專利名稱：具有固態(tài)uv發(fā)射器的線上傳感器光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及線上傳感器和測(cè)量，并且更具體地，涉及用于在該應(yīng)用中使用的紫外(UV)光源。
背景技術(shù)：
在線UV傳感器在工業(yè)和醫(yī)藥應(yīng)用中被廣泛使用。迄今為止，低和中壓氣體放電燈已經(jīng)用作進(jìn)行這樣的測(cè)量的光源。在醫(yī)藥領(lǐng)域中，最常使用的光源是低壓汞(Hg)燈，其以紫外線和可見(jiàn)光譜中的多個(gè)特定波長(zhǎng)發(fā)射離散光線。為了隔離所關(guān)注的特定的發(fā)射線或者波長(zhǎng)，必須使用帶通干涉濾波器。這種濾波器極大削減了可用的光信號(hào)，特別是在紫外光譜中，其中濾波器的透射率幾乎不超過(guò)20%。常用于線上傳感器應(yīng)用的低壓汞燈組件通常需要大約4-5瓦特功率，并且總的效率很低且分布在通過(guò)燈發(fā)射的多個(gè)離散光譜線中。這些燈具有光學(xué)噪聲并且易于輸出偏移，由于在高防護(hù)溫度下操作導(dǎo)致發(fā)熱，并且需要特定的高壓電源。為了補(bǔ)償燈輸出中的變化以及保持精確的結(jié)果，監(jiān)控和比較測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)。為了隔離所關(guān)注的光譜線，對(duì)于參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)必須使用匹配的濾波器。在雙光束應(yīng)用中，因?yàn)閷?duì)于每個(gè)參考和測(cè)量通道需要匹配的濾波器和檢測(cè)器使得光學(xué)要求更加復(fù)雜，并且必須隔離通道。這可以通過(guò)下面所述來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，采用并排式濾波器/檢測(cè)器結(jié)構(gòu)或采用光束分離，不管哪一種方法都將會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)的進(jìn)一步減少。如果期望的波長(zhǎng)不是可用的發(fā)射線之一，燈涂有磷光體，當(dāng)其被可用線之一激勵(lì)時(shí)，會(huì)以期望波長(zhǎng)發(fā)出熒光，則效率進(jìn)一步降低。圖1-2示出了現(xiàn)有技術(shù)中典型的低壓汞燈組件。該組件具有柱形殼體11，其在一端具有電連接器12且在另一端具有連接到流通池的適配器13。低壓汞燈14和高壓電源 16與參考檢測(cè)器和濾波器17，17 一起封閉在殼體內(nèi)。如這些圖所示，由于燈的相對(duì)大的尺寸及其電源，使得整個(gè)組件尺寸也相對(duì)較大且使用很笨重。低壓汞燈的另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)其在危險(xiǎn)的環(huán)境中使用時(shí)，必須采用特別的封閉件和連接器以滿足安全要求。這些要求通常包括批準(zhǔn)的殼體，其能夠抑制在應(yīng)該點(diǎn)燃燈中的氣體時(shí)的爆炸并且能夠布線特定的線纜，將電信號(hào)與危險(xiǎn)環(huán)境隔離。如圖3所示，這樣的裝置通常包括防爆殼19，其在一端具有防爆殼端帽21以及防爆線纜襯墊22，并且在另一端具有防爆窗組件23和流通池適配器24。

發(fā)明內(nèi)容
一般說(shuō)來(lái)，本發(fā)明的目的是提供用于線上傳感器應(yīng)用中使用的新的和改進(jìn)的UV 光源。本發(fā)明的另一目的是提供具有上述特性的UV光源，其能克服以前提供的UV光源的限制和缺點(diǎn)。通過(guò)提供用于線上傳感器的光源實(shí)現(xiàn)這些以及其他目的該線上傳感器具有一個(gè)
4或多個(gè)固態(tài)UV發(fā)射器以發(fā)射范圍在240至400nm的單一波長(zhǎng)的光的光源。由每個(gè)發(fā)射器發(fā)射的光具有在10-20nm大小的帶寬且直接導(dǎo)向線上傳感器中的測(cè)量檢測(cè)器。UV發(fā)射器封閉在能連接到線上傳感器的殼體中，其具有也位于殼體內(nèi)的參考檢測(cè)器和UV發(fā)射器的整流器以及孔，光從發(fā)射器通過(guò)該孔到達(dá)測(cè)量檢測(cè)器。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的UV光源的立體圖。