CN106840410B - 一种温度传感器及其温度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度传感器及温度检测方法，包括：光源、透明传感部件、光照度检测器以及处理器；透明传感部件位于光源的出光侧，光照度检测器位于透明传感部件出光方向上的设定位置，处理器与光照度检测器电连接；其中，透明传感部件的折射率随着温度的变化而变化；光源，用于向透明传感部件出射光线；透明传感部件，用于在不同温度条件下对入射光线的传播方向进行不同程度的改变，使设定位置的光通量发生变化；光照度检测器，用于检测设定位置的光通量；处理器，用于根据检测的光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度。采用本发明实施例提供的上述温度传感器进行温度检测可有效提高温度检测的敏感度。

Description

一种温度传感器及其温度检测方法

技术领域

本发明涉及敏感元件技术领域，尤指一种温度传感器及其温度检测方法。

背景技术

温度作为国际单位制的七个基本量之一，测量温度的传感器的各种各样，温度传感器是温度测量仪表的核心部分，十分重要。温度传感器又分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，从而显示值即为被测对象的温度。非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布等。相对于接触式的温度传感器，非接触式温度传感器的应用范围更广。

然而在许多对温度具有严格要求的应用场景中，现阶段所使用的温度传感器并不能达到温度敏感度的高求。例如，博物馆的展示橱窗中阵列的物品较为珍贵，对温度、温度等要求较高，为了让大众参观，橱窗内需要长时间地照明，长时间照明不可避免地会造成橱窗内温度的变化，经年累月很容易对珍贵物品造成不可逆转的热损伤和光损伤。然而，即使在橱窗内安装温度传感器，所检测到的温度的变化再进行人工调节的过程也很复杂，且温度传感器温度敏感度通常也不能达到要求。

因此，提供一种对温度敏感度较高的温度传感器为现阶段亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种温度传感器及温度检测方法，具有较高的温度敏感度。

第一方面，本发明实施例提供的温度传感器，包括：光源、透明传感部件、光照度检测器以及处理器；所述透明传感部件位于所述光源的出光侧，所述光照度检测器位于所述透明传感部件出光方向上的设定位置，所述处理器与所述光照度检测器电连接；其中，所述透明传感部件的折射率随着温度的变化而变化；

所述光源，用于向所述透明传感部件出射光线；

所述透明传感部件，用于在不同温度条件下对入射光线的传播方向进行不同程度的改变，使所述设定位置的光通量发生变化；

所述光照度检测器，用于检测所述设定位置的光通量；

所述处理器，用于根据检测的所述光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述温度传感器中，所述透明传感部件，包括：上基板、下基板以及位于所述上基板和所述下基板之间的透明介质；

所述透明介质的折射率随温度的变化而变化。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述温度传感器中，所述光源位于所述透明介质侧面，所述光照度检测器位于透明介质背离所述光源的一侧。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述温度传感器中，所述透明介质的折射率随温度的升高而降低；所述光照度检测器所检测的光通量随着温度的降低而增大。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述温度传感器中，所述透明介质的折射率随温度的升高而升高，所述光照度检测器所检测的光通量随着温度的升高而增大。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述温度传感器中，所述透明介质为各向同性的透明材料。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述温度传感器中，所述透明介质为硅油、甘油或氧化钒。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述温度传感器中，所述透明介质为各向异性的透明材料。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述温度传感器中，所述透明介质为液晶，所述透明传感部件，还包括：位于上基板与液晶之间的第一取向层，以及位于所述下基板与所述液晶之间的第二取向层。

