专利名称：光温度探头组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量温度的温度探头，且更具体地涉及那些采用测量温度的光学方法的探头。
在本发明的一个方面，温度探测器包括一些与波导光连接的感测材料，及一个外壳，该外壳的热膨胀系数与波导的热膨胀系数基本上相匹配。波导具有分别固定到邻近的第一和第二外壳端的第一和第二端。该温度探头可与用于检测感测材料的热响应特性和用于提供表示该特性的输出的装置一同运行，从而表示感测材料的温度。最好，波导包括硅石，而外壳包括如殷钢的低膨胀金属合金。
在本发明的另一方面，温度探头包括其中装有感测材料的金属管，它通过连到波导外表面上的金属覆层上而被连到波导上。最好用纤焊接(brazejoint)实现连接。
在本发明的另一方面，温度探头包括一非直筒形或弯曲的外壳。波导的第一和第二波导端分别固定到邻近的第一和第二外壳端，而波导中段则松弛地装在外壳中。
图1是根据本发明的温度探头的剖视图;
图2是图1的温度探头正视图;
图3是图2的温度探头的剖视图;
图4是根据本发明的温度探头子组件的剖视图;
图5是根据本发明的温度探头子组件的另一实施例的剖视图。
在图1中，温度探头10有探测端10a和10b，并测量探测端10a附近的图12大略表示的区的温度。感测材料14与区12相热导通，并有作为材料14的温度的函数变化的可检测特性，且该材料的温度与区12的温度密切相关。最好，材料14包括发光材料，它有响应于材料温度的发光持续时间或时间衰变率。在此作为对比文件的、1990年10月18日提交的美国专利申请第599，814号公布了这种发光材料的例子。最好用发光材料，因为它们一般可与单光纤双向操作相容，并且因为通常只需要少量的材料，从而减小了材料重量和体积，进而能够制成小而细且热响应时间改善了的探头。
感测材料14经光纤或具有波导端16a和16b的波导16与控制装置100相连通，最好由连接插头20把波导端16b固定到邻近的外壳18的端部。外壳18大致沿波导的整个长度保护波导16。外壳18最好是刚性金属管，从而使用户能方便地操作或使用探头10而又不致过分压迫或折断波导16。然而，外壳18最好还有适当的厚度、直径、长度及成分，从而使之具有延展性，即使得操作者或机器可以方便地把外壳弯成非直筒形(见图2的虚线部分)并使外壳保持该形状。无论外壳18是柱形或非直筒形的，它在垂直于其长度的平面内可有任何所需的横截面形状，环形的或非环形的。外壳能够被弯成并保持非直筒形的形状是有利的，因为探头可用标准的柱形外壳材料制作，然后可用于连接插头20和外壳端10a由于安装要求而不共线的应用之中。
根据本发明，外壳18由至少在一部分测量温度范围内具有与波导16的热膨胀系数大致匹配的热膨胀系数的材料构成。最好用硅石波导(即那些有主要由通常被称作石英玻璃或石英的硅石组成的光导芯区的波导)来作波导16，因为它们能够耐高温而不熔化或软化。硅石波导还有光衰减小和造价便宜的优点。替代地，波导16还可包括其他透明材料，如玻璃、蓝宝石或类似材料。已知具有硅石波导的探头经受了反复的热循环，并已在带有由低膨胀金属合金(而非如304不锈钢的更常见金属)制成的外壳的这类探头上观测到了测量发光信号电平的改善的长期稳定性。一种这类低膨胀金属合金是殷钢，它可从美国宾夕法尼亚洲Reading的CarpenterTechnologyCorp.获得，并包括约63%的铁、36%的镍、和1%的其他元素。表1显示了各种材料的大致热膨胀系数值(在室温附近)及其相对于硅石热膨胀系数的值。
在许多温度感测应用中，如微波炉谐振腔中的测量，象金属那样的导电材料由于其与周围的微波场相互作用因而是很不希望采用的，所以要把它们从光温度探测头中除去。但在某些应用场合采用金属及类似材料是有利的。温度探头10最好包括容纳与波导端16a相光连通的感测材料14的金属管22。钎接材料24使管22与外壳18接合。以此结构，感测材料14改善了与区12的热耦合，这是由于其距外壳端18a很近且由于感测材料14与区12之间的材料(金属管22及钎接材料24或外壳18)的高导热性和低厚度。表2包括根据本发明的温度探头的较佳尺寸特性。在一种替代实施例中，至少管22的一部分可延伸到外壳端18a和钎接材料24之外，以进一步增强感测材料14与区12的热耦合。虽然钎接是较佳的，但焊接或软焊也可被用来把金属管22接合到外壳18上。
