CN1428599A - 无接触温度传感器和用于该传感器的检测电路 - Google Patents

Abstract

一种无接触温度传感器，包括：具有带有光传导部分11以传导从其一个末端的开口10a入射的红外线的空腔12和带有一个封闭的末端并与空腔12相邻的端封闭空腔13的支架10；在支架10的光传导部分11的另一端的开口10b和端封闭空腔13的开口10c的侧面的树脂薄膜20；形成于树脂薄膜20之后的空间50a；位于光传导部分11的另一端的开口处的树脂薄膜20之上的红外线检测热敏元件30a；位于端封闭空腔13的开口10c处的树脂薄膜20之上的温度补偿热敏元件30b；用以封闭树脂薄膜并形成空间50a的覆盖构件50。在此结构中，无接触温度传感器能够精确检测到从被检测物体辐射出的红外线，而不受微波影响。

Description

无接触温度传感器和用于该传感器的检测电路

技术领域：

本发明涉及一种温度传感器，特别地涉及一种以无接触方式检测利用微波炉进行微波加热的食品的表面温度的无接触温度传感器，以及用于该无接触温度传感器的检测电路。

背景技术：

常规地建议使用JP-A-11-223555中所公开的一种无接触温度传感器。这种无接触传感器可以在很短的时间内检测到被检测物体的表面温度。

这种无接触温度传感器是一种以无接触方式检测旋转物体的表面温度的温度传感器，被检测的旋转物体例如熔解装置(fusing device)的熔解固定滚筒(fusing fixing roller)，用以在一张纸上熔解非固定调色剂图形(non-fixed toner image)。

附图5为常规无接触温度传感器的分解透视图。

从图中可以看出，这种无接触温度传感器包括一个具有横截面呈直角的光传导部分的支架(holder)101；一个装备有热敏元件104a和104b以及覆盖构件(cover member)103的树脂薄膜(resin film)102。支架101包括一个在其一端让红外线入射的开口101a；一个与开口101a相通的内部部分(interior)，构成了光传导部分105，红外线从其中通过，还包括在另一端的另一个开口组成。

光传导部分105具有一个红外线吸收薄膜，用来吸收红外线。开口101b被树脂薄膜覆盖，并由覆盖构件103封闭。在正对着红外线入射表面的树脂薄膜的后表面上提供了一个红外线检测热敏元件(DHE)104a和一个温度补偿热敏元件(CHE)104b，它们可以作为薄膜电热调节器(thermistor)。在树脂薄膜102和覆盖构件103之间留有空间。

光传导部分105的红外线吸收薄膜用来吸收从背景部分(background portion)而不是从被检测物体发射出的红外线，这样树脂薄膜102可以仅仅吸收从开口101a直接入射的由被检测物体发出的红外线。

在常规的无接触温度传感器中，从被检测物体发射出的红外线从无接触温度传感器的开口101a入射，并通过光传导部分105而由树脂薄膜102吸收。吸收的红外线被转化为热能，提高树脂薄膜的温度。利用与树脂薄膜紧密接触的DHE104a来检测温度升高，就可以检测到被检测物体的表面温度。

附图6是附图5中所示无接触温度传感器的输出检测电路的电路图。在此输出电路中，电阻R10和红外线检测热敏元件104a在电源终端V与地之间串联起来。此外，电阻R20和温度补偿热敏元件104b在电源终端V与地之间串联起来。根据电阻R10、R20和DHE104a、CHE104b之间的连接关系，红外线检测热敏元件104a和CHE104b的一端通常接地。此外，电阻R10和DHE104a的另一端互相连接，电阻R20和CHE104b的另一端相互连接。这样，形成了一个桥式电路(bridging circuit)。

DHE104a和CHE104b可以作为具有大体相同温度特性的薄膜电热调节器。DHE104a的阻抗随着由被检测物体发出的红外线而变化，这样连接点a处的电位被改变了。

同时，由于目标物体辐射的热量和周围环境的温度，支架101的温度也会上升。这样，与支架101的温度增加程度相应地，CHE104b的电阻上升。这样，接触点b处的电位发生变化。

