用于热成像温度测量的光电换能器模块的制作方法

1.本公开总体上涉及光电换能器模块，并且更具体地涉及具有集成的信号处理、用于热成像温度测量的光电换能器模块。


背景技术：

2.除非本文另有说明，否则本节中描述的材料不是本技术的现有技术，并且不能因包括在本节中而被承认为现有技术。
3.光纤温度传感器，诸如基于磷光体的传感器，是将激发光传送到感测材料(例如，磷光体)并使用从磷光体发射的发光来确定与感测材料接触的对象的温度的光纤探头。通常，热成像磷光体在被特定波长范围内的光激发时会发射不同波长范围内的光。发射的光的某些特性随温度变化，包括亮度、颜色和余辉持续时间。发射的光对温度的响应通过各种方法被监测，诸如分析在单个波长范围处发射强度的变化或者两个或更多个波长范围的强度比的变化、寿命衰变或发射波长峰值的偏移。用于测量对象的温度的磷光体或直接涂覆在对象表面，或放置在探头内并与然后用光源照射的表面接触，并且对象的温度基于发射的光的响应来确定。
4.现有技术中已知的标准光纤温度测量系统包括下述光纤探头，该光纤探头在其尖端具有活性感测材料，该光纤探头可以连接到处理检测信号并且还包括校准数据的光电子器件。通常，单个校准曲线被用于校准光纤传感器的某些产品系列，这可能会降低传感器的精度。使用与感测元件单独匹配的校准曲线对用户没有吸引力，因为相关的光电子器件不可互换，从而限制了此类传感器的使用。一些已知的传感器，如wo2021051204中所公开的传感器，描述了具有下述校准数据的光纤温度传感器，该校准数据被存储在光电子器件壳体的外部(位于光纤探头或连接器任一者中)，使得相同的(通用的)光电子器件可以与不同的校准数据一起使用。光纤温度传感器中的光电子器件的失效通常与重大停机时间和制造成本有关，尤其是在半导体行业。目前，在光纤温度感测行业中，没有可用的在运行期间可更换的(可热插拔的)光电转换模块来避免大的停机时间。用户无法在仪器运行期间更换失效的光电换能器，也不能用待使用的光电模块来填充(配置)通道数。
5.光电换能器的最常见失效是激发光源的失效(led失效)。当led失效时，必须停止制造过程以更换失效的光电换能器。


技术实现要素：

6.在一方面，提供了具有集成的信号处理、用于热成像温度测量的光电独立换能器模块。该模块包括：壳体，其具有安装装置；光源，其用以提供激发光；光学元件，其用以将光耦合到光学端口；连接器，其被配置成将光电换能器模块连接到光纤传感器；检测器，其耦接到光学端口以检测来自光纤传感器的发射的光以及将检测到的发射的光转换为电信号；以及模块处理器，其耦接到光源和检测器、被配置成将电信号转换成一组数字结果。模块处理单元包括非易失性存储器，该非易失性存储器具有与检测器和光纤传感器相关的配置数
据和校准数据，使得模块处理器处理使用光纤传感器进行的热成像温度测量。模块还包括：高速电路，其与外部数据处理与电力供应及调节系统通信，以用于数据聚合；以及低速电路，其与外部数据处理与电力供应及调节系统通信，以用于模块中的配置和固件升级。独立的光电换能器模块可插入到外部数据处理与电力供应及调节系统的接收端口中，使得独立的光电换能器模块由外部数据处理与电力供应及调节系统供电。
7.在另一方面，提供了用于热成像温度测量的系统。该系统包括数据处理与电力供应及调节系统，其包括：具有至少一个接收端口的壳体、用于聚合数据的数据处理单元、用于接收和传输数据的通信装置以及电力供应与调节单元。该系统还包括具有集成的信号处理器、用于热成像温度测量的光电独立传感器模块，该光电独立传感器模块包括：壳体，其具有安装装置，以插入数据处理与电力供应及调节系统的至少一个接收端口中；光源，其用以提供激发光；光学元件，其用于将光耦合到光学端口；连接器，其被配置成将光电换能器模块连接到光纤传感器；检测器，其耦接到光学端口以检测来自光纤传感器的发射的光以及将检测到的发射的光转换为电信号；模块处理器，其耦接到光源和检测器、被配置成将电信号转换为一组数字结果。模块处理器包括非易失性存储器，该非易失性存储器具有与检测器和光纤传感器相关的配置数据和校准数据，使得模块处理器处理使用光纤传感器进行的热成像温度测量。该系统还包括：与数据处理与电力供应及调节系统通信以用于数据聚合的高速电路和与数据处理与电力供应及调节系统通信以用于模块中的配置和固件升级的低速电路，使得独立的光电换能器模块可插入到数据处理与电力供应及调节系统的接收端口中，使得独立的光电换能器模块由数据处理与电力供应及调节系统供电。
