CN1293373C - 校正红外辐射多元件传感器输出信号的方法和一种红外辐射多元件传感器系统 - Google Patents

校正红外辐射多元件传感器输出信号的方法和一种红外辐射多元件传感器系统 Download PDF

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Abstract

一种用于校正红外辐射多元件传感器输出信号的方法包括确定和存储传感器中传感器元件的参数和依据所存储的参数产生传感器元件被校正的信号的步骤，其中参数的存储在由制造商提供的存储器中进行，并在校正实施以前参数被发送到与传感器分离的校正设备。传感器有几个传感器元件(11a到11i)，产生一个输出信号，在传感器上提供的存储器(14)用于存储至少一个传感器元件的至少一个参数。一种传感器系统具有一个如以前所描述的传感器(20)，一个可与传感器相连用于信号传输的插座(31)和一个连到插座的校正设备(32)，用于接收传感器输出信号和参数及用于产生被校正的传感器信号。

Description

校正红外辐射多元件传感器输出信号的方法 和一种红外辐射多元件传感器系统
本发明涉及一种用于校正红外辐射多元件传感器输出信号的方法，一种红外辐射多元件传感器和一种红外辐射多元件传感器系统。因此本发明涉及几个传感器元件能够产生不同信号的传感器。这些传感器是用于红外辐射的辐射传感器。
从DE 19 735 379 A1已知一种多元件传感器，其中传感器元件的输出信号通过一个标定装置以便调节各个传感器元件的特性。该标定可以是，例如，利用“熔丝”-被存储的标定值来实现。整个结构被紧密地安放在传感器中并发出被标定的值。这种结构是费钱的，因为它必须在模拟和数字路径之间建立复杂的变换，或者必须提供一个算术逻辑单元。
从WO 9610883A已知一种红外照相机系统，其中当操作照相机时，照相机标定常数被确定并放入照相机存储器。这种结构首先是一台照相机，其次，校正数据并未在传感器内提供。
从US-A-5 811 808已知一种红外映象系统，其中每个传感器元件有漂移校正，在每个读出单元中有一个漂移校正电路。这咎结构是费钱的，因为它增加了传感器系统的复杂性。
DE 41 14 369 A涉及一种采用微处理器的高温计，但并未公开如何获得在标定值存储器中可得到的校正数据，在其中未设置存储器。
从DE 41 13 266A已知另一种高温计，在其中所有的校正值被保存在属于微处理器的存储器中。现在这份文件中也给出了如何以后实现本发明所提到的目的的技术思想。
本发明的目的是提供一种用于红外辐射多元件传感器输出信号的校正方法和一种红外辐射多元件传感器系统，使得有可能简单，可靠和有成本效率地校正传感器元件信号。
藉助于独立的权利要求的特征实现这个目的，从属的权利要求涉及本发明的优选实施方案。
在一种用于校正红外辐射多元件传感器输出信号的方法或程序中，确定辐射传感器元件的至少一个参数并存储在存储器中，供给红外辐射多元件传感器，它可被由此读出并传送到一个传感器以外的设备，用于校正接收到的信号。除了几个辐射传感器元件外，红外辐射多元件传感器也有一个存储器，传感器元件的参数可写入其中，并可由此将它们读出。
一种红外辐射多元件传感器系统包括：一个如上所描述的传感器，一个插座，传感器可连到此插座并可从此插座脱开，该插座至少可以接收来自传感器的信号；和一个校正设备，它一方面接收与传感器元件信号有关的传感器输出信号，另一方面接收所存储的参数或据此产生的信号，依据传感器输出信号和参数产生最后的信号。
存储器可以是一种数字存储器，例如PROM(可编程只读存储器)或EPROM(可擦可编程只读存储器)。辐射传感器元件可以是温差电堆。在λ＞700nm和/或λ＜20μm，特别是λ＞7nm和/或λ＜15μm的波长区域中它们可具有最大灵敏度。
原始的传感器信号的实际校正取决于，或依据，在校正设备中相应地产生的参数，该设备是与红外辐射多元件传感器(以后简称为“传感器”)分开提供的，但也可连接其上。最好，这是一种数字方式工作的校正设备，也可以是计算机或处理计算机。这样可以执行其他的任务，例如，依据某种准则评估被校正的传感器信号，或者也可依据由传感器发出的信号控制或调节各部件。