然而，因为DHE104a和CHE104b具有同样的温度特性，连接点a处的电位取决于从被检测物体发出的红外线引起的温度变化。这样，通过运算放大器amp放大连接点a和b之间的电位差，就可在运算放大器amp的输出终端110生成与目标物体的表面温度相应的电信号。

同时，微波炉通过以微波照射食物来加热食品。这样的微波炉在家庭和商业领域都得到了广泛应用。微波炉要求能够精确检测到食物的加热结束，并自动停止加热。

常规地，微波炉的加热结束通过采用红外传感器进行表面温度测量的方法。红外传感器的常用的例子为温差电堆(therompile)或者焦热电传感器(pyroelectric sensor)。

然而，这些红外传感器是放在微波炉中的，由于输出信号很小，用来以增强的信噪比(S/N)放大的电回路和结构会变得复杂。

既然微波炉内部处在相对高的温度，当红外传感器被安装在微波炉中的时候就必须要做温度补偿。然而，红外传感器为了进行温度补偿，每个红外传感器就必须安装一个用于温度补偿的温度传感器。红外传感器必须逐个调节。这项工作非常繁琐而且成本很高。

此外，常规的温差电堆型红外传感器在芯片上设置了一个热/冷触点，它易受电磁波影响，从而很难精确检测温度。

考虑到这些问题，本发明的发明人研究了JP-A-11-223555中公开的无接触温度传感器是否能够用来作为检测食品被微波炉加热结束的温度传感器。结果是，这些没有考虑微波影响的常规无接触温度传感器的支架在树脂薄膜或者延伸线路(extended line)的布线图案(wiringpattern)中产生了感生电流，因此DHE和CHE被加热而其阻抗发生变化。其结果是温度不能被精确检测，所以不是加热烹调的食品被过度加热，就是在食品尚未得到充分加热的时候加热操作就停止了。

发明内容：

本发明的目的是为了解决上述问题，并且意图提供一种能够精确检测目标物体发出的红外线而不受微波影响的无接触温度传感器，以及用于此无接触温度传感器的检测电路。

为了达到上述目标，根据本发明，此处提供了一种无接触温度传感器，其中包括：

具有带有光线传导部分，用来传导从在其一端的第一个开口入射的红外线的空腔(cavity)，以及与此空腔相邻排列的一端封闭的端封闭空腔(closed-end cavity)的支架；

设置在支架的光传导部分另一端的第二个开口和端封闭空腔的第三个开口的侧面的树脂薄膜；

在树脂薄膜后面形成的空间；

设置在光传导部分另一端的开口处的树脂薄膜上面的红外线检测热敏元件(DHE)；

放置在光传导部分另一端的开口处的树脂薄膜上面的温度补偿热敏元件(CHE)；以及

用来密封树脂薄膜并形成空间的覆盖构件。

在此结构中，覆盖构件可以采用与支架相同的材料制成；两个热敏元件以及树脂薄膜被密封在空间中；空间中可以形成一个反射从树脂薄膜散发的热量的红外线反射薄片，这样进一步改善了检测灵敏度。

在上述无接触温度传感器中，空腔和端封闭空腔最好具有大体相同的形状并且平行设置。

在此结构中，由于空腔和端封闭空腔具有大体相同的形状并且平行设置，当等量的热能被加到DHE和CHE上时，仅仅从光传导部分入射的红外线的能量能够被精确检测到。

在上述无接触温度传感器中，支架最好由6-尼龙、66-尼龙、PBT、PPS、ABS树脂以及液晶聚合体树脂中的一种构成的主要成分，以及包含于主要成分之中的钨(W)粉、锡(Sn)粉、碳粉、碳纤维、铝(Al)粉、铜(Cu)粉、铅(Pb)粉或者镁(Mg)粉中的任何一种或者其混合物制成。

与常规支架不同，在此结构中，为了吸收从背景而不是被检测物体发出的红外线，并不需要在光传导部分形成红外线吸收薄膜的步骤。此外，也无需考虑选择红外线吸收薄膜的厚度，以能够精确形成光传导部分。对于每件无接触温度传感器产品，红外线的入射角是固定的，红外线可以被精确测量。

