CN107677389A - 一种温度检测装置及家电设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种温度检测装置及家电设备，该装置包括：光纤传输模块，用于将激励光传送到家电设备的工作腔体内进行发射；具备荧光部的无线温度探测模块，用于无线接收所述激励光以激励所述荧光部发出荧光，并根据所述荧光的能量变化信息确定所述荧光部所处的环境温度。本发明克服了现有技术中非接触式测温的精度不高的缺陷。

Description

一种温度检测装置及家电设备

技术领域

本发明涉及家电技术领域，尤其涉及一种温度检测装置及家电设备。

背景技术

微波炉是一种加热、烹饪器具，温度测量与控制是实现最佳煮食效果的最重要手段。由于微波环境的特殊性，传统的温度传感器，如NTC(Negative TemperatureCoefficient，热敏电阻)、热电偶等，难以直接在微波炉中应用，因此，研究在微波炉中可正常测温的传感器尤其是无线温度传感器，是极具意义的。

此外，目前微波炉照明通常使用白炽灯或LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)灯，安装于微波炉侧壁通孔处，由于带热风或烧烤功能的微波炉侧壁温度往往较高，可到达250℃甚至更高，长期工作在高温环境容易导致白炽灯或LED灯失效，因此寻找一种可靠性高的炉腔照明装置是本领域亟待解决的问题。

现有技术已经提出了基于有线的光纤传感器进行微波炉食物温度检测的方案，由于为接触式测温，测量精度比非接触式传感器的精度高，温度控制效果较好，但是，由于光纤温度探针为有线温度探针，所以难以在带转盘的微波炉中使用，因为转盘转动时会导致线缠绕折损，因此应用范围受限。此外，由于光只在光纤线内部传输，因此无法用于光纤照明，使用场景单一。

现有技术中还提出了基于红外传感器进行微波炉食物温度探测的方案，由于为非接触式测温，传感器无需与食物接触，使用比较方便。但是，由于红外传感器测量精度容易受食物厚度、形状、颜色、反射率、高温蒸汽、测量距离等因素的影响，通常误差较大；此外，由于红外传感器只是测量食物表面温度，而非食物内部温度，容易导致温控效果较差，这也是目前该方案应用较少的原因。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种温度检测装置及家电设备，克服现有技术中非接触式测温的精度不高的缺陷。

本发明采用的技术方案是，所述温度检测装置，包括：

光纤传输模块，用于将激励光传送到家电设备的工作腔体内进行发射；

具备荧光部的无线温度探测模块，用于无线接收所述激励光以激励所述荧光部发出荧光，并根据所述荧光的能量变化信息确定所述荧光部所处的环境温度。

进一步的，所述光纤传输模块，包括：

激发光源，用于产生所述激励光；

第一光耦合模块，用于将所述激励光耦合进入第一光纤模块；

第一光纤模块，用于将进入的所述激励光传输至第二光耦合模块；

第二光耦合模块，用于将所述激励光发射到家电设备的工作腔体内。

进一步的，所述第一光耦合模块采用透镜耦合方式；

所述第一光纤模块采用数值孔径为0.27±0.05的石英光纤、以及采用PE(polyethylene，聚乙烯)、FEP(Fluorinated ethylene propylene，氟化乙烯丙烯共聚物)、PFA(Polytetrafluoro ethylene，可熔性聚四氟乙烯)、PTFE(Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)、PA(polyamide，聚酰胺)、PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)或陶瓷材料的光纤护套；

所述第二光耦合模块采用增加透镜的方式使所述激励光发散出去。

进一步的，所述无线温度探测模块，还包括：

荧光采集模块，位于家电设备的工作腔体内，用于无线接收所述激励光以激励所述荧光部发出荧光；

温度确定模块，用于根据所述荧光的能量变化信息确定所述荧光部所处的环境温度。

进一步的，在所述温度确定模块位于家电设备的工作腔体外的情况下：

所述荧光采集模块，包括：

第三光耦合模块，用于采用增加透镜的方式将所述激励光汇聚进入第二光纤模块；将第二光纤模块传输来的荧光通过透镜发散出去；

第二光纤模块，用于将汇聚进入的所述激励光传输至所述荧光部；将所述荧光部发出的荧光传输至第三光耦合模块；

所述温度确定模块通过所述光纤传输模块接收到所述第三光耦合模块发散出去的所述荧光。

进一步的，在所述温度确定模块位于家电设备的工作腔体外的情况下，在所述光纤传输模块中，

所述第二光耦合模块，还用于无线接收家电设备的工作腔体内的所述荧光并耦合进入第一光纤模块；

所述第一光纤模块，还用于将进入的所述荧光传输至第一光耦合模块；

所述第一光耦合模块，还用于将所述荧光传输至所述温度确定模块。

进一步的，在所述温度确定模块位于家电设备的工作腔体外的情况下，所述第一光纤模块和所述第二光纤模块均采用两根单模光纤组成的Y型光纤束，所述两根单模光纤分别用于传输所述激励光和所述荧光。