圖2是圖1的現(xiàn)有技術(shù)光源的垂直剖視圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)的另一 UV光源的垂直剖視圖。圖4是包含本發(fā)明的UV光源的一個(gè)實(shí)施例的立體圖。圖5是圖4的實(shí)施例的垂直剖視圖。圖6是包含本發(fā)明的UV光源的另一個(gè)實(shí)施例的正視圖。圖7是沿著圖6中的線7-7的截面視圖。圖8是圖6的實(shí)施例的簡(jiǎn)化電路圖。圖9是示出圖6的實(shí)施例的操作的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式如圖4和圖5中所示，光源具有殼體沈，該殼體具有大體圓形的底座27和可移除的蓋子觀，該蓋子由筒形側(cè)壁28a和與側(cè)壁一體形成的端壁28b組成。蓋子具有與側(cè)壁上的內(nèi)螺紋31配合的外螺紋29，以便于將蓋子和底座固定到一起。電連接器32安裝在底座的外部，以連接到為該裝置加載電信號(hào)和電源的外部電路，并且端壁28b具有螺紋孔33以連接線上傳感器。固態(tài)UV發(fā)射器或LED (發(fā)光二極管)36安裝在殼體內(nèi)的電路板37上。與使用其它線上傳感器的低壓汞燈不同，這些發(fā)射器傳送具有10-20nm大小的帶寬的單一波長(zhǎng)的發(fā)射光。該發(fā)射光光譜很純凈，具有集中在期望波長(zhǎng)的0.5-1. 5毫瓦的功率。這樣的發(fā)射器目前可以在大約為M0-400nm的光譜范圍內(nèi)以10-20nm的間隔使用。該發(fā)射器與用于調(diào)節(jié)電流的電路41 一起安裝在電路板37上的插口 38內(nèi)，因此， 電源供應(yīng)到發(fā)射器。電路板通過(guò)安裝螺絲42和墊片43安裝到殼體的底座27，發(fā)射器被共軸布置在殼體內(nèi)且面向端壁^b中的孔33。發(fā)射器具有透鏡36a，其沿著殼體沈和孔33的軸44聚焦發(fā)射光。由于透鏡集成在發(fā)射器中，因此不需要用于聚焦和/或引導(dǎo)發(fā)射光的其他鏡、反射器和/或透鏡。此外， 由于僅僅在期望的波長(zhǎng)和帶寬產(chǎn)生光，因此在光源或傳感器中都不需要光學(xué)濾波器。一對(duì)參考檢測(cè)器45、46安裝在第二電路板47上，該第二電路板通過(guò)安裝螺絲48 和墊片49安裝在整流器板37上，發(fā)射器36延伸穿過(guò)第二板中的中央開口 50。墊片49是導(dǎo)電的，且提供兩個(gè)板之間的電連接并且將兩個(gè)板彼此對(duì)準(zhǔn)。檢測(cè)器面對(duì)孔且相對(duì)發(fā)射光的軸以30度的角度傾斜。利用該光源，替換或改變發(fā)射器變得容易，且如果需要，可以在不將光源與線上傳感器分離的情況下進(jìn)行。為此，底座27從殼體的蓋子觀上擰下，且底座和電路板作為單元從殼體卸下。接著檢測(cè)器板47從整流器板37移除，隨后發(fā)射器可從其插口移除，然后進(jìn)行更換。由于參考檢測(cè)器和測(cè)量檢測(cè)器都不需要濾波器，因此光源的操作波長(zhǎng)，以及因此， 傳感器可簡(jiǎn)單的通過(guò)將固態(tài)UV發(fā)射器改變到期望波長(zhǎng)之一而改變。固態(tài)UV發(fā)射器需要的功率僅為大約50-100毫瓦，其對(duì)于在爆炸環(huán)境中安全操作已經(jīng)足夠低了。由于功率很低，這樣的發(fā)射器屬于本質(zhì)安全的裝置，其可以在采用固有安全屏障的危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行操作。這意味著光源可在大多數(shù)危險(xiǎn)環(huán)境中操作而不需要防爆容器和/或特別布線。圖6和圖7示出了光源的雙光束實(shí)施例，其類似于圖4和圖5中的單光束實(shí)施例， 兩個(gè)實(shí)施例中用同樣的附圖標(biāo)記表明對(duì)應(yīng)的元件。在雙光束光源中，一對(duì)固態(tài)UV發(fā)射器51 和52并排安裝在電路板37上，板上的電壓調(diào)節(jié)電路41具有給兩個(gè)發(fā)射器提供操作電源的能力。發(fā)射器安裝在插口 53、53內(nèi)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)插口和板之間的角度使來(lái)自兩個(gè)發(fā)射器的發(fā)射光聚焦在測(cè)量檢測(cè)器上。在示出的實(shí)施例中，插口和板之間的角度α和β以及因此，光束和軸44之間的角度為2. 5度。發(fā)射器51和52的每一個(gè)都類似于發(fā)射器36，且可以為任意期望的操作波長(zhǎng)。