CN1316052A - 具有多个传感器元件的辐射温度计和辐射传感器以及测定温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有探测不同区域红外线的多个传感器元件的辐射温度计、一个具有多个红外传感器元件的辐射传感器、一种利用具有这种辐射传感器的辐射温度计测定温度的方法。辐射传感器(10)包括单个或多个传感器元件(30)与之关联的多个光学元件(50、45、55),所述光学元件限定了射线通过它照射到各自传感器元件上的立体角。本发明方法利用装备本发明辐射传感器的耳内温度计测量病人的温度基于这样的事实,即耳鼓膜的温度高于耳道的温度。因此观测到耳鼓膜的部分传感器元件检测到比观测到耳道的其它传感器元件更高的温度。按照本发明,仅使用给出显著较高信号的传感器元件的温度信号来测量评估温度。

Description

具有多个传感器元件的辐射温度计和 辐射传感器以及测定温度的方法
本发明涉及用于探测不同区域红外线的、具有多个传感器元件的辐射温度计和辐射传感器，还涉及利用这种辐射温度计或辐射传感器测定温度的方法。
现有工艺的辐射温度计仅具有位于距离光学波导管端部预定长度的单个红外传感器元件。结果，只是来自预定的、依赖于距离的立体角范围内的射线照射到传感器元件上。这样，例如，设计用来在耳朵内测定病人体温的红外温度计的探头应这样加工，使得传感器元件的视场只是耳鼓膜的近似尺寸。可是，传感器元件的视场通常覆盖着具有不同温度的耳鼓膜和耳道的各一部分。因此，测得的温度通常不是真实体温代表的耳鼓膜温度，而是介于耳鼓膜和耳道温度之间。这样，温度读数的精确性依赖探头在耳道中的位置，即依赖其距离耳鼓膜的距离和它与耳道形成的角度。
从专利WO95/14913知道，一种耳内温度计具有在光学波导管端部的多个传感器元件，从而接受来自不同立体角范围内的射线。通过对由传感器元件提供的信号进行相应的评估获得温度读数。尽管该温度读数相对独立于探头在耳道中的位置，但是它也不与真实耳鼓温度对应，而是一个中间值。
传统红外耳内温度计还具有的缺点是所用的传统光学波导管是一个直径大约3mm的、内壁镀金的小管，十分昂贵，此外还在测温过程中从耳朵向探头内导热。因此，需要复杂的方法防止测量结果被破坏。
专利EP0 566 156 B1提出一种具有两个红外敏感元件的红外传感器及其制造方法。其中一个敏感元件屏蔽红外线。该传感器用在测量体温的温度计中。通过对比两个元件供给的信号得到测量信号，它代表入射的红外射线量，并在很大程度上和电噪音和热干扰无关。红外敏感元件在它们上侧和下侧有涂层保护。
从专利JP-A-03-263001给出了一种具有微透镜的红外传感器及其制造方法。它用在测量病人体温的耳内温度计中。微透镜用于聚焦红外射线到红外传感器上。它具有大约1.44m的直径。
已知红外传感器的制造是使用已知的制造半导体的方法完成的，包括在一个基板上形成一些传感器元件并随后切割成单独的传感器，其中每个传感器具有一个元件，并随后加装封罩等。
专利JP-A-03-248477给出了一种具有四个相同红外敏感元件的红外传感器及其制造方法。它用在测量病人体温的耳内温度计中，这四个敏感元件布置在延伸跨过在基板上槽口的桥上。
从专利JP-A-04-333292知道一种二维阵列的热敏元件，其用于红外图像传感器。
从Paul W.Kruse,SPIE的《未冷却IR焦平面阵列》卷2552、556-563页中知道，传感器阵列即二维红外传感器元件阵列，其中一个元件的长和宽小于0.1mm。
本发明的目的是提供一种具有简单结构的辐射温度计和一种辐射传感器，以及辐射温度计计算温度的方法。本方法可以选择性地测量仅充满辐射温度计部分视场的物体的温度。
本目的利用具有辐射传感器的辐射温度计完成，本辐射传感器具有多个红外传感器元件和多个光学元件，其中一个单独的光学元件对应一个传感器元件或由多个传感器元件组成的一组传感器。光学元件工作来确保传感器元件或传感器组能够仅仅接受限定在窄范围区域发射的射线。按照这种方式，辐射温度计的视场可被分割为一些部分视场，其温度可单独测量。为实现耳内温度计的目的，容许上述单独的部分视场一定程度的叠加。
在耳内温度计中使用的优点在于多个元件的红外传感器，即布置在公共基板上的多个传感器元件的阵列。因为利用多元件传感器可得到足够小的温度计探头。优选光学元件组合成单个光学件(多元件光学系统)，最好形成集成光学件。在一个特别有利的方面，本发明的辐射传感器包括多元件传感器和多元件光学系统，该光学系统紧靠多元件传感器或布置在多元件传感器表面。从诸如专利US-A-5,701,008、JP-A-57-142526、JP-A-1-47923和DE 36 33 199 A1中可以知道这种类型的辐射传感器。