第二方面，本发明实施例提供一种基于上述任一温度传感器的温度检测方法，包括：

光源向透明传感部件发射强度恒定的光线；

所述透明传感部件对透过所述透明传感部件内部的光线的传播方向进行改变，向光照度检测器出射；

所述光照度检测器检测所处位置的光通量并发送处理器；

所述处理器根据接收到的所述光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的温度传感器及温度检测方法，包括：光源、透明传感部件、光照度检测器以及处理器；透明传感部件位于光源的出光侧，光照度检测器位于透明传感部件出光方向上的设定位置，处理器与光照度检测器电连接；其中，透明传感部件的折射率随着温度的变化而变化；光源，用于向透明传感部件出射光线；透明传感部件，用于在不同温度条件下对入射光线的传播方向进行不同程度的改变，使设定位置的光通量发生变化；光照度检测器，用于检测设定位置的光通量；处理器，用于根据检测的光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度。采用本发明实施例提供的上述温度传感器进行温度检测可有效提高温度检测的敏感度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的温度传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的透明传感部件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的温度传感器的原理图；

图4为本发明实施例提供的透明传感部件的光路图之一；

图5为本发明实施例提供的透明传感部件的光路图之二；

图6为本发明实施例提供的温度检测方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种温度传感器及温度检测方法，具有较高的温度敏感度。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细介绍本发明具体实施例提供的温度传感器及温度检测方法。

如图1所示，本发明实施例提供的温度传感器，包括：光源11、透明传感部件12、光照度检测器13以及处理器14；透明传感部件12位于光源11的出光侧，光照度检测器13位于透明传感部件12出光方向上的设定位置，处理器14与光照度检测器13电连接；其中，透明传感部件12的折射率随着温度的变化而变化；

光源11，用于向透明传感部件12出射光线；

透明传感部件12，用于在不同温度条件下对入射光线的传播方向进行不同程度的改变，使设定位置的光通量发生变化；

光照度检测器13，用于检测设定位置的光通量；

处理器14，用于根据检测的光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度。

在具体实施时，光源通常位于固定位置且发射光束的强度恒定，由于透明传感部件的折射率对温度敏感，随温度的变化而发生变化，使得光源在的出射光在经过透明传感部件后会在透明传感部件与外界接触的界面处发生反射和/或折射，而光照度检测器通常情况下也固定于指定位置，该指定位置为透明传感部件出光方向上的某一位置，例如，如图1所示，光照度检测器可位于透明传感部件的右侧而；或者，也可位于透明传感部件的上侧或下侧，在此不做限定。在温度未发生变化时，光照度检测器在其设定位置检测到的光能量通常为一确定量；而在温度发生变化时，透明传感部件的折射率会发生变化，从而使得在透明传感部件各个界面处的反射光和折射光也随之变化，由此光照度检测器所在位置处的光通量随之变化，检测到的光通量为当前温度所对应的光通常。将温度与设定位置处的光通量的数据相对应并存储在上述的处理器中，在进行温度检测时，处理器在接收到光照度检测器检测到的光通量之后，可在存储的温度相关数据中确定出当前的温度。

由于本发明实施例提供的上述温度传感器中的透明传感部件采用的折射率可变的透明材料，其折射率随温度变化的性质为其自身所具备的物理特性，因此，只要选择折射率对温度较为敏感的材料还制作上述的透明传感部件，即可使温度传感器对温度具有较高的敏感度。

在实际应用中，上述折射率可变的透明材料一般为可流动性的液态介质，因此，在制作上述透明传感部件时，可在透明介质两侧增加透明基板，如图2所示，透明传感部件12可进一步包括：上基板121、下基板122以及位于上基板121和下基板122之间的透明介质123；其中，透明介质123的折射率随温度的变化而变化。

折射率可变的透明介质通常分为与温度呈正相关或与温度呈负相关的两种透明介质，而在实际应用中，大多数材料的折射率与温度负相关，以下将以这种材料为例对透明介质的折射率随着温度的变化关系，以及上述透明传感部件的温度检测原理进行具体说明。

