一种温度传感装置及温度测量方法

技术领域

本发明涉及温度传感技术领域，具体涉及一种温度传感装置及温度测量方法。

背景技术

传统的温度传感器包括膨胀型温度传感器、热电型温度传感器、辐射型温度传感器等，它们发展均比较成熟，已得到大量的商业应用。

其中，基于Fabry-Perot反射波干涉原理的光纤温度传感器是近来新发展的一类温度传感器，但是其制造该工艺复杂，易于受到环境光和宽带光源的噪声影响，其温度测量的灵敏度不高。

发明内容

本发明实施例提供一种温度传感装置及温度测量方法，可以提高温度测量的灵敏度。

第一方面，本发明实施例提供了一种温度传感装置，包括：传热导板、隔热反射杯、外空心导光管、内空心导光管、光学照明器、光学探测器、光学透明固定环以及热光调制单元，其中：

所述外空心导光管与所述内空心导光管同轴嵌套放置，所述内空心导光管位于所述外空心导光管内部，且所述外空心导光管与所述内空心导光管间的两端设置有所述光学透明固定环，形成入射光传输通道和散射光传输通道；

所述外空心导光管的入射光输出端通过所述隔热反射杯与所述传热导板相连接，所述热光调制单元设置在所述传热导板内侧表面；

所述热光调制单元由光学微腔层和纳粒子层组成，所述光学微腔层由可见光反射层、热光薄膜层和高折射率层组成，所述可见光反射层与传热导板相连接，所述热光薄膜层与所述可见光反射层相连接，所述高折射率层与所述热光薄膜层相连接，所述纳粒子层位于所述高折射率层表面或所述热光薄膜层内部，所述热光调制单元与所述内空心导光管相对设置；

所述外空心导光管的入射光输入端设置有光学照明器，所述内空心导光管的散射光输出端设置有所述光学探测器，所述光学照明器为环形阵列发光光源。

在一些实施方式中，所述光学微腔层为FP微腔或光子晶体微腔。

在一些实施方式中，所述纳粒子层为金属导电粒子或高光学折射率的介质粒子。

在一些实施方式中，所述金属导电粒子为Au、Al、Ag或Ni，所述介质粒子为Si、Ge、TiO

在一些实施方式中，所述热光薄膜层由光学透明的聚二甲基硅氧烷或Si构成。

在一些实施方式中，所述光学照明器由LED构成或由半导体激光光源构成。

在一些实施方式中，所述的隔热反射杯由低热导玻璃材质构成，所述隔热反射杯的内壁镀有光学反射膜。

在一些实施方式中，所述内空心导光管和所述外空心导光管的基材均为玻璃，所述内空心导光管的内壁和所述外空心导光管的内壁均镀有光学反射膜。

在一些实施方式中，所述的光学探测器为单元光电探测器或面阵探测器，所述单元光电探测器为硅光二极管、硅光电池或锗二极管，所述面阵探测器为CCD或CMOS图像传感器。

第二方面，本发明实施例还提供了一种温度测量方法，包括：

在一些实施方式中，所述方法应用于温度传感装置，包括：

通过所述温度传感装置的传热导板接触待测目标，温度的变化导致光学微腔层中热光薄膜层的折射率发生变化，从而引起光学微腔层的谐振光谱发生偏移；

通过所述温度传感装置的光学照明器以大角度照射热光调制单元，光学微腔层中纳粒子层的纳粒子的背向散射光谱在温度变化时发生偏移，产生偏移后的背向散射光；

收集所述背向散射光，并通过所述温度传感装置中的光学探测器测量所述背向散射光中目标波长的目标散射光强；

确定所述目标散射光强对应的目标电信号幅值；

通过所述目标波长对应的电信号幅值与温度的对应关系及所述目标电信号幅值确定所述待测目标的温度。

第三方面，本发明实施例还提供了一种温度测量设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时执行本发明实施例提供的任一种温度测量方法中的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行本发明实施例提供的任一种温度测量方法中的步骤。

本发明实施例提供一种温度传感装置，在进行温度测量时，光学照明器通过外空心导光管与内空心导光管形成的入射光传输通道对热光调制单元进行照射，热光调制单元通过内空心导光管里的散射光传输通道将反射光反射至光学探测器，整个步骤都在温度传感装置里面进行，采用暗场散射光进行温度探测，可以降低环境光以及宽带光源的噪声影响，提高温度测量的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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是本发明实施例提供的温度传感装置的一个结构示意图；

图2是本发明实施例提供的热光调制单元的结构示意图；

图3是本发明采用PDMS热光薄膜的微腔-粒子耦合系统在不同温度下的散射谱分布光谱图；

图4是本发明实施例提供的温度测量方法的一个流程示意图；

图5是本发明实施例提供的温度测量装置的一结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域技术人员在没有作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。