外壳18与管22的连接及管22与波导16的连接，固定了外壳端18a附近的波导端16a。另一波导端16b通过与连接插头20相连而得到设置并最好被固定在外壳端18b附近，插头20则又借助环氧树脂26或以其他适当方式连到外壳18上。外壳18最好有足够的长度，以在端18a暴露于区12的测量温度范围时，使连接插头20仅经受其温度极限的中度温度。
控制装置100包括用于检测来自感测材料14的光15的装置，并且也可以包括一条或多条波导链路以及用于把询问或激励光19沿波导16注入感测材料14的装置。连接插头20与装置100的相应部分相配合，以实现控制装置100与感测材料14之间的连通。控制装置100提供表示感测材料14的热响应特性的输出101，从而表明区12的温度。
探测头10的振动可能引起外壳18内的波导16的中部的急速相对运动，导致波导可能的疲劳及最终断裂。探头10最好包括一个缓冲层28以减小波导16的这种相对运动。由于若干原因，缓冲层28最好包括粉状或纤维编织套筒状的陶瓷或二氧化硅基绝缘物。首先，这种绝缘物对波导16起缓冲垫的作用，因为它是相对柔软和可压缩的。第二，这种绝缘物的形状与外壳18的非直筒形保持一致，从而使探头10在把绝缘物装入外壳18后能够弯曲。第三，这种绝缘物有相对低的导热率且多孔，降低了波导16对外壳18的热耦合。这有助于防止波导16经历极端的温度，如在外壳18及其他部件的纤接或软焊过程中。它还有助于通过降低沿探头长度的导热而降低测以是单一材料层，也可是多种材料的复合层(如盖在之上的镍层)。根据本发明，金属管22通过直接连到金属覆层30而固定到波导端16a上。最好这种连接是包括纤接材料32的纤接。金属管22也可以被焊到金属覆层30上，但此技术不是最佳，因为它使波导受到高得多的温度且要求此光纤通常所用的更厚的金属覆层。较厚的金属覆层会降低波导的柔韧性并增加了成本。在本发明的范围内，也可以使用软焊。金属管22的热膨胀系数大致与波导16的相匹配。因而，对于有硅石波导的探头，金属管最好是由诸如殷钢的低膨胀合金或如铂的贵金属或如铂-铑的铂合金制成。铂或铂-铑同样也可用于外壳，但铂的高价及外壳18所需的较大材料量使这种选择很昂贵。
用更有延展性的金属管材料及钎接来取代更脆的硅石管和玻璃接合剂，相信能改善温度探头的可靠性并减少因热循环和振动而造成破裂的危险。
图4显示了根据本发明的温度探头的另一实施例。在此图中，波导40邻接于夹在波导40和管44之间的感测材料42。管44最好是金属管，且最好用纤接材料46将管接合到覆盖至少一部分波导40的金属覆层48。波导包括光导芯区域(最好主要由硅石组成)并最好还有一也可主要由硅石组成的包覆区。如结合图1所述的，管44的热膨胀系数最好与波导40的大致匹配。在图4中，镀层50覆盖了温度探头，从而增强了装置抵抗因热或机械压力引起的破裂的能力。若覆层48、管44、及接合材料46是导电的，则镀层50可用电镀方便地量误差。
在图3中，温度探头11的中段包括非直筒形外壳19、缓冲层29、及沿路径17的波导中段。未显示的波导端被固定于外壳端附近。若外壳19的热膨胀系数不与波导的热膨胀系相匹配(如外壳由铝制成而波导由硅石制成)，或若外壳的系数与波导的基本相匹配但至少在一部分测量温度范围内有残余的不匹配，则当波导端被固定到外壳时会在波导内产生压力。在此情况下缓冲层29最好把波导中段较宽松地保持在外壳内，允许这些部分有有限的横向移动，以缓和波导上的这种压力。例如，若外壳包括304不锈钢而波导包括硅石，温度升高时外壳比波导膨胀得多一些，趋于拉伸波导从而使之占据路径17。温度下降时外壳收缩得比波导多一些，趋于压缩波导。但宽松保持的波导中段此时可移至路径17a，从而再次缓解波导上的压力。在一较佳实施例中，缓冲层29包括较软的可压缩绝缘物，如上述二氧化硅集束套管。这种绝缘物可大致填充波导中段和外壳19之间的空间，但仍较宽松地保持着波导，因为绝缘物可弹性变形以适应波导的少量移动。
前述美国专利申请第599，814号公布了把感测材料保持在用玻璃接合剂与光纤接合的硅石管中，这种设置可用于本发明。但是，较脆的硅石管和玻璃接合剂在反复暴露于温度变化和振动后易于破裂。再看图1，本发明包含了包括波导16和金属管22的改进温度探头子组件。金属覆层30覆盖了至少一部分波导16。金属覆层30可加上。镀层50最好是镍，这不仅增强了温度探头而且抗腐蚀。镀层最好充分薄，如果镍则小于50μm，以使波导40能弯曲。
