CN104764535A - 一种测温装置和智能奶瓶套 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测温装置和智能奶瓶套，所述测温装置包括PCB板、红外热电堆传感器、金属套和用于将被测物体发射的红外线聚焦至所述红外热电堆传感器上的聚焦组件，所述红外热电堆传感器和金属套设置在所述PCB板上，所述红外热电堆传感器设置在所述金属套底部的中央；所述PCB板上开设有用于增加PCB板顶面和底面空气对流的导流槽，所述导流槽设置在所述红外热电堆传感器的四周；所述聚焦组件罩设在所述金属套的顶部。所述测温装置通过设置金属套，缩短了测温时间；在PCB板上开设导流槽，减小了PCB板发热和环境温度对测温的影响；在金属套上罩设聚焦组件，使被测物体辐射的红外线聚焦到红外热电堆传感器上，提高了测温的准确性。

Description

一种测温装置和智能奶瓶套

技术领域

本发明涉及温度测量领域，特别涉及一种测温装置和智能奶瓶套。

背景技术

现有利用红外热电堆传感器测温的方法和装置中，通常在测得热电堆的环境温度和热电堆产生的电压后，根据斯特藩-玻尔兹曼定律来计算被测物体的温度。然而，由于红外热电堆传感器一般都设置在PCB板上，PCB板上往往还集成有其他电路，导致红外热电堆传感器在测温过程中易受PCB板发热的影响，影响到测温的准确性。另外，PCB板装设在壳体内时，由于PCB板的阻隔作用和自身发热的不均，导致PCB板顶面和底面的温度不同，也会影响到测温的准确性。

而且，被测物体与红外热电堆传感器之间通常间隔一定的距离(非接触式测量)，由于空气的导热性不佳，仅靠红外线导热速度较慢，使得测温时间较长，影响了测温的准确度。

另外，由于被测物体辐射的红外线往往比较发散，导致红外热电堆传感器测温不准。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种测温装置和智能奶瓶套，通过提高空气对流，提高被测物体与红外热电堆传感器之间的传热速度，减小环境温度对测温的影响，提高了测温的准确性。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种测温装置，包括PCB板、红外热电堆传感器、金属套和用于将被测物体发射的红外线聚焦至所述红外热电堆传感器上的聚焦组件，所述红外热电堆传感器和金属套设置在所述PCB板上，所述红外热电堆传感器设置在所述金属套底部的中央；所述PCB板上开设有用于增加PCB板顶面和底面空气对流的导流槽，所述导流槽设置在所述红外热电堆传感器的四周；所述聚焦组件罩设在所述金属套的顶部。

所述的测温装置中，所述测温装置还包括：

参数获取模块，用于获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压；

校准模块，用于根据所述环境温度和电压，校准测温参数；

计算模块，用于根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数，计算被测物体的实际温度。

所述的测温装置中，所述聚焦组件包括支架，所述支架的一端设置有透镜。

所述的测温装置中，所述透镜为菲涅尔透镜。

所述的测温装置中，所述金属套呈喇叭状，金属套的顶部面积大于底部面积。

所述的测温装置中，所述金属套为铜套。

所述的测温装置中，所述计算模块具体用于：

根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算整个测温过程的系统参数S：

S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]；

根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热电堆自身的热辐射V_OS：

V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]；

根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(V_OBJ)：

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²；

根据红外热电堆传感器的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数，计算被测物体的实际温度T_OBJ：

$T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)};$

其中，所述a₁、a₂和c₂为常数，所述b₀、b₁、b₂和S₀为测温参数，所述V_OBJ为红外热电堆传感器产生的电压，T_DIE为红外热电堆传感器的环境温度，所述T_REF为常温，公式中温度的单位均为开尔文。

所述的测温装置中，所述常数a₁、a₂和c₂的具体值为：

a₁＝1.75×e-3，a₂＝-1.68×e-5，c₂＝13.4。

所述的测温装置中，所述校准模块具体用于：

将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为：

b₀＝-2.94×e-5，b₁＝-5.7×e-7，b₂＝4.78×e-9，s₀＝6×e-14；

根据红外热电堆传感器产生的电压V_OBJ，红外热电堆传感器的环境温度T_DIE，和公式 $T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)},$ 计算得出f(V_OBJ)的值；

依计算得到的f(V_OBJ)的值和公式

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，计算得出热电堆自身的热辐射V_OS；

根据公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]，对V_OS和(T_DIE-T_REF)进行二项式拟合，得出测温参数b₀、b₁、b₂的值；

