CN111157140A - 一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构，包括一基板，所述基板上设置有孔洞，在所述基板上侧的孔洞上设置有桥，所述桥上设置有一光发射器件，其中，在所述基板下侧的孔洞处设置有光电转换器件，其中，在所述孔洞上方设置有一光纤，所述光纤一端间隔所述孔洞上方设置，另一端连接荧光材料，其通过利用激励光通过光纤照到荧光材料上并发射出荧光，荧光通过同一光纤照射在基板孔上，再通过滤光器件被光电转换装置接收并转化为电信号，最终利用测得的荧光信号推算出对应温度，本发明结构简单、功能强大、灵敏度高、受光面积大、耦合效率高、热干扰小，具有极高的商业价值。

Description

一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域和集成优化设计技术领域，尤其是一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构。

背景技术

在测量科学和工业控制过程中，温度是最重要的被测参数之一。它在许多应用领域有重要的作用，热力学、流体力学、物理、化学、宇航等学科中所研究的基本规律都与温度有密切关系。温度传感器有着广泛的应用，多年来一直是研究的重点和热点。目前，在工业部门中，大功率电器设备关键部件的温升和易燃、易爆、强腐蚀环境下的温度检测等等，都遇到了电磁波对温度信息的强烈干扰。测量这类对象的温度，用光纤温度传感器有其独特的优点。荧光光纤温度传感器因为其可靠性高、绝缘性能好、抗电磁干扰强、重复性好、响应速度快等诸多优点，受到人们的广泛关注，并解决了长期以来困扰相关行业在高电压、电磁干扰和化学腐蚀等特殊工业环境下的温度监测技术难题，也慢慢成为了进行温度测量的最佳手段。

荧光光纤温度传感器利用荧光物质的荧光光谱随温度的变化特性制成了光纤荧光温度传感器，通常情况下荧光光纤温度传感器由一种带有感温荧光材料探头的光纤、一个光发射和光电转换装置组成，而目前市场上的荧光光纤温度传感器还是存在较多缺点，如美国专利US5470155，光发射器发射出的激励光通过半透半反镜照到光纤的荧光材料上，荧光材料吸收激励光并发射出与温度有关的荧光，荧光通过半透半反镜被光电转换装置接收并转化为电信号。光发射和光电转换装置在空间上分离，不仅体积较大，不易集成小型化，而且光纤与光发射和光电转换装置需要分别对准，这样影响了温度测量的准确性，而美国的另一个专利US8308357中，将光发射和光电转换装置平行地放在同一框架内，使得器件小型化，光纤只需与框架对准一次。然而，当光发射和光电转换装置封装在一起时，光发射器件会对光电转换装置产生极大的影响，如由光发射器件的自热效应产生的热干扰。平行放置的光发射和光电转换装置无法与光纤端面中心同时对准，光发射装置和光纤的耦合效率差，光电转换装置的受光面少，荧光光纤温度传感器的灵敏度低。

因此，目前市场上并没有一种能够解决上述技术问题的，一种设计简单，灵敏度高、受光面积大、耦合效率高、热干扰小，将光发射器件和光电转换器分开放置在一开孔基板两端的光电转换结构，具体地，并没有一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构。

发明内容

针对现有技术存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构，包括一基板，所述基板上设置有孔洞，在所述基板上侧的孔洞上设置有桥，所述桥上设置有一光发射器件，其中，

