具体实施方式

图1是靠近熔炉180的燃烧器185的光学火焰传感器100的示意图。熔炉180包括点火器190，点火器190包括气阀192和点火器尖端193。气阀192被配置成控制点火器尖端193的燃料排放。燃烧时，排放的燃料形成火焰194。在熔炉180包括多个燃烧器185时，每一燃烧器185可具有各自的点火器190。或者，熔炉180可包括比点火器190更多的燃烧器185，使得单个点火器190与多个燃烧器185相关联。点火器190可附连到燃烧器185，例如附连到燃烧器185的前板。熔炉180包括火焰传感器端口186。在各实施例中，火焰传感器端口186是燃烧器185的端口，例如在其背板中。在各实施例中，火焰传感器端口186是点火器190的端口，使得火焰传感器可以插入点火器190中。火焰传感器端口186可以是配置成接收非光学火焰传感器的常规火焰传感器端口，诸如基于上述火焰矫正的那些传感器。

光学火焰传感器100包括光纤腔130。在诸实施例中，光学火焰传感器100还包括信号发生器102、激光器110、光学循环器120、光学传感器151和火焰传感器处理器160中的至少一者。在某些实施例中，光学传感器151是InGaAs光电二极管检测器。在诸实施例中，火焰传感器处理器160通信地耦合到熔炉180的熔炉控制器181，使得当火焰传感器处理器160确定火焰194已熄灭时，火焰传感器处理器160向熔炉控制器181传送信号169。响应于接收到信号169，熔炉控制器181控制气阀192。在诸实施例中，作为关闭气阀192的补充或替换，熔炉控制器181响应于接收到信号169，在与熔炉控制器181进行电气通信的显示器183上显示指示或警报。显示器183可以是熔炉180的主控制板的一部分，或者可以无线地耦合到熔炉控制器181，诸如熔炉180的操作员和技术人员使用的手持式设备。

在诸实施例中，火焰传感器处理器160是熔炉控制器181的组成部分。熔炉控制器181可取决于应用来控制给定熔炉或多个熔炉内的多个燃烧器190。作为替换或补充，火焰传感器处理器160可耦合到另一外部设备(未示出)，诸如熔炉管理系统，并且被配置成向燃烧器管理系统传送指示火焰194的存在或不存在的警报。

在诸实施例中，光学火焰传感器100的一个或多个组件被配置成是可拆卸的以便于更换。例如，在诸实施例中，光纤腔130是光学火焰传感器100的独立的可更换组件，其中更换光纤腔130不需要更换激光器110，光纤耦合器106和107，光学循环器120，光学传感器151、155，以及火焰传感器处理器160的组件。

光学循环器120包括第一端口121、第二端口122和第三端口133。第一端口121被配置成接收光学信号，诸如光学信号112。第二端口122被配置成输出在第一端口121处接收到的光学信号112。第三端口133被配置成输出第二端口122的输入。

光纤腔130包括腔近端131、光纤135、以及位于光纤135的远端136处的镜140。腔近端131光学地耦合到第二端口122以便其接收光学信号112。光纤腔130在其中维持腔信号113。腔信号113的一部分作为腔输出信号114离开腔近端131。由光纤腔130输出的腔输出信号114是第二端口122的输入。光学传感器151光学地耦合到第三端口123以检测腔输出信号114并由此生成腔电信号154。镜140附连到光纤135并且可包围其远端136。镜140作为光纤腔130的一部分(例如，作为沉积在其上的层)的优点是其使得光纤腔能够成为易于更换的光学火焰传感器100的模块化组件。

信号发生器102电耦合到激光器110并且被配置成向激光器110施加时变电压104。激光器110被配置成生成光学信号111。光学信号112包括光学信号111的至少一部分。

在诸实施例中，激光器110是二极管激光器，诸如分布反馈激光器、分布布拉格反射器激光器或垂直腔面发射激光器。在诸实施例中，激光器110包括InGaAsP激光二极管。光学信号111具有中心波长λ₀，其可以是可见波长或近红外波长，诸如1.2μm和1.70μm之间的波长。

在诸实施例中，激光器110被配置成由时变电压104调谐，使得时变电压104在调制周期105处周期性地调制光学信号111的波长。激光器110电连接到信号发生器102，使得时变电压104调制施加到其上(例如到激光二极管)的电流。增大电流使得中心波长λ₀增大，而减小电流使得中心波长λ₀减小。在诸实施例中，时变电压104是周期性的，并且具有在5kHz和15khz之间的频率，诸如10kHz，并且可以是正弦波或非正弦波，诸如锯齿波形或三角波形。在诸实施例中，时变电压104实现小于5kHz或大于15kHz的其他频率。时变电压104具有足以将中心波长λ₀调制±δλ的振幅。在激光器110是分布反馈激光器的实施例中，δλ可在0.2nm和0.4nm之间。本文公开的光纤135和任何其他光纤可以是中心波长λ₀处的单模光纤。

图1表示在腔近端131处从光纤腔130入射到其上的光的反射率132。在诸实施例中，反射率132在中心波长λ₀处在3％到5％之间。这一反射率范围远远超过物理接触(“PC”)光纤耦合的损耗，并且增加腔输出信号114的干涉最大值的振幅(以及干涉条纹的对比度)，并从而便于确定火焰194存在还是不存在。

在诸实施例中，光学火焰传感器100包括将光纤腔130光学地耦合到第二端口122的光纤125。光纤125具有光纤远端126。

光纤远端126和腔近端131可以耦合，使得它们之间的气隙增加反射率132的振幅。在诸实施例中，光纤远端126和腔近端131分别用有角抛光(例如，APC连接器)和无角(平坦)抛光(例如，平坦，PC，或UPC连接器)来终止(例如，端接)，这产生上述气隙。

在诸实施例中，光纤远端126和腔近端131各自具有平坦抛光的终端，并且在它们之间没有气隙的情况下耦合(例如，PC到PC或UPC到UPC耦合)，这导致反射率132小于包括气隙的上述耦合中的反射率。为了增加反射率132，光纤远端126可在其上具有反射涂层，诸如介电涂层。在诸实施例中，反射涂层在中心波长λ₀处的反射率在40％到60％之间。反射涂层位于光纤远端126上而不是腔近端131上的优点是，(由于火焰引起的磨损而必需)更换光纤腔130不需要更换反射涂层。

