CN1250519A - 热电堆传感器及带有热电堆传感器的辐射测温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热电堆传感器并特别涉及带有所述热电堆传感器的辐射测温装置或运动探测装置。所述热电堆传感器包括在壳体内支撑的热电堆。热电堆的冷端和热端及其支撑结构的热容量与支撑结构的热导率相互协调,以便壳体的温度变化引起冷端和热端同等幅度的温度变化。也就是说,所述热电堆中不存在温度梯度。
Description
本发明涉及热电堆传感器并特别涉及带有热电堆传感器的辐射测温装置或运动探测装置。
US-A-4,722,612中公开了一种带有热电堆元件的红外测温装置。热电堆元件被安装在盘状绝热板上，同时热端被安放在该板的中心并被冷端以环形包围。该板沿环形导热衬底伸展，其中热电堆位于该板的上侧，而衬底在该板的下侧。热电堆的热端位于环形衬底的中心孔区域，而热电堆的冷端位于该板由衬底支撑的区域内。其结果，在已知热电堆中，冷端与衬底的热耦合远远好于热端，并因此具有超出热端数倍的热容量。
当在不同环境温度条件下使用已知红外测温装置时，在红外测温装置的壳体与热电堆传感器之间出现温差，导致测温装置壳体的热辐射被叠加在待测的热辐射上，破坏了测量结果。另外，在热电堆传感器的内部然后也出现温差，这是因为，通常热电堆传感器的壳体首先经历了由热传导和/或对流引起的温度变化，然后这种温度变化向内传递给热电堆。例如，当热电堆传感器的壳体通过红外测温装置的壳体被加热时，传感器壳体将热电堆传感器内部的空气迅速加热，但该空气随之只通过对流加热热电堆的热端。在已知热电堆传感器中，冷端被牢固地热耦合在衬底上，由于它的高热容特性，因此实际上不会被空气加热。但是，衬底和冷端也会被加热，但其是通过热电堆传感器壳体的热传导，使得加热过程比较缓慢。因此，冷端和热端按照不同的速率被加热，即，在热电堆中还存在温度梯度，还将在温度测量过程中引起误差。为了补偿这种误差，已知的红外测温装置包括两个结构相似的热电堆元件，其中一个暴露在待测辐射下，另一个则不然，并且二者相互反向串联。
本发明的目的之一是提供一种对温度梯度不敏感同时具有简单的结构的热电堆传感器。本发明的另一个目的是提供一种辐射测温装置，它具有对环境温度变化不敏感同时具有简单结构的热电堆传感器。
依照本发明，这些目的的实现方法在于设置热电堆传感器使得热电堆的冷端和热端根据周围温度的变化，按相同的速率加热或冷却。其实现方法在于，位于支撑结构上的冷端与热端之间的热容量差别通过冷端和热端与壳体之间绝热性的相应差异得到补偿，即，热端区域的热容量与热导率之比近似等于冷端区域的热容量与热导率之比。因此，来自传感器壳体的热传递在冷端和热端实现均匀的温度变化，以防止温度梯度在热电堆内发展，这种发展往往会破坏测量过程。壳体与热电堆之间的热传递包括沿着热电堆支撑结构的热传导以及对流和辐射。热端和冷端的热容量一方面包括由各端的质量和材料所决定的部分，另一方面包括与支撑结构有关的部分。
本发明的热电堆传感器的优点在于通过耦合在高热容的等温体上，从而消除了对于复杂热稳定化的需要，而且不需要精密的校正装置，例如，与第一热电堆反向串联的第二热电堆。其结果，这种热电堆传感器使得构造非常小巧和简单的探头成为可能，例如用于在人耳内测量体温的辐射测温装置。本发明的热电堆传感器还特别适用于不带有光波导或带有短光波导的辐射测温装置，或与测温装置壳体构成一体的测温装置。
冷端和热端与热电堆传感器壳体之间的绝热性能最好基本上同样良好，各端与其支撑结构一起表现出基本相同的热容量。通过将冷端与热端相对于壳体对称排列，以特别简单的方式实现了所需的相同绝热性。
在本发明的热电堆传感器实施例的优选方面中，支撑结构包括具有低热导率和优选为低热容量的隔板，和支撑该隔板的支架。冷端和热端都位于该隔板上，而它们在隔板上的位置在与支架不接触的区域内。而且隔板在冷端，热端和壳体之间提供绝热功能。