进一步的，在所述温度确定模块位于家电设备的工作腔体内的情况下：

所述荧光采集模块，包括：

第三光耦合模块，用于采用增加透镜的方式将所述激励光汇聚进入第二光纤模块；

第二光纤模块，用于将汇聚进入的所述激励光传输至所述荧光部；将所述荧光部发出的荧光发送给所述温度确定模块。

进一步的，在所述温度确定模块位于家电设备的工作腔体内的情况下，所述无线温度探测模块，还包括：

发送模块，用于将所述荧光部所处的环境温度信息通过无线方式传送给家电设备的主控板。

进一步的，所述第二光纤模块采用两根单模光纤组成的Y型光纤束，所述两根单模光纤分别用于传输所述激励光和所述荧光。

进一步的，所述温度确定模块，包括：

光电探测模块，用于将所述荧光转换为电信号后输入锁相检测模块；

锁相检测模块，用于对输入的电信号进行锁相环路处理后输出频率信号用于驱动所述激发光源周期性的发出激励光；

计算模块，用于根据所述频率信号计算出所述荧光的寿命，根据所述荧光的寿命确定出所述荧光部所处的环境温度。

进一步的，所述温度确定模块，包括：

光电探测模块，用于将所述荧光转换为电信号后输入温度检测模块；

温度检测模块，用于根据所述电信号所反映出的荧光能量衰减曲线确定出所述荧光的寿命，根据所述荧光的寿命确定出所述荧光部所处的环境温度；

激发光源驱动模块，用于按照设定的周期驱动所述激发光源发出激励光。

进一步的，所述光电探测模块，包括：

滤光片，用于滤除所述激励光对所述荧光的干扰后，将所述荧光输入到光电转换电路；

光电转换电路，用于对输入的所述荧光进行光电转换后得到电信号；

带通滤波放大器，用于对所述电信号进行带通滤波及放大处理后输出。

本发明还提供一种家电设备，包括上述温度检测装置。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述温度检测装置及家电设备，由于在家电设备的工作腔内无线温度探测模块与光纤传输模块是采用无线连接的，一方面可以是实现在家电设备的工作腔内的照明，且由于光纤的耐高温特性，可以在将本发明所述照明装置应用于微波炉、烤箱等家用电器时，在不增加额外成本的基础上极大的提高照明装置的可靠性，另一方面避免了现有技术通过有线方式测温时产生的线缆缠绕问题。本发明巧妙的采用激励光照明与激发荧光进行测温的技术手段相结合，提出了一种应用于家电设备的新的荧光测温方式，避免了非接触式测温的测量准确性低、以及传统温度传感器无法通过无线传输的方式反馈测量信号的缺陷。本发明极大的提升了家用设备的无线温度探测能力以及拓宽了家电设备的应用范围。

附图说明

图1为本发明第一实施例的温度检测装置的组成结构示意图；

图2为本发明第一、二实施例的温度确定模块的一种实现方式示意图；

图3为本发明第一、二实施例的温度确定模块的另一种实现方式示意图；

图4为本发明第二实施例的温度检测装置的组成结构示意图；

图5为本发明第四实施例的微波炉结构正视框图；

图6为本发明第四实施例的微波炉结构右视框图；

图7为本发明第四实施例的无线测温兼照明装置的框图；

图8为本发明第四实施例的光纤传输线缆示意图；

图9为本发明第四实施例的无线温度探针示意图；

图10为本发明第四实施例的微波炉温度控制流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

本发明第一实施例，一种温度检测装置，如图1所示，包括：光纤传输模块100和具备荧光部的无线温度探测模块200，其中，

1)光纤传输模块100，用于将激励光传送到家电设备的工作腔体内进行发射；

2)具备荧光部23的无线温度探测模块200，用于无线接收所述激励光以激励荧光部23发出荧光，并根据所述荧光的能量变化信息确定荧光部23所处的环境温度。

可选的，光纤传输模块100，包括：

激发光源11，用于产生所述激励光；

第一光耦合模块12，用于将所述激励光耦合进入第一光纤模块；

第一光纤模块13，用于将进入的所述激励光传输至第二光耦合模块；

第二光耦合模块14，用于将所述激励光发射到家电设备的工作腔体内。

进一步的，第一光耦合模块12采用透镜耦合方式，这种方式通过透镜对光线折射，将尽量多的光能导入光纤，这种方式相比于直接将光纤对准激发光源发光面的直接耦合方式，效率更高。

第一光纤模块13采用数值孔径为0.27±0.05的石英光纤，具有较高的光耦合效率，此外，考虑到保护以及耐高温，第一光纤模块13采用PE、FEP、PEA、PTFE、PA、PVC或陶瓷材料的光纤护套。