8.除了上述方面和实施方式之外，通过参考附图和对以下详细描述的研究，另外的方面与实施方式将变得明显。
附图说明
9.在整个附图中，可以重复使用附图标记来指示参考的元件之间的对应关系。附图被提供以说明本文描述的示例实施方式并且不旨在限制本公开的范围。附图中元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。例如，角度和各种元件的形状没有按比例绘制，这些元件中的一些被任意放大和定位，以提高附图的易读性。
10.图1是本发明的光电换能器模块的示例的示意图。
11.图2是本发明的光电换能器模块的另一示例的示意图。
12.图3是具有六个通道的光电平台示例的示意图，每个通道被连接到单独的光电换能器模块。
13.图4是具有用于光电换能器模块的多个通道的光电平台的摄影示例。
具体实施方式
14.通常，在光纤温度测量系统中使用的光电换能器与其所属的高速控制回路相比，响应时间较慢。这是由于传感器活性材料、探头设计、询问电子器件速度和数据收集/转换延迟的组合效应。通常，在光纤温度测量系统中使用的光电换能器设计有单一处理器，该处理器执行多种功能，诸如例如传感器询问(模拟-数字(ad)转换和信号处理)以及与外部数字系统通信及将数字信号转换为模拟值(4-20ma)以进行温度控制。光学测量、ad转换和计
算的固有灵敏度与数字接口通信的不确定性性质相结合，使单一处理器设计在响应和通信效率上受到限制。本发明的光电换能器模块是具有专用处理器的独立光电换能器模块，其用于处理从光纤传感器接收到的发光信号并且可插到外部数据处理与电力供应及调节系统中。独立光电换能器模块由外部数据处理与电力供应及调节系统供电，使得其可以在运行期间很容易地从或者在任何合适的更高级的数据处理系统中被更换。光电换能器的这种模块化配置允许进行可扩展的快速测量、数据收集和数据传送。
15.就本技术而言，“独立”是指换能器模块包括所有必要的硬件、固件和校准，以能够询问连接到其光学端口的光纤温度传感器。这意味着它作为模块被制造并作为独立单元被测试/校准，其中功能(例如，测量发光衰变)被验证和校准，并因此可以在不同系统之间交换，同时仍然保留具有校准数据的热成像温度测量的所有功能。就本技术而言，“可插”是指独立的光电模块可以由用户插入到更高级的数据处理系统中。没有插入光电模块，更高级的数据处理系统不可以执行测量功能。光电模块可以由用户在不使用工具的情况下更换(插入/拔出)。光电模块包括外部数据处理系统必须附接的预定义电气/通信接口。将光电模块插入到更高级的数据处理系统中之后，其启动并开始其操作。
16.图1示出了独立光电换能器模块10的示例。模块10可以是小型化可插接(xfot)模块。模块化设计允许在不停止制造过程的情况下插拔失效的模块10。这也允许用户灵活地为特定应用配置系统。模块可以是独立的询问器，并且包括激发和检测光学器件与电路以及校准和配置数据。
17.光电换能器模块10被配置成使得其集成了用于热成像温度测量的信号处理装置。模块10包括具有安装装置的壳体，安装装置诸如为待被安装到任何合适的更高级的数据处理系统的通道中的插头。壳体可以包括：光源14，其提供激发光；光学元件16，其用以将激发光耦合到光学端口；以及检测器15，其耦接到光学元件16以检测从耦接到光纤探头20的尖端的活性材料发射的光。光源可以是led或灯，该灯可以提供例如波长在200-400nm之间的uv光或蓝色到绿色波长范围(例如，400-600nm)内的光。在一种实现方式中，光源14可以是作为集群的多个led。在一种实现方式中，光源14可以包括两个或更多个光源(led)，这些光源在主led失效的情况下可以是冗余激发源。光学元件16可以是将激发光耦合到光学端口的分光器。连接器13与光学端口通信并且被配置成将光电换能器模块10连接到光纤探头20。在一种实施方式中，光源14可以是具有多个led的倒装芯片led，该多个led紧密靠近，从而形成紧密的集群，允许使用与使用单个led时相同的光学器件(例如，分光器和/或任何透镜)耦接到光学端口中。在另一实施方式中，冗余有源元件(led)利用冷光镜和透镜在同一光路中进行光学耦合，并聚焦在同一光学端口中。