在本发明的热电堆传感器中，热端在待测辐射下的暴露程度高于冷端，或相反。这可以，例如，通过在辐射线路径上屏蔽冷端的隔膜来实现，或通过在冷端提供热反射层的同时在热端提供热吸收层来实现。在另一方面中，冷端和热端在热电堆传感器壳体内不对称排列，以至于由辐射入口开口入射到传感器上的辐射实际上只到达热端。优选方式下，冷端和热端在热电堆传感器壳体内对称排列而辐射入口开口是不对称的。
本发明的辐射测温装置采用上文中简要说明的热电堆传感器。热电堆传感器被布置在辐射测温装置的辐射路径上，以便热端在待测辐射下的暴露程度高于冷端，或相反。在本实施例的优选方面中，辐射测温装置包括在辐射测温装置的辐射路径上屏蔽冷端的装置。这可以通过例如隔膜来实现。在其它实施例中，热电堆传感器在辐射测温装置的辐射路径上不对称排列。
下面将参照热电堆传感器的实施例和附图中图示的红外测温装置来阐述本发明。说明中提出了更多的实施例和一种运动探测装置。附图中，
图1为依照本发明的第一热电堆传感器元件的示意图；
图2为图1中的传感器元件的剖视图；
图3为依照本发明的第二热电堆传感器元件的示意图；
图4为图3中的传感器元件的剖视图；
图5为依照本发明的红外测温装置的示意图。
图1和图2中示意性展示的热电堆传感器元件1包括支架2和固定在上面的薄隔板3。隔板上安装有热电堆10，即，一组热电偶，其中每个热电偶包括一个冷端11和一个热端12。冷端与支架的间距同热端与支架的间距大致相同，冷端11位于隔板3的半边而热端12位于另半边。至少在冷端和热端区域内，两个半边被各自的吸收层15或良好导热层所覆盖，使得冷端11在一层之下，而热端12在另一层之下。这些层增强了传感器元件的灵敏度。所述热电偶被电串联并通过两根长度相同的导线13与支架2上的端点14相连。环境温度传感器4以导热良好的方式被固定在支架2上。
吸收层15提高了热电堆的辐射吸收。在本发明的热电堆传感器元件的另一个实施例中，只在热端12上覆盖了吸收层，而在另一个实施例中，热端12上覆盖吸收层，冷端11上覆盖热反射层。
在图中没有展示的本发明的热电堆传感器元件的一个实施例中，热电偶均匀地分布在隔板的整个表面上，也就是说，热端和冷端互相并排紧靠在一起。由于冷端和热端之间的连接导体长度能够很短，使得非常大量的热电偶能聚集在相对较小的隔板上。在多个热端上各自覆盖热吸收层，或在几个并列的热端上覆盖共用的热吸收层，而在多个冷端上各自覆盖热反射层，或在几个并列的冷端上覆盖共用的热反射层。
隔板最好选用低热容量的并且是不良热导体的材料制成。由于冷端和热端在隔板上对称排列的缘故，因此即使隔板的热导率较低，加热支架会引起冷端和热端均匀受热。这使得完全依赖于依照本发明的冷端和热端排列，在热电堆的热电偶中至多只发生很小的温度梯度。
隔板3最好薄于1μm，并主要由氧化硅和氮化硅或氮氧化硅(silicon oxinitride)制成。热电偶由例如多晶硅/铝或p-多晶硅/n-多晶硅制成。支架2最好选用硅。因此它可以作为电子部件的衬底；例如，支架上可以安放用于放大热电堆输出信号的放大器。由于这些放大器产生一定的废热，因此它们在支架上相对于热电堆对称安放，以防止它们引起热电堆的热梯度。
图3和图4示意性地展示了本发明的另一个热电堆传感器元件11，它与图1和图2所示的热电堆传感器元件1的不同之处在于它在隔板3下面冷端与热端之间提供了肋部构件20。在优选方面中，肋部构件20与支架2按照热传导方式相连或作为支架2的一部分。该肋部构件减少了冷端与热端之间的导热量，由此改善了传感器的动态响应。另外，肋部构件20通过从中部支撑增强了隔板3的机械稳定性。
在另一方面中，上述热电堆传感器元件的冷端和/或热端的尺寸大于连接导体，以增强灵敏度。
图5所示的辐射测温装置40包括壳体41，壳体上的窗口42可以透过辐射线，光波导43从窗口延伸到壳体41内部的热电堆传感器。特别有益的是，光波导43直接到达热电堆传感器以便后者只能察觉波导43。这能够避免由壳体部分发射的辐射所引起的测量误差，其中壳体部分与热电堆传感器的温度不同。而且，可以通过例如镀金来降低光波导43的辐射能力。
