-Tu）。

正如技术界所周知的，对于可以接收的高温计的信号，目标光束中的反射能量百分数近似地由0-50%，只是给出了火球的等效黑 体温度的估算值。因此，对于一给定的线性化的非滤光的温度信号量说来，温度校正信号（Tc）的量和百分反射能（Tf-Tu）之间有一种函数关系。当百分反射能小于50%时，结合最佳估算火球等效黑体温度，则温度校正信号的误差是小的，例如;给定一估算的火球等效黑体温度为4500°F和50%的反射能分量，即使估算的火球温度可能偏离300F°，温度校正值的误差也近似的小于30°F。继续使用这个例子，如果百分反射能小于50%，由多个非滤光的温度值导出的曲线族（Tcv（Tf-Tu）），采用通常的曲线拟合技术可由一个简单的方程近似地表示，即得：

Tt＝Tu-〔（0.3Tu-150/（3500-Tu）〕（Tf-Tu）^1.28（2）

这里，如上述，Tt是补偿温度，Tu是非滤光的温度，Tf是经滤光的温度。

那些本领域的技术人员将会注意到，对于其它火球等效黑体温度能够得到其它的经验推导公式。

此外，对于可能的计算方法既可采用模拟的装置也可采用数字的装置，这对本领域的技术人员也是显见的。具体地说，一台数字式的信号处理器装置包含一个带有通常计算器存储器和模拟量数字转换器的高速计算机。计算机以通常查表的格式产生，并在存储器中储存与上面所描述相类似的温度校正信号，而经补偿的温度信号可采用一般的技术由此获得。

图2是根据本发明所提供的高光效检测组件38的断面说明。检测组件包含有外罩40，它是常规的而最佳的实施方式是由机加工铝构成。干涉滤光片42定位于外罩之中以便接收从光导纤维（18，图1）来的目标光束44。光纤由常规的技术定位并确定一光轴 46。

干涉滤光片是一种常规型的，在最佳实施方式中由-Cori-on    LS    850-B-1483-A347型干涉滤光片构成。正如技术界周知的，干涉滤光片由夹在两透明层，例如玻璃层50和52之间的一系列交替排列的介质反射层48组成。干涉滤光片通过干涉现象，而不是通过吸收或散射将不需要的波长除去。使用数个介质层可以修整好滤光片的通带，并且使得滤光片几乎没有造成光的损失。由于构成了数个高的和低的折射指数交替的介质层，就可能增强单一边界的反射率并由多重反射将反射率提高至任何所希望的数值。只是必须使各层是这样的厚度，以使得由相继层的反射光量是同相的。在最佳实施例中，干涉滤光片有一接近3微米厚的反射层被近似0.0062英寸厚的玻璃层所包围。

当干涉滤光片相对于沿光轴传播的入射目标光束以接近15°的角度放置时，在光束中有近4%的有效能量被反射离开玻璃的前表面。在反射层上近似地反射99%的0.85微米到1.2微米的能量，而大约75%的0.4微米到0.85微米的能量被允许通过。玻璃的后表面大约反射4%的0.4微米到0.85微米的能量。因此，剩余的约65%的0.4微米到0.85微米的目标光束能量通过干涉滤光片。

该检测器组件的光学耦合效率是波长的函数。对于1500°F的黑体辐射，长波长（0.4-1.2微米）的耦合效率在66%和88%之间，短波长效率（主要是0.4-0.85微米）约为60%。这表明比先有技术，即那些采用分叉纤维光束的光学高温计装置有显著的改进。已往的高温计的短波和长波耦合效率分别为 30%和40%。

另外，光学干涉滤光片的耦合效率和通带是相对于入射目标光束的角位置的函数。在最佳的实施方式中，滤光片被放置成离开垂直于入射目标光束约15°角。这一方向有最多的反射量进入非滤光的光检测器54，而提供了一个如上面所指出的通带。

光检测器54和56分别接收非滤光的、反射光束58和剩余光束60。在最佳实施例中，光检测器各自由常规的硅光检测器组成。硅有光谱宽度近似为0.4到1.1微米的通带。本领域的技术人员将确认，由不同材料构成的其它光检测器可以替换一个或两个光检测器。这样的一种替换可能需要一种不同的干涉滤光片，要选定这种滤光片的通带，使其与所选择的光检测器材料相匹配。其它等效的光检测器材料包括铟镓的砷化物。

光检测器54和56分别在线路22和24上提供反射光束和剩余光束的等效电信号。

图3是图2的高效光检测组件的另一替换装置的附图。为了调节具有大孔径的光导纤维和/或带有小的有效面积的光检测器，图1中的检测器组件可以采用一个替换装置62，而没有减低耦合效率。实际装置中包括有安装光导纤维（18，图1）的外罩64。具有大数值孔径（约0.4和0.4以上）的光导纤维使目标光束从它出射时产生不能接收的扩散。因此，在外罩之内采用常规技术安装一非球面透镜66，以便收集所有从光导纤维反射的光。非球面透镜有低的焦距（F）数值，例如：0.7，而在其它方面则没有特殊之处，它是一种常规的非球面透镜。

在所有的其它方面，图3替换的实际装置和图2的检测组件是 一致的，包括干涉滤光片68和光检测器70和72。在图2所示检测器组件的情况中，检测器70和72分别在线路22和24上产生与反射光束和剩余光束等效的电信号。非球面透镜在焦距方面不是关键性的，只需要选择得使反射光束74和剩余光束76的所有能量都能提供给光检测器的有效面积即可。

同样地，虽然在这里已经用一最佳的实施例对本发明作了说明和描述，但是本领域的技术人员应看到，在没有背离本发明的精神和范围情况下还可能有各种其它的变化，删减和增加。

Claims (3)

1、用于测量远距离目标温度的高光学效率双光谱高温计，包括：光波导装置，它从目标接收一束有一定光谱宽度的光束，该光束有从目标反射的成分，也有从火球反射的成分，该火球有一定的等效黑体温度，

外罩装置，它适宜于接受所述的光波导装置，

干涉滤光片装置，它由各有一定厚度的第一和第二透明层之间形成有一定厚度的反射层构成，所述的干涉滤光片可以在所述的外罩装置之内可调地定位，从所述的光波导装置接收和分开所述的目标光束成一反射光束和一剩余光束，剩余光束有选定的剩余光谱宽度，它是所述目标光束谱宽度的一部分，所述的剩余光束被导向通过滤光片装置，

第一光检测器装置，它被定位在所述的外罩之内以接收所述的反射光束并提供一个等效于反射光束的电信号，

第二光检测器装置，它被定位在所述的外罩装置之内以接收所述的剩余光束并提供一个等效于剩余光束的电信号，和

信号处理装置，特征在于：所述信号处理装置接收所述的第一和第二光检测器的信号并进一步接收指示所述剩余光谱宽度的大小和估算所述火球等效黑体温度的信号，所述的信号处理装置由所述的第一光检测器信号产生一个指示等效黑体温度的线性化温度信号，由所述的第二光检测器信号产生一个指示等效黑体温度的线性化温度信号，由所述的第一线性化温度信号和所述的第二线性化温度信号之差值产生一个随估算火球等效黑体温度和所述的剩余光谱宽度而定的温度校正信号，由所述的第一温度信号和所述的温度校正信号之间的差值提供一个补偿温度信号。

2、如权利要求1的高光效双光谱高温计，其中所述的第一光检测器装置由硅构成。

3、如权利要求1的高光效双光谱高温计，其中所述的第一光检测器装置由铟镓的砷化物构成，而所述的第二光检测器装置由硅构成。

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