CN105210191B - 用于紧凑、轻量以及按需红外校准的碳纳米管黑体薄膜 - Google Patents
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Abstract
公开了校准传感器的设备和方法。施加电压到第一碳纳米管层以获得第一碳纳米管层的第一温度。导热层被用来通过平滑第一温度的空间变化而提供与第一碳纳米管层的第一温度相关的基本上均匀的温度。第二碳纳米管层接收基本上均匀的温度并且发射第一黑体辐射光谱以校准传感器。所述设备可以被用来通过改变施加的电压而发射第二黑体辐射光谱。
Description
背景技术
本公开涉及光学传感器的校准，并且特别地涉及用于为了校准目的而向光学传感器提供多重辐射谱的方法和设备。
在各种光学系统中，在光学传感器处从物体接收光信号，并且在光学传感器处获得光信号的测量结果以确定物体的特性。为了获得精确的测量结果，经常有必要使用一个或多个标准波长处的已知光子通量来校准光学传感器。一种用于提供标准波长处的光子通量的方法包括：将一个或多个黑体辐射器加热到所选温度；以及使用光学滤波器来选择波长。然而，使用黑体源来校准光学传感器提出了尺寸、重量和功率(SWaP)的挑战。首先，传统的黑体辐射器需要在使用于校准之前被加热比较长的时间，以便将黑体辐射器带到所选温度并且保持所选温度。传统的黑体源因此消耗了大量的功率。其次，传统的黑体源及其支持的光学结构通常体积大，并且使用它们中的一个或多个要求精确的光学机构，以将每个黑体发射光谱成像到经历校准的传感器上。第三，这样的黑体辐射器校准系统及其附随的光学机构通常笨重而麻烦。
发明内容
根据本公开的一个实施例，一种校准传感器的方法包括：向第一碳纳米管层施加第一电压以获得第一碳纳米管层的第一温度；使用导热层以提供与第一碳纳米管层的第一温度相关的基本上空间均匀的温度；在第二碳纳米管层处接收基本上均匀的温度；以及从第二碳纳米管层发射第一黑体辐射光谱以校准传感器。
根据本公开的另一个实施例，一种用于校准传感器的设备包括：第一碳纳米管层，配置成响应于施加的第一电压而以第一温度生成热；导热层，配置成显著减少在第一碳纳米管层处生成的热的空间温度变化；以及第二碳纳米管层，配置成对空间均匀的温度下的热作出反应，以发射第一黑体辐射光谱来校准传感器。
根据本公开的另一个实施例，一种校准传感器的方法包括：从加热到第一温度的薄膜结构中以选择的波长生成第一光子通量；使用生成的第一光子通量以选择的波长校准传感器；从加热到第二温度的薄膜结构中以选择的波长生成第二光子通量；以及使用第二光子通量以选择的波长校准传感器。
通过本公开的技术实现了附加的特征和优点。本公开的其他实施例和方面被详细地描述于此，并且被认为是请求保护的本公开的一部分。为了更好地理解本公开的优点和特征，请参考说明书和附图。
附图说明
被视为本公开的主题被特别地指出，并且在说明书的结论处的权利要求书中清楚地进行了声明。从结合附图的以下详细描述中，本公开的前述以及其他特征和优点是明显的，在附图中：
图1示出了根据示例实施例的用于检测光或光信号的示例光学系统；
图2示出了如图1所示的示例校准设备的详细视图；
图3示出了图2的示例薄膜结构的详细视图；
图4图示了当施加电流到本公开的示例碳纳米管薄膜时用于实现平衡温度的反应时间；以及
图5示出了一个表格，该表格图示了向图4的示例碳纳米管薄膜施加的电流和作为结果的碳纳米管薄膜的空间及时间平衡温度之间的关系。
具体实施方式
图1示出了根据示例实施例的用于检测光或光信号的示例光学系统100。光学系统100包括传感器102如光学传感器或光学检测器。在传感器102处检测从选择的物体或目标110沿着光路104传播的光或光信号。为了保持传感器的准确性，校准设备106可以移动到光路104中。在示例实施例中，光学系统100可以在感测模式中运行，在所述感测模式中，校准设备106可以定位在光学传感器102的光路104之外的第一位置A。光学系统100也可以在校准模式中运行，在所述校准模式中，校准设备106可以移动到光学传感器102的光路104中的第二位置B。一旦在光路104中，校准设备106就阻止了来自于物体110的光或光信号到达光学传感器102。然后可以操作校准设备106以向传感器102提供一个或多个校准波长处的光，以便校准传感器102。当校准设备106处在第二位置B时，滤波器112被示出为可以放置在校准设备106和传感器102之间。滤波器112可以允许与校准波长对应的所选波长窗口之内的光子通量到达传感器102，以便将传感器102校准到校准波长。在示例实施例中，波长窗口可以是约3微米至约5微米。
