CN1141672A - 非接触式有源温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种非接触的有源红外传感器(1)，用于测量远距离物体的温度，具有成对的检测元件(6、7)，只有第一元件(6)暴露于远距离物体，由此建立辐射通量，第二元件(7)在与第一元件(6)同样环境中构成，但与远距离物的辐射隔离。比较两元件(6、7)的热传递，而与远距离物体辐射通量相应的热传递成分被隔离并转换成温度信号，传感器系统把单独的热控制单元(34、38)有利地结合到传感元件(6、7)中以准确地控制热传递，而传感元件(6、7)则热隔离。

Description

非接触式有源温度传感器

本发明涉及非接触式测温系统，特别是，涉及用于红外(线)测温的装置和方法，其中隔离和消除了误差引起的信号以确保读数准确。

发明背景

为了用红外辐射测温，可以用许多已有技术的传感器来检测热(红外)辐射，由于热辐射具有电磁性质，因此可由量子检测器或热检测器来检测，量子检测器，如光敏电阻器或光敏二极管，需要低温冷却以便以高准确度测量较低的温度。另一方面，热检测器，尽管不如量子检测器那样灵敏，却可以在常规的室温下工作。本发明涉及热检测器，其最常见的应用是用于非接触式温度计，这类温度计的一个例子是医用即时耳朵温度计(instant medical ear thermometer)，能够非接触地测量鼓膜及其周围组织的温度，常用于红外温度计的热传感器有热电偶、热电体、测辐射热计以及有源红外检测器。

红外传感器的目的是产生表示传感器与测量对象之间的净红外辐射通量的电信号，辐射通量取决于两个温度；传感器自身表面温度T_s和被测对象表面温度T_b。斯特藩-玻尔兹曼(Stefam-Boltzmanm)定律给出了这两个温度与辐射通量之间的关系： $\mathrm{\Φ}=\mathrm{\&Kgr;}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\β}}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\σ}}({\mathrm{\&Tgr;}}_{\mathrm{\β}}^4-{\mathrm{\&Tgr;}}_{\mathrm{\σ}}^4)----\left(1\right)$ 这里ε_b和ε_s分别是对象物体和传感器的辐射率，K是常数。温度测量的最终目的是确定T_b。由上式可见，为了计算温度T_b，必须首先确定两个变量：红外辐射通量φ的大小和传感器表面温度T_s。

表面温度可用已有技术中各种温度检测器的一种来测量，如热敏电阻器或热电体，而净红外辐射通量的测量需要光电器件，称为热红外传感器，有两类热红外传感器，无源红外(PIR)传感器和有源远红外(AFIR)传感器，PIR检测器的例子有热电体、热电偶和测辐射率计，用PIR传感器测量红外辐射通量不是一件简单的事情，因为有着好的比速度响应的PIR传感器通常做成薄片或薄膜形式，其表面温度T_s不但难以测量，而且一旦暴露于被测对象时温度会发生变化。传感器表面温度T_s确定的不准确度会在非接触温度计算中产生误差，由于PIR检测器中传感器的表面温度一旦暴露于被测对象时会变化，为改变这种传感器件的响应速度，其热容量必须做得非常小。这就对PIR传感器的设计提出了相当严格的要求，并增加了成本。

与PIR不同，AFIR传感器在预定的(通常是恒定的)检测元件温度T_s下工作，这种AFIR传感器基于颁发给Fraden的美国专利4,854,730和5,054,936。AFIR传感器的工作原理可由下面的例子来说明。在传感器壳体中有一检测元件，包括一温度检测器(例如热敏电阻)和一加热器(恒定的电阻器)。加热器与检测器热耦合。检测元件连接到一电子线路，该电路经一温度检测器温度该检测的温度，并对加热器提供电流使温度上升到超过环境温度，该电路使这一元件的温度维持在预定的T_s水平，在大多数情况下，高于被测对象的最高温度。这样，在被加热时，AFIR检测元件成为一红外辐射源，其净辐射通量被引向被测对象，这一通量大小与已在温度T_s和被测对象的未知温度T_b之间的温度梯度有关。在理想情况下，按照能量守恒定律，从传感器向被测对象辐射的热量φ应等于向电阻性加热器提供的电功率，这里，理想情况意味着该元件失去其热能的唯一途径是向被测对象辐射热能，提供给加热器的电功率可由加热器的电阻值R和其上的电压V来表示： $P=\frac{V^2}{R}---\left(2\right)$ 这样，由式(1)和(2)，可以计算被测对象温度 $T_b=\sqrt[4]{T_s^4-\frac{V^2}{R{\mathrm{\ϵ}}_s{\mathrm{\ϵ}}_{b}K}}---\left(3\right)$