如图3所示，为一种折射率随温度变化的透明介质，在常温下折射率为n₀，其上表面与下表面以外的环境折射率分别为n₁和n₂，常温下三者折射率的关系为：n₁<n₀>n₂。现以两束入射角固定的入射光线向透明介质入射，如图3中的左图所示，光线a由透明介质的下表面向其内部入射后发生折射再后向透明介质的上表面出射，入射到透明介质上表面时的入射角为θ₁，由于透明介质的折射率大于外界环境的折射率，因此，可能在上表面发生全反射，此时，全反射的临界角为θ>θ₁，光线在透明介质的上表面发生光折射后向外界环境入射；光线b在入射到透明介质时的入射角大于光线a，光线b透过透明介质向其上表面出射时的入射角θ₂>θ，因此光线b在上表面和下表面之间发生全反射，而不会在透明介质的上下两个表面出射，由透明介质的侧面出射。

随着温度的降低，透明介质的折射率增大，此时，透明介质向外界环境出射光线时的临界角θ’<θ，因此，光线a’和光线b’以与光线a和光线b相同的入射方向向透明介质入射时，透过透明介质入射到其上表面的入射角为θ₁’和θ₂’，且θ₁’和θ₂’均大于θ’，因此光线a’不再由透明介质的上下表面向外界出射，而是和光线b’在透明介质内部发生全反射，由透明介质的侧而出射。若在透明介质的侧面设置光照度检测器，则在当前温度下检测到的光通量会大于常温下检测到的光通量；若在透明介质的上侧设置江照度检测器，则在当前温度下检测到的光通量会小于常温下检测到的光通量，也就是说，光照度检测器所设置在不同的位置与温度的对应关系不同。具体地，当光照度检测器设置在透明介质的侧面时，检测到的光通量越大则对应的温度越低；当光照度检测器设置在透明介质的上侧或下侧时，检测到的光通量越大则对应的温度越小。同理，在选择折射率与温度正相关的材料时，上述的关系相反，在此不再赘述。

作为一种优选可实施的方式，如图4和图5所示，光源11可设置于透明介质123的一个侧面，光照度检测器13可设置于透明介质123背离光源11的另一侧面。将光源11设置于透明介质123的侧面，可使入射到透明介质内部的光线入射到透明介质上下表面的入射角较大，从而使得全反射于透明介质侧面出射入射到光照度检测器13的光线的变化量更加显著，更有利于光通量的检测。

在透明介质两侧增加基板之后的温度检测原理与上述类似。实际应用中可采用透明玻璃板或亚克力板作为上述的上下基板，其折射率在1.4-1.5之间，且上下基板的折射率随温度的变化的变化量很小，可忽略不计。光源可采用出射方向精确可控的发光装置，如激光器等，且光源的设置位置固定，发光强度保持恒定。透明介质的折射率可小于或大于基板的折射率。

以下仍以折射率与温度负相关的透明介质为例，对上述增加上下基板的透明传感部件的工作原理进行说明。

若透明传感部件放置于空气中，在常温情况下透明介质和基板折射率接近且均大于空气折射率。随着温度变化，基板和透明介质的折射率达到一个等值点，此时，如图4中的左图所示，侧入式的光源11的光线由透明传感部件的侧面入射，由于空气为光疏介质，光线由透明传感部件内部外空气中入射时，一部分光线会在上基板121和空气的界面，以及下基板122空气的界面处发生全反射，最终在透明传感部件的侧面出射，由光照度检测器13检测侧面出射的光通量；还有一部分光会由透明传感部件的上下表面折射到空气中。此时，若温度降低，则透明介质123的折射率增大，使得此时透明介质的折射率大于基板的折射率，如图4中的右图所示，此时由透明介质入射到基板(上基板121、下基板122)的光线，即光密入射到光疏介质的光线会使折射角增大，从而使得原小角度入射到基板与空气界面的光线变为大角度入射到该界面，继而在基板和空气界面会有更多的光线发生全反射，由透明传感部件的侧面出射而被光照度检测器13检测，因此，随着温度的下降光照度检测器所检测到的光通量随之增大。将各温度条件下检测的光通量对应，即可通过光通量的检测来确定当前温度。