在以下的说明中，本发明的具体实施例将参考由一部或多部计算机所执行的步骤及符号来说明，除非另有述明。因此，这些步骤及操作将有数次提到由计算机执行，本文所指的计算机执行包括了由代表了以一结构化型式中的数据的电子信号的计算机处理单元的操作。此操作转换该数据或将其维持在该计算机的内存系统中的位置处，其可重新配置或另外以本领域测试人员所熟知的方式来改变该计算机的运作。该数据所维持的数据结构为该内存的实体位置，其具有由该数据格式所定义的特定特性。但是，本发明原理以上述文字来说明，其并不代表为一种限制，本领域测试人员将可了解到以下所述的多种步骤及操作亦可实施在硬件当中。

本发明的原理使用许多其它泛用性或特定目的运算、通信环境或组态来进行操作。所熟知的适合用于本发明的运算系统、环境与组态的范例可包括(但不限于)手持电话、个人计算机、服务器、多处理器系统、微电脑为主的系统、主架构型计算机、及分布式运算环境，其中包括了任何的上述系统或装置。

本发明中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

请参阅图1，图1是本发明一实施例提供的温度传感装置的结构示意图。

该温度传感装置包括传热导板1、隔热反射杯2、外空心导光管3、内空心导光管4、光学照明器5、光学探测器6、光学透明固定环7以及热光调制单元8，其中：

外空心导光管3与内空心导光管4同轴嵌套放置，内空心导光管4 位于外空心导光管3内部，且外空心导光管3与内空心导光管4间的两端设置有光学透明固定环7，形成入射光传输通道9和散射光传输通道 10；

外空心导光管3的入射光输出端通过隔热反射杯2与传热导板1相连接，热光调制单元8设置在传热导板1内侧表面；

热光调制单元8由光学微腔层81和纳粒子层82组成，更具体地，如图2所示，图2为热光调制单元8的结构示意图，光学微腔层81由可见光反射层811、热光薄膜层812和高折射率层813组成，可见光反射层811与传热导板1相连接，热光薄膜层812与可见光反射层811相连接，高折射率层813与热光薄膜层812相连接，纳粒子层82位于高折射率层813表面或热光薄膜层812内部，热光调制单元8与内空心导光管 4相对设置；

外空心导光管3的入射光输入端设置有光学照明器5，内空心导光管4的散射光输出端设置有光学探测器6，光学照明器5为环形阵列发光光源。

在一些实施例中，光学微腔层81为Fabry-Perot(FP)微腔或光子晶体微腔。

在一些实施例中，纳粒子层82为金属导电粒子或高光学折射率的介质粒子，其中，纳粒子层82中的纳粒子尺寸在20-300nm的范围内，纳粒子的形状可以是球形，圆盘形，圆环形或其他形状。

在一些实施例中，金属导电粒子为Au、Al、Ag或Ni，介质粒子为 Si、Ge、TiO

在一些实施例中，热光薄膜层812由光学透明的聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、Si或其他热光系数绝对值不小于1×10

取PDMS厚度为2μm，构建的热光调制单元8在θ＝70°的入射角下得到的不同温度下的背向散射强度光谱如图3所示。从图中的结果可以看出，当温度范围从0℃变化到150℃时，谐振散射谱发生偏移，其偏移量随着波长的增大而增大。

在一些实施例中，光学照明器5由LED构成或由半导体激光光源构成，具体地，可以由多个LED构成环形阵列，并围绕入射光传输通道9的入射光输入端设置，或者由多个半导体激光光源构成环形阵列，并围绕入射光传输通道9的入射光输入端设置。

其中，光学照明器5发射的光学辐射经耦合进入入射光传输通道 9，再经过隔热反射杯2反射后以大角度(45度以上)照射到传热导板 1表面的纳粒子层82上，产生谐振背向散射光。散射光由散射光传输通道10收集，传输到光学探测器6上被探测。

在一些实施例中，隔热反射杯2由低热导玻璃材质构成，隔热反射杯2的内壁镀有光学反射膜。

在一些实施例中，内空心导光管4和外空心导光管3的基材均为玻璃，内空心导光管4的内壁和外空心导光管3的内壁均镀有光学反射膜。

在一些实施例中，光学探测器6为单元光电探测器或面阵探测器，单元光电探测器为硅光二极管、硅光电池或锗二极管，面阵探测器为 CCD或CMOS图像传感器。

需要说明的是，图1所示的结构左右对称。

本发明的温度传感装置，其基本工作原理如下：当传热导板1接触到待测目标(即需要被测量温度的物体)，将热量传导到热光调制单元8，引起调制单元温度上升。温度的变化导致光学微腔层81中热光薄膜层812的折射率发生变化。从而引起光学微腔层81的谐振光谱发生偏移，如谐振峰值波长从温升前的λ