可以看到，算出的被测对象的温度仅取决于一个变量，即加热电阻器两端的电压V。式(3)的所有其他部分都是常数或预先确定了的，而且，若电子线路足以有效地维持T_s与T_b无关，则该元件的温度不会在暴露于被测对象时发生变化，因而AFIF传感器不但成为准确的，而且也是快速的，无需对检测元件热容量的严格要求就可做到这一点。事实上，AFIR传感器直接而有效地把电功率转换成热辐射功率的转换器。T_s的值典型地选为在40℃至100℃范围内，对医学上的用途来说，最好是接近50℃。

实际上，AFIR传感器并不在理想情况下工作，加热电阻器散失的热能不仅向被测对象散发，也向传感器内部结构的所有元器件散发。而且，该元件的热传播不仅是辐射，还通过传感器壳体内气体的热传导和重力对流，这就使得式(3)的使用变得很不准确，因为它未包括影响很大的附加变量，这一变量是传感器壳体的温度，换句话说，环境温度，即，设计和使用AFIR传感器的一个主要困难与补偿传感器系统的杂散热量损失有关。

为了补偿检测元件的不希望有的热损失，已提出了几种方法和系统安排，例如，见颁发给本发明人的美国专利5,054,936和4,854,730。这两篇专利通过引用结合在这里，就如在此重述。尽管在着手解决AFIR传感器有关的某些误差引起的信号方面获得了一些成功，仍然需要增强信号隔离和读数准确度方面的整体性能，正是理解了这些已有的系统，才实现本发明。

本发明的目的和简述

本发明的一个目的是提供一种非接触式测温方法，其中传感器的准确度实质上不依赖于环境温度。

本发明的另一目的是提供一种响应速度快的有源红外温度传感器。

本发明的另一目的是提出一种在宽的工作温度范围内稳定的有源红外温度计。

本发明的再一目的是提供一种小尺寸的有源红外传感器。

本发明的又一目的是提供一种具有预定光学特性的有源红外温度传感器。

本发明的上述和其它目的在一具体的传感器装置中实现，其中，在一非接触式温度计中有两个单独的按预先选定的取向放置的有源传感器元件(AFIR)。通过采用两个单独和分开的传感器元件，被测对象的温度信号可与通常在单一传感器元件时有的其他由误差引起的信号成份相隔离，尤其是，第一检测元件用于向目标发出远红外辐射，而第二个基本上相同的检测元件与目标隔离，产生一反映检测元件局部环境的补偿信号，后者与目标无关的信号用于对局部环境热传递进行补偿，由此可计算准确的目标温度。

为克服两单独的传感器元件之间的热交扰所带来的限制，把检测件做在分开的、热隔离的基板上，每一元件有其自己的电子控制电路使其温度维持在已知的预定水平上，最好是，两元件的温度大体相同。每一元件包括一辅助加热器和控制电路。控制电路测量元件的温度并通过电阻器提供热量，以维持预设的元件温度。

由这一安排，两元件的杂散热损失几乎是相同的，而只有辐射元件可向目标发出热辐射因为辐射元件的杂散热损失由第二元件和其控制电路经一辅助加热器补偿，因此辐射元件及其控制电路只需响应于热辐射功率，由于两检测元件彼此绝热，控制电路可独立工作，确保了其稳定的性能。