在示出的實(shí)施例中，這兩個(gè)發(fā)射器分別在^Onm和2Mnm的波長(zhǎng)下操作。如圖8所示，電源電壓Vcc施加到調(diào)節(jié)電路，調(diào)節(jié)器的輸出連接到發(fā)射器51、52的正極，SELECT (選擇)信號(hào)施加到發(fā)射器的負(fù)極。參考二極管45、46并聯(lián)電連接，且提供參考信號(hào)+Ref. Sig.和-Ref. Sig.，線上傳感器中的測(cè)量檢測(cè)器56提供對(duì)應(yīng)于照射在其上的光的測(cè)量信號(hào)+Meas. Sig和-Meas. Sig.。 電壓Vcc當(dāng)前被整流到每個(gè)UV發(fā)光二極管，整流器可以單獨(dú)地調(diào)節(jié)以將其各自輸出匹配到測(cè)量檢測(cè)器。在示出的實(shí)施例中，傳感器僅具有一個(gè)測(cè)量二極管，其檢測(cè)來(lái)自兩個(gè) UV發(fā)射器的發(fā)射光。如圖9所示的時(shí)序圖中，UV發(fā)射器51、52由選擇信號(hào)57、58輪流接通，測(cè)量檢測(cè)器56響應(yīng)于發(fā)射器被激活產(chǎn)生輸出信號(hào)59，該輸出信號(hào)與發(fā)射器的激活同步地在^Onm和 254nm之間交替。該信號(hào)可以由單一放大器處理以便進(jìn)一步處理和顯示。固態(tài)UV發(fā)射器通常封裝在標(biāo)準(zhǔn)T0-39封裝中，且額外的通道可以通過(guò)增加額外的發(fā)射器到整流器電路板并且順序地驅(qū)動(dòng)它們來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有很多重要特性和優(yōu)點(diǎn)。利用固態(tài)UV發(fā)射器，光源本身提供期望波長(zhǎng)和帶寬的UV發(fā)射光，且進(jìn)行濾波以隔離關(guān)注的發(fā)射光的需求被消除。發(fā)射光沒(méi)有噪音且是穩(wěn)定的，集中在單一波長(zhǎng)，在期望的波長(zhǎng)，其輸出超過(guò)了氣體放電燈。固態(tài)UV發(fā)射器消耗的功率通常在50-100毫瓦，大體上比通常放電燈所需的功率小4-5瓦。因此，除了更高效且消除了昂貴電源的需要，固態(tài)發(fā)射器是本質(zhì)上安全的裝置， 可在大多數(shù)危險(xiǎn)環(huán)境中操作，而不需要防爆殼體和/或特別的布線。固態(tài)UV發(fā)射器還具有快速接通特性并且在微秒實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，這允許通過(guò)將不同波長(zhǎng)的發(fā)射器順序接通以按多波長(zhǎng)操作。此外，該裝置的小尺寸允許為了多波長(zhǎng)操作而將多個(gè)器件安裝在單個(gè)電路板上，同時(shí)不需要光學(xué)系統(tǒng)的替換或修改。盡管固態(tài)UV發(fā)射器的光譜輸出相對(duì)于時(shí)間穩(wěn)定，該輸出與溫度成反比，參考檢測(cè)器提供了溫度相關(guān)漂移的補(bǔ)償。盡管主要結(jié)合新的安裝公開了本發(fā)明，其可簡(jiǎn)單地通過(guò)用固態(tài)UV發(fā)射器以及簡(jiǎn)單的整流器電路來(lái)替換氣體放電燈和電源而集成到現(xiàn)有的系統(tǒng)中。當(dāng)在這樣的系統(tǒng)中使用時(shí)，UV固態(tài)發(fā)射源的包括實(shí)質(zhì)上是顯而易見(jiàn)的，并且需要較小或不需要改變或者特別的校準(zhǔn)。 根據(jù)前述，很顯然提供了新的和改進(jìn)的UV光源。盡管僅詳細(xì)描述了特定示出的優(yōu)選實(shí)施例，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)，在不偏離本發(fā)明由下面權(quán)利要求確定的范圍的情況下可以做出確定的改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于線上傳感器的光源，包括殼體，適于附接到所述線上傳感器；位于所述殼體內(nèi)的固態(tài)UV發(fā)射器，用于發(fā)射240至400nm范圍內(nèi)的單一波長(zhǎng)的光；以及所述殼體中的孔，通過(guò)該孔光能夠從發(fā)射器到達(dá)所述傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的光源，其中，被發(fā)射的光具有10-20nm量級(jí)的帶寬。