第二光耦合模块14采用增加透镜的方式使所述激励光发散出去，增加透镜的方式增大了光发射面积。

关于荧光部23中的荧光材料的选择，以激发光源为蓝光LED为例，由于蓝色LED光谱的波峰正好与Cr³⁺：YAG的一个吸收带重合，因此可激发Cr³⁺：YAG材料发出强烈的荧光。当然，还可以采用黄绿光、绿光、紫光、紫外光源替代蓝光LED作为激发光源。

进一步的，所述无线温度探测模块200，还包括：

荧光采集模块21，位于家电设备的工作腔体内，用于无线接收所述激励光以激励荧光部23发出荧光；

温度确定模块22，用于根据所述荧光的能量变化信息确定荧光部23所处的环境温度。

本发明实施例详细介绍的是，在温度确定模块22位于家电设备的工作腔体外的情况下的技术方案，比如：温度确定模块22可以位于家电设备的电器室内且与主控板相连，温度确定模块22可将确定出的荧光部23所处的环境温度发送给家电设备的主控板，家电设备的主控板基于所述荧光部所处的环境温度对家电设备的工作状态进行调整控制。

所述荧光采集模块21，包括：

第三光耦合模块21-1，用于采用增加透镜的方式将所述激励光汇聚进入第二光纤模块21-2；将第二光纤模块21-2传输来的荧光通过透镜发散出去；

第二光纤模块21-2，用于将汇聚进入的所述激励光传输至荧光部23；将荧光部23发出的荧光传输至第三光耦合模块21-1；

温度确定模块22用于通过光纤传输模块100接收到第三光耦合模块21-1发散出去的所述荧光。

可选的，在本发明实施例中，由于采用了荧光测温方式，需要光纤传输模块100兼具传输激励光和荧光两个作用，故光纤传输模块100为了将第三光耦合模块21-1发散出去的所述荧光收集到并传输给温度确定模块22，在光纤传输模块100中，

第二光耦合模块14，还用于无线接收家电设备的工作腔体内的所述荧光并耦合进入第一光纤模块13；

第一光纤模块13，还用于将进入的所述荧光传输至第一光耦合模块12；

第一光耦合模块12，还用于将所述荧光传输至温度确定模块22。

可选的，第一光纤模块13和第二光纤模块21-2均采用两根单模光纤组成的Y型光纤束，所述两根单模光纤分别用于传输所述激励光和所述荧光。

下面介绍本发明实施例可以应用的温度确定模块22的两种实现方式：

第一种：如图2所示，温度确定模块22，包括：

光电探测模块22-1，用于将所述荧光转换为电信号后输入锁相检测模块；

锁相检测模块22-2，用于对输入的电信号进行锁相环路处理后输出频率信号用于驱动所述激发光源周期性的发出激励光；

计算模块22-3，用于根据所述频率信号计算出所述荧光的寿命，根据所述荧光的寿命确定出荧光部23所处的环境温度。

在上述第一种实现方式中，锁相检测模块13输出的频率信号有以下两个作用：一是将该频率信号作为驱动信号去控制激发光源11发出激励光，二是根据该频率信号计算出荧光部31所处的环境温度。

第二种：如图3所示，温度确定模块22，包括：

光电探测模块22-1，用于将所述荧光转换为电信号后输入温度检测模块；

温度检测模块22-4，用于根据所述电信号所反映出的荧光能量衰减曲线确定出所述荧光的寿命，根据所述荧光的寿命确定出荧光部23所处的环境温度；

激发光源驱动模块22-5，用于按照设定的周期驱动激发光源11发出激励光。

上述第二种实现方式与第一种实现方式相比，未使用返回的荧光对应的电信号在锁相检测模块的输出频率信号作为驱动信号对激发光源11发出激励光进行控制，而是使用激发光源驱动模块22-5发出设定的周期的控制信号去驱动激发光源11发出激励光，该周期的设定只要能保证根据荧光衰减曲线能够确定出环境温度即可。而根据荧光能量衰减曲线确定出所述荧光的寿命以及根据所述荧光的寿命确定出荧光发光处环境温度的具体计算过程，均是基于荧光测温技原理的公知技术，相关计算公式可以参见第四实施例中的记载，故此处不详述。

在温度确定模块22的上述两种实现方式中，光电探测模块22-1，包括：

滤光片，用于滤除所述激励光对所述荧光的干扰后，将所述荧光输入到光电转换电路；

光电转换电路，用于对输入的所述荧光进行光电转换后得到电信号；光电转换电路可以具体选用PIN结光电二极管和电流电压转换电路来实现；

带通滤波放大器，用于对所述电信号进行带通滤波及放大处理后输出。由于所述荧光的信号非常微弱，为了抑制噪声对所述荧光的干扰，采用带通滤波放大器，用于在抑制带外噪声的同时放大带内的荧光信号，从而提高温度检测精度。