此外上述无接触温度传感器最好包括一个具有横截面剖面面积大于支架的第一个开口的第四个开口的热绝缘构件(heat-insulatingmember)，并将其设置以能够在其自身和支架之间形成空气绝缘层。

在此结构中，由于无接触温度传感器通过空气绝缘层被设置在热绝缘构件之内，即使当装备了热绝缘构件的加热室(heating chamber)的机柜(cabinet)被微波加热时，加热和从热绝缘构件辐射出来的热量也很难影响到无接触温度传感器。

此外，根据本发明，为采用上述无接触温度传感器提供了一个检测电路，其中在串联连接于电源与地和第一个电阻之间的DHE的第一个接触点处出现的一个输出电压，和串联连接于电源与地和第二个电阻之间的CHE的第二个接触点处出现的另一个输出电压之间的差值电压被进行处理，以用来检测被检测物体的表面温度。

在此结构中，由于由DHE和第一个电阻组成的串联电路和由CHE和第二个电阻组成的另一个串联电路的布线图案部分是对称的，重叠在处于温度补偿器和红外线传感器的侧面的输出上的噪声具有相同相位。这样，接收处于温度补偿器和红外线传感器的侧面的输出信号的差分放大器电路可以消除来自于相同相位的噪声影响。这样，尽管传感器输出很小，但是它经过去除噪声分量而被放大，从而信噪比得到了提高。

本发明的上述以及其它目标和特性会在下面以附图相结合的说明中更加明了。

附图说明：

附图1表示了根据本发明的无接触温度传感器的一种实施例的分解透视图；

附图2为附图1中的无接触温度传感器沿X-Y线的剖面图；

附图3表示了附图1中无接触温度传感器安放在微波炉中的状态；

附图4为根据本发明的无接触温度传感器的检测电路的电路图；

附图5表示了常规无接触温度传感器的一种实施例的分解透视图；以及

附图6为无接触温度传感器的常规检测电路的电路图。

具体实施方式：

实施例1

现在参照附图将给出根据本发明的无接触温度传感器的一种实施例的说明。附图1为根据本发明的无接触温度传感器的分解透视图。附图2为附图1中的无接触温度传感器沿X-Y线的剖面图。

在附图1和2中，无接触温度传感器1包括支架101，树脂薄膜20和用来固定树脂薄膜20的覆盖构件50。支架101在其一端包括一个横截面为圆形并且红外线由其入射的开口10a，一个与开口10a相通并构成光传导部分的空腔12，以及在另一端的另一个开口10b，和一个与空腔12相邻并且在其一端具有与空腔12的开口形状大体相同的开口10c的端封闭空腔13。树脂薄膜20被设置在支架10的开口10b和10c的侧面。

支架10装备了具有附加孔10f的附加耳状物10e，以固定无接触温度传感器1。树脂薄膜20的表面形成布线图案40a。布线图案40a具有形成在与开口10b和10c对应位置处的DHE30a和CHE30b。DHE30a和CHE30b连接到布线图案40a上的接合区(land)(图中未表示出)。

延伸线路55电气连接到附加终端40b。树脂薄膜20由覆盖构件50保护，并设置在支架10的凹入部分10d中。覆盖部分50在与树脂薄膜20上的DHE30a和CHE30b相连接的位置具有一个空间50a。

连接到附加终端40b的延伸线路55这样延伸出去，使得它们能够安装到凹入部分10d的上表面上纵向凹进的长孔10g中。

支架10由能够吸收红外线和包含导电粉末的树脂构成。在本实施例中，支架10通过已知的注模技术将一种6-尼龙树脂和包含重量占70％的碳粉或者碳纤维的混合物模制而成。在其它例子中，PBT、PPS、ABS、6-尼龙、66-尼龙树脂和液晶聚合物等等其中的任何一种可以与钨(W)粉、锡(Sn)粉、碳粉、碳纤维、铝(Al)粉、铜(Cu)粉、铅(Pb)粉或者镁(Mg)粉相混合。