3.如權(quán)利要求1所述的光源，其中，所述UV發(fā)射器包括透鏡，其沿著與所述孔對(duì)齊的軸聚焦來(lái)自所述發(fā)射器的光。
4.如權(quán)利要求1所述的光源，其包括位于所述殼體內(nèi)的參考檢測(cè)器以監(jiān)測(cè)被發(fā)射的光。
5.如權(quán)利要求1所述的光源，其中，所述孔具有螺紋側(cè)壁以附接到所述線上傳感器。
6.如權(quán)利要求1所述的光源，在所述殼體內(nèi)包括第二固態(tài)UV發(fā)射器，用于發(fā)射 M0-400nm范圍的第二波長(zhǎng)的光；以及給兩個(gè)UV發(fā)射器交替供電以把兩種波長(zhǎng)的光交替?zhèn)魉偷剿鼍€上傳感器的裝置。
7.一種用于線上傳感器的光源，包括殼體，該殼體具有底座和可移除地安裝在該底座上的蓋子；把所述殼體附接到所述線上傳感器的裝置；安裝在所述殼體內(nèi)的所述底座的電路板；安裝在所述電路板上的固態(tài)UV發(fā)射器，用于發(fā)射240至400nm范圍的單一波長(zhǎng)的光； 所述電路板上的電路，其用于調(diào)節(jié)供應(yīng)到所述UV發(fā)射器的電源；以及所述殼體中的孔，通過(guò)該孔被發(fā)射的光傳到所述線上傳感器。
8.如權(quán)利要求7所述的光源，其包括安裝到前述電路板上的第二電路板；以及安裝在所述第二電路板上的參考檢測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)被發(fā)射的光。
9.如權(quán)利要求8所述的光源，其中，所述電路板由墊片分隔，該墊片還作為板間的電導(dǎo)體。
10.如權(quán)利要求8所述的光源，其中，固態(tài)UV發(fā)射器延伸通過(guò)所述第二電路板中的開□。
11.如權(quán)利要求7所述的光源，其中，所述蓋子具有筒形側(cè)壁以及端壁，在該端壁中形成所述孔，所述UV發(fā)射器和所述孔被布置成與所述側(cè)壁共軸。
12.如權(quán)利要求11所述的光源，其中所述UV發(fā)射器包括透鏡用于沿著所述側(cè)壁和所述孔的軸聚焦被發(fā)射的光。
13.如權(quán)利要求7所述的光源，其包括安裝在前述電路板上的第二固態(tài)UV發(fā)射器用于發(fā)射第二波長(zhǎng)的光。
14.如權(quán)利要求13所述的光源，其包括給兩個(gè)UV發(fā)射器交替供電以把兩種波長(zhǎng)的光交替?zhèn)魉偷剿鼍€上傳感器的裝置。
15.一種用于線上傳感器的光源，包括殼體；將所述殼體附接到所述線上傳感器的裝置；安裝在所述殼體內(nèi)的底座上的第一電路板；安裝在所述第一電路板上的多個(gè)固態(tài)UV發(fā)射器，用于發(fā)射范圍在240至400nm的單一波長(zhǎng)的光；所述第一電路板上用來(lái)調(diào)節(jié)供應(yīng)到所述UV發(fā)射器電能的電路；安裝在所述第一電路板上的第二電路板；安裝在所述第二電路板上的參考檢測(cè)器，其監(jiān)測(cè)被發(fā)射的光；以及所述殼體中的孔，通過(guò)該孔，被發(fā)射的光傳到所述線上傳感器。
16.如權(quán)利要求15所述的光源，其中，所述殼體具有底座和帶有可移除地連接到所述底座的筒形側(cè)壁的蓋子，所述孔與所述側(cè)壁共軸設(shè)置，所述UV發(fā)射器關(guān)于所述軸對(duì)稱地布置，并且所述各電路板沿所述軸間隔開。
17.如權(quán)利要求15所述的光源，其中由每個(gè)UV發(fā)射器發(fā)射的光具有10-20nm量級(jí)的帶覓ο
18.如權(quán)利要求15所述的光源，其包括順序給所述UV發(fā)射器供電的裝置，從而順序地將不同波長(zhǎng)的光傳送到所述線上傳感器。
全文摘要
線上傳感器的光源，具有一個(gè)或多個(gè)固態(tài)UV發(fā)射器，用于發(fā)射范圍在240到400nm的單一波長(zhǎng)的光。由每個(gè)發(fā)射器發(fā)射的光具有10-20nm的帶寬且導(dǎo)向線上傳感器中的測(cè)量檢測(cè)器。UV發(fā)射器封閉在可連接到線上傳感器的殼體中，具有也位于殼體內(nèi)的參考檢測(cè)器和UV發(fā)射器的整流器以及孔，光從發(fā)射器通過(guò)該孔到達(dá)測(cè)量檢測(cè)器。
文檔編號(hào)F21V17/12GK102563453SQ20111030718
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者威廉·H·溫 申請(qǐng)人:恩德萊斯和豪瑟爾分析儀表公司