传感器是一种带有几个传感器元件的多元件传感器。它们可被以这样一种方式安排，以便可以获得本机分辨率。它们可以通过一个映象设备接收感兴趣的辐射。该映象设备可以有一个凹面镜和/或一个透镜。
该传感器可以有一个辅助的传感器元件。该辅助的传感器元件可以记录影响传感器元件输出信号的传感器元件运行数据，例如，它们的工作温度。另外，可将辅助传感器元件的校正值存入存储器，然后用于校正辅助传感器元件的信号。
往下，参考附图描述本发明的各个实施方案：
图1是依据本发明的一种传感器的简要方框图，
图2是依据本发明作为一个部件使用的一种传感器的简图，
图3是依据本发明的一种传感器系统简图，
图4是传感器各种可能结构的简图和
图5是信号流设计图。
图1简要地示出依据本发明的一种传感器10。它具有传感器元件11a到11i，相互独立地产生输出信号。他们可以是，例如，温差电堆传感器元件和/或测辐射热计和/或热检测器，依据接收到的辐射量相互独立地产生电信号。它们可以接收通过一个映象设备碰撞在它们上面的辐射。传感器元件11a到11i可被有规律地排列在一个平面中，相当象一个矩阵(例如，按照行和列)。
传感器最好是一种未被冷却的传感器，最好是一种热传感器，依据由传感器元件的辐射产生的热产生它的信号。
12是指传感器10的端子或连接件，各种的端子或连接件配置是可能的。示出一种实施方案，其中传感器10具有用于运行电压(只简要地指明内部分配)的连接件12a和12d，信号输出12b和控制输入12c。信号输出12b从一个模拟的多路转换器13接收电信号，多路转换器平行地接收各个部件的模拟信号并以时间上串行的方式将它们送出。在所示的实施方案中，随后要描述的存储器15的输出信号和随后也要描述的辅助传感器元件的输出信号通过多路转换器13运行。在其他的配置方案中，可以对于单个的或几个被命名的部件提供单独的输出。也可以提供用于存储器的分离的数据输入和输出，然而在此未示出。对于要发送的信号，例如，可以实施一种I2C接口或CAN接口。
15是一个存储器，传感器元件11a到11i的一个或多个参数被存入其中，依据应用的范围，制造过程和所希望的精度，为所有的传感器元件规定一个综合参数(例如，平均灵敏度或零点漂移)可能是适当的。单独的解决方案也是可行的，在其中对于每个传感器元件的一个或多个参数被单独地存储在存储器中(例如，零点漂移和/或灵敏度)。
这些参数是与各个输出信号相关的。它们可以是多项式近似的系数(作为一个依据输出信号大小的多项式，按照所要的精度，利用对于常数项，一次项，二次项，三次项的系数表示输出信号)。除此以外，可以将进一步的数据存入存储器15，例如，制造日期，类型，批号等。
该存储器可以是PROM(可编程只读存储器)或EPROM(可擦可编程只读存储器)。存储器15的规模应该按照要存储的数据量用位或字节为单位来选择。存储器15的数据输入可以是平行的或串行的。数据的输出可用串并方式进行。
通常，14标记控制传感器10的部件的一个控制器，它可以对多路转换器13起作用。它还可以产生用于存储器15写-或读-地址。它可被连到传感器10的一个连接件，特别是利用控制连接件12c。通过这个连接件它可以接收控制信号。用于传送控制信号到传感器的其他可能性是可以想象的，特别是对于控制器14，例如，通过迭加控制信号或调制到某种逐步建立的连接(例如，电源电压)。一种评估设备14可以辨认这样的信号并使用它们用于其他目的。
16是一个辅助的传感器元件，它服务于检测传感器元件11a到11i的运行条件。例如，它可以是一个温度传感器。它的输出信号可被(如所示)通过多路转换器13引到信号输出12b。它也可被分开地送出。参数也可被存入用于辅助传感器元件(16)的存储器15(例如，灵敏度，漂移)并可能被送出。
多路转换器13可以是一个模拟的多路转换器，它按时间顺序将传感器元件11a到11i或许还有辅助传感器元件16的模拟输出信号，以模拟方式切换到信号输出12b。如果模拟/数字转换器被提供，多路转换器13也可以是一个数字的多路转换器。
