CN103398784B - 红外热电堆温度传感器的自校正电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外热电堆温度传感器的自校正电路，其结构包括：用于提供自校正标准发热源的发热电阻，发热电阻一端通过一个开关与供电电源相连，所述开关由自校正信号产生控制电路控制；发热电阻的另一端与恒流电流源相连，发热电阻两端的电压差通过模数转换模块连接到响应率计算逻辑电路的输入端；发热电阻产生的热辐照被红外热电偶对所吸收，从而得到相应的电压差值也通过模数转换模块连接到响应率计算逻辑电路的输入端；响应率计算逻辑电路的输出端连接到红外热电堆温度传感器的温度计算逻辑电路。本发明实现了针对红外热电堆温度传感器的自校正，这套自校正框架及温度计算方法同样可被利用于其他类型的响应率随环境温度变化的温度传感器中。

Description

红外热电堆温度传感器的自校正电路

技术领域

本发明属于微机电集成系统、温度传感器、红外热电堆温度传感器的自校正技术领域，具体地说，本发明涉及一种能够应用于红外热电堆温度传感器的自校正电路。

背景技术

根据国际半导体技术发展路线图(ITRS:International Technology Roadmapfor Semiconductors)近年来的分析报告，微机电集成系统（Micro-Electromechanical System:MEMS）已成为“后摩尔定律”路线中的核心发展方向。目前，全球的传感器市场在不断变化的创新中呈现出快速增长的趋势，随着MEMS技术的不断发展，多样化的传感器类型将重新定义未来的传感器市场，如无线传感器、光纤传感器、智能传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。红外热电堆温度传感器就是一类典型的新型MEMS传感器，由于其非接触式测温的特性其可被广泛应用与照明系统、空调系统、供热系统、门禁系统、安防系统、家居智能、环境监测、汽车倒车、预防检测、消防、国防、医疗、制程控制，实现设备的自动测量与控制。

红外热电堆温度传感器的原理是基于塞贝克效应：由逸出功不同的两种导电材料所组成的闭合回路，当两接触点处温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热电势，这种结构被称为热电偶，一系列热电偶串联组成热电堆，通过测量热电堆两端电压变化即可探测待测物体的温度。

计算待测物体温度的方法主要是基于观测热电堆两端的电压差值△V，然后根据△V与热电堆响应率R可求得热电堆所吸收的热功率值P，最后可利用热功率值P与环境温度T₀和待测物体温度T₁之间的函数关系求出T₁。由于在不同T₀下，R的值会相应变化，若在计算时采取固定的R值将导致计算所得的T₁值出现偏差，因此需在不同T₀下，检测R值变化，并在计算时采取相应的R值计算以实现精确测温的目的。

发明内容

针对以上问题和挑战，本发明提出了一种适用于红外热电堆温度传感器的自校正电路的设计方案，以实现提高红外热电堆温度传感器测温精确度及智能化信息处理的目的。

为实现以上目的，本发明所提出的设计方案包括：用于提供自校正标准发热源的发热电阻；所述发热电阻一端通过一个开关与供电电源相连，所述开关由自校正信号产生控制电路产生的信号控制，当需要对红外热电堆温度传感器的热电偶对进行校正时，所述开关导通，为发热电阻供电从而使其发热为热电偶对提供热辐照；当不需要校正时，关断所述开关，以实现正常的温度测量功能；所述发热电阻的另一端与恒流电流源相连，以保证流经发热电阻的电流值为恒定值；发热电阻两端的电压差V_out通过模数转换模块连接到响应率计算逻辑电路的输入端；发热电阻产生的热辐照被红外热电偶对所吸收，从而得到相应的电压差值△V’也通过模数转换模块连接到响应率计算逻辑电路的输入端；响应率计算逻辑电路的输出端连接到红外热电堆温度传感器的温度计算逻辑电路；△V’和V_out被发送至所述响应率计算逻辑电路中得到在当前环境温度下热电偶对的响应率R，R再被发送至所述温度计算逻辑电路中进行校正后的温度计算；工作原理为：首先通过由所述自校正信号产生控制电路产生的自校正控制信号将发热电阻与供电电源连通，使恒流电流源提供的电流I₀流经所述发热电阻；发热电阻形成热辐照使热电堆传感器的热电偶对产生电压差输出△V’；所述响应率计算逻辑电路测量发热电阻两端电压差V_out，以求取其发热功率P=V_out*I₀作为热电偶对的吸收功率，从而获得热电偶对响应率R=△V’/P；温度计算逻辑电路获得响应率R后将R与测量待测物体温度时热电偶对输出的电压差值△V以及本地温度测量电路输出的环境温度值T₀使用查表和插值方法求得待测物体温度T₁。