由于不包括被检测物体的由背景放射的红外线被具有上述结构的支架吸收，与常规的支架不同，在本实施例中不需要形成红外线吸收薄膜的步骤。这样，由于不需考虑被沉积的红外线吸收薄膜的厚度，可以形成具有高度精确度的光传导部分。这样，各种不同产品的红外线入射角变化消失了。由此，可以生产出具有优良红外线检测精确度的无接触温度传感器。

此外，通过将开口10a的直径设计成8mm或者更小，可以设计出布线图案40a、DHE30a和CHE30b不受微波影响的无接触温度传感器。

此外，由于支架10和覆盖构件50同样包含导电粉末，布线图案40a由支架40和覆盖构件50保护。因此，可以防止由微波侵入引起的感生电流产生，从而可以防止由于加热DHE30a和CHE30b而引起的不良温度检测。

两个空腔12和13的形状大体相同，并在支架10之内平行排列。入射红外线通过光传导部分被树脂薄膜20吸收，也被支架10的外表面吸收。由于空腔12和端封闭空腔13平行排列，等量的热能通过支架10被加到DHE30a和CHE30b之上。这样，只有通过光传导部分入射的红外线能够被精确检测。

树脂薄膜20被设置得能够覆盖支架10之中形成的开口10b和10c。红外线从开口10a入射，被树脂薄膜20在对应于开口10a的区域吸收。树脂薄膜20可以由包括氟塑料、硅、聚酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚碳酸酯、PPS(多磷酸硫化物)等等的高聚合材料制成，也可以是任意其它的材料，只要可以吸收红外线。

这些树脂可以由把炭黑或者无机色素(至少铬黄、铁丹、钛白和天青之中的一种)扩散在其中的材料制成，以使得大体上所有波长的红外线都能够被吸收。

在树脂薄膜20上形成的布线图案40a具有用于连接延伸线路的终端40b。由于布线图案40a连接到DHE30a和CHE30b的两个部分是相互对称的，叠加在输出信号上的噪声的影响可以在后面将描述的差分放大器中去除。

此外，为了确保布线图案40a和覆盖部分50之间的电绝缘，布线图案40a可以安装绝缘薄膜，或者可以在覆盖元件50的侧面形成绝缘薄膜。

DHE30a和CHE30b连接到位于树脂薄膜20的表面上的布线图案40a的接合区(图中未表示出来)。DHE30a和CHE30b可以是具有大体相同的温度特性的热敏元件。DHE30a被设置在支架10的开口10b的中央，CHE30b被设置在支架10的开口10c的中央。

DHE30a和CHE30b是每个尺寸为1.0×0.5mm的薄膜电热调节器。

薄膜电热调节器可以通过在绝缘基片，例如铝上面喷溅锰、镍、钴、铜等的金属氧化物的混合物，对电极进行喷溅，并把绝缘基片切割成合适的尺寸而形成。

DHE30a和CHE30b不应当被局限在应用于本实施例的薄膜电热调节器，而可以是芯片电热调节器或者其它的半导体温度传感器。

覆盖部分50由与支架10同样的材料制成。两个热敏元件以及树脂薄膜20密封在空间之中。在空间50之中提供了红外线反射薄膜，反射由树脂薄膜20散发的热量，能够进一步改善检测灵敏度。

尽管在本实施例中DHE30a和CHE30b被设置在位于空间50a的侧面的树脂薄膜20之上，它们也可以被设置在孔腔12和13的侧面。

尽管在本实施例中为DHE30a和CHE30b分别形成了空间50a，也可以为它们形成一个单一的整体空间。

下面将说明装配上述无接触温度传感器1的步骤。

首先，通过丝板印刷(screen printing)将导电的粘合剂(conductive adhesive)应用于布线图案40a的接合区。

DHE30a和CHE30b被设置在接合区上，并且在150℃-180℃的空气中电气连接到接合区。

或者，采用分配器(dispenser)将导电粘合剂应用于DHE30a和CHE30b的电极部分。DHE30a和CHE30b被设置在接合区上，并且在150℃-180℃的空气中电气连接到接合区。

