專利名稱：溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種溫度傳感器，它包括一個液晶形式的溫敏元件和至少一根光波導。
長期以來，液晶已用于溫度測量技術(shù)，液晶有這樣的特性。其螺旋分子取向也即螺旋節(jié)距是隨溫度變化的。通常，溫度升高時節(jié)距變小。如果節(jié)距調(diào)整得在特定的低溫界限上紅光被全部反射，則液晶呈現(xiàn)出紅色。溫度升高時，反射光改變其顏色，經(jīng)黃色、綠色變到藍色(參考Bacci等人的《應用光學》25，第1079-1082頁(1986年);Smith等人的《應用物理》24，第453～454頁(1974年))。
在溫度測量技術(shù)中早期使用的液晶，其缺點在于，反射光的顏色因而所測溫度，是直觀地估計出的，所以測量精度不夠高。
本發(fā)明目的是要找出一種采用液晶的溫度傳感器，它具有高的測量精度。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用由液晶和至少一根光波導組成的溫度傳感器，可以達到上述目的。
因此，本發(fā)明涉及一種溫度傳感器，它包括一個保護帽。帽內(nèi)含有螺旋分子取向的螺旋性向列型液晶，并至少終接一根光波導。
按照本發(fā)明，溫度傳感器，由內(nèi)含有溫敏元件并至少終接一根光波導的保護帽組成。
通常，保護帽為圓柱管形狀，管的一個端面是開口的，另一個端面是封口的。保護帽尺寸取決于溫敏元件的大小和單根或多根光波導的直徑。帽的壁厚在圓周壁處是0.1至5毫米。最好為0.1至1毫米。在端口端面處是0.1至5毫米。最好為0.1至1毫米。最好由導熱良好的材料例如金屬制成。而最好用鋁制成。然而，如果帽的壁厚足夠薄，則塑料或陶瓷也適用作保護帽材料。適用的塑料例如有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯對酞酸鹽、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯或多聚物粘膠等。
適用的陶瓷材料例如有氮化鋁或碳化硅等。
溫敏元件是具有螺旋分子取向的螺旋性向列型液晶。所述的螺旋性向列型液晶特別適用。因為它們比也用于溫度測量的膽甾醇型液晶(即以膽甾醇化合物為基礎的液晶)在化學性能和光化學性能上要穩(wěn)定得多。
液晶可以是微封裝的或不封裝的。
液晶最好置于微囊內(nèi)，微囊用蠟克或溶于水的聚合物例如聚乙烯醇灌封，也可以采用不封裝的液晶。但是，它較易于被外界因素(例如紫外光)破壞。且較不容易處置。在保護帽內(nèi)，液晶作為一個夾層處于帽的封口端壁內(nèi)側(cè)與光波導端面之間，其厚度為0.005至0.3毫米。最好為0.01至0.05毫米。
蠟克層最好采用無溶劑或溶劑的配方，因為溶劑會改變或破壞液晶的螺旋結(jié)構(gòu)。為了改進通路惰性，可在蠟克中加入白色顏料。
保護帽內(nèi)，在溫敏元件朝向開口端面的一側(cè)，至少終接一根光波導。這可以是單根光波導，也可以是束成一群的多根光波導。光波導的成束最好是將它們套入一個聚合物冷縮管套來實現(xiàn)。
光波導由一條芯線和一個包層組成，包層材料要比芯線材料的反射率略低些。芯線和包層可用玻璃(最好是石英玻璃)或塑料制成。
推薦的組合是玻璃芯線、塑料包層，或者塑料芯線、塑料包層。而塑料芯線、塑料包層為更好。
適用于芯線的塑料例如有聚甲烯丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、多氟丙烯酸鹽或多氟丙烯酸酯。
適用于包層的塑料例如有多氟丙烯酸鹽或多氟丙烯酸酯。這些可以是亞乙烯氟和四氟乙烯的共聚物。
光波導的直徑是0.05至3毫米，最好是0.5至1.0毫米。
通常，光波導的拋光端面與液晶的表面相接觸。然而，有時也可以或需要在光波導與液晶之間留出一個間隙，其厚度為光波導的直徑二倍至七倍。
按照本發(fā)明，溫度傳感器可用多種方法制造出來。