本发明实施例的所述温度检测装置，由于在家电设备的工作腔内无线温度探测模块200中荧光采集模块21与光纤传输模块100之间是采用无线连接的，一方面可以实现在家电设备的工作腔内的照明，且由于光纤的耐高温特性，可以在将本发明实施例所述照明装置应用于微波炉、烤箱等家用电器时，在不增加额外成本的基础上极大的提高照明装置的可靠性，另一方面避免了现有技术通过有线方式测温时产生的线缆缠绕问题。本发明实施例巧妙的采用激励光照明与激发荧光进行测温的技术手段相结合，提出了一种应用于家电设备的新的荧光测温方式，避免了非接触式测温的测量准确性低、以及传统温度传感器无法通过无线传输的方式反馈测量信号的缺陷。

本发明第二实施例，一种温度检测装置，如图4所示，包括：光纤传输模块100和具备荧光部的无线温度探测模块200，其中，

1)光纤传输模块100，用于将激励光传送到家电设备的工作腔体内进行发射；

2)具备荧光部23的无线温度探测模块200，用于无线接收所述激励光以激励荧光部23发出荧光，并根据所述荧光的能量变化信息确定荧光部23所处的环境温度。

可选的，光纤传输模块100，包括：

激发光源11，用于产生所述激励光；

第一光耦合模块12，用于将所述激励光耦合进入第一光纤模块；

第一光纤模块13，用于将进入的所述激励光传输至第二光耦合模块；

第二光耦合模块14，用于将所述激励光发射到家电设备的工作腔体内。

进一步的，第一光耦合模块12采用透镜耦合方式，这种方式通过透镜对光线折射，将尽量多的光能导入光纤，这种方式相比于直接将光纤对准激发光源发光面的直接耦合方式，效率更高。

第一光纤模块13采用数值孔径为0.27±0.05的石英光纤，具有较高的光耦合效率，此外，考虑到保护以及耐高温，第一光纤模块13采用PE、FEP、PEA、PTFE、PA、PVC或陶瓷材料的光纤护套。

第二光耦合模块14采用增加透镜的方式使所述激励光发散出去，增加透镜的方式增大了光发射面积。

关于荧光部23中的荧光材料的选择，以激发光源为蓝光LED为例，由于蓝色LED光谱的波峰正好与Cr³⁺：YAG的一个吸收带重合，因此可激发Cr³⁺：YAG材料发出强烈的荧光。当然，还可以采用黄绿光、绿光、紫光、紫外光源替代蓝光LED作为激发光源。

进一步的，无线温度探测模块200，还包括：

荧光采集模块21，位于家电设备的工作腔体内，用于无线接收所述激励光以激励荧光部23发出荧光；

温度确定模块22，用于根据所述荧光的能量变化信息确定荧光部23所处的环境温度。

本发明实施例详细介绍的是，在温度确定模块22位于家电设备的工作腔体内的情况下的技术方案，比如：无线温度探测模块200为一探针形状，荧光采集模块21和温度确定模块22均位于该探针形的无线温度探测模块200内。

本发明实施例与第一实施例的区别是，由于温度确定模块22位于家电设备的工作腔体内，就无须通过光纤传输模块100获取荧光，温度确定模块22可以直接接收到荧光部23发出荧光。

当温度确定模块22确定出荧光部23所处的环境温度后，可以通过设定的无线频率发送给家电设备的主控板，由于温度确定模块22基于接收到的荧光进行温度计算的过程是有一个计算模块在家电设备的工作腔内完成的，需要对该计算模块设置电磁波屏蔽，以屏蔽微波炉等家电设备的工作腔内的微波辐射干扰。另外，用于发送环境温度数据时所用的设定的无线频率需要避开微波频段等家电设备工作时辐射的电磁波频段，以保证家电设备的主控板能够成功的无线接收到环境温度数据，以便家电设备的主控板基于荧光部23所处的环境温度对家电设备的工作状态进行调整控制。

