CN112393819B - 一种温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度传感器，包括：光源、耦合器、回音壁谐振腔、以及光谱检测器；其中，回音壁谐振腔为体积随温度变化的热敏材质谐振腔，用于对入射至回音壁谐振腔内的光线进行共振叠加形成共振光波；耦合器用于将光源的光线耦入回音壁谐振腔且将回音壁谐振腔中的共振光波耦出并输入至光谱检测器；光谱检测器用于检测共振光波的共振波峰波长。本申请利用热敏材料制成的回音壁谐振腔，并利用形成的共振光波的波峰波长对回音壁谐振腔的半径变化敏感度高，实现对待测物温度的高精度检测，即便待测物的温度非常微小波动导致回音壁谐振腔体积变化非常小，也能够在共振光波波峰中体现出来，提高接触式温度传感器的检测精度。

Description

一种温度传感器

技术领域

本发明涉及温度传感技术领域，特别是涉及一种温度传感器。

背景技术

温度测量在生化分析、环境监测、健康生活方式等领域发挥着重要作用。传统的温度测量主要分为接触式和非接触式两种，非接触式的测温设备最常用的是红外热像仪，而接触式测温设备多为电传感器，主要采用热敏电阻或热敏电偶等热敏材料感应温度变化。这种电传感器因为其自身热敏材料性能的原因，灵敏度并不高，对于对温度测量精度要求较高的应用场合中难以达到测量要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度传感器，提高了接触式温度传感器的检测精度，有利于接触式温度传感器的广泛应用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种温度传感器，包括：光源、耦合器、回音壁谐振腔、以及光谱检测器；

其中，所述回音壁谐振腔为体积随温度变化的热敏材质谐振腔，用于对入射至所述回音壁谐振腔内的光线进行共振叠加形成共振光波；

所述耦合器用于将所述光源的光线耦入所述回音壁谐振腔且将所述回音壁谐振腔中的共振光波耦出并输入至所述光谱检测器；

所述光谱检测器用于检测所述共振光波的共振波峰波长。

在本申请的一种可选地实施例中，所述耦合器为光纤耦合器，所述光纤耦合器为一端具有楔形斜端面的光纤；

所述回音壁谐振腔设置在所述光纤耦合器具有所述楔形斜端面的一端，所述光源和所述光谱检测器设置在所述光纤耦合器背离所述回音壁谐振腔的一端；

所述光纤耦合器通过所述楔形斜端面将所述光源入射至所述光纤耦合器中的光线耦入所述回音壁谐振腔，且通过所述楔形斜端面将所述共振光波从所述回音壁谐振腔耦出并耦入所述光纤耦合器，并通过所述光纤耦合器输入至所述光谱检测器。

在本申请的一种可选地实施例中，所述光纤耦合器的带有楔形斜端面的一端的端面包括斜平面和竖直平面，所述竖直平面为和所述光纤耦合器的长度方向垂直的表面，且所述竖直平面上设置有反光膜层。

在本申请的一种可选地实施例中，所述反光膜层为氮化硅膜层。

在本申请的一种可选地实施例中，所述楔形斜端面和所述光纤耦合器长度方向的夹角为0度～15度或75度～90度。

在本申请的一种可选地实施例中，所述回音壁谐振腔的外表面和所述光纤耦合器的楔形斜端面的最小间距为0.5微米至1微米。

在本申请的一种可选地实施例中，所述回音壁谐振腔为PDMS实心球或PDMS实心圆盘。

在本申请的一种可选地实施例中，所述回音壁谐振腔的外表面设置有反光膜层，且所述回音壁谐振腔和所述耦合器相耦合的位置表面不设置反光膜层。

在本申请的一种可选地实施例中，所述回音壁谐振腔的半径为200微米至250微米。

本发明所提供的温度传感器，包括：光源、耦合器、回音壁谐振腔、以及光谱检测器；其中，回音壁谐振腔为体积随温度变化的热敏材质谐振腔，用于对入射至回音壁谐振腔内的光线进行共振叠加形成共振光波；耦合器用于将光源的光线耦入回音壁谐振腔且将回音壁谐振腔中的共振光波耦出并输入至光谱检测器；光谱检测器用于检测共振光波的共振波峰波长。