可是，优选光学元件和传感器元件构成一个集成电-光温度传感器，其中例如把光学元件直接布置在多元件传感器表面上。这种温度传感器可以使用已知的半导体制造方法制造。专利US-A-5,631,467给出一种电-光红外传感器，其中单独的传感器元件是热敏电容。
本发明测定温度的方法利用诸如耳内温度计之类的辐射温度计进行，本温度计包括由多个传感器元件构成的辐射传感器。尽管辐射温度计的视场覆盖耳鼓膜的一些部分和耳道的一些部分，但其特别能测量病人耳朵内的温度，即被测量的耳鼓膜的温度。在这种情况下，探测耳鼓膜的传感器元件会比检测耳道的其它传感器元件探测到更高的温度。按照本发明，估测方法中仅使用检测温度高于或显著高于、或者低于或显著低于其它传感器的那些传感器元件的温度信号。
在一个特别的优选方法中，温度测定过程首先检查温度计探头是否在耳道中正确取向。如果没有，即如果耳鼓膜在辐射温度计的视场之外，结果探头仅指向耳道部分，那么所有传感器元件供给基本上相同的温度数值。因此，当温度信号评测没有显示在辐射传感器视场范围内存在足够明显的温度梯度时，本发明方法不提供温度测量值，而是产生相应的错误信号或要求重新测量。在本发明的温度计的这个实施例中，辐射传感器的视场大于耳鼓膜的直径是必要的，以至于在探头直接指向耳鼓膜的情况下也覆盖周围耳道，从而使得耳鼓膜和耳道之间的温度梯度可以被识别。
按照本发明方法工作的医用温度计具有获得优良再现性的特性，因为测得的温度大体上独立于探头在耳朵内的各个位置。按照本原理，为了能够精确地测量耳鼓膜温度即潜在的发烧状况，每次测量只需要(如总共100个传感器元件中的)单个或很少的传感器元件探测耳鼓膜。
并且，本发明辐射温度计的结构通过使用本发明的辐射传感器被简化了，因为它避免了对通常用作波导管的、内壁镀金的金属管的需要，其功能由光学元件替代。因此，本发明辐射温度计探头的设计具有更多的可能性，因为辐射传感器也可以直接位于诸如探头的端部。为了获得足够宽的视场，相对倾斜布置的多个辐射传感器也可以布置在探头端部。
现在参照附图说明本发明的实施例。其它实施例参见说明书。这些附图包括：
图1是本发明第一温度传感器的局部视图；
图2是本发明第二温度传感器局部的顶视图和截面图；
图3是本发明第三辐射传感器局部的顶视图和截面图；
图4是本发明的辐射温度计的示意图；以及
图5是描述本发明的测定温度方法的框图。
图1示意表示本发明第一温度传感器10的局部。它基于本领域已知的传感器阵列，其中多个传感器元件30在基板20上以网格或矩阵方式布置。单个传感器元件的尺寸，例如，只有0.1×0.1mm，相邻传感器元件之间的间距宽度在同一数量级。布置在传感器阵列上的是红外透明层40，层40平面上有许多交叉槽口50以一定的间距形成，所述槽口50垂直于传感器元件之间的空间上方的表面延伸。这样导致利用层40的一部分在每一个传感器元件30上形成一个正平行六面体波导管，其侧边由槽口50限定而成，其长度和层的厚度对应。槽口可以填充反射红外射线的材料如金。槽口中填充反射红外射线的材料仅仅达到预定高度或深度，而剩余部分填充吸收红外线的材料，这样是特别有益的。根据槽口填充反射或吸收材料的程度，立体角的对应限制起因于哪一条红外射线可通过由槽口限定的波导管进入相关的传感器元件。在槽口完全被红外射线吸收材料填充时，立体角和每个传感器元件的部分视场处于其最低值。在这类温度传感器的其它变体中，波导管不是正平行六面体，而是诸如柱形或具有其它合适的形状。并恰当地改变槽口的形状。
选择层40的厚度，使得相邻传感器元件的部分视场仅仅重叠一小部分。如果完全考虑，重叠程度也依赖测量物体和温度传感器的相对距离。例如，当本发明的温度传感器布置在耳内温度计70的探头60前端时(图4)，在温度传感器10和耳鼓膜80或耳道90之间的距离很小，使得波导管可由相对薄的层形成，它对待测红外射线吸收很少。由于只对立体角少量限制，因此没有预期的部分视场之间过量重叠。
在本发明温度传感器的一个变体中，在每个波导管下面布置多个传感器元件。这样，本发明辐射传感器的视场分解为单独的部分视场，它们分别与一组相邻的传感器元件30相关联。这在已知方法中增强了测量的精确性。这些辐射传感器具有特殊优点，它们的传感器阵列由专利DE 197 10 946和EP 0 566 156B1描述的类型的传感器元件构成。在评测过程中，由一组传感器中的单独传感器元件供给的传感信号首先组合形成一个单独信号，该信号可以通过诸如求平均值来确定。