在温度确定模块22位于家电设备的工作腔体内的情况下，荧光采集模块21，包括：

第三光耦合模块21-1，用于采用增加透镜的方式将所述激励光汇聚进入第二光纤模块21-2；

第二光纤模块21-2，用于将汇聚进入的所述激励光传输至所述荧光部23；将所述荧光部23发出的荧光发送给温度确定模块22。

可选的，无线温度探测模块200，还包括：

发送模块，用于将所述荧光部23所处的环境温度信息通过无线方式传送给家电设备的主控板。

可选的，第二光纤模块21-2采用两根单模光纤组成的Y型光纤束，所述两根单模光纤分别用于传输所述激励光和所述荧光。

下面介绍本发明实施例可以应用的温度确定模块22的两种实现方式：

第一种：如图2所示，温度确定模块22，包括：

光电探测模块22-1，用于将所述荧光转换为电信号后输入锁相检测模块；

锁相检测模块22-2，用于对输入的电信号进行锁相环路处理后输出频率信号用于驱动所述激发光源周期性的发出激励光；

计算模块22-3，用于根据所述频率信号计算出所述荧光的寿命，根据所述荧光的寿命确定出荧光部23所处的环境温度。

第二种：如图3所示，温度确定模块22，包括：

光电探测模块22-1，用于将所述荧光转换为电信号后输入温度检测模块；

温度检测模块22-4，用于根据所述电信号所反映出的荧光能量衰减曲线确定出所述荧光的寿命，根据所述荧光的寿命确定出荧光部23所处的环境温度；

激发光源驱动模块22-5，用于按照设定的周期驱动激发光源11发出激励光。

可选的，激发光源驱动模块22-5可以位于光纤传输模块100中的激发光源11附近，便于对激发光源11进行驱动，在另一种模块划分方式中，也可以考虑将激发光源驱动模块22-5归入光纤传输模块100中，这都是本领域技术人员可以根据实际需要灵活设计的。

在温度确定模块22的上述两种实现方式中，光电探测模块22-1，包括：

滤光片，用于滤除所述激励光对所述荧光的干扰后，将所述荧光输入到光电转换电路；

光电转换电路，用于对输入的所述荧光进行光电转换后得到电信号；光电转换电路可以具体选用PIN结光电二极管和电流电压转换电路来实现；

带通滤波放大器，用于对所述电信号进行带通滤波及放大处理后输出。由于所述荧光的信号非常微弱，为了抑制噪声对所述荧光的干扰，采用带通滤波放大器，用于在抑制带外噪声的同时放大带内的荧光信号，从而提高温度检测精度。

本发明实施例的所述温度检测装置，由于在家电设备的工作腔内无线温度探测模块200中荧光采集模块21与光纤传输模块100之间是采用无线连接的，一方面可以实现在家电设备的工作腔内的照明，且由于光纤的耐高温特性，可以在将本发明实施例所述照明装置应用于微波炉、烤箱等家用电器时，在不增加额外成本的基础上极大的提高照明装置的可靠性，另一方面避免了现有技术通过有线方式测温时产生的线缆缠绕问题。本发明实施例巧妙的采用激励光照明与激发荧光进行测温的技术手段相结合，提出了一种应用于家电设备的新的荧光测温方式，避免了非接触式测温的测量准确性低、以及传统温度传感器无法通过无线传输的方式反馈测量信号的缺陷。

本发明第三实施例，一种家电设备，包括如第一或二实施例所述的温度检测装置。该家电设备可以是微波炉、烤箱等。

可选的，所述家电设备的工作腔体内设有一收纳部件，在温度确定模块位于家电设备的工作腔体外的情况下，收纳部件用于收纳无线温度探测模块的荧光采集模块；或者，在温度确定模块位于家电设备的工作腔体内的情况下，收纳部件用于收纳整个无线温度探测模块。

可选的，在所述照明装置中，光纤传输模块的一端固定于家电设备的工作腔体内侧壁上，光纤传输模块中除去固定于家电设备的工作腔体内侧壁上的部分之外的其余部分均位于家电设备的电器室内。家电设备的工作腔体内侧壁通常为金属侧壁。

本发明实施例的家电设备，在不增加额外成本的基础上极大的提高了照明装置的可靠性，同时避免了现有技术通过有线方式测温时产生的线缆缠绕问题。

本发明第四实施例，本实施例是在第一实施例的基础上，以家电设备是微波炉为例，结合附图5～10介绍一个本发明的应用实例。

本发明实施例的介绍一种微波炉，其中包含无线测温兼照明装置，基于光纤技术来实现，详述如下：

一、微波炉系统的设计

本发明实施例提出的微波炉结构简图分别如图5和图6所示，其中图5为正视图，图6为右视图。

图5中，1为微波炉腔体，用于盛放食物、实现微波加热与烹饪；2为电器室，用于安装风扇、变频器(或变压器)、磁控管、电脑板、滤波板等电器元件；3为电脑板(或称为主控板)，用于控制微波炉工作；4为光纤变送器(类似于前述实施例中的光纤变送模块)，用于实现照明和温度检测的控制与信号处理；5为光纤传输线缆(类似于第一实施例中的光纤传输模块)，用于传输光信号；6为无线温度探针(类似于前述实施例中的无线温度探测模块)，用于探测食物内部温度；7为微波炉腔体与电气腔体之间的金属侧壁，用于微波隔离、通风与导光；8为光纤温度探针卡扣，用于收纳或固定无线温度探针6，避免不使用时丢失；9为器皿与食物，无线温度探针6扎在食物中以实现内部温度检测；10为光信号示意标记，描述光照明以及光通信的过程。

图6中，编号3、4、5、7与图5中代表部件的一致，14为磁控管，用于产生微波；11为变频器(或变压器)，为磁控管提供电源；12为输入电源接口与滤波板，用于提供电源、并降低传导辐射等干扰；13为风扇，用于磁控管、变频器(或变压器)、电脑板等关键部件的散热。