附图简述

图1是具有两个检测元件的AFIR传感器的横截面图；

图2表示由一共用分隔器支撑的两个检测元件的检测组件；

图3是具有一圆筒形光引导器的传感器的等角视图；

图4是具有一抛物柱面形光引导器的传感器的等角视图；

图5是具有一圆锥形光引导器的传感器的等角视图；

图6表示由共用支撑件支撑的AFIR检测元件；

图7是在基板一面有着多层的AFIR检测元件的放大的横截面图；

图8是带有有着轴向接触的独立温度传感器的检测元件的放大的横截面图；

图9是带有着面接触的独立温度传感器的检测元件的放大的横截面图；

图10是在基板两面都有着多层的检测元件的放大的横截面图；

图11是连接到控制电路的双传感器的方框图；

图12是具有集成电路的检测组件。

本发明的叙述

参见图1，可见AFIR传感器1容于一保护壳3中，其目的是保护内部免受污染及使内部结构热环境均匀。这样，壳3最好由金属制成，但是，某些塑料和陶瓷也可以用于此目的，传感器1的内部空间43充入干燥空气或惰性气体，或者，气体可被抽空以使内部空间43保持真空，壳体3的上部有一光开孔40，这一开孔可做在光引导器11中，为红外辐射通量向传感器外的所需方向提供通道，引导器11的内表面12最好是高反射性的，这样，可对其抛光和镀金，因为金是红外波段最有效的反射体。

光引导器11的外开孔由窗13保护，窗可以粘或焊在光引导器上，窗应有良好的红外波段透过特性。尽管它可由塑料如聚烯烃来制作，较好的材料是硅、锗、锌的硒化物、AMTIR或其它他合适的硬质晶体或非晶体元素或其合成物，为了改善透光特性，可涂上适于工作波长的抗反射涂层(ARC)。

壳3由焊接、低温焊接或用适当的粘结剂固定到底座2，这样，壳3、窗13和底座2的结合封住内部空间43。

在传感器1中，有一检测组件4，由间隔片5和两个元件6和7构成。辐射元件6面向光引导器，而补偿元件7面向底座2。辐射元件6经光引导器11和窗13光耦合到传感器的外侧。补偿元件夹在间隔片5与底座2之间，底座2的表面41是反射性的，最好镀金，这样补偿元件7的辐射较低，为进一步减小元件6和7和传感器内壁之间的辐射耦合，壳3的内表面也是反射性的，最好镀金。

间隔片5呈环形，中间有开孔，这一开孔在传感器元件之间形成一空腔，以减小元件6与7之间的热接触，为进一步改善绝热，间隔片20可填入低导热性材料。检测组件4由引线端15支撑，它们也提供至外部电路的电连接，为确保引线端15与底座2之间的密封，可在引线端15上底座2表面之间使用一绝缘小孔44。

或者，检测组件可设计成如图6所示，元件6和7由几个支撑件16至19支撑，这样可无需单端的间隔片5，在这一安排中，至这些引线端的电连接可通过几种已知技术之一来完成，如导线连接、导电环氧树脂、表面金属化等。作为一个例子，图6表示支撑件18的表面金属化，金属化形成导体22，与元件6在夹持区域21形成连接。传感器组件4的上述和其他安排相关的功能性特点包括机械完整性、检测元件间良好的热隔离、以及与传感器引线端的电连接。

在另一实施例中，检测元件可由低导热系数的支撑件支撑在AFIR壳体内，这会使元件之间的热交扰和从元件到传感器壳体的热损失为最小，元件与引线端之间的电连接可由已有技术中的标准方法之一来实现，例如，用导线连结工艺，对减小热损失来说，重要的是确保线的长度应最大而横截面为最小。

对某些应用需要宽的视角。在这些情形中，光引导器可采取圆筒形，如图1和3所示，这里视场70a较宽，在其它应用中，光引导器完全可省去，在没有光引导器的传感器中，窗13可直接安装在光开孔40边沿处，在其他一些应用中，尤其是在制造医用温度计应用中，会需要较窄的视场。这样，会聚透镜可代替窗安装在光开孔40中，这种会聚透镜应采用在远红外波段具有良好透射特性的材料来制造。