在诸实施例中，光学火焰传感器100包括壳体109。光纤125可以是中心波长λ₀处的单模光纤，它足够长以便于将光纤腔130(例如，用壳体109)装载到火焰传感器端口186，使得光纤腔130足够靠近气阀192以检测火焰194生成的热。壳体109可被配置成使得腔远端136可以紧固(例如，可拆卸地紧固)在壳体109内。在诸实施例中，壳体109被配置成将光学火焰传感器100装载在与上述基于火焰矫正的火焰传感器相同的位置。例如，壳体109可被配置成将光纤腔130直接装载在火焰194内，或装载在燃烧器185的接收多余火焰194的部分内，诸如火焰检测器侧管。因此，壳体109被配置成使得光学火焰传感器100是基于上述矫正的火焰传感器的改型。

在诸实施例中，光纤135是金属化光纤。例如，光纤135可以具有覆盖其包层表面的金属涂层，而传统光纤的包层表面具有聚丙烯酸酯涂层。该金属可由选自包括铝、铜、金、银及其任何组合的金属群的金属组成。因此，金属可具有可超过700℃的熔点，以便在靠近火焰194或处于火焰194中时不会熔化。在诸实施例中，为了额外的保护，光纤腔130的至少一部分位于保护壳内，诸如可由钢或其他材料形成的柔性金属管或单线管(monocoil)。

在诸实施例中，光学火焰传感器100包括光纤耦合器106和光学传感器155，其可以与光学传感器151相似或相同。光纤耦合器106包括将光学信号112光学地耦合到第一端口121的第一耦合器输出107。在诸实施例中，光纤耦合器还包括第二耦合器输出108，其将基准光学信号116光学地耦合到光学传感器155。光学信号112是光学信号111的第一百分比。基准光学信号116是光学信号111的第二百分比。在诸实施例中，第一百分比超过第二百分比。

例如，第一百分比是百分之九十，而第二百分比是百分之十。第一百分比和第二百分比的其他比率可被实现，而不背离其范围。光学传感器155根据基准光学信号116生成基准电信号156。在诸实施例中，光学传感器155被光学地耦合到光纤耦合器106以接收基准光学信号116。例如，相应单模光纤引导光纤耦合器106和第一端口121之间的光学信号112、第三端口123和光学传感器151之间的腔输出信号114以及光纤耦合器106和光学传感器155之间的基准光学信号116。

在诸实施例中，光纤135由第一材料形成，第一材料具有在中心波长λ₀处在第一温度T₁下的折射率n₁。第一温度T₁可以在15℃和30℃之间，并且对应于没有火焰194时的“无火焰”温度。在诸实施例中，光纤135的远端136垂直于光纤135的光轴。在诸实施例中，远端136包括抛光表面。

镜140的反射属性可得自光纤135的物理端与围绕该物理端的环境介质(诸如空气)的界面。例如，镜140可以是远端136的抛光和/或劈开表面(例如，垂直于光纤135的光轴)，使得镜140是光纤135的一部分。在诸实施例中，远端136在其上具有反射涂层，并且起到镜的作用。在诸实施例中，镜140是半导体层，诸如硅层，其保护远端136免受湿气和其他沉积物的影响，同时足够薄(例如，≤λ₀/10)以防止干扰/标准具效应。

在诸实施例中，镜140不同于光纤135。例如，镜140可包括由第二材料形成的层142，该第二材料具有在第一温度T₁下的折射率n_R和厚度L₁。第二材料的示例包括硅、氧化铝和氧化锌。折射率n_R可满足(n_R-n₁)≥0.2，使得部分地由n_R和n₁确定的层142的反射率导致腔输出信号114具有如下经调制的干扰最大值：其振幅足以由光学传感器151检测并由火焰传感器处理器160表征。

火焰传感器处理器160包括电子器件162、处理器164和存储器170。处理器164通信地耦合到存储器170并且可以通信地耦合到电子器件162。电子器件162通信地耦合到存储器170。电子器件162可包括运算放大器和微控制器中的一者或多者，并且可以是数据采集设备。

存储器170可以是瞬态和/或非瞬态的，并且可包括易失性存储器(例如，SRAM、DRAM、计算RAM、其他易失性存储器或其任何组合)和非易失性存储器(例如，FLASH、ROM、磁性介质、光学介质、其他非易失性存储器或其任何组合)中的一者或两者。存储器170的一部分或全部可以集成到处理器164中。

电子设备162接收腔电信号154，并且在诸实施例中接收基准电信号156，并从中产生经处理信号172。例如，电子器件162通过如下操作来产生经处理信号172：通过基准电信号156来将腔电信号154归一化以增加腔电信号154的信噪比。在诸实施例中，经处理信号172是数字信号，并且电子器件162包括用于将基准电信号156和腔电信号154从模拟转换成数字的模数转换器。在诸实施例中，执行模拟到数字转换的组件改为是光学传感器151和光学传感器155的一部分。存储器170存储经处理信号172。

存储器170包括软件180。软件180包括条纹分析器182和信号形状分析器184中的一者或两者。条纹分析器182和信号形状分析器184中的每一者包括各自的机器可读指令，这些指令可由处理器164执行，以执行如本文所述的光学火焰传感器100的功能。当由处理器164执行时，条纹分析器182控制处理器164分析经处理信号172，以根据经处理信号172的干涉条纹的时间变化来确定光纤腔130是正在加热还是冷却。当由处理器164执行时，信号形状分析器184控制处理器164以确定光纤腔130的温度或温度范围。

图2包括标绘250和270，每一标绘解说了由光学火焰传感器100的一实施例测得的数据。在该实施例中，时变电压104是1kHz锯齿波形，激光器110是中心波长λ₀＝1550nm的分布反馈激光器。光纤耦合器用作90:10分光器，其中90:10是光学信号112与基准光学信号116的功率比。光纤135具有1.0±0.1米的长度，镜140具有50％的反射率，且反射率132约为4％。在诸实施例中，镜140具有在中心波长λ₀处在45％和55％之间的反射率。