热电堆传感器包括壳体18，壳体包括可以透过辐射线的窗口19并在其内部容纳热电堆传感器元件1，11。待测的辐射指向热电堆传感器元件1，11以便辐射中的大部分照射到热电堆的热端上，在热电堆的热端和冷端之间引起温差，其中热电堆产生相应的传感器输出信号。
为了这个目的，在覆盖热电堆冷端的热电堆传感器之中或之上提供适当的装置(图5中未示出)，另一种方法是在窗口19后面的壳体18中不对称排列热电堆传感器元件1，11，即，移位到侧边，以便入射辐射不能到达它们之上。在另一方面中，热电堆传感器不对称排列，即，移位到光波导43端部的侧边。
通过使用上述的热电堆传感器元件，使辐射测温装置的辐射路径完全对称是可能的，其中热端上的覆盖层不同于冷端的覆盖层。特别有益的是，热端上具有吸收层而冷端上具有反射层。
在图中未示出的运动探测装置中，热电堆传感器元件具有隔膜和/或聚焦元件，以便移动经过窗口的热或冷的物体能够被传感器元件的冷端和热端轮流探测到，并产生相应的传感器输出信号。其基本结构和功能模式对应于具有两个串联的热电堆传感器元件的运动测温装置。然而，依照本发明的传感器更加简单而且不贵，并且传感器的两个半边的灵敏度相同。
Claims (17)
1.一种热电堆传感器包括：壳体，具有至少一个冷端和一个热端的热电堆，冷端和热端的支撑结构，其特征在于：热电堆与其支撑结构满足关系：CK/CW≈λK/λW，
其中CK为冷端(11)及其支撑结构的热容量；
CW为热端(12)及其支撑结构的热容量；
λK为冷端(11)区域的热导率；和
λW为热端(12)区域的热导率。
2.如权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于：热端(12)和冷端(11)与壳体之间的绝热性能基本上同样良好，并且所述各端与其支撑结构一起表现出基本相同的热容量，即，λK≈λW和CK≈CW。
3.如权利要求1或2所述的热电堆传感器，其特征在于：支撑结构包括至少一个隔板(3)，冷端和热端位于该隔板上，并且所述隔板具有低热容量和低热导率。
4.如权利要求3所述的热电堆传感器，其特征在于：支撑结构进一步包括用于支撑隔板(3)的支架(2)，并且冷端和热端位于隔板(3)上与支架(2)不接触的区域内。
5.如权利要求4所述的热电堆传感器，其特征在于：在冷端(11)和热端(12)之间提供散热件(20)，该散热件与支架(2)按照热传导方式相连或成为支架(2)的一部分。
6.如权利要求4或5所述的热电堆传感器，其特征在于：隔板(3)主要由氧化硅和氮化硅或氮氧化硅制成，支架(2)大体上由硅制成，而且电子电路，特别是放大器位于支架(2)上。
7.如前述权利要求中任一权利要求所述的热电堆传感器，其特征在于热吸收层或良好导热层被覆盖于热端(12)。
8.如前述权利要求中任一权利要求所述的热电堆传感器，其特征在于热反射层被覆盖于冷端(11)。
9.如前述权利要求中任一权利要求所述的热电堆传感器，其特征在于冷端和热端在壳体内部对称排列。
10.如前述权利要求中任一权利要求所述的热电堆传感器，其特征在于冷端和热端或辐射入射窗口在壳体内部不对称排列。
11.如权利要求10所述的热电堆传感器，其特征在于热吸收层或良好导热层被覆盖于冷端(11)。
12.如前述权利要求中任一权利要求所述的热电堆传感器，其特征在于环境温度传感器(4)与支撑结构按照导热方式连接。
13.带有如前述权利要求中任一权利要求所述的热电堆传感器的辐射测温装置。
14.如权利要求13所述的辐射测温装置，其特征在于在辐射测温装置的辐射路径上排列热电堆传感器，以致热端在待测辐射下的暴露程度高于冷端，或相反。
15.如权利要求14所述的辐射测温装置，其特征在于在辐射测温装置的辐射路径上提供覆盖冷端的装置。
16.如权利要求14所述的辐射测温装置，其特征在于热端传感器在辐射测温装置的辐射路径上不对称排列。
17.具有至少一个如权利要求1至10中任一权利要求所述的热电堆传感器的运动探测装置。
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