在本发明温度传感器的第二实施例中，层40的表面具有微透镜结构，在每个微透镜45的下方布置一个传感器元件或一组传感器元件30。优选微透镜层这样构造，使得传感器元件位于相应微透镜的焦点位置。在这种温度传感器中，相邻部分视场的重叠量基本上独立于温度传感器到测量物体的相对距离。与上述实施例相比，这样使得层40很薄，本发明另一个变体还允许取消槽口(图2)。
在本发明辐射传感器的第三实施例中(图3)，在传感器阵列上方布置具有多个孔55的开孔膜35，在每个孔55下方是一个传感器元件或一组传感器元件。与前文所述的槽口类似，开孔膜可以利用反射红外射线材料如片状金属或吸收红外线的材料制造，或者可以利用包括吸收层和反射层的双层材料形成开孔膜。如果孔55的内径涂镀上一层诸如金之类的、具有要求的红外射线反射或吸收特性的材料，那么开孔膜也可以用任何一种材料制造。
本发明的辐射温度计不同于现有温度计之处主要是本发明的辐射传感器的使用和/或本发明测定温度方法的应用。按照图4，辐射温度计70包括一个探头60，探头60在其前端具有本发明的辐射传感器10。然而，也可以准备多个辅射传感器，采取措施优选使多个辐射传感器相对倾斜，以便为辐射温度计提供足够大的视场。并且，温度计包括确定温度测量值的装置，本装置仅使用与其它传感器元件相比给出较高/较低或显著较高/较低温度值的部分传感器元件的温度信号来确定温度。并且，当较高/较低或显著较高/较低温度值的数目相对于温度值总数下降至低于预定的临界值时，会产生警告信号。
本发明的方法(图5)参照一个辐射温度计的实例说明。本温度计的辐射传感器具有以矩阵形式布置的独立传感器元件Eij，下标i和j分别表示各传感器元件所在的行和列。每一个传感器元件Eij发出一个和温度值Tij对应的温度信号Sij。
本发明方法包括通过诸如对所有温度值Tij求平均值，从而计算温度临界值Ts的第一步骤101。然后在第二步102中，将单独的温度值Tij和这个温度临界值Ts比较。在红外耳内温度计中，只有那些超过温度临界值Ts的温度值T’ij被进一步处理。在其它应用中，只对较低的温度值进一步处理。
本发明方法的一个变体包括一个附加步骤103。其中对每个温度值T’ij超过温度临界值Ts的传感器元件Eij进行检查，确定其邻近传感器元件E(i±1)j、Ei(j±1)和/或E(i±1)(j±1)是否发出超过温度临界值Ts的温度值。只有那些其邻近传感器元件发出超过温度临界值Ts的温度值T’ij的传感器元件E’ij的温度值T’ij(E’)被进一步处理。按照这种方式，只有那些来源于一个连续较热的区域的传感器元件的温度信号进入温度测量值T的计算，意味着可以假设它们反映耳内温度计可见的耳鼓膜区域的温度值。
在进一步处理中，步骤104包括通过对温度值T’ij或者温度值T’ij (E’)求平均值，或者通过从温度值T’ij(E’)中确定峰值温度Tmax来确定测量温度值T。
在一个改进方法中，第二步骤中不是简单地选择或进一步处理较高或较低温度值T’ij，而且仅仅选择和进一步处理比温度临界值Ts显著较高或较低的温度值。例如，在表现出一个预定最小温度差或由经验或统计学方法确定的相对于温度临界值Ts的温度差时，显著较高/较低的温度值T’ij占优势。应该理解，不仅可以对传感器元件Eij发出的所有温度值Tij求平均值，利用其它方法确定温度临界值Ts也是可能的。例如，温度值的频率分布可以确定。当耳道的某些部分和耳鼓膜的某些部分都在多元件传感器视场中时，传感器元件提供其分布表现为两个聚集点的温度值，一个代表耳道温度，另一个代表耳鼓膜温度。作为温度临界值Ts的这个特殊确定的温度值对应于两个聚集点之间频率分布曲线的相对小值。
在本发明方法的优选变体中，从两个聚集点的存在可得到温度计的探头放正的结论。如果没有检测到两个聚集点，那么通过合适的指示器要求使用者重新测量。
当然，应该理解，在本发明的辐射温度计中也可以应用其它方法，仅使用与其它传感器元件相比探测具有较热/较冷温度区域的那些传感器元件的温度信号来确定温度测量值。为了引用一个例子，应该提及一种梯度方法，该方法利用所有传感器元件的温度值Tij确定温度梯度的位置和方向，并由之导出在辐射温度计视场中最热/最冷区域的位置。