标绘250显示分别是腔电信号154和基准电信号156的示例的腔电压254和基准电压256。标绘250表示时间区间251和252。时间区间251和252跨时变电压104的调制周期205(这里也称为τ)。图2表示时间τ/2，其表示时间区间251的结束和时间区间252的开始。调制周期205是调制周期105的示例。

施加到激光器110的时变电压104调制光学信号111的波长和功率这两者，使得中心波长λ₀以及电压254和256在时间区间251期间增大并在时间区间252期间减小。例如，光学信号111的中心波长λ₀可以从时间区间251的开始处的λ₁增加到时间τ/2处的λ₂，并且在时间区间252的结束处减小回λ₁。

标绘270包括条纹信号272，其是通过基准电压256来归一化的腔电压254，并且是经处理信号172的示例。条纹信号272包括在谐振时间274处出现的多个干扰极大值，其对应于激光器110调谐到光纤腔130的谐振波长λ_m的时间。垂直虚线表示每一谐振时间274。为说明清楚，并非所有谐振时间274都标有附图标记。

当光纤腔130的温度不变时，谐振时间274随时间而静止，例如在相继调制周期205(τ)之间。时间区间251的每一谐振时间274对应于满足λ_m＝n₁(T)L(T)/2m的相应模数m和相应波长λ_m，其中n₁(T)和L(T)分别是光纤腔130的温度相关折射率和温度相关长度。当光纤腔130的温度升高时，积n₁(T)L(T)增大，使得每一λ_m也增大，这意味着与激光器110发射谐振波长λ_m的时刻相对应的谐振时间274也增加。因此，当光纤腔130加热时比较相继调制周期205的条纹信号272时，时间区间251内的每一谐振时间274向时间τ/2移动。类似地，时间区间252内的每一谐振时间274向时间τ/2移动，因为在时间区间252期间，中心波长λ₀从λ₂减小到λ₁。

冷却光纤腔130具有对谐振时间274的相反影响。当光纤腔130冷却时，时间区间251和252内的谐振时间274远离时间τ/2。

在诸实施例中，条纹分析器182确定谐振时间274的前述移动或时间漂移，并由此生成存储在存储器170中的温度变化状态176。信号169可包括温度变化状态176。温度变化状态176可以是火焰194是否存在的二进制指示。换言之，当条纹分析器182确定光纤腔130正在加热时，火焰194必然存在，并且因此温度变化状态176指示火焰存在或正在加热。相反，当条纹分析器182确定光纤腔130正在冷却时，火焰194不存在，并且因此温度变化状态176指示火焰不存在或正在冷却。在诸实施例中，温度变化状态176指示三种状态之一：正在加热、正在冷却以及稳态温度。用于确定谐振时间274的时间漂移的替换或附加技术包括条纹计数、互相关和相位恢复方法。

在诸实施例中，作为替换或补充，条纹分析器182通过对时间区间251和252内的条纹进行计数来确定温度变化状态176和/或测得温度178。当光纤腔130被加热时，其长度增加使得其自由光谱范围减小，这导致在时间区间251和252内的更紧密的谐振时间274，并且因此更多的谐振时间274(即，更多的条纹)。当光纤腔130被冷却时，相反的情况成立。存储器170可存储校准数据174。在诸实施例中，校准数据174包括作为温度的函数的条纹计数，例如作为查找表，使得火焰传感器处理器160可将由条纹分析器182计数的时间区间251和/或252中的条纹数映射到校准数据174的温度。测得温度178可表示特定温度值、温度值的范围，或者是指示燃烧器185的“热”或“冷”状态的二进制指示符。在诸实施例中，“热”表示测得的温度超过上限阈值温度(例如500℃)的时刻，“冷”表示测得的温度低于下限阈值温度(例如100℃)的时间。

在诸实施例中，条纹由处理信号172中的数据点定义，其值超过(或小于)预定数量的数据点的每一信号值。例如，预定数字等于10。为了防止单个条纹的重复计数，在诸实施例中，两个时间上相继的点中只有一者符合条纹的条件。在诸实施例中，条纹分析器182将条纹计数确定为在多个调制周期105中计数的条纹的平均数目。在诸实施例中，条纹分析器182对经处理信号172应用例如截止频率为100kHz的低通滤波器，以去除可导致不准确的条纹计数的噪声。

在一实施例中，光纤腔130是30厘米长，且光纤135的纤芯在25℃和700℃温度下的折射率分别是n_c＝1.446和n_h＝1.45354。在该实施例中，光纤腔130在25℃下具有2.10皮米和在700℃下具有2.09皮米的自由光谱范围(条纹间距)。当信号发生器102在大约700皮米的扫描范围内调制激光器110的中心波长λ₀时，在25℃和700℃之间计数的条纹的差为1.65个条纹。当在多次扫描上对条纹计数取平均时，该差是可以辨别的。

在诸实施例中，当激光器110的中心波长λ₀等于其最大值λ₂，然后减小回其最小值λ₁时，条纹分析器182通过计算预定条纹数和“掉头”点之间的数据点的数目来确定测得的温度178。例如，当时间区间251结束并且时间区间252开始时，参见图2中的时间τ/2。随着光纤腔130加热，掉头点之间的条纹的数量增加，使得掉头点和预定条纹之间的数据点的数量减少。类似地，随着光纤腔130冷却，掉头点之间的条纹的数量减少，使得掉头点和预定条纹之间的数据点的数量增加。

在包括互相关方法的实施例中，作为替换或补充，条纹分析器182通过确定与时间上相继的调制周期205(1,2,…)相对应的在时间上相继的条纹信号272(1,2,...)的相应互相关来确定温度变化状态176。互相关产生与相对于调制周期205的开始的时间{t₁，t₂，…}相对应的相应相关极大值的时间序列。光纤腔130的加热对应于时间{t₁，t₂，…}在时间区间251期间单调递增，并且在时间区间252期间单调递减。光纤腔130的冷却对应于时间{t₁，t₂，…}在时间区间251期间单调递减，并且在时间区间252期间单调递增。