所述温度计算逻辑电路根据两个输入值△V和T₀计算待测物体温度T₁的计算公式如下：

$T_1=\sqrt[4]{\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{AR}\left(\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}1}+\frac{1}{\mathrm{\ϵ}2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}-2}\right)\mathrm{\σ}}+{T_0}^4}$

其中A为热电偶对吸收面积，R为响应率，ε1和ε2分别为待测物体和热电偶对的发射率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。

整个系统的工作流程是：初始上电后，利用发热电阻结构及其连接电路提供标准发热源，进入校正阶段；然后在发热电阻对热电偶对进行一段时间热辐照后，通过读取热电堆输出电压差值△V和发热电阻两端电压差V_out求取热电偶对响应率R；再将R输入温度计算逻辑电路模块求取待测物体温度T₁；每次计算后，判断是否需要对热电偶对再次进行校正，如需校正，则再次进入校正阶段，否则根据之前的响应率R重复进行温度测算。

本发明能够达到的有益技术效果是：本发明实现了针对红外热电堆温度传感器的自校正，以及实现了利用电信号控制标准发热源的原理结构设计。本发明针对红外热电堆温度传感器进行设计，但这套自校正框架及温度计算方法同样可被利用于其他类型的响应率随环境温度变化的温度传感器中。

附图说明

图1为红外热电堆温度传感器基本结构示意图。

图2为本发明提出的红外热电堆温度传感器的自校正电路的结构框图。

图3为本发明提出的自校正电路连接关系图。

图4为不包含自校正结构时温度计算逻辑电路工作原理图。

图5为本发明提出的包含自校正功能的温度计算逻辑电路工作原理图。

图6为本发明提出的自校正红外热电堆温度传感器工作流程图。

具体实施方式

以下将参照附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明是针对红外热电堆温度传感器的自校正设计方案，利用发热电阻及其连接电路为红外热电堆温度传感器提供标准发热源，并用逻辑计算电路模块实现实时响应率的计算和待测物体温度的计算，设计原则是用固定发热功率的发热源对热电偶对进行热辐照，以标定当前环境温度下的器件响应率R，并根据R值计算实际待测物体发热功率及相应温度，以实现实时根据环境温度变化对红外热电堆温度传感器进行校正的目的。

图1给出了本发明所针对的目标系统。红外热电堆温度传感器的基本构成结构包括：感知红外辐照的热电偶对1；信号放大电路2；模数转换模块3；本地温度测量电路4；温度计算逻辑电路5等。所述热电偶对1通过信号放大电路2和模数转换模块3连接到温度计算逻辑电路5的输入端，所述本地温度测量电路4通过模数转换模块3连接到温度计算逻辑电路5的输入端。在其工作时，热电偶对1负责将感知到的待测物体的红外辐照转化为微弱的电压差信号，此信号经信号放大电路2放大后被发送到模数转换模块3中得到温度计算所需的电压差输入△V；另一方面，本地温度测量电路4测量获得用电压值表示本地温度T₀后，将其通过模数转换模块3转化为数字信号，输入到温度计算逻辑电路5中。温度计算逻辑电路5在获得△V和T₀后，即可通过查表和插值法计算获得待测物体的温度结果。

片上自校正的关键参数是校正热电偶对在不同环境温度T₀下的响应率R，其计算公式如下：

$R=\frac{\mathrm{\ΔV}}{P}---\left(1\right)$

其中△V是热电偶对的输出电压差，P为热电偶对吸收的热功率值。因此，为实现片上自校正，首先需要在系统中提供一个基准发热源以提供辐照热功率，本发明提出使用片上发热电阻来实现这一功能，发热电阻及其连接电路构成了本发明所提出的自校正电路结构，其与红外热电堆温度传感器系统的各部分关系如图2所示。