图2示出了图1所示的示例校准设备106的详细视图。示例校准设备106可以包括薄膜结构200，该薄膜结构200提供扩展的表面区域，以便发射一定波长范围的光或光子。薄膜结构200可以通过支撑结构202来限制，该支撑结构202耦合到薄膜结构200的边缘。在示例实施例中，支撑结构202可以配置成在薄膜结构200的平面中施加轻微的向外力，以便保持薄膜结构200的大体上的平整表面。支撑结构202的末端203和204可以经由紧固装置205如螺丝、螺栓等耦合或紧固到单元206。当紧固到单元206时，末端203和204进一步耦合到杆210的上端212。杆210可以包括：上端212，用于经由支撑端203和204耦合到薄膜结构200；以及下端214，其在壳体220之内延伸。杆210可以在壳体220之内旋转，并且壳体220的致动器组件228可以用来使杆210并从而使薄膜结构200旋转经过选择的角θ。校准设备106可以关于传感器102定向，使得杆210通过角θ的旋转将薄膜结构200从第一位置(例如图1中的位置A)移动到第二位置(例如图1中的位置B)。代替地，校准设备106可以在第一位置和第二位置之间线性地移位。
在各种实施例中，电线222和224可以穿过杆和/或壳体的内部到达支撑结构202。电线222可以沿着支撑结构202的右侧202R布置，以将电耦合提供到薄膜结构200的一个边缘。电线224可以沿着支撑结构202的左侧202L布置，以将电耦合提供到薄膜结构200的相对边缘。在远离支撑结构202的位置处，电线222和224可以耦合到可控电源230的相对极。因此，电流回路可以完成，以提供电流从电源230的正极通过电线222进入支撑结构202的右侧202R，穿过薄膜结构200进入支撑结构202的左侧202L的电线224，并且进入电源230的负极。各种电压可以经由可控电源230被提供到薄膜结构200。在不同的方面，施加电流到薄膜结构200增加了薄膜结构200的温度。在选择的温度下，薄膜结构200一般发射具有特征黑体辐射光谱的光子，其中黑体辐射光谱包括特征波长，所述特征波长指示光谱的峰值发射并且与薄膜结构200的温度有关。通常，黑体辐射器发射的光子的总数，以及黑体辐射在所选波长范围之内发射的光子的数目，与其温度有关。当温度上升时，总光子通量和所选波长范围之内的光子通量也增长。操作员可以可以控制可控电源230处的电压或电流，以使选择的黑体辐射光谱在薄膜结构200处发射。然后可以在光学传感器102处测量所选波长范围之内的光子通量以校准光学传感器102。
图3示出了图2的示例薄膜结构200的详细视图。在示例实施例中，薄膜结构200包括第一碳纳米管层302。第一碳纳米管层302可以包括一片碳纳米管，其一般被取向为位于第一碳纳米管层302的平面之内。第一碳纳米管层302的一端可以耦合到可控电源320的正极，并且第一碳纳米管层302的相对端可以耦合到可控电源320的负极，以便通过第一碳纳米管层302来完成电路。第一导热层304可以耦合到第一碳纳米管层302的顶面，其中，顶面是面朝向IR发射箭头315的第一碳纳米管层302的表面。第二导热层308可以耦合到第一碳纳米管层302的底面，其中，底面是面背离IR发射箭头315的第一碳纳米管层302的表面。在各种实施例中，第一和第二导热层304和308可以是电绝缘材料如陶瓷材料。第二碳纳米管层306可以与第一碳纳米管层302相对地耦合到第一导热层304。第二碳纳米管层306配置成响应于在第一碳纳米管层302处生成的热，如IR发射箭头315所指示那样在选择的方向上发射光子。第二碳纳米管层306包括多个碳纳米管312a-312m，其被取向成使得多个碳纳米管312a-312m的纵坐标基本垂直于第二碳纳米管层306的表面。通常，在第二碳纳米管层306处激发的光子被发射到包含指示IR发射箭头315的第二碳纳米管层306上面的半球形空间中。如通过IR发射箭头315指示的那样，在通过IR发射箭头315指示的垂直方向上发射的那些光子被用于校准。在各种实施例中，第二碳纳米管层306的发射率大于约0.999。低发射率金属膜310与第一碳纳米管层302相对地耦合到第二导热层308的表面。在各种实施例中，低发射率金属膜310配置成防止热从校准设备薄膜结构200的后端耗散。