在诸实施例中，作为替换或补充，条纹分析器182通过对相继条纹信号272(1,2,...)应用相位恢复技术来确定温度变化状态176，并比较所得相位{φ₁，φ₂，…}来确定谐振时间274的时间漂移。相位恢复技术可包括对在时间上相继的条纹信号272(1,2,...)应用傅里叶变换(这产生复频域信号(包括实部和虚部))并由此计算合成相位{φ₁，φ₂，…}。根据傅里叶变换定理，在频域中相差相位的信号，在时域中相对彼此在时间上偏移开。

因此，在诸实施例中，当合成相位{φ₁，φ₂，…}在时间上一致地增加或减少时，条纹分析器182更新温度变化状态176。条纹分析仪182评估相位差sgn(Δφ_i)的符号，其中Δφ_i＝φ_i-φ_i-1。在诸实施例中，当预定数量N的相继周期的sgn(Δφ_i)的总和超过正阈值或小于负阈值时，条纹分析器182更新温度变化状态176。例如，当N＝25时，正阈值和负阈值的绝对值可以各自等于10。当sgn(Δφ_i)的总和在正阈值和负阈值之间时，条纹分析器182可输出指示稳态温度的温度变化状态176。

在诸实施例中，当预定数量N的周期(相继或非相继周期)的累积相位差ΣΔφ_i超过正阈值或小于负阈值时，条纹分析器182更新温度变化状态176。例如，正累积相位差表示冷却，而负累积相位差表示加热。

在诸实施例中，相位恢复技术可包括对时间相继的条纹信号272进行预处理以去除与感兴趣频率无关的时间频率，诸如相继谐振时间274之间的时间间隔。

在诸实施例中，作为替换或补充，条纹分析器182使用“二进制数据转换跟踪”技术来确定温度变化状态176，这包括对每一者都具有持续时间τ(例如调制周期205)的N个相继调制周期{P₁，P₂，…，P_N}，比较时间分段Δt内的条纹信号272的M个样本{S₁，S₂，…，S_M}，该时间分段可以小于相邻谐振时间274之间的时间间隔，用于跟踪对应于单模数m的谐振时间274。样本计数M可以超过相继周期计数N。

图2表示作为时间分段Δt的示例的时间分段253。定义时间分段Δt的开始和停止时间相对于调制周期τ的开始和结束是恒定的，使得时间分段Δt对应于每一调制周期P期间光学信号112的相同波长范围。样本{S₁，S₂，…，S_M}在时间分段Δt内按时间顺序出现。在下面的示例中，N和M分别等于6和3。同样在下面的示例中，样本{S₁，S₂，…，S_M}_i对应于调制周期P_i，其中整数i的范围为1到N。在诸实施例中，作为替换或补充，条纹分析器182通过对每一样本{S₁，S₂，…，S_M}_i应用signum函数来确定温度变化状态176。signum函数产生二进制数据样本B_i＝{B₁，B₂，…，B_M}_i，其中每一样本值B是两个值(诸如{0，+1}或{-1,+1})中的一个。条纹分析器182确定当时间上相继的采样值B从一个值改变到另一个值(例如，从0到1或反之，或符号改变)时转换时间的时间趋势。该时间趋势的方向(时间上的向前或向后)指示谐振时间274的方向，并且从而指示光纤腔130正在加热还是冷却。时间趋势的缺失(例如转换时间表现出时间抖动)指示稳态温度。在诸实施例中，当时间趋势在同一方向上持续超过阈值时间的时间时，条纹分析器182更新温度变化状态176。在诸实施例中，阈值时间是调制周期105的倍数，其中该倍数在5到10之间。

例如，条纹分析器182可以生成相继的样本{+1、+1、+1}₁、{-1,+1,+1}₂、{-1,-1,+1}₃、{-1,-1,-1}₄、{+1,-1,-1}₅和{+1，+1，-1}₆。在这些样本中，符号变化的时间位置从较早的时间移到较晚的时间，这指示谐振时间274在时间上向前移动。当时间分段Δt在时间区间251内时，这种时间偏移意味着光纤腔130正在加热。当时间分段Δt在时间区间252内时，这种时间偏移意味着光纤腔130正在冷却。在诸实施例中，在分析M个样本和N个调制周期之后，光纤移动分析器将结果(腔130正在加热还是冷却)记录为温度变化状态176。

存储器170还可包括温度变化历史177，温度变化历史177包括先前测得的温度变化状态176的时间序列，每一温度变化状态可以与相应的时间戳配对。在诸实施例中，即使在光纤腔130已经达到温度平衡使得其温度不随时间变化之后，温度变化历史177也使得能够确定光纤腔130是“热”(接近火焰194，例如T>500℃)还是“冷”(火焰194不存在，例如T<100℃)。当存储器170是非易失性存储器时，温度变化历史177在断电或火焰传感器处理器160重新引导的情况下可以是有用的。

在诸实施例中，作为补充或替换，软件180通过量化条纹信号272中随温度升高而增加的时间抖动来确定光纤腔130在稳态温度下是热还是冷。例如，与冷相比，当光纤腔130热时，条纹信号272包括更高的频率，使得软件180可以评估条纹信号272的频谱。

图3包括解说由光学火焰传感器100的另一实施例测得的数据的标绘300。图3的该实施例与图2的实施例相同，除了镜140的反射率是8％之外。标绘300包括基准电压356和条纹信号372，其是基准电信号156和经处理信号172的相应示例。标绘300包括下曲线310和上曲线330。下曲线310可以是条纹信号372的局部极小值的线性拟合。下曲线330可以是条纹信号372的局部极大值的线性拟合。标绘300还包括中值曲线320，其可以是曲线310和330的平均值，或者可以是通过对条纹信号372应用低通滤波器以去除共振条纹而得到的。曲线310、320和330在其各自的最大值和最小值之间具有各自的条纹信号振幅312、322和332，它们中的每一者取决于镜140的反射率，如图4所示。