从图2可以看出，片上自校正结构与原始红外热电堆温度传感器系统的关系主要从两个方面表现：1.发热电阻产生的热辐照被红外热电偶对所吸收，从而得到相应的电压差值△V’；2.发热电阻两端的电压差值V_out，用于计算热电偶对的吸收功率P。△V’和V_out被发送至响应率计算逻辑电路6中后即可获得在当前环境温度下，热电偶对的响应率R，然后R再被发送至温度计算逻辑电路中以实现校正后的温度计算过程。

图3给出了自校正结构中的发热电阻结构及其与片上其他结构的连接关系：用于提供自校正标准发热源的发热电阻7一端通过一个开关8与供电电源V+相连，所述开关8由自校正信号产生控制电路9产生的信号控制，当需要对热电偶对1进行校正时，此开关8导通，为发热电阻7供电从而使其发热为热电偶对提供热辐照；当不需要校正时，关断此开关8，以实现正常的温度测量功能。所述发热电阻7的另一端与恒流电流源I₀相连，以保证流经发热电阻7的电流值为恒定值，从而可以实现便捷的发热功率计算。发热电阻7两端的电压差V_out通过模数转换模块连接到响应率计算逻辑电路6的输入端，发热电阻7两端的电压差V_out被输出到响应率计算逻辑电路6中。

发热电阻7产生的热辐照被红外热电偶对1所吸收，从而得到相应的电压差值△V’也通过模数转换模块3连接到响应率计算逻辑电路6的输入端；响应率计算逻辑电路6的输出端连接到温度计算逻辑电路5；△V’和V_out被发送至所述响应率计算逻辑电路6中得到在当前环境温度下热电偶对1的响应率R，R再被发送至温度计算逻辑电路5中进行校正后的温度计算。

温度计算逻辑电路5的输入为热电偶对输出的受到热辐照后的两端电压差值△V和本地温度测量电路输出的本地温度T₀。根据这两个输入值计算待测物体温度T₁的计算公式如下：

$T_1=\sqrt[4]{\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{AR}\left(\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}1}+\frac{1}{\mathrm{\ϵ}2}+\frac{1}{\mathrm{\τ}}-2}\right)\mathrm{\σ}}+{T_0}^4}---\left(2\right)$

其中A为热电偶对吸收面积，R为响应率，ε1和ε2分别为待测物体和热电偶对的发射率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。由于专用的浮点计算模块设计较为复杂且占用面积过大，为了在片内实现温度计算，本发明采用了利用查表加差值的方法计算实现温度计算逻辑电路5，如图4所示。

首先，在△V和T₀的输入范围内选择合适数目的等距采样点（数目的选择由片上面积所限定，选择点数越多，计算精度越高，相应的所需要的硬件面积开销也就越高）。对于每次输入的T₀和△V值，选择与其相邻的两组采样点(t_a,v_b)和(t_a+1，v_b+1)(t_a≤T₀<t_a+1，v_b≤△V<v_b+1)，根据这两组点由公式(2)计算出对应的待测物体温度值T₁(a,b)和T₁(a+1,b+1)后将其输入到插值算法模块进行线性插值计算即可获得所需的待测物体温度值T₁。

以上计算中是将公式(2)中的响应率R当做常数处理，并未考虑到本地温度T₀对其影响。为将T₀对R的影响考虑到计算过程中去，需要采取本发明所提出的自校正方法，当T₀发生变化时，计算R相应的变化，从而实现更为精确的温度计算，在自校正模式下，温度计算过程如图5所示。

在加入图3所示的发热电阻自校正电路结构后，其在开关8导通状态下，发热电阻7对热电偶对形成热辐照，使其输出电压差值△V’，并且恒流电流源所提供的电流I₀流经发热电阻7后形成电压降V_out。由公式(1)可求得P₀为发热电阻辐照功率值。为简化计算，在得到△V’和V_out后，本发明所提方案不马上计算R值，而是保存这两个值，在实际计算待测物体温度时，根据以下等式推算，待测物体辐照功率值P：

$R=\frac{\mathrm{\&Delta;V}\&prime;}{P_0}=\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{P}$                        (3)

$\&DoubleRightArrow;P=\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{VP}}_0}{\mathrm{\&Delta;V}\&prime;}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{VV}}_{\mathrm{out}}{I}_0}{\mathrm{\&Delta;V}\&prime;}$