为了操作示例薄膜结构200，可控电源320提供电流到第一碳纳米管层302，其响应于提供的电流而生成热。在第一碳纳米管层302处生成的热量和温度直接与施加的功率的量有关。如下面关于图4讨论的那样，当适合获得平衡温度的电流被施加时，第一碳纳米管层302迅速反应以达到选择的平衡温度。在示例实施例中，第一碳纳米管层302可以在施加电流到第一碳纳米管层302的几秒钟内到达平衡温度。在第一碳纳米管层302的表面处的温度一般具有空间变化，如下面关于图5所描述的那样。空间变化可以在几个开尔文的温度范围内。在第一层碳纳米管层302处生成的热通过第一导热层304分散，以在第二碳纳米管层306处以宽范围的波长激发光子。第一导热层304在第一导热层304的平面中分散第一碳纳米管层302处生成的热。这样一来，一旦热到达第二碳纳米管层306，在第一碳纳米管层302处生成的热和温度的任何变化都可以基本上被平滑。在各种实施例中，在第二碳纳米管层306处的温度跨越第二碳纳米管层306的表面具有小于1.0开尔文的空间变化。在另一个实施例中，空间变化可以少于0.5开尔文。在另一个实施例中，空间变化可以少于0.1开尔文。这样一来，在第二碳纳米管层306处的多个碳纳米管312a-312m中的每一个就从第一导热层304接收基本上相同的热量。在第二碳纳米管层306处接收的热激发光子，所述光子沿着多个碳纳米管312a-312m的纵轴被引导，并且因此大体上沿着IR发射箭头315指示的方向传播。此外，一定通量的光子也在偏离的方向上发射。作为结果的来自第二碳纳米管层306的光谱因此基本上等效于针对被加热到基本均匀的温度的传统黑体的黑体辐射光谱。
图4图示了当施加电流到本公开的示例碳纳米管薄膜200时用于在第一碳纳米管层302处实现平衡温度的反应时间。以开尔文为单位沿着纵坐标标绘温度，并且以秒为单位沿着横坐标标绘时间。在时间t＝0(402)时向第一碳纳米管层302施加电压。在时间t＝0秒之前，没有施加电流并且第一碳纳米管层302处在室温亦即约290K。在时间t＝0(402)时提供电流使第一碳纳米管层302的温度在大约t＝2秒(404)时上升到大约550K的平衡温度。
相比之下，传统的黑体源需要几分钟至几小时以达到平衡温度。此外，由于将传统的黑体源带到平衡温度所需的时间的长度，当不在校准模式时，传统的黑体源一般保持在它们的平衡温度下或其附近，以便当需要校准时基本上准备就绪。使用传统黑体源的校准系统因此消耗了大量的功率。由于本公开的薄膜结构能够在相对短的时间内(例如少于大约5秒)到达平衡温度，所以没有必要在非校准的时间期间将薄膜结构保持在平衡温度。此外，薄膜结构可以因此被用来在可接受的时间帧内(比如在少于20秒内)校准传感器。然而将会意识到的是，薄膜结构的使用不需要打算限于其中用于完成相关任务的期望时间帧是20秒或更少的操作。因此，使用本公开的示例薄膜结构来校准光学传感器可以被按需使用，其相对于使用传统黑体源的校准方法可以节省大于约90％的操作成本。
图5示出了一个表格，该表格图示了向示例碳纳米管薄膜200施加的电流和薄膜结构200的第一碳纳米管层302的平衡温度之间的关系。第一列指示施加到第一碳纳米管层302的电流的量(以安培为单位)。第二列指示目标温度(以开尔文为单位)，其有望在施加选择的电流时被实现。第3、4和5列示出了当分别在10秒、60秒和180秒的时间向第一碳纳米管层302施加所选电压时实现的测量温度(以开尔文为单位)。通过第3、4和5列中的每一个中提供的秒数(例如“±1”，“±6，”等)也示出了温度的空间变化。实际温度表明温度的相对小的空间变化，并且在所示时间上(亦即10秒、60秒和180秒)稳定。从第一碳纳米管层302通过第一导热层304来扩散热将空间变化减少到选择的范围内，该范围在不同实施例中可以少于约1.0开尔文、约0.5开尔文或约0.1开尔文。这样一来，第二碳纳米管层306就被均匀加热，并且多个碳纳米管312a-312m中的每一个发射与基本上相同的温度相对应的黑体辐射光谱。选择施加到第一碳纳米管层302的电流的量因此基本上控制了在第二碳纳米管层306处产生的黑体辐射光谱。这样一来，在合适的校准时间帧之上，薄膜结构就可以被用来提供适合使用在校准传感器中的基本黑体辐射光谱。在代替的实施例中，热从第一碳纳米管层302通过第一导热层304的扩散可以被用来将空间变化减少到约2开尔文或约3开尔文的范围内。将会意识到的是，甚至在其中这样的温度的空间变化的减少并不需要的操作中，薄膜结构也可以被用来将温度的空间变化减少到约1.0开尔文之内。