图2简要地示出传感器20的结构。10是如图1中所描述的传感器的电气部件，12是电连接，21是传感器机座，特别是，它可以具有金属壁，起着电磁屏蔽的作用。
它可以是一个T05机座。一种描绘碰撞在传感器元件11a到11i上的辐射的光学映象设备可被提供在机座中。映象设备22可包含一个透镜和/或一个反射镜/凹面镜。它可被一种透明传导层包上。
传感器元件11a到11i本身可以是温差电堆传感器元件和/或测辐射热计传感器元件，它们对静态温度信号敏感(输出信号是碰撞在传感器元件上的辐射的量度)。也有其他的辐射接受器，例如，热-电传感器元件，它原则上对温度变化信号敏感，在恒定温度上不给出输出信号(典型值是，灵敏度最大值在频率0.1Hz处，从1Hz起灵敏度与频率成反比降低)。在某些实施方案中，也可提供这样的传感器元件。混合的形式也是可行的(某些传感器元件是温差电堆，某些是测辐射热计和某些是热电的)。
传感器10制造以后，传感器元件11或许还有辅助传感器元件16的参数被确定并被存入存储器15。最好这由制造者在制造以后紧接着就完成。为此目的，传感器可被引入一个测试台，使对于传感器的规定条件可达到，这样目标传感器元件信号是已知的。从目标和实际传感器元件信号之间的差别，藉助于一种外部设备可以确定参数。它们最好被以数字形式确定，然后被装载到传感器10的存储器15中。通过适当的激活传感器10的部件，特别是通过控制和数据信号，进行加载，例如在控制连接件12c上通过控制器14或多路转换器13进行。
在传感器已被如此准备好后，就可上市销售。为了使用，传感器被插入一个适当的插座，建立一种对传感器的信号有关的，特别是电的和机械的连接。电的连接通常用电流方式实现。在对传感器10的实际测量操作开始以前，存储在存储器15中的传感器元件11a到11i或许还有辅助元件16的参数被读出。为此目的，所需的部件(控制器14，存储器15，控制连接件12c或许还有多路转换器13或接口)被适当地激活，从而存储器15中的参数被传感器10传送到传感器外部的设备。参数也可被存储在传感器之外，然后用于校正传感器输出信号或者，特别是传感器元件11a到11i或辅助传感器元件16的输出信号。
为了产生最后被校正的传感器信号，可以使用：
-传感器元件11a到11i的直接输出信号，
-或许还有辅助传感器元件16的输出信号，它记录着传感器元件11a到达11i的运行条件并可影响它们的输出信号(如运行温度)，和
-从存储器15读出的校正值。
原始的传感器元件信号的校正可以，例如，顺着回归因数进行。通过将原始的传感器元件信号看作输入量，将被校正的传感器元件信号看作输出量，和一个堆满系数的公式被用于变换，可由计算机完成校正。公式的系数可以是存储在传感器的存储器15中的参数。可以通过泰勒级数近似一个误差函数(依据原始信号被校正的信号)，取决于所希望的精度，可以使用可变的级数项数(例如，常数项，一次项和二次项，不考虑三次项及高次项)。参数将是所考虑的多项式的单项系数。然而，其他的校正机制是可以想象到的，例如一种表格式类型的校正机制，其中依据原始的传感器元件信号对一张表格寻址，依据在表中所找到的值确定被校正的信号元件值。
最终输出信号的产生在传感器10之外被提供的一个校正设备中进行。校正最好以数字形式进行。传感器元件11a到11i，或许还有辅助传感器元件16的原始输出信号在一个适当的地点被从模拟方式变换成数字方式，校正如以前所提出的那样进行，例如通过表格或其他的公式按加法方式/乘法方式进行。最后，被校正的信号最好以数字形式准备好供进一步的评估。
图3示出一种在一种应用中被引入的传感器系统。例如，这可以是一种微波的应用，其中实际的传感器20服务于确定在微波炉30中被加热的一种物质38(一盘食物)的温度。由传感器20根据该物质发射并由传感器接收到的辐射确定物质38的温度。传感器20可被连到一个插座，建立与传感器20的机械的和与信号有关的连接。插座31被连到一个校正设备32，该设备接收传感器元件/原始输出信号并依据存储在校正设备32中的参数校正它们。