18.在一种实现方式中，检测器15可以是能够将光信号(发射的光)转换为电信号的光电二极管。被光电检测器(例如光电二极管)吸收的光子产生电流。在一些实施方式中，可以使用放大器(未示出)增强电信号。模块处理单元17被可操作地耦接到光源14和检测器15，并被配置成将电信号转换成一组数字信号/结果。在一种实施方式中，接收器和功率监测器11可以用于监测激发光的强度并向处理单元17提供数据，该处理单元被配置成当激发光的失效被检测到时(例如，如果光强度水平下降并达到预设值)切换任何冗余的led。
19.光学元件16可以包括准直透镜和/或冷光镜以将激发光和发射的光分离。在一种实施方式中，光学元件16可以是光纤束分离件以将激发光与发射的光分开。在图2所示的实
施方式中，光学元件16被发送器和接收器代替，其中分离器由光纤束延长线/分离器在外部形成。它可以包括：用以将光源14耦接到光纤束1114和光纤探头1020的照射连接器1014；以及用以耦接到检测器15的检测连接器1015。因此，光纤束1114包括将激发光传输到活性材料的第一束和将发射的光传送回检测器15的第二光纤束。
20.模块处理单元17可以包括非易失性存储器18，该非易失性存储器具有与光纤探头20和活性感测材料相关的配置数据和校准数据。模块10还包括高速电路8和低速电路9，它们通过数据缓冲器19与现场的外部数据处理与电力供应及调节系统12通信。高速电路8允许高速数据传送，以用于外部数据处理与电力供应及调节系统12中的数据聚合，而低速电路9被配置成在模块中进行配置和固件升级。用于光纤温度测量系统的这种多处理架构的配置提供了独立的光电换能器模块10，其可以与感测介质紧密耦接，从而得到更好的感测信号质量。每个光电换能器模块10具有用于每个单独的传感器(探头20)的专用处理器17，使得在模块10中本地执行所有的光学测量、计算和光学数据到数字数据的转换。使用专用高速数据传送总线19，模块10与外部(专用的主)数据处理与电力供应及调节系统12通信，在该系统中执行所有的数据管理、电力供应和用户接口服务。温度值可以独立于测量自主收集在外部数据处理与电力供应及调节系统12中。外部数据处理与电力供应及调节系统12可以有专用的快速实时操作系统(rtos)处理器，其可以实时处理数据而没有缓冲延迟并可以提供：1)询问模块10(xfot)传感器；2)将收集到的温度测量提供给数字接口设备(ethercat、rs-485)和模拟接口(4-20ma)；以及3)为光电换能器模块10提供系统配置接口。具有集成的信号处理的光电换能器模块10可以提供光纤温度测量系统的改进性能，包括与具有单一处理器的光电换能器相比的响应时间，并且计算和数据收集和接口处理的并行/分布式方法提高了用于测量的较大传感器网络的精度和响应时间。
21.通过将电力供应、通信接口和控制设备移动到光电换能器模块10之外，可以将其按比例缩小到更小的尺寸。图3示出了具有壳体100的测量系统的示例，其具有至少一个接收端口(通道)以将至少一个光电换能器模块10连接到外部(主)数据处理与电力供应及调节系统12。在图2所示的说明性示例中，有6个通道，其中6个模块10连接到6个单独的光纤探头20。所有6个模块10使用专用高速数据传送总线19与外部数据处理与电力供应及调节系统12进行通信。外部数据处理与电力供应及调节系统12可以包括数字接口设备115、116(即ethercat、rs-485)和模拟接口设备117(4-20ma)以进行温度测量。
22.数据处理与电力供应及调节系统12可以是比例积分微分(pid)控制器、工业控制器、感测网络分配器等，使得模块10可以由第三方集成在pid控制器中以最小化控制的响应时间和延迟；或者它可以是围绕半导体工具的分布式感测网络的一部分；或者可以被集成在数据聚合器中用于监测目的。