图5显示了与图4的温度探头类似的又一种实施例。波导60邻接于装在管64中的感测材料62。塞66插入管64的一端之中，并基本上封住了此端以防感材料62从管端散出。最好管64和塞66为金属并具有大致与波导60的相匹配的热膨胀系数，如上所述。钎接材料68最好使塞66与管64接合，而钎接材料70最好通过与金属覆层72连接而使管64与波导60接合。塞66最好有反射表面66a以增强波导60收集的光的水平或者允许使用较少量的感测材料62，从而减小探测的尺寸和重量。反射面66a最好是曲面，以增强信号电平，但也可是平面。图5所示的探头可象图4的那样镀上诸如镍的材料，以加强探头并防止探头被腐蚀。镀层最好可加到图1的覆层30、纤接材料32及管22的外表面上，或该图的外壳18、纤接材料24及管22的外表面上。
虽然结合最佳实施例描述了本发明，本领域的人员能认识到，在不脱离本发明的精神及范围的情况下可对形式及细节进行改动。多个波导分别与多块感测材料相连以提供重复传感元件的实施例，及多个波导与单块感测材料相连的实施例，均属本发明的范围。术语“光”及“光学”在此不仅指可见光，而且也指波长从约100nm至100，000nm的电磁辐射。
权利要求
1.一种温度探头，它可与用于检测热响应特性并提供作为其函数的输出的装置一起运行，该温度探头包括具有第一和第二端的外壳，它有外壳热膨胀系数；具有固定在第一外壳端附近的第一波导端和固定在第二外壳端附近的第二波导端的波导，该波导有波导热膨胀系数；具有热响应特性并与第二波导端相光连接的感测材料；其中外壳系数基本上与波导系数相匹配。
2.如权利要求1所述的温度探头，其中波导包含包括硅石的光导芯，该波导系数基本上等于硅石的热膨胀系数，且外壳包括从由铂、铂-铑合金和铁-镍合金组成的组中选出的材料。
3.如权利要求1所述的温度探头，还包括设在第二波导端并包含感测材料的金属管;其中金属管与外壳相连。
4.如权利要求1所述的温度探头，其中外壳适于可延展地被弯成非直筒形。
5.如权利要求4所述的温度探头，还包括一个设在波导和外壳之间的缓冲层，其中该缓冲层是多孔的。
6.一种温度探头，它可与用于检测热响应特性并提供作为其函数的输出的装置一起运行，该温度探头包括具有热响应特性的感测材料;带有外表面的波导，它还有与感测材料光连接的波导端;覆盖至少一部分波导外表面的金属覆层;以及其内装有感测材料的金属管，该金属管在波导端附近被装在波导上;其中金属管被连在金属覆层上。
7.如权利要求6所述的温度探头，其中波导有波导热膨胀系数，金属管有管热膨胀系数，且管系数基本上与波导系数相匹配。
8.如权利要求7所述的温度探头，其中波导包含包括硅石的光导芯，波导系数大致等于硅石的热膨胀系数，且管包括从由铂、铂-铑合金和铁-镍合金组成的组中选出的材料。
9.如权利要求6所述的温度探头，其中感测材料为发光材料，它的特性为发光持续时间，且感测材料为粉末状并密实地填充在金属管和波导之间。
10.如权利要求7所述的温度探头，还包括其中设有金属覆层、金属管和波导的外壳，该外壳有外壳热膨胀系数;其中该外壳系数基本上与波导系数相匹配且外壳适于被可延展地弯成非直筒形。
11.如权利要求6所述的温度探头，还包括基本上覆盖金属覆层和金属管的金属镀层。
12.一种温度探头，它可与用于检测热响应特性并提供作为其函数的输出的装置一起运行，该温度探头包括具有第一和第二外壳端的外壳;具有固定在第一外壳端附近的第一波导端、固定在第二外壳端附近的第二波导端及波导中段的波导;以及具有热响应特性并与第二波导端相光连接的感测材料;其中外壳有非直筒形形状，且波导中段被宽松地装在外壳中。
13.如权利要求12所述的温度探头，还包括一个设在波导中段和外壳之间的缓冲层。
14.如权利要求13所述的温度探头，其中缓冲层包括编织的硅石套筒。
全文摘要
温度探测头10包括与波导16相光连接的感测材料和有大致与波导的热膨胀系数相匹配的外壳热膨胀系数的外壳。波导16有固定在相应外壳端附近的第一和第二端16a和16b。在本发明的另一方面中，波导端固定在外壳端附近，外壳18在一或多处被弯曲从而成为非直筒形，且波导的中段被宽松地装在外壳18内。在本发明的又一方面中，其内装有感测材料14的金属管64，通过直接连到波导16的金属覆层上，而被固定到波导16上。
文档编号G01K11/20GK1081508SQ9310808
公开日1994年2月2日 申请日期1993年7月5日 优先权日1992年7月16日
发明者理查德·W·菲利浦斯 申请人:罗斯蒙德公司