或者，一种非成像的会聚器可用作光引导器，这种会聚器在例如W.T.Welford和R.Wilson的《高度集中非成象光学》一书中(Acadenic PressInc公司1989年出版)叙述，(这里将该技术引为参考)。为说明会聚器的使用，图4表示抛物柱形的光引导器11，而图5表示圆锥形的光引导器任一光引导器11被窗13覆盖，提供与图3所示相比较窄的视场70b和70c，抛物柱形引导器通常对形成窄的视场更有效，但圆锥形的易于制作。

再回到图1，可发现每一相同的检测元件6和7是一复杂结构，参见元件6，这元件包括基板14，在其表面上沉积了多层，各层的次序并不是关键，但是至少有一温度检测层8、第一电阻层9和第二电阻层10。由于实际的制造目的通常最好是使检测层8在最上面，在导电层之间可以有几层电绝缘层。

图7表示示意性的检测元件(适于图6或7的元件)的横截面，其中表示了绝缘层26和27，在这一结构中，第一和第二电阻层9和10分别用作加热器，而检测层8用作测量多层结构的温度，元件6的上述各层次彼此电绝缘，同时彼此保持紧密耦合。

温度检测层8可由溅射技术来淀积，形成一层半导体材料的薄膜，用作对温度敏感的电阻器。若基板由高导热材料(如氮化铝)制作，则温度检测层8与电阻层9和10可分别淀积在基板14的相对的两面上，如图10所示，这可简化传感器制造工艺，因为电阻层9和10以及绝缘层26可由厚膜工艺形成，而温度检测层8由薄膜工艺形成。

或者，温度检测层8可由分立的温度传感器代替，图8表示用片状热敏电阻器作为温度传感器29，置于多层组件顶部的情形，温度传感器29具有导体31形成的端部，它们可用焊接等方法电连接到金属接线28上，导体31可置于温度传感器29的各面，图8表示导体31的轴向位置，图9表示温度传感器29具有顶部金属化45和底部金属化46，它们分别连接到接线28和接触条47，接线28和接触条47提供了温度传感器29与基板14上导体之间的电连接，并随后连接到传感器引线端15(未在图7-10中表示)，分立的温度传感器29必须与第一和第二电阻层9和10很好的热连接，以确保对检测元件的快速和有效的热控制。

对每一安排的要求是在检测组件的最上部在工作波段内有高辐射率，上表面由金属形成较为合适，如图9所示顶部金属化45。在这些例子中，必须对金属化表面进行处理以达到0.9以上的辐射率，这可由已有技术中的标准方法之一来做到(例如参见J.Fraden的《AIP现代传感器手册》(美国物理学会(AIP)出版，1993年，第465页，通过引用结合于此)。

顾名思义，AFIR传感器是有源的，所以需要外部能源使其工作，这一功能由电子线路完成，对目前的两个单独的传感器元件，需要双重电路，图11表示这种电路的方框，在图中，底部连接到补偿元件7，该电路由第一误差放大器32和第一控制电路34组成，后者有一内置功率驱动器对补偿元件7的第2二电阻层100提供电流，电路34也对辐射元件6的第二电阻层10提供同样的电流，该电流经导体35提供并由输出电压V_comp表示。

在工作时，第一误差放大器32把来自温度敏感层80的信号与其参考输入端33的第一参考信号V_ref1比较，并把差值送到第一控制电路34该电路产生输出电压V_comp，大小为保持温度敏感层80输出几乎等于第一参考信号V_ref1所必需的值，参考信号可由一电压基准或惠斯顿电桥(Wheatstone bridge)(未画出)产生。只要预先确定了第一参考电压V_ref1，补偿元件7的温度就会保持在预定高低上，它可以是恒定的或不是恒定的，取决于传感器的具体应用。

由于元件6和7是相同的，并且其电阻层10和100由第一控制电路34提供同样电流，这些元件的温度彼此接近，温度差的出现主要是由于元件6和7的光学条件不同。辐射元件6可向外部构件发出红外辐射通量，而补偿元件7的这种辐射却被屏蔽，在顶部，它的辐射被热基板14所阻挡，后者的温度几乎等于基板140的温度，而在底部，它面对着底座2的反射面41。