将公式(1)代入公式(2)可获得根据P和T₀计算待测物体温度公式如下：

$T_1=\sqrt[4]{\frac{P}{A\left(\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\&epsiv;}1}+\frac{1}{\mathrm{\&epsiv;}2}+\frac{1}{\mathrm{\&tau;}}-2}\right)\mathrm{\&sigma;}}+{T_0}^4}---\left(4\right)$

根据公式(4)建立输入为P和T₀，输出为T₁的表格，类似地进行查表与线性差值计算，即可获得所求的待测物体温度值。

图6给出了本发明所设计的自校正红外热电堆温度传感器的工作流程说明。初始上电后首先会对传感器进行校正，获得△V’和V_out值，以通过其商获得传感器的响应率R；校正阶段结束后，开始对待测物体温度的测量，获得△V和T₀的值；然后将以上数值发送到逻辑计算模块，利用图5所示的查表加插值算法计算流程求出所测物体温度T₁值；每次计算结束后判断是否有外部控制信号要求再次校正，若不需校正，则循环进行温度测量和计算即可，若需要校正，则通过校正过程对△V’和V_out值进行更新，以供以后计算使用。

本发明通过分析计算发热源功率P与输出电压差△V间关系，提出了在当前环境温度T₀下获得热电堆结构响应率R的逻辑电路结构；并且，在获得R基础上，提出了根据T₀、热电偶对电压差△V和响应率R利用温度计算公式计算精确待测物体温度T₁的逻辑电路结构。同时，本发明也为实现针对红外热电堆温度传感器的其他片上信息处理方案提供了结构框架与实现思路。

Claims (1)

1.红外热电堆温度传感器的自校正电路，所述红外热电堆温度传感器的基本构成结构包括：感知红外辐照的热电偶对(1)，信号放大电路(2)，模数转换模块(3)，本地温度测量电路(4)，温度计算逻辑电路(5)，所述热电偶对(1)通过信号放大电路(2)和模数转换模块(3)连接到温度计算逻辑电路(5)的输入端，所述本地温度测量电路(4)通过模数转换模块(3)连接到温度计算逻辑电路(5)的输入端；热电偶对(1)产生的电压差信号经放大后被发送到模数转换模块(3)得到电压差输入△V，本地温度测量电路(4)测量获得本地温度T₀后，通过模数转换模块(3)转化为数字信号输入到温度计算逻辑电路(5)中；其特征是，包括：用于提供自校正标准发热源的发热电阻(7)；所述发热电阻(7)一端通过一个开关(8)与供电电源相连，所述开关(8)由自校正信号产生控制电路(9)产生的信号控制，当需要对红外热电堆温度传感器的热电偶对(1)进行校正时，所述开关(8)导通，为发热电阻(7)供电从而使其发热为热电偶对(1)提供热辐照；当不需要校正时，关断所述开关(8)，以实现正常的温度测量功能；所述发热电阻(7)的另一端与恒流电流源(10)相连，以保证流经发热电阻(7)的电流值为恒定值；发热电阻(7)两端的电压差V _out 通过模数转换模块连接到响应率计算逻辑电路(6)的输入端；发热电阻(7)产生的热辐照被红外热电偶对(1)所吸收，从而得到相应的电压差值△V’也通过模数转换模块(3)连接到响应率计算逻辑电路(6)的输入端；响应率计算逻辑电路(6)的输出端连接到温度计算逻辑电路(5)；△V’和V _out 被发送至所述响应率计算逻辑电路(6)中得到在当前环境温度下热电偶对(1)的响应率R，R再被发送至温度计算逻辑电路(5)中进行校正后的温度计算；

工作原理为：首先通过由所述自校正信号产生控制电路(9)产生的自校正控制信号将发热电阻(7)与供电电源连通，使恒流电流源(10)提供的电流I ₀ 流经所述发热电阻(7)；发热电阻(7)形成热辐照使热电堆传感器的热电偶对(1)产生电压差输出△V’；所述响应率计算逻辑电路(6)测量发热电阻(7)两端电压差V _out ，以求取其发热功率P=V _out * I ₀ 作为热电偶对(1)的吸收功率，从而获得热电偶对(1)响应率R=△V’/P；温度计算逻辑电路(5)获得响应率R后将R与测量待测物体温度时热电偶对(1)输出的电压差值△V以及本地温度测量电路(4)输出的环境温度值T₀使用查表和插值方法求得待测物体温度T₁。