图6中可见，光纤传输线缆5不仅用于导光、也用于光通信，把无线温度探针的温度信息采集回来，由于LED灯安装在光纤变送器4中，远离金属侧壁7，并且风扇13正对光纤变送器4吹风，因此LED灯工作温度通常低于80℃，从而解决了高温工作的问题。

二、无线测温兼照明装置的设计

如图7所示，无线测温兼照明装置主要包括三大部分：光纤变送器4、光纤传输线缆5、无线温度探针6，其中光纤变送器4与光纤传输线缆5为有线连接，而光纤传输线缆5与无线温度探针6采用无线光通信。此外，光纤变送器4包括：电源/通信接口、激发光源、光电探测电路和锁相检测电路；光纤传输线缆4包括：光耦合器1、光纤1及护套和光耦合器2，分别如图8中51、52、53所示；无线温度探针6包括：光耦合器3、光纤及护套2和荧光材料(类似于前述实施例中的荧光部)，分别如图9中61、62、63所示。

1)电源/通信接口

该无线测温兼照明装置可采用12V或者5V供电，由微波炉电脑板提供，通信采用RS485协议，RS485协议为半双工通信、差分传输，最远通信距离为1200米，差分电压输入范围为-7V～+12V，输入阻抗≥12kΩ。上位机电脑板通过RS485协议实现对光纤传感器的控制与信号采集，通信的可靠性较强。

2)激发光源

常用的光源主要有半导体激光器LD和半导体发光二极管LED。LD强度大、调制方便，但其辐射功率大、光谱宽度较窄。而LED温度敏感性低、可靠性高、体积小、价格低、驱动电路简单，其出射光是非相干光、谱线较宽、辐射角较大，因此对于具有较宽吸收谱的荧光物质来说，LED是较好的选择。尽管黄绿光、绿光、蓝光、紫光、紫外光均可激发荧光材料产生荧光，考虑到无线光纤温度传感器可用于微波炉腔体内部照明，以节约硬件成本，而蓝光更具神秘感，因此本发明实施例采用蓝色超高亮发光LED作为激发光源。激发光源发出的激励光不仅用于微波炉腔体照明，也用于激发荧光材料产生荧光，其中心波长为430nm，光谱半宽度为40nm，额定电流为40mA。

本发明实施例采用荧光发光测温技术。当固体受到能量激励后会产生发光现象，不管是光致发光、阴极发光、还是场致发光，发光都是由于电子在能级E₁与能级E₂之间跃迁(E₁<E₂)，从而伴随光波发射的过程，如公式1所示：

其中，h普朗克常数，c为光速，λ为发出光子的波长。由于E₁与E₂总是处于两条能带之中，因此通常测到的光不是某一波长的光，而是某一波段的光。当激励停止后，发光现象仍维持一段时间，这段时间的长短等于电子在能级E₁与E₂之间的跃迁时间，发出的光通常称为荧光，处于可见光波段范围内。

3)光电探测电路

光电探测电路将接收到的微弱荧光信号转换为电信号，光电探测电路具有较高的灵敏度、响应时间短、噪声低、长期稳定性好等优点，本发明实施例选用PIN结光电二极管、以及电流电压转换电路作为前端处理电路。由于荧光信号非常微弱，为了抑制噪声对检测信号的干扰，在光电探测器后面需增加带通滤波放大器，在抑制带外噪声的同时放大带内的荧光信号，从而提高温度检测精度。此外，光电探测器前面需增加滤光片，滤除激励光对荧光信号的干扰。

4)锁相检测电路

荧光测温方式的工作机理是基于发射光的衰减特性进行测温。光纤将脉冲调制光源的激发光传输到荧光材料，同时把荧光材料的发射光谱传送到光电探测器中进行检测，基于荧光衰减特性测量出温度的大小。荧光强度随时间变化关系如下所示：

I＝I₀e^-t/τ (2)

荧光强度I从I₀衰减到I₀/e的时间即荧光寿命τ，通常情况下，温度越高荧光的寿命越短。温度T与荧光寿命τ关系如下所示：

其中，R_E、R_T、ΔE、k均为常数。因此只要测得荧光寿命，则根据上式可得到温度值。由于荧光寿命和温度的关系是由材料本身特性确定，与光强无关，因此这种测温方法抗干扰能力强、精度较高。

经过滤波后，荧光信号进入锁相检测电路，锁相检测电路稳定后输出的频率信号作为控制信号，驱动控制激发光源发出激励光，从而使荧光材料发出周期性的荧光，同时输出的频率信号还用于计算得出所测食物的温度值。激励光采用正弦调制，检测的正弦波频率ω与寿命τ关系为：

其中，A为常数。

5)光耦合器1

光耦合器1主要用于把LED激励光耦合进光纤1中，同时把光纤1中的荧光耦合出去给光电探测器。为了提高激励光强度以及接收的荧光强度，需提高光耦合器的效率。

光纤与光源的耦合分为直接耦合和间接耦合，直接耦合是指直接将光纤对准光源发光面，虽然直接耦合容易实现，但效率较低，通常小于20％。本发明采用间接耦合，又称透镜耦合，通过透镜对光线折射，将尽量多的光能导入光纤，这种方法效率较高。间接耦合的距离系数为：