延伸线路55通过软焊(soldering)或者熔接(welding)电气连接到附加终端40b上。树脂薄膜20这样连接到支架10，使得树脂薄膜20未设置DHE30a和CHE30b的表面位于支架10的开口10b和10c的侧面。在这种情况下，延伸线路55被安装到在凹入部分10d的上表面纵向凹进的长孔10g中。

之后，覆盖构件50被安装到支架10的凹入部分10d中。凹入部分10d和覆盖部分50之间的间隙以粘合剂，例如环氧树脂来填充，以完成无接触温度传感器1。

尽管在本实施例中使用粘合剂将覆盖构件50固定到支架10，将也可以用螺栓覆盖构件50固定到支架10。

实施例2

参照附图3，将给出对于将无接触温度传感器1应用于微波炉的说明。

无接触温度传感器1被密封在设置于电微波炉100的外部机柜(cabinet)100c与加热室100d之间的热绝缘构件60之中。无接触温度传感器1用螺栓旋紧在热绝缘构件60的内壁上，使得开口10a与在加热室100d的壁中以及热绝缘构件60a上形成的开口100e在位置上一致。

热绝缘构件60可以用树脂，例如PPS、PBT、ABS等制成。热绝缘构件60这样形成，以覆盖无接触温度传感器，并具有一个比无接触温度传感器1的开口10a面积大的开口60a。热绝缘构件60具有对应于无接触温度传感器1的附加孔的孔60b。

无接触温度传感器1的附加孔10f和热绝缘构件60的孔60b由螺丝70拧在一起。结果，从位于由磁电管100a发射的微波照射并加热的旋转台100b之上的被检测物体M辐射出的红外线Ir，从开口60通过无接触温度传感器1的开口10a被传导到光传导部分11。

由于无接触温度传感器1被螺丝70穿过一个空气绝缘层固定到热绝缘构件60之中，即使当机柜100c，具体地说是加热室100d被微波加热，热量也很难影响到无接触温度传感器1，从热绝缘构件60辐射出的热量同样很难影响到无接触温度传感器。

实施例3

现在参照附图4，将给出与无接触温度传感器相连的检测电路的说明。

组成无接触温度传感器的DHE30a和CHE30b的一端被连接到电阻R1和R2的一端。电阻R1和R2的另一端连接到分压计Ra，分压计的滑动头连接到一个电压恒定的电路的输出终端。

DHE30a和CHE30b的另一端通常接地。电阻R1和DHE30a的连接点A通过输入电阻Rb连接到运算放大器OP1的反向输入端。电阻R2和CHE30b的连接点B通过输入电阻Rc连接到运算放大器OP1的非反向输入端。

反馈电阻Re连接到运算放大器OP1的反向输入端和输出端之间，反馈电阻Rd连接到运算放大器OP1的非反向输入端和地之间。运算放大器OP1和电阻Rb-Re组成了差分放大电路AMP1。

通过调节分压计Ra的阻抗，无接触温度传感器1的连接点A和B之间的电位保持为0。这样，当无接触温度传感器1没有检测到由被检测物体M产生的热量，差分放大电路AMP1的输入电压为0。

差分放大电路AMP1的输出在输出端V1产生，并通过电阻Rf馈入运算放大器OP2的非反向输入端。运算放大器OP2的反向输入端通过电阻Rg接地，并通过反馈电阻Ri连接到输出端。非反向输入端通过电阻Rh接地。运算放大器OP2和电阻Rh至Rg以及电阻Rf组成了非反向放大电路AMP2。

在无接触温度传感器1的工作中，从被检测物体表面发出的红外线Ir穿过在加热室100d的壁上形成的开口100e，由无接触温度传感器1的开口10a入射。红外线Ir穿过光传导部分11到达树脂薄膜20，并被树脂薄膜20吸收转化成热能。

转化的热量传导到DHE30a上，导致DHE30a的温度升高。DHE30a和CHE30b是具有大体相同温度特性的薄膜电热调节器。当DHE30a的阻抗因被检测物体M发出的红外线Ir而发生变化时，连接点A处的电位从零变化到一个指定的值。