本申请提供了一种新的接触式温度传感器，利用热敏材料制成的回音壁谐振腔，并采用光纤耦合器将光线耦入至回音壁谐振腔内，使得光线在回音壁谐振腔即可形成共振光波，且基于回音壁谐振腔内产生共振光波的原理可知，该共振光波的波峰波长对回音壁谐振腔的半径变化敏感度高，即便是回音壁谐振腔的体积发生微小变化，共振光波的波峰波长也会相应偏移，再利用光谱检测器对共振光波的波峰进行检测，即可确定回音壁谐振腔的和待测物发生热传递后的温度大小，进而实现对待测物温度的高精度检测。由此本申请中的温度传感器，即便待测物的温度非常微小波动导致回音壁谐振腔体积变化非常小，也能够在共振光波波峰中体现出来，由此可以实现温度的高精度检测。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的温度传感器的光路结构示意图。

具体实施方式

在传统的接触式温度传感器中，主要通过将热敏电阻和待测物相互接触，使得热敏电阻和待测物之间发生热递，而热敏电阻的电阻大小随温度变化而变化。在热敏电阻两端的电压大小不变的情况下，输出的的电流值大小和电阻成反比，因此，电流变化的大小也即反映了热敏电阻的温度高低。但是这种接触式温度传感器电流表对电流大小测量精度有限，甚至当待测物温度发生微小波动时，电流波动也相对较小时，往往难以经过电流变化识别出来。

为此，本申请提供了一种能够提高接触式测温的测温精度的技术方案，下面将以具体实施例进行详细说明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的温度传感器的光路结构示意图，该温度传感器可以包括：

光源1、耦合器2、回音壁谐振腔3、以及光谱检测器4；

其中，回音壁谐振腔3为体积随温度变化的热敏材质谐振腔，用于对入射至回音壁谐振腔3内的光波进行共振叠加形成共振光波；

耦合器2用于将光源1的光线耦入回音壁谐振腔3且将回音壁谐振腔3中的共振光波耦出并输入至光谱检测器4；

光谱检测器4用于检测共振光波的共振波峰波长。

需要说明的是，当光沿具有旋转对称的几何结构的腔体边缘通过反射传播时，若在腔体边缘的两次反射之间的光路是波长的整数倍，会产生干涉加强现象即共振现象，形成驻波也即是共振光波，这种驻波模式称之为回音壁模式，用来约束光场形成驻波的几何结构的腔体即被称为回音壁谐振腔。回音壁谐振腔具有很高的品质因子和较小的体积(半径在微米量级)，能极大地增强腔体内光场与物质相互作用，因此回音壁谐振腔具有极高的传感灵敏度，广泛应用于各种传感检测中。常见的回音壁谐振腔包含微球腔、微盘腔和微芯圆环腔等。

在回音壁谐振腔内形成的共振光波，共振波峰的波长和回音壁谐振腔的半径之间满足m为正整数，λ为共振波峰的波长，n为回音壁谐振腔相对于外部环境介质的折射率，应当大于1。目前对回音壁谐振腔作为传感器应用时，一般是将该回音壁谐振腔置于待测物中，相应地，回音壁谐振腔外部基于待测物的不同对应的环境介质的折射率也就不同，对应的产生的共振波峰的波长也就不同，由此，基于共振波峰的波长不同，即可将回音壁谐振腔应用于不同待测物的检测。

而本申请中在利用回音壁谐振腔3进行温度检测时，并不利用回音壁谐振腔3感应外部环境折射率变化这一原理进行检测，而是利用回音壁谐振腔3的体积大小随温度变化导致直径大小发生变化，从而影响回音壁谐振腔3中发生共振的共振波峰的波长变化，实现温度检测。

如图1所示，本申请中的回音壁谐振腔3可以直接和待测物相互接触发生热传递，因为回音壁谐振腔3的体积大小随着温度的变化而变化，也即是回音壁谐振腔3的半径发生变化。因为一般光谱检测器4对共振光波的波长检测可以达到纳米量级，依据即便回音壁谐振腔3的半径只发生微小变化，其共振波峰的波长即可发生偏移，基于共振波峰的波长检测也可以识别出来，由此即可实现待测物温度的精准检测。