其中，L₀为LED到透镜的距离，D为LED芯径，L透镜到光纤的距离，为d为光纤芯径，NA为光纤的数值孔径，公式如下：

其中，n₁为光纤芯的折射率，n₂为光纤包层的折射率。因此，根据光纤的材料可得到NA，从而根据D和d求出距离系数F，以及距离L₀、L。

6)光纤1及护套

本发明实施例中光纤1采用Y型光纤束，由两根单模光纤组成，分别用于传输激励光、采集荧光。考虑到石英光纤的纤芯和包层材料耐热温度高达500℃，性能稳定，抗拉强度高，可挠性高，因此采用石英光纤用于激发光传输和荧光采集。本发明实施例选择的石英光纤数值孔径NA为0.27，具有较高的光耦合效率。此外，考虑到保护以及耐温，光纤护套可选用PE、FEP、PFA、PTFE、PA、PVC、或陶瓷等材料。

7)光耦合器2

光耦合器2主要用于把光纤1中的激励光耦合出去，同时把荧光耦合进光纤1中。为了提高激励光强度以及荧光强度，也需要提高光耦合器的效率。同上所述，这里也增加透镜来提高光的耦合效率，使激励光发散出去，一方面增加光照射面积，另一方面增加通信范围。由于无线光纤温度探针在微波炉中的位置可能会改变，因此增大通信范围非常重要。

8)光耦合器3

光耦合器3主要用于把激励光耦合进光纤2中，同时把光纤2中的荧光耦合出去。为了提高激励光强度以及接收的荧光强度，需要提高光耦合器的效率。同上所述，这里也增加透镜来提高光的耦合效率，把空间中的激励光汇聚进来，同时增加荧光发射面积，实现无线光传输。

9)光纤2及护套

本发明实施例中光纤2也采用Y型光纤束，由两根单模光纤组成，分别用于传输激励光、采集荧光。同上所述，选择的石英光纤数值孔径NA为0.27，具有较高的光耦合效率。此外，考虑到保护、耐温以及食品安全标准，光纤护套可选用PE、FEP等材料，护套材料可清洗和弯折。

10)荧光材料

由于蓝色LED光谱的波峰正好与Cr³⁺：YAG的一个吸收带重合，因此可激发Cr³⁺：YAG材料发出强烈的荧光。由于激励光并没有完全被Cr³⁺：YAG荧光材料吸收，为了消除激励光对荧光信号的影响，需要增加滤光片，滤光片的截止波长为670nm，以滤除大多数的激励光，可选的，还可以增加干涉片，干涉片的中心波长取为687nm，以保证全部的荧光都能够通过。

综上，本发明实施例的无线测温兼照明装置，包括以下两种光传输路径：

(一)激发光传输路径：激励光源LED发出蓝光通过光耦合器1耦合进入光纤传输线缆，在通过光纤传输线缆的光耦合器2发射到在微波炉腔体内进行照明，同时由无线温度探针的光耦合器3将发射到在微波炉腔体内的蓝光耦合进入无线温度探针并照射荧光材料，使荧光材料发出荧光。

(二)荧光传输路径：荧光材料发出的荧光以此通过无线温度探针的光耦合器3发射、光纤传输线缆的光耦合器2接收后，经光纤传输线缆的光耦合器1传输到光纤变送器的光电探测电路、锁相检测电路，光电探测电路将光信号转换成电信号输出给所锁相检测电路，锁相检测电路基于所述电信号输出频率信号，本发明实施例基于该频率信号做以下两件事：一是将该频率信号作为驱动信号去控制激发光源发出激励光，二是根据该频率信号计算出荧光部所处的环境温度。

本发明实施例的光纤传输线缆5、以及光纤变送器4中的激发光源共同组成了第一实施例的光纤照明传输模块，本发明实施例的无线温度探针6、以及光纤变送器4中的光电探测电路、锁相检测电路和与主控板交互的电源通信接口共同组成了第一实施例的无线温度探测模块。

另外，基于以上测得的食物的温度，本发明实施例的微波炉可以进行对食物加热的温度控制，具体的控制流程如图10所示，主要包括以下步骤：

步骤S1：开始，设置微波炉火力和温度目标、启动工作；

步骤S2：无线测温兼照明装置进行数据采集与信号处理，实现在线照明并实时获取食物温度信息；

步骤S3：判断食物温度是否达到目标值，若未达到则继续加热，否则暂停加热或者保持恒温并等待用户选择是否需要调整火力与控温目标；

若用户设定的时长内选择需要调整火力与控温目标则跳转到步骤S1，否则结束加热或烹饪。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (14)