由此，在将光源11设置在透明介质123的一个侧面，将光照度检测器13设置在透明介质123背离光源的另一侧面的前提下，当透明介质123的折射率随温度的升高而降低时(折射率与温度负相关)，光照度检测器13所检测的光通量随着温度的降低而增大；当透明介质123的折射率随温度的升高而升高时(折射率与温度正相关)，光照度检测器所检测的光通量随着温度的升高而增大。在实际应用中，可将光照度检测器13设置于合适的位置，并根据光照度检测器13的设置位置确定其检测的光通量与温度之间的对应关系。

在具体实施时，上述透明介质123可为各向同性的透明材料，如硅油、甘油或氧化钒等。或者，上述的透明介质123也可为各向异性的透明材料，如液晶等，在采用液晶材料作为透明介质时通常可采用对温度敏感的向列相液晶。各向同性的透明介质相比于各向异性的透明介质不会发生光散射，光路相对简单。

而在透明介质为液晶时，如图5所示，透明传感部件12，还包括：位于上基板121与液晶(即透明介质123)之间的第一取向层124，以及位于下基板122与液晶(即透明介质123)之间的第二取向层125。常温状态下，液晶的折射率大于基板(上基板121、下基板122)的折射率，在上下基板的内侧涂覆不规则取向层，可使液晶在其内部不规则排列，可使入射到液晶材料的光线向各方向散射，从而直接向基板外侧发射，在如图5中的左图所示。当温度升高时，液晶折射率降低，并趋向等同于基板折射率，因此在基板内部发生全反射的光线会增多，从而由侧面出射的光线的光通量也会随之增大，如图5中的右图所示。由此，将各温度条件下检测的光通量对应，即可通过光通量的检测来确定当前温度。

需要说明的是，本发明实施例提供的上述温度传感器中的透明介质均为对温度敏感的透明材料，而上述透明介质一般会在一温度范围内对温度较为敏感，而在超出该温度范围后折射率随温度的变化量并不明显。例如，上述的硅油、甘油、液晶等透明材料均在小于80℃折射率随温度的变化较为明显，因此适用于80℃以下的温度检测。而当选用折射率随温度的变化范围更大的透明材料来制作上述温度传感器时，可获得更大的温度检测范围，其原理与上述相同，本发明实施例不对这些材料进行限定。

进一步的，本发明实施例提供的上述温度传感器还可设置一用户交互界面，当处理器在确定出当前温度之后可将检测结构在用户交互界面进行展示。

另一方面，本发明实施例还提供一种基于上述任一温度传感器的温度检测方法，如图6所示，本发明实施例提供的上述温度检测方法，包括如下步骤：

S601、光源向透明传感部件发射强度恒定的光线；

S602、透明传感部件对透过透明传感部件内部的光线的传播方向进行改变，向光照度检测器出射；

S603、光照度检测器检测所处位置的光通量并发送处理器；

S604、处理器根据接收到的光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度。

在实际应用中，若测量环境中的光源较为稳定时，可将温度传感器中的光源替换为环境中的光源，其温度检测原理相同，此处不再赘述。若测量环境中的光源的强度随时间变化，例如，早晨和晚上的太阳光较弱而中午的太阳光较强，此时可针对不同时间段分别确定温度和固定检测位置的光通量之间的对应关系，从而针对不同时间段以相适应的温度数据进行温度检测。

上述的温度传感器及温度检测方法可应用于博物馆的展示橱窗，不占用多余面积，温度适宜时，可设置光源的光线在透明传感部件内部传导几乎不从表面出射，当感测到温度较高时部分光线从表面射出，一定程度上起到了补充照明的作用，从而可以降低原本的内部照明强度，对内部的温度和光强进行调制。

此外，现在智慧农业正在如火如荼地发展，大棚种植能够保温防水，可控调节作物生长条件，减小气候变化对农作物长势的影响。上述的温度传感器还可应用于大棚，夜间温度较低，对大鹏内部的光线增加，可以起到照明和增加棚内温度的有益效果。