一種方法是將封裝在含水聚合物溶液里的液晶囊貼敷到光波導的拋光端面上。經(jīng)精選后，將內(nèi)側(cè)涂黑的保護帽推套至光波導上。再用例如環(huán)氧樹脂粘合劑那樣合適的封裝化合物將光波導粘進保護帽內(nèi)。也可以將液晶淀積到保護帽封口端面的內(nèi)壁上。
最好，將液晶用蠟克灌封成微囊形式。蠟克的組成上面已敘述。此蠟光層可以貼敷到光波導端面上，也可以貼敷到保護帽封口端的內(nèi)壁上。
從測量光源上可能發(fā)出有紫外光。為了防止它進入液晶。可以設置一個紫外光吸收濾光片。這種紫外光吸收濾光片可方便地放置在光源與光波導之間。
按照本發(fā)明測量溫度時，借助于光波導將溫度傳感器連接到測量儀器上，測量儀器內(nèi)包含有一個光源(光發(fā)射器)、一個光檢測器、一個計值裝置和一個指示裝置。在溫度傳感器和測量儀器之間可方便地設置一種耦合。在測量儀器的內(nèi)部和外部使光波導分支開，以便將溫度傳感器連接到光源和光檢測器兩者上。這個分支也可設置在溫度傳感器內(nèi)，此時光波導作為多路波導進入測量儀器。
由光源發(fā)出的白光被液晶層反射。通過分支傳導到光檢測器。安裝在光檢測器前面的濾光片保證只有某些波長的光強被測出，并可以將例如一種波長的光強作為基準。
產(chǎn)生出一個與溫度無關的基準的其它可能例子有(a)利用光纖前端面上反射回來的光強(弗雷斯內(nèi)爾Fresnel反射);
(b)利用液晶透明保護蠟克層上的弗雷斯內(nèi)爾反射;
(c)利用液晶層前方非黑色基底上的反射。
對于不要求有良好通路惰性和長期穩(wěn)定性的簡單的溫度測量，可以選擇例如具有合適發(fā)射波長的發(fā)光二極管來代替白色光源。
偏助于按照本發(fā)明的溫度傳感器，在溫度測量上具有以下優(yōu)點簡單，因而價廉;
有高的測量精度(±0.1℃)，沒有溫度滯后現(xiàn)象;
由于采用非常少量的液晶和合適的傳感器結(jié)構(gòu)，使測量有高的靈敏度和短的響應時間;
有很小和緊密的傳感觸點，因而可進行點測量;
在應用上述液晶溫度指示器的情況下，測量位置不必是可見的;測量和指示的位置在空間上可以分開;
電子計值法還可以對可見光譜范圍之外的反射光成分進行計值。因此，可測量的溫度范圍能向上擴展到更短的波長，向下擴展到更長的波長;
與熒光化合物的溫度傳感器不同，采用本發(fā)明的傳感器時測量光服從物理的反射定律，并以高的效率返回到測量光纖的計值單元;
傳感器對電磁場、靜電場和靜磁場不敏感;
由于液晶的光照和測量光的反射是經(jīng)由光波導以一定的方式發(fā)生的，所以象目視觀察非封裝的液晶時由于視角傾斜而會發(fā)生的那種測量誤差，在這里是不可能出現(xiàn)的;借助于數(shù)值孔徑可控制彩色的光譜純度;
也可以通過光波導來評估可見的彩色。
通過合適地選擇液晶混合物，可以在寬的界限內(nèi)選定可測量的溫度范圍，以滿足測量要求。
按照本發(fā)明的溫度傳感器，其應用例子有醫(yī)學方面的溫度測量，例如腫瘤的微波治療、皮膚表面的溫度測量和層析X射線圖示檢查等;
易爆炸環(huán)境中的溫度測量;
工業(yè)生產(chǎn)用或家用的微波加熱裝置方面的溫度測量。
附圖示出按照本發(fā)明的溫度傳感器可能的實施例。其中“1”表示保護帽，“2”表示溫敏元件，“3”表示光波導，“4”表示封填物，“5”表示冷縮管套，


圖1示出僅僅包含單根光波導的一種溫度傳感器。在保護帽(1)封口端面的內(nèi)側(cè)是液晶(2)。光波導(3)盡管推入保護帽(1)內(nèi)。以使其端面與液晶(2)相接觸。封填物(4)防止液晶(2)受大氣環(huán)境因素的影響。
圖2的溫度傳感器包含兩根光波導(3)，它們終接在液晶(2)的前間隔開一個，約等于光波導直徑三倍的距離，并由冷縮管套(5)夾持在一起。
圖3示出使用一整束光波導(3)的情況。除成束外，該圖中的溫度傳感器結(jié)構(gòu)在其他方面是與圖1中的傳感器一樣的。