图4包括解说由光学火焰传感器100的另一实施例测得的数据的标绘400。图4的该实施例与图2的实施例相同，除了镜140包括具有50％反射率的层之外。标绘400包括基准电压456、条纹信号472，其是基准电信号156和经处理信号172的相应示例。标绘400包括从条纹信号472导出的下曲线410、中值曲线420和上曲线430。曲线410、420和430分别类似于图3的曲线310、320和330。曲线410、420和430具有各自的条纹信号振幅412、422和432，其分别类似于且大于图3的条纹信号振幅312、322和332。在诸实施例中，校准数据174存储上述条纹信号振幅中的至少一者的温度相关性，使得火焰传感器处理器160通过比较测得的条纹信号振幅与校准数据174中存储的那些振幅来确定测得的温度178。

图3和4示出了根据法布里-珀罗光学腔的物理学而所知的关系，即与条纹信号相关联的条纹信号振幅随着镜140的反射率增加而增加。条纹信号372和条纹信号472均未通过基准电压(例如，基准电信号156)来归一化。给定镜140的温度相关反射率，光纤腔130可被校准，使得其温度可从经处理信号172导出，例如经由图3和4的曲线和/或条纹信号振幅之一。镜140的温度相关反射率(或等效物，例如经归一化的温度相关反射率或条纹信号振幅，诸如图3和4的那些)可以是温度T₁和T₂之间的单射(“一对一”)函数，使得每一反射率值映射到在跨越T₁和T₂的范围内的有且仅有一个温度。存储器170可以存储这样的函数作为校准数据174，其可以是查找表。

在诸实施例中，光学火焰传感器100被配置成使得经处理信号172类似于中值曲线320和420，这使得能够确定光纤腔130的温度。在这样的实施例中(下文称为“名义腔”实施例)，光纤腔130被例如经由光纤远端126光学地耦合到第二端口122，使得反射率132足够低，以便光纤腔130仅名义上是腔并且用作光纤镜。例如，光纤远端126和腔近端131可以光学地耦合，使得反射率132小于0.1％(-30分贝)。在诸实施例中，镜140包括具有温度相关反射率的层142，该反射率的范围在上述温度T₁(“无火焰”温度)和第二温度T₂之间的最大值和最小值(反之亦然)之间，其可超过T₁至少500开尔文。例如，在中心波长λ₀和第一温度T₁处，层142可以具有折射率n_R1和厚度其中q₁是非负整数，使得层142用作四分之一波反射涂层(多阶涂层，阶数等于q₁)。例如，在中心波长λ₀和第二温度T₂处，层142可以具有折射率n_R2和厚度其中q₂是非负整数，使得层142用作半波抗反射涂层(多阶涂层，阶数等于q₂)。在诸实施例中，q₁＝2q₂，使得其中是n_R1和n_R2的均值，这使得层142在T₁和T₂之间具有温度到反射率的一对一映射。

厚度L₁和L₂是指层142的顶面143和底面144之间的距离，顶面143和底面144可以是平坦的并且彼此平行。给定层142的材料，其热膨胀系数和温度相关折射率可被用于长度L₁和L₂的上述表达式中，以求出正整数q₁和q₂的值，使得这两个表达式在其各自的温度T₁和T₂下都被满足。整数q₁和q₂可以相等。当q₁和q₂两者都等于零时，或者更一般地当q₁＝2q₂时，层142具有温度到反射率的前述一对一映射。

厚度L₁的有利值可通过数值或解析方式找出。厚度L₁对应于温度T₁(即“无火焰”温度)下的层142的厚度，并且因此表示制造层142的温度。例如，给定层142的热膨胀系数和温度相关折射率，其反射率R作为相应厚度L₁和L₂的函数可以(i)在温度T₁下被确定以产生R₁(L₁)以及(ii)在温度T₂下被确定以产生R₂(L₂)。R₁(L₁)和R₂(L₂)中的每一者都是厚度L_1,2的周期性函数，因为该层在多阶四分之一波反射器和多阶半波抗反射涂层之间转换。

厚度L1的有利值通过首先将R₂(L₂)转换成R₂(L₁)来找出：通过使用层142的热膨胀系数来将L₂值范围(在温度T₂下的厚度)转换成L₁值范围(在温度T₁下的厚度)，通过将R₂值映射到L₁值范围。R₂(L₁)与R₁(L₁)之差，例如|R₂(L₁)-R₂(L₁)|产生在温度T₁与T₂之间层142的反射率差异ΔR(L₁)，作为温度T₁下候选厚度L₁的函数。与ΔR(L₁)的局部最大值相对应的厚度L₁是厚度L₁的有利值。

图5是示出用于检测火焰的存在的方法500的流程图。方法500可被实现在光学火焰传感器100的一个或多个方面内。方法500可由执行软件180的计算机可读指令的处理器164来实现。方法500包括步骤510、520、530、540、550和560中的至少一者。

步骤510包括周期性地调制由激光器生成的光学信号的波长以产生经调制信号。在步骤510的示例中，信号发生器102周期性地调制由激光器110生成的光学信号111的中心波长λ₀。

步骤520包括检测由耦合到激光器的光纤腔输出的腔光学信号。腔光学信号包括通过经调制光学信号的波长何时对应于光纤腔的模式而确定的调幅。在步骤520的示例中，光学传感器151检测腔输出信号114。

步骤530包括根据调幅的时间相关性来确定光纤腔是正在加热还是冷却。在步骤530的第一示例中，条纹分析器182根据一个或多个谐振时间274(图2)的时间相关性来确定光纤腔130是旨在加热还是冷却。在步骤530的第二示例中，条纹分析器182通过在时间区间251和252中的一者或两者期间对谐振次数进行计数(每一谐振发生在特定谐振时间274)，并将所计的谐振次数与校准数据174中存储的温度相匹配，来确定光纤腔130是正在加热还是冷却。