在所述基板下侧的孔洞处设置有光电转换器件，其中，

在所述孔洞上方设置有一光纤，所述光纤一端间隔所述孔洞上方设置，另一端连接荧光材料。

优选地，还包括一滤光器件，所述滤光器件设置在所述光发射器件与所述光电转换器件之间。

优选地，其特征在于，还包括一填充材料，所述填充材料填充在所述孔洞中。

优选地，其特征在于，所述填充材料为聚酰亚胺。

优选地，还包括一驱动电路，所述驱动电路为所述光发射器件提供驱动信号。

优选地，所述驱动电路设置在所述基板的上方、下方或者内部。

优选地，还包括一处理电路，所述处理电路在工作状态下检测光电转换器件测得的荧光信号。

优选地，所述处理电路设置在所述基板的上方、下方或者内部。

优选地，还包括I/O模块，所述I/O模块连接所述驱动电路以及所述处理电路。

优选地，所述I/O模块设置在所述基板的上方、下方或者基板边缘。

优选地，所述基板为如下材料中的任一种：

印刷电路板；

玻璃；

陶瓷；或者

金属。

优选地，所述桥设置在所述孔洞的任意直径方向。

优选地，所述光发射器件设置在所述桥的中部。

优选地，所述光发射器件的发射光为激光或者LED光。

优选地，所述荧光材料为发光特性与温度相关联的材料。

本发明提供了一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构，其通过利用激励光通过光纤照到荧光材料上并发射出荧光，荧光通过同一光纤照射在基板孔上，再通过滤光器件被光电转换装置接收并转化为电信号，最终利用测得的荧光信号推算出对应温度，本发明结构简单、功能强大、操作方便，具有极高的商业价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了根据本发明的具体实施方式的，一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构的具体示意图；

图2示出了本发明的第一实施例的，一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构的俯视图；

图3示出了本发明的第二实施例的，一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构的侧视截面图；以及

图4示出了本发明的第三实施例的，一种荧光光纤温度传感器的各组件及其相互关系的示意图。

具体实施方式

为了更好的使本发明的技术方案清晰地表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1示出了根据本发明的具体实施方式的，一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构的具体示意图，具体地，本发明的目的是提供一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构，包括一基板，本领域技术人员理解，所述基板为如下材料中的任一种：印刷电路板；玻璃；陶瓷；或者金属，在一个优选地实施例中，所述基板的制作材料为印刷电路板，而在其他实施例中，所述基板的材料可以根据实际情况进行选择使用，较佳的为印刷电路板(PCB)，但并不局限于上述几种材料，可以为任意材料。

进一步地，所述基板上设置有孔洞，在所述基板上侧的孔洞上设置有桥，所述桥上设置有一光发射器件，如图1所示，所述基板上设有孔洞，所述孔洞上方设有桥，本发明中的“孔”指在基板表面上形成的孔状的结构物，所述孔的形状和大小可以是任意的，较佳的稍大于光发射器件和光电转换器件，本领域技术人员可以根据实际需要对孔的直径、间距及深度适当地进行调整，只要是能够在孔洞中置入所述桥，优选地，所述孔的大小可以稍微大于所述光发射器件和光电转换器件，便于所述桥能够嵌入所述基板，此外，为了在基板上应用孔和多孔性结构物，

在所述基板上使用机械加工而成，也可以通过激光打孔制作而成，所述孔洞制作技术包括但不限于以上几种，只要能够在基板上制作孔洞即可，从而能够在基板上的孔洞设置光发射器件与光转换器件。

进一步地，在所述基板上侧的孔洞上设置有桥，所述桥上设置有一光发射器件，所述桥通过对所述基板进行机械加工或者激光打孔形成的，所述桥与孔和洞的形状要相适应，所述基板上设有孔洞，所述孔洞上方设置有桥，所述桥较佳地可由与基板相同的材料构成，但也可以为其他材质的材料，并不影响本发明的实施效果，在此不予赘述。所述光发射器件位于桥上任意位置，优选地，可以位于桥中部的位置，所述桥的形状，尺寸和位置是任意的，本领域技术人员可以根据实际需要对桥的形状、大小适当地进行调整，优选地，桥尺寸可稍大于光发射器件，其目的使桥位置可沿着孔直径方向。

在一个优选地实施例中，所述基板由印刷电路板材料制作而成，通过激光打孔技术对所述基板右侧进行加工，形成孔洞，所述孔洞的尺寸为3mm*4mm，在所述孔洞上方设置桥，所述桥由印刷电路板材料制作而成，所述桥的尺寸为1mm*3mm，光发射器件位于基板上方桥的中心位置处，所述光发射器件的发射光为LED光，所述光发射器件的尺寸小于桥的尺寸，所述光电转换器件位于基板下方桥的中心位置处。

在一个极为特殊的实施例中，所述基板的材料为玻璃，所述桥的材料为陶瓷，所述基板的材料不同于桥的材料，所述玻璃基板通过机械加工形成孔洞，所述孔洞下方设有桥，所述桥上置有光发射器件，所述光电转换器件位于所述孔洞的上方，本领域技术人员理解，所述光发射器件和光电转换器件可以设置在所述桥的上方，也可以设置在所述桥的下方，在此不予赘述。