1.一种温度检测装置，其特征在于，包括：

光纤传输模块，用于将激励光传送到家电设备的工作腔体内进行发射；

具备荧光部的无线温度探测模块，用于无线接收所述激励光以激励所述荧光部发出荧光，并根据所述荧光的能量变化信息确定所述荧光部所处的环境温度。

2.根据权利要求1所述的温度检测装置，其特征在于，所述光纤传输模块，包括：

激发光源，用于产生所述激励光；

第一光耦合模块，用于将所述激励光耦合进入第一光纤模块；

第一光纤模块，用于将进入的所述激励光传输至第二光耦合模块；

第二光耦合模块，用于将所述激励光发射到家电设备的工作腔体内。

3.根据权利要求2所述的温度检测装置，其特征在于，所述第一光耦合模块采用透镜耦合方式；

所述第一光纤模块采用数值孔径为0.27±0.05的石英光纤、以及采用聚乙烯PE、氟化乙烯丙烯共聚物FEP、可熔性聚四氟乙烯PFA、聚四氟乙烯PTFE、聚酰胺PA、聚氯乙烯PVC或陶瓷材料的光纤护套；

所述第二光耦合模块采用增加透镜的方式使所述激励光发散出去。

4.根据权利要求2所述的温度检测装置，其特征在于，所述无线温度探测模块，还包括：

荧光采集模块，位于家电设备的工作腔体内，用于无线接收所述激励光以激励所述荧光部发出荧光；

温度确定模块，用于根据所述荧光的能量变化信息确定所述荧光部所处的环境温度。

5.根据权利要求4所述的温度检测装置，其特征在于，在所述温度确定模块位于家电设备的工作腔体外的情况下：

所述荧光采集模块，包括：

第三光耦合模块，用于采用增加透镜的方式将所述激励光汇聚进入第二光纤模块；将第二光纤模块传输来的荧光通过透镜发散出去；

第二光纤模块，用于将汇聚进入的所述激励光传输至所述荧光部；将所述荧光部发出的荧光传输至第三光耦合模块；

所述温度确定模块通过所述光纤传输模块接收到所述第三光耦合模块发散出去的所述荧光。

6.根据权利要求5所述的温度检测装置，其特征在于，在所述光纤传输模块中，

所述第二光耦合模块，还用于无线接收家电设备的工作腔体内的所述荧光并耦合进入第一光纤模块；

所述第一光纤模块，还用于将进入的所述荧光传输至第一光耦合模块；

所述第一光耦合模块，还用于将所述荧光传输至所述温度确定模块。

7.根据权利要求6所述的温度检测装置，其特征在于，所述第一光纤模块和所述第二光纤模块均采用两根单模光纤组成的Y型光纤束，所述两根单模光纤分别用于传输所述激励光和所述荧光。

8.根据权利要求4所述的温度检测装置，其特征在于，在所述温度确定模块位于家电设备的工作腔体内的情况下：

所述荧光采集模块，包括：

第三光耦合模块，用于采用增加透镜的方式将所述激励光汇聚进入第二光纤模块；

第二光纤模块，用于将汇聚进入的所述激励光传输至所述荧光部；将所述荧光部发出的荧光发送给所述温度确定模块。

9.根据权利要求8所述的温度检测装置，其特征在于，所述无线温度探测模块，还包括：

发送模块，用于将所述温度确定模块确定出所述荧光部所处的环境温度信息通过无线方式传送给家电设备的主控板。

10.根据权利要求8所述的温度检测装置，其特征在于，所述第二光纤模块采用两根单模光纤组成的Y型光纤束，所述两根单模光纤分别用于传输所述激励光和所述荧光。

11.根据权利要求4所述的温度检测装置，其特征在于，所述温度确定模块，包括：

光电探测模块，用于将所述荧光转换为电信号后输入锁相检测模块；

锁相检测模块，用于对输入的电信号进行锁相环路处理后输出频率信号用于驱动所述激发光源周期性的发出激励光；

计算模块，用于根据所述频率信号计算出所述荧光的寿命，根据所述荧光的寿命确定出所述荧光部所处的环境温度。

12.根据权利要求4所述的温度检测装置，其特征在于，所述温度确定模块，包括：

光电探测模块，用于将所述荧光转换为电信号后输入温度检测模块；

温度检测模块，用于根据所述电信号所反映出的荧光能量衰减曲线确定出所述荧光的寿命，根据所述荧光的寿命确定出所述荧光部所处的环境温度；

激发光源驱动模块，用于按照设定的周期驱动所述激发光源发出激励光。

13.根据权利要求11或12所述的温度检测装置，其特征在于，所述光电探测模块，包括：

滤光片，用于滤除所述激励光对所述荧光的干扰后，将所述荧光输入到光电转换电路；

光电转换电路，用于对输入的所述荧光进行光电转换后得到电信号；

带通滤波放大器，用于对所述电信号进行带通滤波及放大处理后输出。

14.一种家电设备，其特征在于，包括：如权利要求1～13中任一项所述的温度检测装置。