步骤530可包括上述技术中的至少一者：条纹计数、互相关、相位恢复以及二进制数据转换跟踪。在诸实施例中，步骤530包括步骤532，其包括跟踪调幅的频域表示的相位。在步骤532的示例中，条纹分析器182对条纹信号272应用傅里叶变换，并跟踪所得频域信号的相位的时间相关性。在诸实施例中，步骤530包括步骤534和536。步骤534包括将调幅转换成二进制时间序列。在步骤534的示例中，条纹分析器182将条纹信号182转换成包括前述二进制数据样本{B₁,B₂,…,B_M}_i的二进制时间序列，其中样本值B_1-M跨时间分段Δt。

步骤536包括，在不超过光纤腔的相继模式之间的持续时间的二进制时间序列的时间间隔期间，跟踪二进制时间序列何时从第一离散值和第二离散值转换。在诸实施例中，时变电压104确定在光纤腔130内谐振的相继模式的存在之间的持续时间。在步骤536的示例中，条纹分析器182确定在时间上相继的采样值B从第一离散值(例如，0)转换成第二离散值(例如，1)时的转换时间的时间趋势。

步骤540包括通过应用低通滤波器从腔光学信号中提取载波信号。在步骤540的第一示例中，信号形状分析器184对条纹信号372应用低通滤波器以产生中值曲线320。在步骤540的第二示例中，信号形状分析器184对条纹信号472应用低通滤波器以产生中值曲线420。

步骤550包括根据载波信号的形状来确定光纤腔的温度范围。在步骤的第一示例中，信号形状分析器184根据条纹信号振幅322和校准数据174确定光纤腔130的温度范围。在步骤550的第二示例中，信号形状分析器184根据条纹信号振幅422和校准数据174确定光纤腔130的温度或温度范围。信号形状分析器184可将该温度或温度范围输出为测得温度178，这可以是信号169的一部分。方法500可包括当光纤腔接近由熔炉控制器控制的熔炉燃烧器的点火器尖端时的步骤560。步骤560包括，当光纤腔正在冷却和/或具有低于预定阈值温度的温度时的如下操作中的一者或两者：生成警告信号，以及控制熔炉控制器来关闭排放由点火火焰燃烧的燃料的阀。在步骤560的示例中，光纤腔130接近点火器尖端193。条纹分析器182确定光纤腔130正在冷却(经由步骤530)和/或经由低于预定阈值温度的温度(经由步骤550)，并响应于接收到来自火焰传感器处理器160的信号169，熔炉控制器181生成警告信号和/或关闭气阀192。熔炉控制器181可在显示器183上显示警告信号。

图6是示出用于检测火焰的存在的方法600的流程图。方法600可被实现在光学火焰传感器100的一个或多个方面内，诸如光学火焰传感器100的前述“名义腔”实施例之一。方法600可由执行软件180的计算机可读指令的处理器164来实现。方法600包括步骤610、620、630和640中的至少一者。

步骤610包括将激光器生成的光学信号耦合到光纤的近端，光纤在其远端具有镜，该镜具有预定的温度相关反射率。在步骤610的示例中，光学循环器120将光学信号112耦合到光纤腔130中，光纤腔130包括具有存储为校准数据174的预定温度相关反射率的层142。

步骤620包括检测由镜反射的输出光学信号的光功率。在步骤620的示例中，光学传感器151检测腔输出信号114。步骤620还可包括检测基准光学信号的光功率。例如，步骤620可包括使用光学传感器155检测基准光学信号116。

步骤630包括根据检测到的光功率来确定镜的反射率。在步骤630的示例中，信号形状分析器184通过经处理信号172从腔电信号154和基准电信号156来确定层142的反射率。在诸实施例中，经处理信号172是腔电信号154除以基准电信号156，使得经处理信号172的振幅或其时间平均值对应于或等于层142的反射率。

步骤640包括通过将所确定的反射率映射到预定的温度相关反射率来确定镜的温度。在步骤640的示例中，信号形状分析器184通过使用校准数据174将经处理信号172的振幅映射到温度来确定层142的温度。

图7-9是测得信号和经处理信号的图形表示，其示出了由火焰传感器处理器160的一实施例实现来确定温度变化状态176的上述二进制数据转换跟踪技术的步骤。图7包括描绘信号772的图表700，该信号772是由光学火焰传感器100的一实施例生成的经处理信号172(图1)的示例。在该实施例中，时变电压104是50mV 200Hz锯齿波形，并且电子器件162以10kHz对腔电信号154进行采样。信号772的振幅由时变电压104调制，并且在时变电压104的每一周期内具有对应于光纤腔130的谐振的多个腔谐振调制。图表700包括时变电压104的振幅减小的采样区间752(1)和752(2)。因此，采样区间752是时间区间252(图2)的示例，在此期间中心波长λ₀减小。

图8包括描绘经滤波信号872的图表800，经滤波信号872是从火焰传感器处理器160(a)解调信号772以去除由时变电压104赋予的调幅以及(b)对信号772应用带通滤波器而得到的。带通滤波器具有以与腔谐振调制相对应的频率为中心的通带。经滤波信号872包括分别在采样区间752(1)和752(2)期间测得的由开环表示的采样数据801-802。经滤波信号872还包括在采样区间752(2)之后相继出现的采样区间752期间测得的采样数据803，采样数据803也由开环表示。

信号发生器102可以通信地耦合到火焰传感器处理器160，使得条纹移动分析器182能够使用时变电压104作为选择采样数据801和802的触发器。采样数据801-803中的每一者包括16个数据点。对于采样数据801，数据点801(k)是采样数据801的第k个数据点，其中k是范围从1到16的样本索引。例如，图8表示数据点801(6)是采样数据801的第六数据点。例如，在图5方法500的步骤534和536中，条纹分析器182可以对采样数据801-803应用signum函数，这产生图9中所示的二进制采样数据901-903。二进制采样数据901-903是在上述二进制数据转换跟踪技术的讨论中的相应二进制数据样本B_i＝{B₁,B₂,…,B_M}_i的每一示例。