同时，由于被检测物体M辐射的热量和周围环境温度导致支架10的温度也上升，CHE30b的阻抗也会根据支架10的温度上升而发生变化。然而，由于空腔12和端封闭空腔13具有大体相同的形状，DHE30a和CHE30b在空气中的温度变化模式大体相同。因而空气的温度变化可以被忽略。这样，只有由于被检测物体M发出的红外线Ir所引起的温度变化才能够被检测到。

由于温度变化而导致的连接点A和B之间的电压差被差分放大电路AMP放大，并在下一阶段被非反向放大电路AMP2进一步放大，从而产生输出。

由于布线图案40a的两部分是对称的，叠加在温度补偿端和红外线检测端的输出上的噪声是同相的。因此，将温度补偿端和红外线检测端的输出加在差分放大电路AMP1上可以消除同相位噪声的影响。这样，即使传感器输出很小，通过去除噪声的放大也能够改善信噪比。在下一步差分放大电路AMP1的输出被非反向放大电路AMP2放大，在输出端V2产生了电平与被检测物体M的表面温度相对应的放大了的输出。

附带说明，尽管在上述实施例中本发明被应用于电微波炉，本发明也可以应用于复印机的固定装置，或者其它以无接触方式测量表面温度的装置。

根据本发明，通过形成由包含具有导电性粉末的树脂制成的支架，支架本身能够吸收红外线，所以不必如现有技术中那样要求支架具有一个红外线吸收薄膜。这样，就不再需要形成红外线吸收薄膜以及选择薄膜厚度的步骤。从而生产过程可以得到简化，并可以精确地形成开口和光传导部分。

如上所述，由于开口和光传导部分可以精确地形成，对于每件无接触温度传感器产品，红外线入射角是固定的，从而能够精确检测红外线。

由于支架内的具有光传导部分的空腔和端封闭空腔具有相同的形状，它们的热容量相同。因此DHE和CHE接收到等量的从支架外表面发出的热能。这样，仅仅是从被检测物体发出并穿过光传导部分的红外线能够被精确检测，从而提高温度测量的精确度。

Claims (5)

1.无接触温度传感器，包括：

具有带有光传导部分，用于传导从其一端的第一个开口入射的红外线的空腔，以及与上述空腔相邻排列的一端封闭的端封闭空腔的支架；

设置在支架的光传导部分的另一端的第二个开口以及端封闭空腔的第三个开口的侧面的树脂薄膜；

在树脂薄膜后面形成的空间；

设置在光传导部分另一端的开口处的树脂薄膜上的红外线检测热敏元件(DHE)；

设置在位于端封闭空腔的开口处的树脂薄膜上的温度补偿热敏元件(CHE)；以及

用来封闭树脂薄膜并形成上述空间的覆盖构件。

2.如权利要求1中所述的无接触温度传感器，其中，所述的空腔与所述的端封闭空腔具有大体相同的形状，并且平行设置。

3.如权利要求1中所述的无接触温度传感器，其中，所述的支架由6-尼龙、66-尼龙、PBT、PPS、ABS树脂以及液晶聚合体树脂中的一种构成的主要成分，以及包含于主要成分之中的钨(W)粉、锡(Sn)粉、碳粉、碳纤维、铝(Al)粉、铜(Cu)粉、铅(Pb)粉或镁(Mg)粉中的任何一种或者其混合物制成。

4.如权利要求1中所述的无接触温度传感器，还进一步包括具有横截面面积大于所述支架的第一个开口的第四个开口的热绝缘构件，并使之在其自身和所述支架之间形成空气绝缘层。

5.使用权利要求1中所述的无接触温度传感器的检测电路，其中，在串联在电源和地以及第一个电阻之间的红外线检测热敏元件的第一个接触点处出现的第一个输出电压，与串联在电源和地以及第二个电阻之间的所述温度补偿热敏元件的接触点处出现的另一个输出电压之间的差值电压被进行处理，以检测被检测物体的表面温度。

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