由于薄膜结构对施加功率的相对迅速的反应，通过校准设备106提供的黑体辐射光谱可以在相对迅速的时间量内改变。因此，校准设备106可以被用来快速将多重黑体辐射光谱提供到传感器。
在示例校准过程中，可以通过校准设备106的薄膜结构200的第一碳纳米管层302发送第一电压，以生成第一黑体辐射光谱的第一组光子。传感器102然后可以在选择的校准波长下亦即在与选择的校准波长相对应的波长窗口之上被校准到来自第一黑体辐射光谱的第一光子通量。随后可以通过薄膜结构200发送第二电压，以生成第二黑体辐射光谱的第二组光子。传感器102然后可以在选择的校准波长下被校准到来自第二黑体辐射光谱的第二光子通量。在完成校准过程之前，可以在所选波长下以任意数目的光子通量使用相同的薄膜结构200来校准传感器102而重复这个过程任意次数。在代替的实施例中，可以使用多个校准波长，并且可以在多个校准波长中的每一个波长下测量多个光子通量以校准传感器。在校准过程的结尾，校准设备106可以被移动或旋转到传感器102的光路104之外，并且传感器102可以用于其预期的目的。薄膜结构200的提供多重校准波长的能力使得比使用多重传统黑体辐射源的已知校准设备更小和更轻的校准设备设计成为可能。
在此使用的专业术语仅以描述特定实施例为目的，而不打算限制本发明。正如在此使用的那样，单数形式“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地指出别的方式。将会进一步理解的是，术语“包括”在本说明书中使用时指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其组合的存在或添加。
所附权利要求中的全部装置或步骤加功能元件的相应结构、材料、行为和等价物打算包括用于与特别声明的那样的其他请求保护的元件相结合地执行功能的任何结构、材料或行为。本发明的说明书已经以说明和描述为目的而被提出，但是不旨在穷举或被限制到所公开的形式下的本发明。在未脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将会是明显的。选择并且描述了实施例，以便最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域的其它技术人员能够理解本发明，其中，具有各种修改的示例实施例适用于所期待的特定用途。
描述于此的流程图仅是一个例子。对于在此描述的附图或步骤(或操作)可以存在许多变化而不脱离本发明的精神。例如，步骤可以用不同的顺序执行，或者步骤可以被增加、删除或修改。这些变化全部被认为是请求保护的本发明的一部分。
尽管已描述了本发明的示例实施例，但是将会理解的是，本领域的技术人员无论现在还是将来都可以进行各种改进和增强，它们落在所附权利要求的范围之内。这些权利要求应当被解释为维持对首次描述的本发明的恰当保护。
Claims (25)
1.一种校准传感器的方法，包括：
向第一碳纳米管层施加第一电压以获得所述第一碳纳米管层的第一温度；
使用分离的导热层平滑所述第一碳纳米管层的第一温度以获得空间均匀的温度，其中，所述导热层由电绝缘材料制成；
在第二碳纳米管层处接收所述空间均匀的温度；以及
从所述第二碳纳米管层发射第一黑体辐射光谱以校准所述传感器。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二碳纳米管层包括：多个碳纳米管，其具有垂直于所述第二碳纳米管层的表面取向的纵轴，进一步包括：使用沿着所述纵轴朝向所述传感器发射的所述第一黑体辐射光谱的光子来校准所述传感器。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在与所述传感器的校准波长相对应的波长范围内将所述传感器校准到所述第一黑体辐射光谱的第一光子通量。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述均匀的温度进一步包括具有小于1.0开尔文的空间变化的温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述均匀的温度进一步包括具有小于0.5开尔文的空间变化的温度。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述均匀的温度进一步包括具有小于0.1开尔文的空间变化的温度。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：施加第二电压以获得所述第一碳纳米管层处的第二温度，以在所述第二碳纳米管层处生成第二黑体辐射光谱来校准所述传感器。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：将所述第二碳纳米管层移动到所述传感器的光路中；使用所述第一黑体辐射光谱和所述第二黑体辐射光谱来校准所述传感器；以及将所述第二碳纳米管层移动到所述传感器的光路之外。
