CN85108209A - 温度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光学温度测量装置，无论其传感器的温度发生变化或传感器的特性有因时间过长而降低时都能提供准确的输出。本仪器包括一个光源，一个分光器及一个温度传感器，其构成材料的一端经过第一光导通路与光源相联，另一端经过另一光导通路与分光器相联。分光器的输出被转换成电信号，该信号随即被用数个不同的比较电平进行检测，以求得传感器在各自的参考电平时的光吸收波长范围的较高端数值，然后对这些较高端数值进行处理，以求得温度传感器的因温度而变化的光吸收特性曲线的上升点。

Description

本发明涉及一种温度测量装置，特征是采用温度传感器的测量装置，该传感器是由一种边界部分吸收光线的光谱能随温度而变化的材料制成。这种测量仪是已知的，例如日本的公开专利编号98878/1980及86731/1982就是。

这种类型温度测量装置普通的标准例子示意图见图1，其中数字1是作为光源6的发光元件的驱动线路，2及4为光导纤维，6为一种发光元件制成的光源，9为温度传感器，由半导体晶体材料或半导体非晶体材料如GaAS制成。GaAS能吸收光波长范围内的高端，以及它的透光率可以随温度而变化。温度传感器9位于光导纤维2及4之间，用一种适宜的粘结剂固定。

温度传感器9的温度与透光率之间关系的特性曲线示于图2。波长绘于横坐标上，从其中可以清楚看出，随着温度的升高，温度传感器9所吸收的光波长范围内的高端移向波长较长的一边。

图3为由发光元件6所产生的光谱及穿过温度传感器9的光线的光谱图。

在图1，温度测量装置还包括一个作为分光镜的绕射光栅15，光电二极管阵列16，比较器17各与阵列中一个不同的光电二极管相连，还有一个数据处理电路18。

本装置工作时，发光元件6由驱动线路1驱动，产生光源，假设发光元件6是一个发光二极管1发射光线的光谱为图3所示的正态分布，要选择这样的温度传感器9，使其吸收光线波长高端界限位于光电二极管6所发射光谱的正态分部范围之内。由于光波长的高端随着温度变化而移动，如图2所示，在某一温度时，经过温度传感器9的光谱为图3中画阴影线部分。这组光谱经过光导纤维4传送至绕射光栅15，被分解成不同波长的分量后分别由阵例16中的光电二极管所接收。从光电二极管传来的电信号被与各自的比较电平相联结的比较器17进行比较。比较器17的输出由数据处理电路18进行处理，以求得相当于穿过温度传感器9的光线波长为最短时，阵列16中光电二极管的位置。

在这种普通温度测量仪中，由于表示温度传感器吸收波长范围高端的曲线不完全是线性的，所以当有大幅度剧烈的变化，或者传感器9因为温度发生变化或时变特性从而使温度传感器9接收的光中心线波长发生变化时，就可能产生测量误差。

本发明的目的就是要克服上述普通温度测量仪所存在的问题，特别是提供一种即使在由于光源温度变化或因时间关系而降低特性的情况下，光源的强度及光中心波长变化时，仍能精确测量温度的温度测量装置。

根据本发明，温度传感器的输出波长经过光谱分析处理后，还要再经多个不同的检测电平检测，在被检测的多个波长范围内较低波长值的基础上计算出传感器所吸收光线波长范围的一个固定端点，采用这种安排后，即使光源的强度或中心波长变化而产生误差，温度也不会受其影响。

图1为普通温度传感器例子的示意图;

图2为温度传感器的透光率和温度有关的关系曲线;

图3为发光元件光谱与温度传感器透光率的关系曲线;

图4为本发明具体实物示意图;

图5A及5B各表示当发光元件发射的光强度剧烈变化时，经过温度传感器的光谱及温度传感器透光率之间的关系曲线;

图6为本发明另一具体实物示意图。

图3为本发明所推荐的具体实物示意图，图1上的参改号数指示相同部件。

发光元件6由发光驱动线路1所驱动。由元件6所发射的光线经过光导纤维2传送至温度传感器9，其输出经过光导纤维4及绕射光栅15至CCD阵列（电荷耦合器件）19。CCD19的输出通过各自用不同的比较电平操作的比较器17-1及17-2与数据处理电路20相联。