此外，补偿元件7的外层(在图11中为温度敏感层80)可被覆以金属以进一步减小其辐射率，所以，补偿传感器可以只通过传导和对流损失其热量，而辐射传感器还可以由辐射散热。附加的热损失会导致辐射元件6温度的某些下降。为了补偿这一下降，把温度检测层8的信号送到第二误差放大器36，后者的参考输入端37有着第二参考信号V_ref2，V_ref2的大小为确保检测元件6和7温度相同。

仍然参见图11，放大器36的误差信号送到第二控制电路38，后者产生控制信号39，送到第一电阻层9，控制信号39的大小足以产生等于向目标辐射损失的热量，这一信号用作输出信号V_out，由于非辐射损失几乎由第一控制电路34全部补偿，第二控制电路38只需对辐射元件6的辐射损失进行补偿。这样，输出电压V_out几乎不受环境温度的影响，因为环境温度确定了非辐射损失，而辐射损失受离远处目标的温度的控制。

由于元件6和7被热导率极低的间隔片20分开，两控制电路被很好地热隔离，为确保隔离是完全的，导体35最好薄而长。检测元件6和7之间的低的热耦合确保了传感器稳定的功能。

在许多应用中，希望把传感器温度控制电路结合在传感器壳体内，大多数电子元件可做成集成电路形成，可直接置于补偿元件7中，如图12所示，检测组件4的总体结构与上面所述大体相同，唯一的区别是集成电路72粘结在绝缘体71面上，这样，可以把温度检测器结合到集成电路芯片中，补偿元件7不需要图11中所示温度检测层80，由于第一电阻层90通常不连接到任何控制电路(图11)，它可被省去，如图12那样，此时把绝缘体71淀积在第二电阻层100顶部。

上述结构仅用于说明本发明的原理，对本领域的技术人员来说，可作出大量变更和修改而不离开本发明的实质范围。

Claims (33)

1.一种用于非接触式测量远距离表面温度的传感系统的组合，其特征在于包括：

传感器壳体装置，具有一光通道，允许对应于预定频率范围的经过所述壳体的热辐射耦合；

传感器组件装置，在所述传感器壳体内，通过所述光通道接收热辐射，所述组件装置包括一暴露于所述热辐射的辐射元件和一补偿元件，各自单独安装在分开的基板上，彼此由一低热导率的阻挡物热隔离，辐射元件和补偿元件被各自连接到分开的温度控制装置，以便分开控制元件的温度，所述温度控制装置连接到所述辐射元件，产生一对应于所述远距离表面和所述辐射元件之间辐射热通量的信号。

2.如权利要求1的系统，其特征在于，所述远距离表面与所述辐射元件光耦合，而与所述补偿元件光隔离。

3.如权利要求2的系统，其特征在于，进一步包括一信号处理装置，将所述辐射热通量转换成所述远距离表面的温度读数。

4.如权利要求2的系统，其特征在于，所述补偿元件在光学上暴露于所述壳体的内反射面。

5.如权利要求2的系统，其特征在于，所述辐射元件在工作波段长具有高辐射率的暴露表面。

6.如权利要求2的系统，其特征在于，所述补偿元件基板和辐射元件基板保持在大约相同的温度。

7.如权利要求2的系统，其特征在于，所述补偿元件和辐射元件各进一步包括一电阻加热器。

8.如权利要求7的系统，其特征在于，所述辐射元件和所述补偿元件的所述电阻加热器由响应于各个元件温度的温度控制电路使其工作。

9.如权利要求8的系统，其特征在于，所述温度控制装置进一步包括用于所述辐射和补偿元件两者的热传感器。

10.如权利要求9的系统，其特征在于，所述热传感器和所述电阻加热器置于所述辐射元件基板的相对侧。

11.如权利要求9的系统，其特征在于，所述热传感器和所述电阻加热器置于所述补偿元件基板的相对侧。

12.如权利要求2的系统，其特征在于，所述辐射元件和补偿元件各自安装在由充气空间隔开的独立基板上。

13.如权利要求12的系统，其特征在于，辐射元件基板具有低的热导率。

14.一种用于确定一远距离对象温度的装置，包括：

一辐射传感器组件，包括第一传感器元件和第二传感器元件，所述第一和第二传感器元件由一低热导率的阻挡物隔离，这样，两元件实质上是被热隔离的；

一传感器壳体装置，用于容纳所述辐射传感器组件，所述壳体包括一红外辐射通道，其取向允许与第一传感器元件作红外辐射沟通，并阻止所述第二传感器元件与壳体外部的辐射源之间的红外辐射沟通；