根据计算得出的测温参数b₀、b₁、b₂的值，由公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]重新计算出V_OS的值；

根据公式f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，重新计算出f(V_OBJ)的值；

根据公式f(V_OBJ)＝(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S和公式S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，得出公式(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S₀＝f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，对(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)和f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]进行一次线性拟合，得出新的测温参数S₀；

对测温参数b₀、b₁、b₂和S₀进行迭代计算40次，得出最终的测温参数。

一种智能奶瓶套，包括如上所述的测温装置。

相较于现有技术，本发明提供的测温装置和智能奶瓶套，通过设置金属套，提高了被测物体与红外热电堆传感器之间的传热速度，缩短了测温时间，还隔绝了外部环境(其他红外线)的干扰和影响；通过在PCB板上开设有用于增加PCB板顶面和底面空气对流的导流槽，使PCB板顶面和底面的温度均匀，减小了PCB板发热和环境温度对红外热电堆传感器测温的影响，提高了测温的准确度；通过在金属套上罩设聚焦组件，使被测物体辐射的红外线聚焦到红外热电堆传感器上，提高了测温的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的测温装置的立体图。

图2为本发明提供的测温装置的剖面图。

图3为本发明提供的测温装置的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种测温装置和智能奶瓶套，通过设置金属套、在金属套上罩设聚焦组件、在PCB板上开设导流槽，缩短了测温时间，使被测物体辐射的红外线聚焦到红外热电堆传感器上，减小了PCB板发热和环境温度对红外热电堆传感器测温的影响，提高了测温的准确度。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和图2，本发明提供的测温装置，包括PCB板10、红外热电堆传感器20、金属套30和用于将被测物体发射的红外线聚焦至所述红外热电堆传感器20上的聚焦组件40。其中，所述红外热电堆传感器20和金属套30设置在所述PCB板10上，所述红外热电堆传感器20设置在所述金属套30底部的中央；所述PCB板10上开设有用于增加PCB板10顶面和底面空气对流的导流槽110，所述导流槽110设置在所述红外热电堆传感器20的四周；所述聚焦组件40罩设在所述金属套30的顶部。所述聚焦组件40包括支架410，所述支架410的一端设置有透镜420，所述透镜420为菲涅尔透镜。所述导流槽110不仅可以增加PCB板10顶面和底面的空气对流，使PCB板10顶面和底面的温度均匀，还能减小环境温度对红外热电堆传感器20的影响，提高了测温的准确性。所述金属套30的设置，使被测物体的热量可以通过该金属套30迅速的传导到红外热电堆传感器20上，缩短了测温时间，还隔绝了外部环境(其他红外线)的干扰和影响，同时，由于测温时间短，也减小了红外热电堆传感器20自身热辐射和外界环境对测温的影响，提高了测温的准确度。所述聚焦组件40使被测物体辐射的红外线聚焦到红外热电堆传感器上，提高了测温的准确性。

进一步的，所述PCB板10上的导流槽110有四个，对称设置在所述红外热电堆传感器20的四周，可隔绝PCB板上其他元件对红外热电堆传感器20的影响，提高了测温的准确度。所述导流槽110为“L形”，可最大限度的增加PCB板10的空气对流。

请继续参阅图1，所述金属套30的顶部和底部均开有圆口，所述金属套30底部开圆口用于放置红外热电堆传感器20，所述金属套30顶部开圆口有利于将被测物体辐射的红外线导入到红外热电堆传感器20上。所述金属套30为铜套，所述铜套呈喇叭状，铜套的顶部面积大于底部面积。所述金属套30采用黄铜材质，其自身由于材质原因，不产生红外线，避免了金属套30自身干扰红外热电堆传感器20，提高了红外热电堆传感器20测温的准确性。优选的，所述铜套的顶部的内径为11.5mm，所述铜套的底部的内径为5.5mm，所述铜套的壁厚为0.5mm。

请参阅图3，本发明提供的测温装置，还包括：参数获取模块50、校准模块60和计算模块70。在测温时，所述被测物体放置在红外热电堆传感器20的正上方。

所述红外热电堆传感器20具有高精度、高灵敏度、低反应时间等特点，可运用在各种环境的测温中。所述红外热电堆传感器20中，热电堆吸收在感测范围内被测物体发出的红外能量(热量)，热电堆产生的电压代表了红外能量。故可以通过热电堆产生的电压经过一系列计算后，得出被测物体的温度。