图5A表示从发光元件6发射的光谱，其中画阴影线部分表示在某一温度时经过温度传感器9的光线。图5B与图5A相似，说明由发光元件6发射的光线强度在低电平时的状态。

本装置工作时，经过温度传感器9的光线被绕射光栅15分析为许多光谱分量（在此为两个分量），这些分量被CCD19转换成一组时间级数的电讯号，该讯号由比较器17-1及17-2与不同的比较电平进行比较。

经过温度传感器9的光线，其光谱吸收范围内较高端的λ₁及λ₂的曲线的上升点λ_x，在不同的电平时都是常数，与由于温度变化或者因时间关系而降低使发光元件6的光强度变化无关，如图5A及5B画阴影线部分所示。

根据本发明，波长λ₁及λ₂是温度传感器9各在电平L₁及L₂时的透光范围的最短波长，λ₁及λ₂分别由比较器17-1及17-2检测。波长值λ₁及λ₂由数据处理电路20进行处理，以求得最短波长值λ₀，该值对温度传感器9是一个常量，即与发光元件6的光强度变化或者发光元件6的中心波长的变化无关，其中假定该曲线实质上是线性的。

数据处理电路20可以是一个微处理机，其中上述的计算用数字的形式进行。

在本具体实物中，经过温度传感器的光线在光谱分析处理后，得到转换的电讯号，但信号电平是相当低，而且在某些情况下由于无照电流而含有误差。根据图6本发明的第二个具体实物，对温度传感部分采用了光强度调整系统，消除了产生这种误差的可能性。

在图6，采用了一个常用的光电二极管阵列16，并在每个光电二极管及每个比较器17之间插入一个串联的电容器19及放大器21。比较器17的输出与一个普通的数据处理电路18相联。脉冲发生器22与发光元件的驱动线路1相联结。

本装置工作时，驱动线路1被脉冲发生器22驱动，并与发生器22的输出脉冲同步地激励发光元件。在本装置的操作中，在发光元件6的发光期，其工作方式与普通的装置是相同的，即从元件6发射的光经过光导纤维2，温度传感器9及光导纤维4。最终的光线具有如图5A及5B画阴影线部分所示的光谱，该光谱是由绕射光栅15进行光谱分析的。另一方面，当发光元件6在非发光期时，阵列16中相应的光电二极管的输出就仅为无照电流。

但是，因配备有由电容器19及放大器20组成的交流耦合线路，所以无照电流的部分被除去而与光有关部分的电信号则被放大，该电信号由比较器17用不同的参考电平进行比较。当光分量比参考电平高时，则由数据处理电路18进行处理，以求得由光谱分析的光分量的最低波长值。

虽然这个具体实物采用的是光电二极管阵列16，当然也可采用CCD阵列19代替。

Claims (4)

1、温度测量装置其特征是包括：一个光源；一个分光器；包括光导纤维在内的限定光径的装置；由温度随吸收光线而变化特性的材料构成的温度传感器。该温度传感器的一端经过光径的第一部分与光源联结，另一端经过光径的第二部分与分光器联结；将分光器的光输出转换成电信号的第一装置；用相当于不同量的光线经过温度传感器的不同的参考电平以检测电信号的第二装置，以求得在各参考电平时温度传感器所吸收光的波长范围较高端的值，及对吸收波长范围较高端的值进行处理的第三装置，以求得温度传感器的温度因吸收光而变化的特性曲线的上升点。

2、如权利要求1的温度测量装置，其中第二装置有两个参考电平。第三装置包括按照温度因吸收光线而变化特性曲线为线性的近似假定而处理较高端值的装置。

3、权利要求1的温度测量装置，还包括对光源强度进行调整的第四装置，使分光器的输出与第二装置交流耦合的第五装置。

4、权利要求3的温度测量装置，其中第四装置还包括按予定频率驱动光源脉冲式发光的装置。

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