所述光发射器件是用于将电信号转变为光信号，是由光发射机来完成的，而光发射机中的关键器件是光源，其中所述光源可以为任何光源，还包括LED、激光，但并不局限于上述几种光源，优选地，所述光发射器件的发射光谱较佳的为一窄带光谱，且与荧光材料的激发光谱相符合，所述光源可以为LED，LED光源方向性好，能量高度集中，普遍采用蓝光LED作为光发射器件，在一个优选地实施例中，所述光发射器件的光源为LED光源，而在其他实施例中，所述光发射器件的光源可以根据实际情况进行调整，并不局限于LED光源。

进一步地，在所述基板下侧的孔洞处设置有光电转换器件，如图1所示，所述基板上设有孔，所述孔的两侧分别设有光发射器件与光转换器件，所述光电转换器位于所述基板的孔洞上的光发射器件相对的基板另一侧，所述光电转换器件可为光电导，光伏或光电子发射器件，

较佳的为光电二极管，本领域人员理解，光电发射器件在发出激光后，所述激光通过光纤照射到荧光材料上发射出荧光，荧光通过光纤经过孔，经过滤光器件，最终被光电转换器件接收，光电转换器件用于在测得的荧光信号，推算出对应温度。

进一步地，所述光发射器件的发射光为激光或者LED光，所述光发射器件的发射光与所述荧光材料的激发光谱要相符合，本领域技术人员理解，所述激发光谱是指发光材料在不同的波长激发下，某一波长的发光谱线的强度与激发波长的关系，激发光谱反映了不同波长的光激发材料的效果，所述LED光的激发光谱以及所述激光的激光光谱与所述荧光的激发光谱较为符合，均为一窄带光谱，且与荧光材料的激发光谱相符合，

进一步地，在所述孔洞上方设置有一光纤，所述光纤一端间隔所述孔洞上方设置，另一端连接荧光材料，所述光纤位于所述孔洞的上方，所述光纤的两端中，一端与荧光材料连接，另一端位于孔洞的上方，与孔洞间隔设置，所述光纤的受光端的端面中心与光发射器件和光电转换器件的中心位于同一轴线上，本领域技术人员理解，所述光纤的受光端的端面中心与光电转换器件与光发射器件的中心保持在同一直线上能够保证光发射器件向光纤发射的激励光，激励光通过光纤照射到荧光材料上发射出荧光，最终能够被光电转换器件接收大部分。

进一步地，还包括一滤光器件，所述滤光器件设置在所述光发射器件与所述光电转换器件之间，如图1所示，所述滤光器件被设置在所述基板和所述光电转换器的中间位置，本领域技术人员理解，所述滤光器件位于光发射器件和光电转换器件之间，可置于基板上方或下方，也可置于孔中，所述滤光器件用于过滤光发射器件发射的部分激励光，保护光电转换器件不受到激励光的干扰，以免干扰结果。所述滤光器件可为二向色滤光片，带通滤光片，截止滤光片等滤光器件，也可以为其他滤光片，在此不予赘述，所述滤光片用来滤除光发射器件的发射光，透过荧光材料发射的荧光，滤光器件的形状，尺寸和位置是任意的，较佳的其尺寸可稍大于孔洞的尺寸。

在一个极为特殊的实施例中，所述滤光器件被设置在孔洞中，所述基板上设有孔洞，在所述孔洞的上方设有桥，所述桥的上方设置有光发射器件，所述光电转换器件被设置所述孔洞的下方，所述滤光器件被设置在所述孔洞的内部，所述滤光器件的直径与所述孔洞的直径相适应，所述滤光器件上的滤光片能直接滤除光发射器件的发射光，本领域技术人员理解，所述滤光器件用于滤除所述光发射器件的发射光，因此所述滤光器件的位置位于光发射器件和光电转换器件之间即可，优选地可置于基板上方或下方，也可置于孔中，在此不予赘述。