综上所述，本申请中提供了一种利用回音壁谐振腔作为温度传感检测元件的温度传感器，利用回音壁谐振腔的体积随温度变化，而回音壁谐振腔内共振光波的共振波峰波长偏移对回音壁谐振腔体积变化灵敏度高这一特性，并通过光谱检测器对检测回音壁谐振腔中形成的共振光波的共振波峰波长高精度检测，确定该共振波峰波长对应的温度大小，进而实现对待测物温度的高精度检测，在很大程度上提高了接触式温度传感器的精度和灵敏性，有利于接触式传感器的高精度检测和广泛应用。

进一步地，对于常规的回音壁谐振腔而言，其光线在回音壁谐振腔内传输，利用的是回音壁谐振腔的材质密度大于外界环境介质的密度，使得光线入射至腔体边缘向腔体外传输属于光密向光疏传输，并发生全反射，进而使得光线无法动腔体内输出，由此在腔体内形成驻波，而外界环境介质的折射率不同，又导致共振波峰的波长不同。

因为，本申请中并不需要回音壁谐振腔3依据外界环境介质的折射率变化而使得共振波峰发生变化，而是利用体积的改变使得共振波峰的波长发生变化，也即是说，本申请中的回音壁谐振腔3无需感应环境介质的折射率。为了增强回音壁谐振腔3内的光波共振，也避免外界环境介质折射率发生变化对检测温度产生干扰，本申请中可以进一步的在回音壁谐振腔3的外表面设置反光膜层，以隔绝回音壁谐振腔3的腔内和腔外的光线传输。当然，为了能够将光线耦入至回音壁谐振腔3内，并将共振光波耦出，应当在回音壁谐振腔3整个表面的反光膜层上预留回音壁谐振腔3与耦合器之间耦合位置不设置反光膜层形成透光孔。

另外，对于常规的回音壁谐振腔3而言，一般采用空腔结构，本申请中为了提高回音壁谐振器3体积变化对温度的敏感度，可以将回音壁谐振腔3做成实心球体或者实心圆盘。对于回音壁谐振腔3的材质可以采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)，也可以采用其他体积随温度变化的材料，对此本申请中不做具体限制。

如前所述，对于回音壁谐振腔3内的共振光波的波峰波长满足依据常规激光器可输出的光波波长范围，可以将回音壁谐振腔3的半径设定在200微米至250微米。

如前所述，回音壁谐振腔3需要配合耦合器使用，通过耦合器2将光源1的光线耦入回音壁谐振腔，并将回音壁谐振腔3的共振光波耦出并输入至光谱检测器4。目前回音壁谐振腔应用中常见的耦合器主要包括棱镜耦合器，锥形光纤耦合器，T型耦合器。棱镜耦合器和T型耦合器均存在结构体积大，且使用时需要校准器件进行校准，不易实现。而锥形光纤是将普通光纤的中间段加热软化后拉细形成锥形结构，在拉细部位极易断裂，因此结构稳定性低，结构脆弱。

为此，在本申请的一种可选地实施例中，和回音壁谐振腔3配合使用的耦合器2，可以采用光纤耦合器，该光纤耦合器为一端具有楔形斜端面21的光纤；

回音壁谐振腔3设置在光纤耦合器具有楔形斜端面21的一端，光源1和光谱检测器4设置在光纤耦合器背离回音壁谐振腔3的一端；

光纤耦合器通过楔形斜端面21将光源1入射至光纤耦合器中的光线耦入回音壁谐振腔3，且通过楔形斜端面21将共振光波从回音壁谐振腔3耦出并耦入光纤耦合器，并通过光纤耦合器输入至光谱检测器4。

如图1所示，该楔形斜端面21贴近但不贴合回音壁谐振腔3的外表面设置，该光纤耦合器的楔形斜端面21和回音壁谐振腔3外表面的最小间距应当在0.5微米至1微米的范围，使得光纤耦合器和回音壁谐振腔3之间的耦合效率尽可能的高。