在一些实施例中，更具体地，光学微腔层81为FP微腔时，当光学辐射入射到光学微腔层81时，在FP微腔中产生反射波的多波束干涉，形成谐振腔模。腔模对应的波长λ和带宽Δλ由腔层厚度d(此处为热光薄膜层812的厚度)和腔壁的反射率决定。当光学微腔层81的表面存在纳粒子层82时，满足公式(1)的模式为腔模和纳粒子激发的耦合谐振模式。该耦合谐振膜可以通过纳粒子散射到远场。

其中k代表FP腔模阶数，λ代表共振波长，n代表热光薄膜层812 的折射率，Φ

本实施例中定义一种相对温度灵敏度参数

其中W

表1

对于不同的FP腔模式面对温度变化时展现出了不同的特性，表1 中模式6的温度灵敏度最高，对于温度测量的范围最广，表明该模式可用于探测高温红外物体；模式10的相对温度灵敏度最高，表明该模式可用于实现温度分辨要求比较高而温度范围较窄的红外物体探测。可见，实际使用时可以根据不同温分辨率和温度范围的要求，选择合适的谐振散射波长和带宽用于测量。

采用上述温度传感装置进行温度探测，与现有技术相比本发明的效果、益处如下：

(1)对于干涉型光纤温度传感器，其测量精度较低。对于热电型温度传感器中，在工业生产中被广泛应用，但其对参考端温度的稳定性要求较高，限制了其测量精度。对于热电阻传感器，其稳定性强，准确性好，但不能测量温度瞬时变化且测温范围有限。相比起这些传统的温度传感器，本发明提供的装置能灵活的实现广测温范围和高分辨率的要求。

(2)基于Fabry-Perot反射波干涉原理的光纤温度传感器是近来新发展的一类温度传感器，但是其制造该工艺复杂，易于收到环境光和宽带光源的噪声影响，其温度灵敏度受到限制。相对于该温度传感器，本发明提供的装采用暗场散射光读出，具有更低的噪声和更高的灵敏度；

(3)此外，相比机械式光读出系统，具有更低的制造成本。

为便于更好的实施本发明实施例提供的温度传感装置，本发明实施例还提供一种基于上述温度传感装置的温度测量方法。

请参阅图4，图4是本发明一实施例提供的温度测量方法的流程示意图。该温度测量方法的执行主体可以是本发明实施例提供的温度传感装置。通过采用大角度倾斜光学照明温度传感装置中含有热光材料的光学微腔与纳粒子的耦合系统，获得散射光强度随温度变化的关系及进行温度测量，实现比传统温度传感器读出噪声更低探测更灵敏的方法。如无特殊说明，本发明中的“光学”和“光学辐射”概念特指覆盖可见光和近红外波段(400-2500nm)的电磁波段。该温度测量方法可以包括：

S1、通过所述温度传感装置的传热导板接触待测目标，温度的变化导致光学微腔层中热光薄膜层的折射率发生变化，从而引起光学微腔层的谐振光谱发生偏移。

本实施例中，在通过所述温度传感装置的传热导板接触待测目标之前，首先需要构造一温度传感装置，尤其是要构造温度传感装置中的热光调制单元，该热光调制单元由光学微腔层和纳粒子层组成，所述光学微腔层由可见光反射层、热光薄膜层和高折射率层组成。

光学微腔层中的热光薄膜层的热光材料是一类折射率随温度变化的材料，表征其热光特性的参数为热光系数。在光学波段，常用的热光材料有无机材料硅，以及有机材料PDMS，它们具有比较高的热光系数，可以达到10

S2、通过所述温度传感装置的光学照明器以大角度照射热光调制单元，光学微腔层中纳粒子层的纳粒子的背向散射光谱在温度变化时发生偏移，产生偏移后的背向散射光。

本实施例中，具体地，光学照明器通过入射光传输通道向热光调制单元进行照射。

对于反射型的光学微腔层，当表面有纳粒子时，若有光学辐射以大角度照射该表面，除了镜面反射之外，还存在散射谱。纳粒子的散射谱包含一系列散射谐振模，这些散射谐振模一般具有比较大的带宽。当纳粒子与微腔耦合时，其散射谱存在包含腔模和粒子散射谐振模复合特征的杂化模式，其特点是具有比纯粹粒子谐振模更窄的带宽和更高的散射光强。另外，腔模对应的谐振波长及其带宽可以通过改变微腔的结构参数在一定范围内进行调节。因此，可以根据需要选取微腔的结构参数得到特定的谐振波长和合适的带宽。另一方面，杂化模式中的高阶模相比低阶模具有更窄的带宽，故选择合适的模阶数也是获得合适带宽的一种方法。