图2示出了本发明的第一实施例，一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构的俯视图，具体地，还包括一填充材料，如图2所示，所述填充材料填充在所述孔洞中，所述填充材料可选择性的为滤光材料，在一定程度上能够滤除光发射器件的发射光，所述填充材料为聚酰亚胺，聚酰亚胺这种材料具有耐高温、耐低温、高强高模、高电绝缘、耐腐蚀等缺点，本领域技术人员理解，在将聚酰亚胺作为填充材料填充到所述孔洞内后，所述孔洞就能滤除光发射器件的发射光，所述填充材料的多少可根据所述基板上的孔洞大小来进行增减。

图3示出了本发明的第二实施例的，一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构的侧视截面图，如图3所示，光发射器件，光电转换器件和光纤所在轴线与基板平行处于同一条线上，光发射器件，光电转换器件和滤光器件分别位于基板1A两侧，基板1A中有孔，其中可选择性的有填充材料，本领域技术人员理解，本发明所述的荧光光纤温度传感器的光发射器件，光电转换器件和光纤所在轴线，既可以与基板垂直，如第一实施例的图1和图2所示，也可以与其平行，或按其它位置摆放。

进一步地，基板1A可以与基板一体成型，也可分开制作后组装在一起，在组装的情况下，可以使用焊接，胶黏，机械固定等方法。基板1A较佳的可由与基板相同的材料构成，也可为其他材料。

图4示出了本发明的第三实施例的，一种荧光光纤温度传感器的各组件及其相互关系的示意图，具体地，还包括一驱动电路，所述驱动电路为所述光发射器件提供驱动信号，所述驱动电路设置在所述基板的上方、下方或者内部，所述驱动电路被设置在所述基板的上方、下方或中部，本领域技术人员理解，所述驱动电路可以被设置在所述基板的任意位置，所述驱动电路的位置并不影响本发明的技术效果，例如，在一个优选地实施例中，所述驱动电路被设置在所述基板的内部，而在其他实施例中，所述驱动电路被设置在所述基板的上方，所述驱动电路的位置可以根据实际情况进行调整，并不局限于以上位置。

进一步地，所述驱动电路用于向所述光发射器件提供驱动信号，它将电功率转换成光功率，并将要传输的电信号调制到光源的输出上，它对光源同时提供偏置电流和随数字信号而变化的调制电流。

进一步地，还包括一处理电路，所述处理电路在工作状态下检测光电转换器件测得的荧光信号，所述处理电路位于所述基板的上方、下方或者内部，所述处理电路被设置在所述基板的上方、下方或中部，本领域技术人员理解，所述处理电路可以被设置在所述基板的任意位置，所述处理电路的位置并不影响本发明的技术效果，所述驱动电路的位置可以根据实际情况进行调整，并不局限于以上位置。

进一步地，所述处理电路在工作状态下检测光电转换器件测得的荧光信号，本领域技术人员理解，所述处理电路是光电转换结构的重要组成部分，它的性能好坏是整个光电转换结构的综合反映，所述处理电路的作用是将光纤传输过来的光信号转变为电信号，再经过放大、均衡、判决电路，恢复出发射端的原始信号，在本发明中，所述处理电路用于检测光电转换器件测得的荧光信号，推算出对应温度，优选地是利用荧光衰减时间测定温度。

进一步地，还包括I/O模块，所述I/O模块连接所述驱动电路以及所述处理电路，所述I/O模块设置在所述基板的上方、下方或者基板边缘，本领域技术人员理解，所述I/O模块可选择性的分布在所述基板的上方、下方和基板的两侧边缘上，在一个优选地实施例中，所述I/O模块位于所述基板的上方，而在其他实施例中，所述I/O模块位于所述基板的边缘，所述I/O模块的位置可根据实际情况进行调整，并不局限于上述位置，较佳的位于基板边缘。

进一步地，所述I/O模块连接所述驱动电路以及所述处理电路，本领域技术人员理解，所述I/O模块通过无线、有线或者电感式的感应线圈连接所述驱动电路以及所述处理电路，例如，所述无线通讯可以是红外，蓝牙，ZigBee，Wi-Fi等，不限于以上几种通讯方式，本领域技术人员理解，所述I/O模块用于接收来自上位机的任何控制信号，传输给驱动电路，所述I/O模块将处理电路处理后的荧光或温度信息传输给上位机，所述I/O模块可通过有线通信模块，无线通信模块，也可直接通过电感式的感应线圈与上位机通讯。