9.一种用于校准传感器的设备，包括：
第一碳纳米管层，配置成响应于施加的第一电压而以第一温度生成热；
导热层，配置成减少在所述第一碳纳米管层处生成的热的空间温度变化，其中，所述导热层由电绝缘材料制成；以及
第二碳纳米管层，配置成对空间均匀的温度下的热作出反应，以发射第一黑体辐射光谱来校准所述传感器。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述第二碳纳米管层包括：多个碳纳米管，其具有垂直于所述第二碳纳米管层的表面指向的纵轴，以从沿着所述纵轴指向的所述第二碳纳米管层发射光子来校准所述传感器。
11.如权利要求9所述的设备，进一步包括：滤波器，配置成允许与选择的校准波长相对应的波长范围之内的第一光子通量到达所述传感器。
12.如权利要求9所述的设备，其中，所述导热层配置成平滑所述第一温度以具有小于1.0开尔文的空间变化。
13.如权利要求9所述的设备，其中，所述导热层配置成平滑所述第一温度以具有小于0.5开尔文的空间变化。
14.如权利要求9所述的设备，其中，所述导热层配置成平滑所述第一温度以具有小于0.1开尔文的空间变化。
15.如权利要求9所述的设备，进一步包括：可控电源，配置成向所述第一碳纳米管层施加所述第一电压。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述可控电源配置成施加第一电功率以在所述第二碳纳米管层处产生第一黑体辐射光谱，并且施加第二电功率以在所述第二碳纳米管层处发射第二黑体辐射光谱。
17.如权利要求9所述的设备，进一步包括：致动器，配置成将所述第一碳纳米管层和所述第二碳纳米管层移动到所述传感器的光路中以校准所述传感器。
18.如权利要求17所述的设备，其中，所述第二碳纳米管层配置成当所述第二碳纳米管层处在所述光路中时发射所述第一黑体辐射光谱和第二黑体辐射光谱。
19.如权利要求17所述的设备，其中，所述第一碳纳米管层配置成在从施加电压起小于2秒内到达平衡温度。
20.如权利要求17所述的设备，其中，所述第一碳纳米管层配置成在从施加电压起小于5秒内到达平衡温度。
21.一种校准传感器的方法，包括：
提供薄膜结构，其包括：第一碳纳米管层，其响应于施加的电压而以选择的温度生成热；导热层，其减少所述热的空间温度变化，其中，所述导热层由电绝缘材料制成；以及第二碳纳米管层，其通过发射黑体辐射光谱的光子来对所述热作出反应，所述黑体辐射具有选择的特征波长；
将第一电压施加于所述第一碳纳米管层，以从加热到第一温度的所述薄膜结构中以第一波长生成第一光子通量；
使用生成的第一光子通量以所述第一波长校准所述传感器；
将第二电压施加于所述第一碳纳米管层，以从加热到第二温度的所述薄膜结构中以第二波长生成第二光子通量；以及
使用所述第二光子通量以所述第二波长校准所述传感器。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述第二碳纳米管层包括多个碳纳米管，所述碳纳米管具有垂直于所述第二碳纳米管层的表面取向的纵轴，所述方法进一步包括：沿着所述纵轴朝向所述传感器发射所述第一光子通量和所述第二光子通量。
23.如权利要求21所述的方法，进一步包括使用所述导热层，所述导热层配置成均匀地沿着所述第二碳纳米管层的表面分散由所述第一碳纳米管层生成的所述热。
24.如权利要求21所述的方法，进一步包括：通过将所述第一碳纳米管层加热到所述第一温度来生成所述第一光子通量，并且通过将所述第一碳纳米管层加热到所述第二温度来生成所述第二光子通量。
25.如权利要求21所述的方法，进一步包括：将所述薄膜结构放置在所述传感器的光路中，使用所述第一光子通量和所述第二光子通量来校准所述传感器，并且从所述传感器的光路中去除所述薄膜结构。
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