二进制采样数据901-903是数据阵列900的前三行，如图9中的伪彩色标绘所示。数据阵列900包括35行16列。35行中的每一行对应于相应的采样区间752(1-35)，其中采样区间752(1-3)在图8中示出。采样区间752(1-35)对应于时变电压104的35个相继周期。条纹分析器182生成数据阵列900的其余行，行4到35，到图8中未示出的采样数据804-835，以生成二进制采样数据904-935。为清楚说明，图9不包括二进制采样数据904-935中每一者的附图标记。在图9中，每个二进制采样数据901-935的暗区指示0，而亮区指示1。

在图9中可以看出，在时间上存在向左的趋势，即当样本区间752的索引i从数据阵列900的顶部到底部从1增加到35时，对应于暗区的样本索引k的值减小。回想一下，每一采样区间752对应于时变电压104的振幅减小并且因此中心波长减小λ₀的时间。向左的趋势指示图2的条纹或谐振时间274向采样区间752的开始处移位，根据图2的讨论，这指示光纤腔130的加热。

在诸实施例中，条纹分析器182评估数据阵列900的子阵列，诸如对应于相继样本索引的多个列，并跟踪转换时间的时间趋势，如在讨论二进制数据转换跟踪技术和方法500的步骤534、536中所述。例如，如果相继样本索引k的范围从4到6，则二进制采样数据901(4-6)、902(4-6)、…、935(4-6)中的每一者都是二进制数据样本B_i＝{B₄,B₅,B₆}_i的相应示例，其中i的范围从1到35。

图10和11是测得信号的图形表示，其示出了由火焰传感器处理器160实现来确定温度变化状态176的前述相位恢复方法的示例步骤。

图10包括描绘锯齿电压1004的图表1000，其是时变电压104的示例。锯齿电压1004具有周期1005，周期1005是周期105的示例。半锯齿波形简化了触发(即检测相继调制周期105的开始)所需的软件180的部分。在诸实施例中，作为步骤532的一部分，软件180仅评估腔电信号154，而不是基准电信号156，以确定新调制周期105的开始。

图11包括描绘腔电信号1154的图表1100，该腔电信号1154是图1的腔电信号154和/或经处理信号172的示例。图1100包括触发点1102，其对应于腔电信号1154的时间导数超过阈值的时间。图11表示每一周期1005期间的采样区间1106，其包括腔电信号1154的相继信号段1172(1-3)。每一信号段1172是时间区间252期间的条纹信号272的示例，在此期间中心波长λ₀减小。在诸实施例中，条纹分析器182对信号段1172(1,2,3,…)应用傅里叶变换，并从中计算相应相位{φ,φ₂,φ₃,...}₁₁₇₂。相位{φ,φ₂,φ₃,...}₁₁₇₂是上述相位恢复技术中描述的合成相位{φ,φ₂,...}的示例。在计算相位{φ,φ₂,φ₃,...}₁₁₇₂之前，条纹分析器182可处理信号段1172以隔离与光纤腔130的腔谐振相对应的时间频率范围。图12是多通道熔炉火焰监测器1200的示意框图，其包括多个光学火焰传感器100(1,2,…,N)，每一传感器监测与熔炉1280的燃烧器185(1,2,…,N)相关联的相应火焰194(1,2,…,N)。熔炉1280是熔炉180的示例，并且可包括熔炉控制器181。多通道熔炉火焰监测器1200还包括N个光学传感器151、火焰传感器处理器160，以及在诸实施例中还包括光学传感器155。

整数N表示多通道熔炉火焰监测器1200的通道数。在此，附图中由带括号数字后缀的附图标记来表示的元素是由该附图标记表示的元素的示例。例如，元素光学火焰传感器100(k)是光学火焰传感器100的示例(k)，其中索引k是1到N范围内的正整数。熔炉1280可包括多个燃烧器190，使得燃烧器190(1,2,…,N)指最多N个不同的燃烧器190，并且可指少于N个不同的熔炉180。例如，燃烧器185(1)和燃烧器185(2)可以是同一熔炉180内的不同燃烧器。

在诸实施例中，每一光学火焰传感器100接收由单个激光器110生成的相应光学信号1212，其中光纤耦合器106包括分束器，诸如将光学信号112拆分成至少N个光学信号1212的光纤分束器。使用单个激光器(激光器110)作为多个光学火焰传感器100的光源，降低了多通道熔炉火焰监测器1200的每通道成本。每一光学传感器151从光学火焰传感器100(k)接收相应的腔输出信号114(k)，并将相应的腔电信号154(k)输出到火焰传感器处理器160。根据每一腔电信号154(k)，火焰传感器处理器160产生由熔炉控制器181接收的相应信号169(k)。

特征组合

上述特征以及要求保护的特征可以按各种方式相组合而不背离其范围。以下枚举的示例示出了一些可能的非限制性组合：

(A1)一种光学火焰传感器，包括光学循环器、光纤腔和第一光学传感器。光学循环器包括第一端口、第二端口和第三端口。第一端口被配置成接收光学信号。第二端口被配置成输出在第一端口接收到的光学信号。第三端口被配置成输出第二端口的输入。光纤腔包括光学地耦合到第二端口的腔近端和位于腔远端的镜，使得由光纤腔输出的腔光学信号是第二端口的输入。第一光学传感器光学地耦合到第三端口并且被配置成量化腔光学信号。

(A2)(A1)的光学火焰传感器还可包括配置成生成光学信号的激光器；以及信号发生器，所述信号发生器电耦合到所述激光器并且被配置成向所述激光器施加周期性波形。

(A3)在任一光学火焰传感器(A2)中，激光器可以是分布反馈激光器、分布布拉格反射器激光器和垂直腔面发射激光器中的一者，其被配置成由周期性波形来调谐。

(A4)光学火焰传感器(A2)和(A3)中的任一者可包括多个光学火焰传感器(A1)-(A3)，每一者被配置成在其相应的第一端口接收光学信号。

(A5)在光学火焰传感器(A2)-(A4)中的任一者中，光纤腔在腔近端可具有3％到5％之间的回波损耗。

(A6)光学火焰传感器(A1)-(A5)中的任一者还可包括经由平坦抛光的光纤连接器将光纤腔光学地耦合至第二端口的第一光纤。

(A7)在光学火焰传感器(A1)-(A6)中的任一者中，光纤腔可包括金属化光纤。

(A8)在光学火焰传感器(A1)-(A7)中的任一者中，光纤腔包括由具有折射率n₁的第一材料形成的光纤芯，镜可包括由具有折射率n_R的第二材料形成的反射面，(n_R-n₁)≥0.2。