参数获取模块50，用于获取红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器20产生的电压。所述红外热电堆传感器20的环境温度为红外热电堆传感器20自身的温度，具体为红外热电堆传感器20中热电堆的温度。红外热电堆传感器20产生的电压为被测物体放置在红外热电堆传感器20正上方后，热电堆接收到被测物体辐射的能量后产生的电压。

校准模块60，用于根据所述环境温度和电压，校准测温参数。

计算模块70，用于根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数，计算被测物体的实际温度。

进一步的，所述本发明提供的测温装置中，所述计算模块70具体用于：

根据红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算整个测温过程的系统参数S：

S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]；

根据红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器20产生的电压计算热电堆自身的热辐射V_OS：

V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]；

根据红外热电堆传感器20的环境温度和红外热电堆传感器20产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(V_OBJ)：

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²；

根据红外热电堆传感器20的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数，计算被测物体的实际温度T_OBJ：

$T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)};$

其中，所述a₁、a₂和c₂为常数，所述b₀、b₁、b₂和S₀为测温参数；所述V_OBJ为红外热电堆传感器20产生的电压；T_DIE为红外热电堆传感器20的环境温度；所述T_REF为常温，具体为298.15K(25℃)；公式中温度的单位均为开尔文。

所述计算模块70运用的计算公式的理论依据是：斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)：一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)与黑体本身的热力学温度T(又称绝对温度)的四次方成正比。设被测物体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量为E_Red，则根据斯特藩-玻尔兹曼定律有：其中，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，σ＝5.7×10^-12W/cm²/K⁴。ε为被测物体的发射率，指被测物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比，又称为黑度。

所述V_OBJ为红外热电堆传感器20热电堆产生的电压，V_OBJ近似等于红外热电堆传感器热电堆吸收的全部热量减去自身辐射的热量，需要说明的是，热电堆吸收的全部热量即为被测物体辐射出的总能量E_Red，即本发明近似认为热电堆已完全吸收被测物体辐射出的总能量。则有由此可以推导出被测物体的温度为：

$T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\frac{V_{\mathrm{OBJ}}}{\mathrm{\ϵ\σ}}},T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)}.$

其中，S是整个测温的系统参数，该参数包含环境变化，热源辐射特性等因素对热电堆的影响，即所述系统参数S包含有εσ，还包含环境变化，热源辐射特性等因素对热电堆的影响。所述f(V_OBJ)与V_OBJ有映射关系(具体见公式f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²)，而所述系统参数S使得f(V_OBJ)为热红外辐射过来的量值，即被测物体辐射出来的能量，其去除了周边物体的热辐射及热传导的影响，与接收到被测物体的辐射存在一个映射关系，被测物温度升高时，f(V_OBJ)也相应升高，反之减少。V_OS是热电堆自身的热辐射，b₀、b₁和b₂是环境温度对V_OS的影响因子，所述b₀、b₁、b₂和S₀为测温参数，需要经过校准。所述a₁，a₂，c₂是红外热电堆传感器的参数，其值为常数。所述常数a₁、a₂和c₂的具体值为：

a₁＝1.75×e-3，a₂＝-1.68×e-5，c₂＝13.4。

进一步的，本发明提供的测温装置中，所述校准模块60具体用于：

将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为：

b₀＝-2.94×e-5，b₁＝-5.7×e-7，b₂＝4.78×e-9，s₀＝6×e-14；

根据红外热电堆传感器产生的电压V_OBJ，红外热电堆传感器的环境温度T_DIE，和公式 $T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)},$ 计算得出f(V_OBJ)的值；

依计算得到的f(V_OBJ)的值和公式

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，计算得出热电堆自身的热辐射V_OS；

根据公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]，对V_OS和(T_DIE-T_REF)进行二项式拟合，得出测温参数b₀、b₁、b₂的值；

根据计算得出的测温参数b₀、b₁、b₂的值，由公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]重新计算出V_OS的值；

根据公式f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，重新计算出f(V_OBJ)的值；

根据公式f(V_OBJ)＝(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S和公式S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，得出公式(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S₀＝f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，对(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)和f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]进行一次线性拟合，得出新的测温参数S₀，具体的，对(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)计算出的值和f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]计算出的值进行一次线性拟合，得出新的测温参数S₀；

对测温参数b₀、b₁、b₂和S₀进行迭代计算40次，得出最终的测温参数。换而言之，利用测温参数的初始值，计算测温参数b₀、b₁、b₂和S₀，并用计算得到的测温参数，替换掉原来的测温参数，并依此循环计算40次，得到最终的测温参数。