本发明实施例提供的温度传感器及温度检测方法，包括：光源、透明传感部件、光照度检测器以及处理器；透明传感部件位于光源的出光侧，光照度检测器位于透明传感部件出光方向上的设定位置，处理器与光照度检测器电连接；其中，透明传感部件的折射率随着温度的变化而变化；光源，用于向透明传感部件出射光线；透明传感部件，用于在不同温度条件下对入射光线的传播方向进行不同程度的改变，使设定位置的光通量发生变化；光照度检测器，用于检测设定位置的光通量；处理器，用于根据检测的光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度。采用本发明实施例提供的上述温度传感器进行温度检测可有效提高温度检测的敏感度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种温度传感器，其特征在于，包括：光源、透明传感部件、光照度检测器以及处理器；所述透明传感部件位于所述光源的出光侧，所述光照度检测器位于所述透明传感部件出光方向上的设定位置，所述处理器与所述光照度检测器电连接；其中，所述透明传感部件的折射率随着温度的变化而变化；

所述光源，用于向所述透明传感部件出射光线；

所述透明传感部件，用于在不同温度条件下对入射光线的传播方向进行不同程度的改变，使所述设定位置的光通量发生变化；

所述光照度检测器，用于检测所述设定位置的光通量；

所述处理器，用于根据检测的所述光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度；

所述透明传感部件包括：透明介质，所述透明介质的折射率随温度的变化而变化；

所述光源位于所述透明介质侧面，所述光照度检测器位于透明介质背离所述光源的一侧，所述光源向所述透明传感部件出射的光线在所述透明介质中全反射；

所述设定位置处的光通量与温度的对应关系通过以下方式确定：

在温度未发生变化时，所述光照度检测器在设定位置检测到的光通量为一确定量；在温度发生变化时，所述光照度检测器在设定位置检测到的光通量变化；所述光照度检测器检测到的光通量为当前温度所对应的光通量；将温度与所述设定位置处的光通量的数据相对应并存储在所述处理器中。

2.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述透明传感部件还包括：上基板、下基板；所述透明介质位于所述上基板与所述下基板之间。

3.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述透明介质的折射率随温度的升高而降低；所述光照度检测器所检测的光通量随着温度的降低而增大。

4.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述透明介质的折射率随温度的升高而升高，所述光照度检测器所检测的光通量随着温度的升高而增大。

5.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述透明介质为各向同性的透明材料。

6.如权利要求5所述的温度传感器，其特征在于，所述透明介质为硅油、甘油或氧化钒。

7.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述透明介质为各向异性的透明材料。

8.如权利要求2所述的温度传感器，其特征在于，所述透明介质为液晶，所述透明传感部件，还包括：位于上基板与液晶之间的第一取向层，以及位于所述下基板与所述液晶之间的第二取向层。

9.基于如权利要求1-8任一项所述的温度传感器的温度检测方法，其特征在于，包括：

光源向透明传感部件发射强度恒定的光线；

所述透明传感部件对透过所述透明传感部件内部的光线的传播方向进行改变，向光照度检测器出射；

所述光照度检测器检测所处位置的光通量并发送处理器；

所述处理器根据接收到的所述光通量以及预先确定出的光通量与温度的对应关系确定出当前温度；

其中，所述透明传感部件包括：透明介质，所述透明介质的折射率随温度的变化而变化；

所述光源位于所述透明介质侧面，所述光照度检测器位于透明介质背离所述光源的一侧，所述光源向所述透明传感部件出射的光线在所述透明介质中全反射；

所述设定位置处的光通量与温度的对应关系通过以下方式确定：

在温度未发生变化时，所述光照度检测器在设定位置检测到的光通量为一确定量；在温度发生变化时，所述光照度检测器在设定位置检测到的光通量变化；所述光照度检测器检测到的光通量为当前温度所对应的光通量；将温度与所述设定位置处的光通量的数据相对应并存储在所述处理器中。

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