除了通过举例所描述的微波炉中的应用外，该传感器系统在许多其他的应用中有优点，例如在工业区，住宅或机动车辆中的室温测量，或用于检测人的安全或者建筑物监视。
一种特别的应用是非色散的红外吸收(NDIA)。在此，一种波长滤波器被设立在每个传感器元件的前面，其中不同的传感器元件接收不同的波长范围。传感器元件被一个宽带红外源辐射，从而能够藉助于辐射源和传感器之间的混合媒介测量不同的吸收。各个滤波器的传输频带与任何预定的物质的吸收谱相适应。在由一个红外源给出的辐射水平上传感器元件的最大信号表示藉助于它的滤波器使传感器元件谐振的那些组分的混合物不在的总数。如果在设立滤波器以后进行标定，滤波器本身的任何不规则可被标定出来。在这个实施方案中，可以省略一个公共的映象设备(透镜，反射镜)，使得红外源不再被映象在几个传感器元件之一上。然而，每个元件可以有它自己的映象设备。利用这种实施方案，通过利用混合物的各个组分的不同的红外吸收性质可以分析透明的混合物。在混合物中一种组分的百分数越高，它将吸收它的吸收波长的红外光越多，使得被分配到这个特定的波长的传感器将接收较少的辐射。利用这种技术，可以分析液体的混合物，尤其是气体混合物。
校正设备32最好是一种藉助于计算机实现校正的数字设备。例如，这可以是一个处理计算机，它也执行其他的任务，如评估各个传感器元件用于确定，例如，目的物的温度并依据所找到的数据激活各个部件。例如，微波发生器34可被微波天线35或旋转转动台37的马达36激活。
在校正设备32中，也可以使用一个辅助传感器元件16的输出信号，该元件可以存在用于校正原始的元件输出信号。另外，辅助传感器元件16本身的原始输出信号可被依据辅助传感器元件的一个或多个参数校正。这个参数也可被存入传感器10的存储器15并被传送到校正设备32。可以依据所获得的结果激活显示器33。
一旦在任何应用中开始激活传感器，可以进行从传感器的存储器15读出数据。然后可以提供适当的存储器，例如可编程只读存储器，用于在传感器外面存储这些数据。每次在开始操作设备(例如，接通)前，也可以进行读。然后从存储器15读出的数据可被存入挥发性存储器，例如随机存取存储器中。
图4示出传感器的实施方案。图4A示出一种TO机座(例如TO5)中的混合结构。用于存储器15的分离的片，传感器元件11的矩阵，和控制器及接口13，14被提供，并通过接头连接件在电气上相互连接。替代图4A中所示的混合结构，可以选择一种单片结构，在其中所有被提到的部件(存储器，传感器元件，控制器，多路转换器)被放置在单一的芯片上。
图4B示出一种模块化的配置，其中插头42被提供在构成传感器插座12的印刷电路板41上。数据存储器15作为一个分立元件被引入在电路板上，温差电堆多元件传感器作为一个进一步的分立元件用适当的信号处理进行分区。
图5简要地示出用于确定一个传感器元件的被校正的输出信号的信号流。51是传感器元件未校正信号的输入，52是辅助元件16的未校正信号的输入(例如用于待评估的传感器元件的运行温度)，53a表示一种加法的漂移校正，53b是一种乘法的灵敏度校正。校正值可以是存储在传感器的存储器15中，并被发送到校正设备32的所涉及的传感器元件参数，54a是用于辅助传感器元件的加法的漂移校正，54b是用于该元件的乘法的灵敏度校正。在此，所用的校正值也可事先取自传感器的存储器15，并被存入校正设备32中，55是一种较窄的意义上的校正设备，在其中可以使用公式或表格，以便一方面从被校正的传感器信号，另一方面从被校正的辅助传感器信号确定所希望的信息信号56，例如发射被传感器接收到的辐射的目的物温度。如果公式被用于确定信息信号56的话，校正设备55可以使用系数或回归因数。所引用的参数(加法的漂移校正，乘法的灵敏度校正，系数，回归因数)可被存入校正设备32的非挥发性存储器中。
在另一实施方案中，程序代码也可被存入存储器15中，在传感器激活时被读出(最好一次，以便被存储在传感器之外)，在其中程序代码是一种程序，它服务于传感器元件信号的校正。用这种方法，不仅对于各个参数，而且对于在传感器外实施的各个被裁剪的校正算法可以进行校正。