本发明提供的测温装置，通过设置金属套，提到了被测物体与红外热电堆传感器之间的传热速度，缩短了测温时间，还隔绝了外部环境(其他红外线)的干扰和影响；通过在PCB板上开设有用于增加PCB板顶面和底面空气对流的导流槽，使PCB板10顶面和底面的温度均匀，隔绝PCB板上其他元件对红外热电堆传感器的影响，减小了PCB板发热和环境温度对红外热电堆传感器测温的影响，提高了测温的准确度；通过在金属套上罩设聚焦组件，使被测物体辐射的红外线聚焦到红外热电堆传感器上，提高了测温的准确性。

本发明还提供一种智能奶瓶套，包括如上一实施例中的测温装置，由于测温装置在上一实施例中已详细阐述，在此不再赘述。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种测温装置，包括PCB板、红外热电堆传感器、金属套和用于将被测物体发射的红外线聚焦至所述红外热电堆传感器上的聚焦组件，其特征在于，所述红外热电堆传感器和金属套设置在所述PCB板上，所述红外热电堆传感器设置在所述金属套底部的中央；所述PCB板上开设有用于增加PCB板顶面和底面空气对流的导流槽，所述导流槽设置在所述红外热电堆传感器的四周；所述聚焦组件罩设在所述金属套的顶部。

2.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述测温装置还包括：

参数获取模块，用于获取红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压；

校准模块，用于根据所述环境温度和电压，校准测温参数；

计算模块，用于根据所述环境温度、电压和校准后的测温参数，计算被测物体的实际温度。

3.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述聚焦组件包括支架，所述支架的一端设置有透镜。

4.根据权利要求3所述的测温装置，其特征在于，所述透镜为菲涅尔透镜。

5.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述金属套呈喇叭状，金属套的顶部面积大于底部面积。

6.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于，所述金属套为铜套。

7.根据权利要求2所述的测温装置，其特征在于，所述计算模块具体用于：

根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算整个测温过程的系统参数S：

S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]；

根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热电堆自身的热辐射V_OS：

V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]；

根据红外热电堆传感器的环境温度和红外热电堆传感器产生的电压计算热红外辐射过来的量值f(V_OBJ)：

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²；

根据红外热电堆传感器的环境温度、热红外辐射过来的量值和系统参数，计算被测物体的实际温度T_OBJ：

$T_{\mathrm{OBJ}}=\sqrt[4]{{T_{\mathrm{DIE}}}^4+\left(\frac{f\left(V_{\mathrm{OBJ}}\right)}{S}\right)};$

其中，所述a₁、a₂和c₂为常数，所述b₀、b₁、b₂和S₀为测温参数，所述V_OBJ为红外热电堆传感器产生的电压，T_DIE为红外热电堆传感器的环境温度，所述T_REF为常温，公式中温度的单位均为开尔文。

8.根据权利要求7所述的测温装置，其特征在于，所述常数a₁、a₂和c₂的具体值为：a₁＝1.75×e-3，a₂＝-1.68×e-5，c₂＝13.4。

9.根据权利要求8所述的测温装置，其特征在于，所述校准模块具体用于：

将红外热电堆传感器的测温参数的初始值设置为：

b₀＝-2.94×e-5，b₁＝-5.7×e-7，b₂＝4.78×e-9，s₀＝6×e-14；

根据红外热电堆传感器产生的电压V_OBJ，红外热电堆传感器的环境温度T_DIE，和公式计算得出f(V_OBJ)的值；

依计算得到的f(V_OBJ)的值和公式

f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，计算得出热电堆自身的热辐射V_OS；

根据公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]，对V_OS和(T_DIE-T_REF)进行二项式拟合，得出测温参数b₀、b₁、b₂的值；

根据计算得出的测温参数b₀、b₁、b₂的值，由公式V_OS＝b₀+b₁×(T_DIE-T_REF)+b₂×(T_DIE-T_REF)²]重新计算出V_OS的值；

根据公式f(V_OBJ)＝(V_OBJ-V_OS)+c₂×(V_OBJ-V_OS)²，重新计算出f(V_OBJ)的值；

根据公式f(V_OBJ)＝(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S和公式S＝S₀×[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，得出公式(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)×S₀＝f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]，对(T_OBJ ⁴-T_DIE ⁴)和f(V_OBJ)/[1+a₁×(T_DIE-T_REF)+a₂×(T_DIE-T_REF)²]进行一次线性拟合，得出新的测温参数S₀；

对测温参数b₀、b₁、b₂和S₀进行迭代计算40次，得出最终的测温参数。

10.一种智能奶瓶套，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的测温装置。