另外，对于楔形斜端面21的倾斜角度，可以设置在小于0度至15度之间或者是75度至90度之间，当然这一倾斜角度是指该楔形斜端面21和光纤耦合器长度方向的夹角，优选的该夹角在12.5度或者是77.5度。

需要说明的是，图1中将光源1光线耦入回音壁谐振腔3的光纤耦合器，和将共振光波耦出回音壁谐振腔3并输入至光谱检测器4的光纤耦合器是共用了同一个光纤耦合器。但是在实际应用中，分别采用两个相同的光纤耦合器，两个光纤耦合器的楔形斜端面21均贴近回音壁谐振腔3的外表面设置，且一个光纤耦合器背离回音壁谐振腔3的一端设置光源1，另一光纤耦合器背离回音壁谐振腔3的一端设置光谱检测器4也能实现本申请的技术方案。但为了尽可能的简化温度传感器的结构，两个光纤耦合器共用，能够提高光纤耦合器的利用率，减少温度传感器的空间体积。

另外，当共振光波通过光纤耦合器端部的楔形斜端面21耦入至光纤耦合器内时，耦入的共振光波是向各个方向传输的，这也就导致部分光波向远离光纤耦合器设置光谱检测器4的一端传输，并从光纤耦合器中耦出而无法检测。为此，在本申请的可选地实施例中，为了提高光谱检测器4检测到的共振光波的光强，可以将光纤耦合器设置楔形斜端面21的一端的端面设置成斜平面和竖直平面22拼接形成的端面，并且竖直平面22的表面还设置有反射膜层23。

其中，斜平面为和光纤耦合器长度方向成锐角的楔形斜端面21，而竖直平面22为和光纤耦合器长度方向相互垂直的表面。该竖直平面上设置有反射膜层23，可以使得从楔形斜端面21耦入的共振光波中向远离光谱检测器4的一端传输的光波入射至竖直平面22后被反射入射至纤芯24，并在纤芯24中发生全反射传输至光谱检测器4，从而提高光谱检测器4对共振光波的检测效率。

对于竖直平面22表面的反射膜层23可以采用氮化硅膜层也可以采用其他反射膜层，对此本申请中不做具体限制。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种温度传感器，其特征在于，包括：光源、耦合器、回音壁谐振腔、以及光谱检测器；

其中，所述回音壁谐振腔为体积随温度变化的热敏材质谐振腔，用于对入射至所述回音壁谐振腔内的光线进行共振叠加形成共振光波；

所述耦合器用于将所述光源的光线耦入所述回音壁谐振腔且将所述回音壁谐振腔中的共振光波耦出并输入至所述光谱检测器；

所述光谱检测器用于检测所述共振光波的共振波峰波长；

所述耦合器为光纤耦合器，所述光纤耦合器为一端具有楔形斜端面的光纤；

所述回音壁谐振腔设置在所述光纤耦合器具有所述楔形斜端面的一端，所述光源和所述光谱检测器设置在所述光纤耦合器背离所述回音壁谐振腔的一端；

所述光纤耦合器通过所述楔形斜端面将所述光源入射至所述光纤耦合器中的光线耦入所述回音壁谐振腔，且通过所述楔形斜端面将所述共振光波从所述回音壁谐振腔耦出并耦入所述光纤耦合器，并通过所述光纤耦合器输入至所述光谱检测器；

所述光纤耦合器的带有楔形斜端面的一端的端面包括斜平面和竖直平面，所述竖直平面为和所述光纤耦合器的长度方向垂直的表面，且所述竖直平面上设置有反光膜层。

2.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述反光膜层为氮化硅膜层。

3.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述楔形斜端面和所述光纤耦合器长度方向的夹角为0度～15度或75度～90度。

4.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述回音壁谐振腔的外表面和所述光纤耦合器的楔形斜端面的最小间距为0.5微米至1微米。

5.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述回音壁谐振腔为PDMS实心球或PDMS实心圆盘。

6.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述回音壁谐振腔的外表面设置有反光膜层，且所述回音壁谐振腔和所述耦合器相耦合的位置表面不设置反光膜层。

7.如权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述回音壁谐振腔的半径为200微米至250微米。

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