在一个优选地实施例中，所述上位机通过Wi-Fi与所述光电转换结构中的I/O模块进行连接，并实时传送控制信号，例如，所述电脑通过Wi-Fi与所述光电转换结构中的I/O模块进行连接，并发出所述光发射器件的光强为3800，所述I/O模块接收此控制信号。

进一步地，所述I/O模块连接所述驱动电路，所述I/O模块用于接收来自上位机的任何控制信号，传输给驱动电路，所述驱动电路为光发射器件提供驱动信号，使光发射器件发出一脉冲激励光，激励光通过光纤照射到荧光材料上发射出荧光，荧光通过光纤经过孔，经过滤光器件，最终被光电转换器件接收，部分激励光会通过光纤照射到孔上，但经过滤光器件和填充材料可将其滤除，保护光电转换器件不受其干扰，而所述处理电路对光电转换器件测得的荧光信号进行检测，并推算出对应温度。

进一步地，所述桥设置在所述孔洞的任意直径方向，所述孔的形状和大小可以是任意的，较佳地为圆形，如图2所示，所述孔洞的为圆形，所述桥可以设置在所述孔洞的任意一条直径上，所述桥的位置可以为孔洞中的任意一条直径，只要达到让所述光发射器件与桥和孔洞处于同一水平轴上的要求。

进一步地，所述光发射器件设置在所述桥的中部，如图2所示，所述光发射器件被设置在所述孔洞上的桥的中部位置，本领域技术人员理解，此做法能够让所述光发射器件与桥和孔洞处于同一水平轴上，能够使光发射器件发射的激励光与光纤的耦合效率高。

例如，在一个优选地实施例中,首先电脑发出控制信号，所述控制信号内容为命令光发射器件的发光时间为三分钟，I/O模块接收来自智能终端上的控制信号，传输给驱动电路，驱动电路为光发射器件提供驱动脉冲信号，使光发射器件发出一脉冲激励光，发光持续三分钟，所述激励光通过光纤照射到荧光材料上发射出荧光，荧光通过光纤经过孔，经过滤光器件，最终被光电转换器件接收，而处理电路检测光电转换器件测得的荧光信号，用荧光衰减时间测定温度，推算出对应温度为39℃，I/O模块将推算出来的温度信息传输给智能终端。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，但这不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

Claims (15)

1.一种荧光光纤温度传感器的光电转换结构，其特征在于，包括一基板(1)，所述基板上设置有孔洞(2)，在所述基板上侧的孔洞上设置有桥(3)，所述桥上设置有一光发射器件(4)，其中，

在所述基板下侧的孔洞处设置有光电转换器件(5)，其中，

在所述孔洞上方设置有一光纤(6)，所述光纤一端间隔所述孔洞上方设置，另一端连接荧光材料(7)。

2.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，还包括一滤光器件(8)，所述滤光器件设置在所述光发射器件与所述光电转换器件之间。

3.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，还包括一填充材料(9)，所述填充材料填充在所述孔洞中。

4.根据权利要求3所述的光电转换结构，其特征在于，所述填充材料为聚酰亚胺。

5.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，还包括一驱动电路(11)，所述驱动电路为所述光发射器件提供驱动信号。

6.根据权利要求5所述的光电转换结构，其特征在于，所述驱动电路设置在所述基板的上方、下方或者内部。

7.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，还包括一处理电路(12)，所述处理电路在工作状态下检测光电转换器件测得的荧光信号。

8.根据权利要求5所述的光电转换结构，其特征在于，所述处理电路设置在所述基板的上方、下方或者内部。

9.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，还包括I/O模块(13)，所述I/O模块连接所述驱动电路以及所述处理电路。

10.根据权利要求9所述的光电转换结构，其特征在于，所述I/O模块设置在所述基板的上方、下方或者基板边缘。

11.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，所述基板为如下材料中的任一种：

印刷电路板；

玻璃；

陶瓷；或者

金属。

12.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，所述桥设置在所述孔洞的任意直径方向。

13.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，所述光发射器件设置在所述桥的中部。

14.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，所述光发射器件的发射光为激光或者LED光。

15.根据权利要求1所述的光电转换结构，其特征在于，所述荧光材料为发光特性与温度相关联的材料。

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