23.图4示出了具有6通道壳体100的测量系统1000的摄影示例，其中6个独立光电换能器模块10可以通过插入端口可热插拔地插入。外部数据处理与电力供应及调节系统12包括耦接到处理单元12的一个或更多个通信接口端口118。
24.具有活性感测材料的光纤探头20连接到每一个模块10。活性材料位于探头20的尖端附近。探头20在功能上被耦接到光纤或光纤束114的第一端112。光纤或光纤束114的第二端113连接到光电换能器模块10的连接器13。
25.在一种实现方式中，活性材料是热成像磷光体，其被激发光照射时发射波长与激
发光不同的光。例如，激发光可以是波长在200-400nm之间的uv光或在蓝色到绿色波长范围(例如400-600nm)内的光。当活性材料被这种激发光照射时，其会发射在600-800nm的红色波长范围内的荧光。发射的光对温度的响应通过各种方法监测，诸如分析在单个波长范围处发射强度的变化或者两个或更多个波长范围的强度比的变化、寿命衰变或发射波长峰值的偏移。光纤或光纤束被配置成传输激发光和发射的光。在一种实施方式中，光纤或光纤束可以包括用于将激发光传输到活性材料的激发光引导件(未示出)和用于传输从活性材料发射的光的发射的光引导件(未示出)。
26.光电换能器模块10包括壳体，该壳体可以由模制塑料或任何其他合适的材料制成并且可以具有容纳光电换能器模块10的部件的内部腔体。
27.虽然已经示出和描述了本公开的特定元件、实施方式和应用，但是应当理解，本公开的范围不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围，特别是根据前述的教导的情况下进行修改。因此，例如，在本文所公开的任何方法或过程中，组成该方法/过程的动作或操作可以以任何合适的顺序执行，并且不必限于任何特定的公开的顺序。在各种实施方式中，元件和部件可以被不同地配置或布置、组合和/或消除。上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合都旨在被包括于本公开的范围内。贯穿本公开对“一些实施方式”、“一种实施方式”等的参考，意味着结合该实施方式描述的特定的特征、结构、步骤、过程或特性被包括在至少一种实施方式中。因此，贯穿本公开的短语“在一些实施方式中”、“在一种实施方式中”等的出现不一定全都指代相同的实施方式并且可以指代一种或更多种相同或不同的实施方式。
28.已经在适当处描述了实施方式的各个方面和优点。应当理解，所有此类的方面或优点不一定可以根据任何特定的实施方式实现。因此，例如，应当认识到，各种实施方式可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点而不一定实现如本文所教导或建议的其他方面或优点的方式而被执行。
29.本文所使用的条件语言，诸如，“可以”、“可能”、“也许”、“能够”、“等”等，除非另有特别说明，或在所使用的上下文中以其他方式理解，否则通常是旨在传达某些实施方式包括而其他实施方式不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件语言通常并不旨在暗示特征、元件和/或步骤对于一种或更多种实施方式以任何方式是必需的，或者一种或更多种实施方式必然包括用于在有或没有操作员输入或提示的情况下决定是否这些特征、元件和/或步骤被包括或将在任何特定实施方式中被执行的逻辑。没有单个特征或特征组对于任何特定实施方式是必需的或必不可少的。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词并且以开放式的方式包括性地使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包括性的意义(而不是其排他的意义)被使用，使得当例如被用于连接元件的列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或全部元件。
30.本文描述的实施方式的示例计算、模拟、结果、图表、值和参数旨在说明而不是限制所公开的实施方式。其他实施方式的配置和/或操作可以不同于本文所描述的说明性示例。