(A9)在光学火焰传感器(A8)中，第二材料可以是从包括硅、氧化铝和氧化锌的组中选择的。

(A10)光学火焰传感器(A1)-(A9)中的任一者还可包括基准光学传感器和光纤耦合器。光纤耦合器包括(i)将光学信号的第一百分比光学地耦合到第一端口的第一耦合器输出，以及(ii)将基准光学信号光学地耦合到基准光学传感器的第二耦合器输出。基准光学信号是光学信号的第二百分比。基准光学传感器被配置成量化基准光学信号。第一百分比超过第二百分比。

(A11)光学火焰传感器(A1)-(A10)中的任一者还可包括处理器；以及存储器。存储器被配置成存储经量化的腔光学信号和机器可读指令，当机器可读指令由处理器执行时控制处理器：根据以下中的至少一者来分析经量化的腔光学信号以确定光纤腔是正在加热还是冷却：在光学信号的调制周期期间(i)腔光学信号的干涉条纹的时间变化和(ii)腔光学信号的检测到的干涉条纹的数量的变化。

(A12)在光学火焰传感器(A1)-(A11)中的任一者中，其中光学信号具有中心波长λ₀；镜在中心波长λ₀处具有(i)在第一温度T₁下的折射率n₁和厚度L₁以及(ii)在第二温度T₂下的折射率n₂和厚度L₂，使得且q₁和q₂是非负整数，且|T₂-T₁|>500K。存储器还可存储机器可读指令，当机器可读指令由处理器执行时控制处理器：通过应用低通滤波器从经量化的腔光学信号中提取载波信号，以及根据载波信号的形状确定光纤腔的温度范围，这是部分地通过镜的温度相关反射率来确定的。

(A13)在光学火焰传感器(A1)-(A12)中的任一者中，光纤腔可包括光纤，镜是限定了腔远端的光纤远端。

(A14)在光学火焰传感器(A1)-(A13)中的任一者中，在光学信号的中心波长λ₀处，镜可具有在45％到55％之间的反射率。

(A15)在光学火焰传感器(A1)-(A14)中的任一者中，光学信号的中心波长λ₀可在1.2μm和1.70μm之间。

(A16)在光学火焰传感器(A6)-(A15)中的任一者中，第一光纤的远端可以通过光学地耦合到光纤腔的近端。远端可在其上具有反射涂层，该反射涂层在光学信号的中心波长λ₀处具有40％至60％的反射率。

(B1)一种包括光纤腔的光学火焰传感器，该光纤腔包括(a)腔近端、(b)腔远端以及(c)腔远端处的镜，腔近端被配置成光学地耦合到(i)激光器和(ii)光学传感器。光学火焰传感器还包括壳体，该壳体被配置成将光纤腔装载到燃烧器的火焰传感器端口。

(B2)在任一光学火焰传感器(B1)中，壳体可被配置成更换基于火焰矫正的火焰传感器而无需修改燃烧器。

(B3)在任一光学火焰传感器(B1)或(B2)，光纤腔在腔近端可具有3％到5％之间的回波损耗。

(B4)在任一光学火焰传感器(B1)-(B3)中，光纤腔可包括金属化光纤。

(B5)在光学火焰传感器(B1)-(B4)中的任一者中，光纤腔可包括由具有折射率n₁的第一材料形成的光纤芯，镜包括由具有折射率n_R的第二材料形成的反射面，(n_R-n₁)≥0.2。

(B6)在光学火焰传感器(B1)-(B5)中的任一者中，光纤腔可包括光纤，并且镜可以是限定了腔远端的光纤远端。

(B7)在光学火焰传感器(B1)-(B6)中的任一者中，在光纤腔所输出的光学信号的中心波长λ₀处，镜可具有在45％到55％之间的反射率。

(B8)在光学火焰传感器(B7)中，光学信号的中心波长λ₀可在1.2μm和1.70μm之间。

(C1)一种用于检测火焰的存在的方法，包括：周期性地调制由激光器生成的光学信号的波长以产生经调制信号，并检测由耦合到激光器的光纤腔输出的腔光学信号。腔光学信号包括通过经调制光学信号的波长何时对应于光纤腔的模式而确定的调幅。该方法还包括根据调幅的时间相关性来确定光纤腔是正在加热还是冷却。

(C2)任一方法(C1)还可包括通过应用低通滤波器从腔光学信号中提取载波信号；以及根据载波信号的形状来确定光纤腔的温度范围。

(C3)在方法(C1)和(C2)中的任一者中，确定步骤可包括跟踪调幅的频域表示的相位。

(C4)在方法(C1)-(C3)中的任一者中，确定步骤可包括：将调幅转换成二进制时间序列；以及在不超过光纤腔的相继模式之间的持续时间的二进制时间序列的时间间隔期间，跟踪二进制时间序列何时从第一离散值和第二离散值转换。

(C5)在方法(C1)-(C4)中的任一者中，还可包括当(i)光纤腔接近熔炉燃烧器的点火器尖端且(ii)至少是以下之一时：(a)冷却和(b)温度低于预定阈值温度，进行如下中的至少一者：关闭排放被火焰燃烧的燃料的阀，以及生成警告信号。

可对上述方法和系统进行更改而被背离其范围。因此，应当注意，上述描述中包含的或在附图中所示的事项应当解释为说明性的，而不是限制性的。以上描述的各实施例可以以任何方式组合，并且每一实施例的某些个体特征可以或可以不被包括在这些组合中。在此并且除非另外指明，形容词“示例性”意指用作示例、实例或说明。所附权利要求旨在涵盖在此所述的所有通用和特定特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述(关于语言而言)可以说是介于这两者之间。