当热光薄膜层的折射率随温度发生变化时，耦合系统中粒子的光学散射谱发生偏移，特定的散射光波长的强度随之增加或降低。

S3、收集所述背向散射光，并通过所述温度传感装置中的光学探测器测量所述背向散射光中目标波长的目标散射光强。

本实施例中，采用温度传感装置中的散射光传输通道收集背向散射光，具体地，采用光纤或者玻璃光导管收集一定角度的背向散射光。采用单元或面阵形式的光学探测器，测量散射谱中目标波长的目标散射光强，其中，目标波长为需要测量的波长。

S4、确定所述目标散射光强对应的目标电信号幅值。

本实施例中，当确定了目标散射光强之后，还需要确定目标散射光强对应的目标电信号幅值。

其中，在利用该温度传感装置进行温度测量之前，本实施例还需要确定目标波长对应的电信号幅值与温度的对应关系，具体地，在知道待测目标温度的前提下，测量此时待测目标的目标波长对应的目标电信号幅值，得到该温度下电信号幅值与温度的对应关系，分别测量不同温度下待测目标的目标波长对应的目标电信号幅值，得到不同温度下同一波长处的光强产生的电信号幅值，获得电信号幅值与温度的对应关系。

S5、通过所述目标波长对应的电信号幅值与温度的对应关系及所述目标电信号幅值确定所述待测目标的温度。

当确定了目标波长对应的电信号幅值与温度的对应关系，以及此时待测目标对应的目标电信号幅值时，此时可以确定出待测目标的温度。

本实施例中，温度传感装置中的传热导板在与被测目标接触之后，光学照明器通过位于温度传感装置内部的入射光传输通道对热光调制单元进行照射，热光调制单元对入射光进行反射产生背向散射光，并通过位于温度传感装置内部的散射光传输通道传送背向散射光至光学探测器，最终根据获得的背向散射光确定待测目标的温度。本实施例采用暗场散射光读出，相比传统的明场反射光读出具有更低的噪声和更高的灵敏度。

为便于更好的实施本发明实施例提供的温度测量方法，本发明实施例还提供一种基于上述温度测量方法的装置。其中名词的含义与上述温度测量方法中相同，具体实现细节可以参考方法实施例中的说明。

请参阅图5，图5为本发明实施例提供的温度测量装置的结构示意图，其中该温度测量装置装置500可以包括接触单元501、照射单元 502、处理单元503、第一确定单元504及第二确定单元505等。其中：

接触单元501，用于通过所述温度传感装置的传热导板接触待测目标，温度的变化导致光学微腔层中热光薄膜层的折射率发生变化，从而引起光学微腔层的谐振光谱发生偏移；

照射单元502，用于通过所述温度传感装置的光学照明器以大角度照射热光调制单元，光学微腔层中纳粒子层的纳粒子的背向散射光谱在温度变化时发生偏移，产生偏移后的背向散射光；

处理单元503，用于收集所述背向散射光，并通过所述温度传感装置中的光学探测器测量所述背向散射光中目标波长的目标散射光强；

第一确定单元504，用于确定所述目标散射光强对应的目标电信号幅值；

第二确定单元505，用于通过所述目标波长对应的电信号幅值与温度的对应关系及所述目标电信号幅值确定所述待测目标的温度。

以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对温度测量方法的详细描述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。

为此，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本发明实施例所提供的任一种温度测量方法中的步骤。例如，该指令可以执行如下步骤：

通过所述温度传感装置的传热导板接触待测目标，温度的变化导致光学微腔层中热光薄膜层的折射率发生变化，从而引起光学微腔层的谐振光谱发生偏移；

通过所述温度传感装置的光学照明器以大角度照射热光调制单元，光学微腔层中纳粒子层的纳粒子的背向散射光谱在温度变化时发生偏移，产生偏移后的背向散射光；

收集所述背向散射光，并通过所述温度传感装置中的光学探测器测量所述背向散射光中目标波长的目标散射光强；

确定所述目标散射光强对应的目标电信号幅值；

通过所述目标波长对应的电信号幅值与温度的对应关系及所述目标电信号幅值确定所述待测目标的温度。

以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。

其中，该计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

由于该计算机可读存储介质中所存储的指令，可以执行本发明实施例所提供的任一种温度测量方法中的步骤，因此，可以实现本发明实施例所提供的任一种温度测量方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。

以上对本发明实施例所提供的一种温度传感装置及温度测量方法进行了详细介绍，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；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。