所述传感器壳体装置进一步提供一种环境，这样所述第一和所述第二传感器元件响应于环境条件有着基本等同的传导和对流热通量。

15.如权利要求14的装置，其特征在于，所述第一和所述第二传感器元件分别包括第一和第二各自受控的加热器元件。

16.如权利要求14的装置，其特征在于，所述第一和第二传感器元件分别安装在分开的基板装置上。

17.如权利要求16的装置，其特征在于，所述第一基板装置与所述第二基板装置分开，以基本上阻止其间的热传递。

18.如权利要求14的装置，其特征在于，所述第一传感器元件进一步包括多个电阻层，其间夹有电绝缘层。

19.如权利要求15的装置，其特征在于，进一步包括用于控制所述第一和第二加热器元件的温度补偿电路。

20.如权利要求19的装置，其特征在于，所述第一和第二传感器元件分别包括与之热耦合的第一和第二温度传感器装置。

21.如权利要求20的装置，其特征在于，所述温度补偿电路从所述温度传感器装置接收温度信号，并将这些信号与参考信号比较以提供补偿输出信号，所述输出信号包括对所述第一和第二传感器元件中的所述加热器元件的第二输出和对所述第一传感器元件中的第三加热器元件的第一输出。

22.如权利要求21的装置，其特征在于，所述第一输出对应于所述第一传感器元件的辐射热通量值。

23.如权利要求14的装置，其特征在于，所述红外辐射通道进一步包括用于向所述远距离对象提供预定视场的光引导器。

24.如权利要求23的装置，其特征在于，所述光引导器提供窄视场。

25.如权利要求14的装置，其特征在于，所述辐射通道包括非成象的会聚器，以建立所述远距离物体的窄视场。

26.一种用于非接触地测量远距离对象温度的方法的组合，其特征在于包括下列步骤：

在所述远距离物体与传感器组件之间建立红外辐射通路，所述传感器组件包括第一传感器元件和第二传感器元件；

将所述红外辐射通路引导到所述第一传感器元件，并实际上隔离所述第二传感器元件与所述远距离物体的红外联系；

建立所述传感器组件周围的局部环境，使所述第一传感器元件呈现的所有热量传递的传导和对流成分同时也由所述第二传感器元件呈现；

使所述第一传感器元件与所述第二传感器元件热隔离，并分别控制所述第一传感器元件和所述第二传感器元件的温度；以及

测量至所述第一传感器元件的热控制信号，并把所述信号转换成对应于所述远距离对象的所述温度的值。

27.如权利要求26的方法，其特征在于，所述局部环境由包容所述第一和所述第二传感器元件于其中的传感器组件壳体形成。

28.如权利要求27的方法，其特征在于，所述红外辐射通路用一单独的光学窗口建立在所述壳体中，以预定的视场使所述红外辐射出现在所述第一传感器元件上。

29.如权利要求27的方法，其特征在于，所述壳体包括暴露于所述第二传感器元件的高反射性内表面。

30.如权利要求27的方法，其特征在于，所述第一传感器元件包括第一热传感器和由第一热控制电路控制的第一电阻加热器。

31.如权利要求30的方法，其特征在于，第二热控制电路连接到在所述第二传感器元件中的第二热传感器和第二电阻加热器。

32.如权利要求31的方法，其特征在于，所述热控制电路对每一传感器元件分别比较由温度引起的电压与参考电压值，并将电流输出到每一传感器元件中的所述电阻加热器以补偿在所述比较中的差异。

33.如权利要求26的方法，其特征在于，所述第一和第二传感装置保持在大约同样温度。

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