应该理解，上述方法及其变体当然也可以应用在其它任何具有多个传感器元件的辐射温度计中。

Claims (18)

1．一种辐射温度计，其具有检测来自不同区域红外射线并产生相应温度信号的多个红外传感器元件，其特征在于，它包括与单个或多个传感器元件相关联的多个光学元件(50、45、55)，所述光学元件限定了射线通过它照射到各传感器元件上的立体角。
2．如权利要求1所述的辐射温度计，其特征在于，所述红外传感器元件(30)集成在一个公共基板(20)上(多元件传感器)。
3．一种辐射传感器，特别是用于辐射温度计，其具有集成在一个公共基板上(多元件传感器)的许多红外传感器元件，其特征在于，它包括与单个或多个传感器元件关联的多个光学元件(50、45、55)，所述光学元件限定了射线通过它照射到各传感器元件上的立体角。
4．如权利要求1、2或3所述的辐射温度计和/或辐射传感器，其特征在于，所述光学元件彼此连接(多元件光学系统)。
5．如权利要求1、2、3或4所述的辐射温度计和/或辐射传感器，其特征在于，所述光学元件包括微透镜(45)。
6．如权利要求1到5中任何一项所述的辐射温度计和/或辐射传感器，其特征在于，所述光学元件包括槽口(50)通过其延伸的射线透过层(40)。
7．如权利要求1、2、3或4所述的辐射温度计和/或辐射传感器，其特征在于，所述光学元件包括具有多个孔(55)的开孔膜(35)。
8．如上述任何一项权利要求所述的辐射温度计和/或辐射传感器，其特征在于，所述光学元件和多元件传感器集成在一起。
9．如权利要求1、2或4-8中任何一项所述的辐射温度计，其特征在于，它包括相对倾斜布置的多个辐射传感器。
10．如权利要求1、2或4-9中任何一项所述的辐射温度计，其特征在于，所述辐射传感器(10)布置在探头(60)的前端。
11．如权利要求1、2或4-10中任何一项所述的辐射温度计，其特征在于，它包括确定温度测量值的装置，所述装置仅使用与其它传感器元件相比给出显著较高/较低温度值(T’ij)的那部分传感器元件(Eij)的温度信号(Sij)来确定温度。
12．一种测定温度的方法，其利用具有多个红外传感器元件的辐射温度计，尤其是利用上述任何一项权利要求所述的辐射温度计，其特征在于，仅使用与其它传感器元件相比给出较高/较低温度值或显著较高/较低温度值(T’ij)的那部分传感器元件(Eij)的温度信号(Sij)来确定温度测量值(T)。
13．如权利要求12所述的方法，其特征在于，在第一步骤(101)中，通过温度信号(Sij)确定温度临界值(Ts)，仅使用与温度临界值(Ts)相比给出较高/较低温度值或显著较高/较低温度值(T’ij)的那些传感器元件(Eij)的温度信号(Sij)确定所述温度(104)。
14．如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，仅使用那些其邻近传感器元件(E(i±1)j、Ei(j±1)和/或E(i±1)(j±1))即探测来自邻近区域的红外线(103)的传感器元件发出相同较高/较低温度值(T’ij)的传感器元件(E’ij)的较高/较低温度值(T’ij(E’))来确定温度测量值(T)。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述温度测量值(T)是邻近传感器元件(E’ij)所有较高/较低温度值(T’ij(E’))中的最高/最低温度值(Tmax)。
16．如权利要求12到15任何一项所述的方法，其特征在于，当所述较高/较低温度值或显著较高/较低温度值(T’ij)的数目相对于所有温度值(T’ij)总数降至低于预定的临界值时，产生警告信号。
17．如权利要求12到16任何一项所述的方法，其特征在于，当所有传感器元件(Eij)的温度值(Tij)的频率分布表现为两个聚集点时，才确定所述温度测量值(T)。
18．如权利要求12所述的方法，其特征在于，从所有传感器元件的温度值(Tij)确定温度梯度的位置和方向，并由其推导出在辐射温度计视场中最热/最冷区域的位置，只使用这些来源于最热/最冷区域的温度值(Tij)来确定所述温度测量值(T)。
CNB998104019A 1998-09-16 1999-08-26 具有多个传感器元件的辐射温度计以及测定温度的方法 Expired - Lifetime CN1149390C (zh)

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