本发明在多元件传感器的情况下特别有意义，在其中各个传感器元件可以具有相互不同的特性，例如单独的特性曲线。这特别是以前提到的辐射接收器的情况(热-元件，温差电堆，测辐射热计)。对于这些传感器，可以事先对于每种单独的传感器元件确定校正。在传感器外面进行评估的“智能”也可被用于消除单独的特性曲线的不规则。这导致成本上的好处，因为在传感器元件本身的制造者制造过程期间不规则必须被消除到有限的程度。

Claims (18)

1.一种用于校正红外辐射多元件传感器的输出信号的方法，具有以下步骤：
确定和存储该红外辐射多元件传感器中的传感器元件的参数，
依据传感器元件的输出信号和所存储的参数，产生被校正的信号，
用于校正红外辐射多元件传感器中的每个传感器元件的零点漂移和灵敏度的参数被存储在红外辐射多元件传感器上所提供的数字存储器中，和
在进行校正之前，这些参数被从数字存储器发送到与红外辐射多元件传感器分离的校正设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以下参数中的一个或多个被存储：
多项式近似的系数、表格校正值、制造数据和对环境条件的依从性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，数字地进行校正。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，校正在一个设备中进行，其中该设备也被设计用于依据被校正的信号来评估信号和/或控制或调节一个设备。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，辅助传感器元件的参数可被存储和用于校正。
6.一种红外辐射多元件传感器，包括：
几个传感器元件(11a-11i)，产生输出信号，
在红外辐射多元件传感器上提供的数字存储器(15)，用于存储红外辐射多元件传感器中的所有传感器元件的零点漂移和灵敏度，和
接口设备，通过该接口设备可从红外辐射多元件传感器发送出涉及所有传感器元件的零点漂移和灵敏度的参数。
7.根据权利要求6所述的红外辐射多元件传感器，其特征在于，该接口设备具有I2C接口。
8.根据权利要求7所述的红外辐射多元件传感器，其特征在于，进一步包括几个端子(12)，其中参数的传送通过一个端子(12b)进行，通过该端子可以进行传感器信号的输出。
9.根据权利要求8所述的红外辐射多元件传感器，其特征在于，还包括多路转换器(13)，该多路转换器以时间序列方式将传感器元件的输出信号一个接一个地放置在一个端子(12b)上。
10.根据权利要求9所述的红外辐射多元件传感器，其特征在于，该数字存储器具有可编程只读存储器或可擦可编程只读存储器。
11.根据权利要求10所述的红外辐射多元件传感器，其特征在于，传感器元件和数字存储器具有一种单片结构。
12.根据权利要求10所述的红外辐射多元件传感器，其特征在于，传感器元件和数字存储器具有一种混合结构。
13.根据权利要求12所述的红外辐射多元件传感器，还包括辅助传感器元件，对于该辅助传感器元件，在数字存储器中存储一个或多个参数。
14.根据权利要求13所述的红外辐射多元件传感器，其特征在于，它被装在TO5机座中。
15.根据权利要求14所述的红外辐射多元件传感器，其特征在于，传感器元件是温差电堆。
16.一种红外辐射传感器系统，其特征在于，所述红外辐射传感器系统包括：
根据权利要求6-15之一所述的红外辐射多元件传感器(20)，可被连接到红外辐射多元件传感器用于传送的插座(31)，和连接到插座的校正设备(32)，用于接收传感器输出信号和参数以及用于产生被校正的传感器信号。
17.根据权利要求16所述的红外辐射传感器系统，其特征在于，校正设备也被设计用于依据被校正的信号来评估信号和/或控制或调节一个设备。
18.一种微波加热设备，其特征在于，包括根据权利要求16所述的红外辐射传感器系统，其中这些传感器元件拥有温差电堆传感器元件。
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