圖4中的溫度傳感器與圖2中的傳感器有相同的結(jié)構(gòu)。不同之處在于用多束光波導代替了兩根光波導(3)。
例1微封裝的液晶灌封在蠟克中，蠟克直接貼敷到聚合物光波導(直徑1毫米)的端面上。由液晶確定的可測量溫度范圍是25℃至45℃。經(jīng)蠟克處理后，敏感的傳感器頂端用一個保護帽保護，保護帽由涂黑的聚四氟乙烯制成。保護帽的封口只有0.1毫米厚。以使其與測量對象有良好的熱接觸。傳感器連接到一個測量儀器上。由燈光發(fā)出的白光經(jīng)由光波導傳送到液晶層。在特定波長上選擇性地反射的光是光纖頂端溫度的一個量度。反射光通過Y型接頭傳導到一個前面有濾光片的檢測器上?？蓽y量出630納米和800納米的光強。630納米的光強極大地依賴于溫度，而800納米的光強是與溫度無關的，可作為光波導傳輸(通路惰性)中光源變異或改變時的基準信號。比值I(630納米)/I(800納米)是僅僅取決于溫度的測得量，它可直接校準成溫度刻度。
例2兩根石英玻璃多模光波導(每根直徑125微米)由一個塑料冷縮管套擠一端夾持在一起。它們連接到測量儀器內(nèi)的光源和光檢測器上。經(jīng)過熱壓冷縮后，管套牢靠地將光波導封包起來。把一個涂有黑蠟克的、內(nèi)側(cè)淀積有薄的非封裝液晶層的鋁帽，推壓到兩根光波導的組合端上。液晶層與兩光纖端向間有300微米的間隙，以保證反射光很好地投射到通往光檢測器的光波導內(nèi)。為了保護液晶層免受紫外光照射，必須用一個位于液晶前面的濾光片來除去燈光中發(fā)出的紫外線。液晶在-10℃至+10℃范圍內(nèi)是敏感的。用這種傳感器可達到的測量精度是±0.1℃，由于鋁帽具有良好的導熱性和輕的質(zhì)量，所以傳感器的響應時間短，為1至2秒。
例3選定類似于例2的結(jié)構(gòu)，但采用兩根500微米直徑的聚合物光波導和一個微封裝的液晶層。為了改進通路惰性在包含有液晶的蠟克混合物內(nèi)加入白色顏料，它能產(chǎn)生出小量的附加反射光，這不與溫度有關，可將它用作基準值，以改進溫度傳感器的長期穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種溫度傳感器，它由包含有螺旋分子取向的螺旋性向列型液晶的保護帽構(gòu)成，在保護帽內(nèi)至少終接一根光波導。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中提出的溫度傳感器，其中，保護帽為圓柱管形式，它的一個端面是開口的，另一個端面是封口的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中提出的溫度傳感器，其中，保護帽由金屬聚合物或陶瓷制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中提出的溫度傳感器，其中，液晶置于保護帽封口端的內(nèi)側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中提出的溫度傳感器，其中，液晶包容在蠟克層的微囊內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中提出的溫度傳感器，其中，光波導終接在保護帽開口端面內(nèi)的液晶一側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的溫度傳感器。它有一個 內(nèi)含有液晶的保護帽。在保護帽內(nèi)至少終接有一根 光波導。輻射到液晶內(nèi)的光線的反射是與溫度有關 的。因此可用來測量溫度。測量精度為±0.1℃。
文檔編號G01K11/16GK1041651SQ89106098
公開日1990年4月25日 申請日期1989年7月26日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月28日
發(fā)明者維爾納·格勒, 約亨·庫坦丁, 皮特·赫爾伯斯麥爾, 于爾根·泰斯 申請人:赫克斯特股份公司