CN1734242A - 温度校正处理装置 - Google Patents

Abstract

热电堆及热敏电阻在制造阶段，在每个产品中产生标准离差。预想内置于完成品中的热电堆及热敏电阻的特性因每个产品而异。而且，在组装阶段的组装也存在标准离差等的影响，如果保障完成品的测量精度，则存在不能廉价提供的问题。本发明提供的温度校正处理装置，具有：测量相对温度差的受光部；测量上述受光部温度的温度测量电路；和在上述受光部中加上与上述每个监视区域之间的相对温度差、计算出该每个监视区域的温度、并输出计算结果的计算电路；其中在每次测量时，根据上述受光部的温度校正上述计算结果。

Description

温度校正处理装置

技术区域

本发明涉及通过由物体放射的热，例如远红外线等，进行热线图像检测、测出火灾和人的存在等或物体的温度的温度校正处理装置。

背景技术

热电偶是即使对人体产生的微小的远红外线，也可将入射的远红外线变换为热，采用将热直接变换为电的赛贝克效应，产生直流电压的装置。

上述所谓赛贝克效应是，连接不同物质的不同种金属线的两端，若加热一端接点、冷却另一端节点，则产生热电动势。称之产生该热电动势的特性。将利用该效应用于由热电动势的大小测量接点间温度差的传感器称为热电偶。而将连接多个热电偶、输出更高电压的称为热电堆(thermopile)。

将上述热电堆纵横组合，可测量一定区域热变化量的情况，称之为二维热电堆阵列。

此外，以往的二维热电堆阵列被装设在电子测量仪等的顶部，用作不直接接触地测量微温的被测物温度的装置。

具体地，电子测量仪以转台作为二维热电堆阵列的测量区域，可以测量放置在转台上的被测物温度分布。上述技术记载在参考文献1中。

另外，上述二维热电堆阵列技术作为人体检测方法被采用，建议用内置有二维热电堆阵列的照明灯。

热电堆可根据热的变化量检测出火灾和人的存在，作为显示信号处理装置是有用的。近年来，热电堆即使作为火灾报警器和人体检测的安全装置也被寄予很大的期望。人体检测技术记载在参考文献2中。

〖专利文献1〗特开2001-355853号公报。

〖专利文献2〗特开2000-223282号公报。

但是，在上述背景技术中，产生了如下问题：为了得到被探测区域的区域中的温度信息，需要在由热电堆产生的被探测区域的区域和热电堆自身的相对温度差中，加上由热敏电阻产生的热敏电阻自身温度。热电堆将多个由在硅基板上以P型和N型为对的多晶硅构成的薄膜热电对串联连接的。而热电堆通过在基板中央部正下方形成空洞部，成为使温接点部的热容量非常小的构造，在热电堆中，在制造阶段各制品产生标准偏差。预计在成品中内置热电堆的特性各成品相异。

此外，同样在温度传感器中使用的热敏电阻由电阻成分而构成，在热敏电阻中，在制造阶段各制品产生标准偏差。预计在成品中内置热敏电阻的特性各成品相异。

而假设既便使内置的热敏电阻及热敏电阻均为一致的精度，但因装配阶段的装配的标准离差等，会对温度的测量结果、精度有微妙的影响。因此，将所有成品的温度测量精度集中在所定的精度范围内是非常困难的。

在进行严格的选择试验时，产生较多不合格品的产品，引起成品销售价格上升，故成为难以提供高精度、低价格产品的问题。亦即，对价格低的产品存在难以保证高温度测量精度这一问题。

发明内容

涉及本发明的主要发明，其特征在于：

配置为分割监视区域并进行监视，在具有测量上述监视区域内热量的多个受光单元的温度校正处理装置中，

具有：受光部，通过非接来触测量与上述被分割为各受光单元的上述各监视区域之间的相对温度差；

测量电路，测量上述受光部自身温度的温度；

计算电路，由该温度测量电路运算温度与上述相对温度差，计算出上述各监视区域的温度、并输出计算结果；和

保持电路，将上述监视区域内设定为已知的基准温度，保持来自测量被设定为该基准温度的上述监视区域内热量时的上述计算电路的计算结果与上述基准温度之差的修正信息，

其中，测量结果根据上述修正信息修正上述计算结果。

此外，本发明的其他特征通过附图和本说明书的记载能了解。

如上所述，根据本发明，可以抑制所有成品温度测量结果的标准离差，可将温度测量结果控制在某一定的范围内、保证成品的温度测量精度。

由于可校正，使以往是不合格品而成为废弃的产品变成合格品，可以降低造价，还可提供低价产品。可举出用户可以同时利用高测量精度可放心地使用这一优点。

此外，还可举出通过采用热线探测器可制成精度好的火灾报警器或人体检测的安全装置这一优点。

附图说明

图1是表示涉及本发明的一实施例的显示信号处理装置的构成框图。

图2是表示涉及本发明的一实施例的具体动作的图。

图3是表示涉及本发明的一实施例的具体动作的图。

图4是表示涉及本发明的一实施例的具体动作的图。

图中：

1-热电堆阵列，2-二维热电堆阵列，3-扫描电路，4-温度传感器器件

具体实施方式

按照附图具体说明本发明的详细情况。图1为表示本发明的显示信号处理装置框图。在同图中所示的显示信号处理装置中，热电堆型远红外线区域传感器1，在内部具有二维热电堆阵列2、扫描电路3、温度传感器器件4。

被探测区域5表示进行温度测量并成为目标的区域。被探测区域5通过透镜6，缩小并取入热电堆型远红外线区域传感器1的内部。二维热电堆阵列2将由透镜6缩小的被探测区域5分割为各32(纵)×32(横)的区域，得到按远红外线量比例的微弱电动势。

根据上述微弱的电动势，二维热电堆阵列2可以取得被探测区域5各区域的温度信息。

实际二维热电堆阵列2得到的被探测区域5的各区域的温度信息，为被探测区域5和二维热电堆阵列2自身的温度差。二维热电堆阵列2可以仅知各所分割的被探测区域5的区域与自身的温度差。

二维热电堆阵列2自身的温度可由温度传感器器件4测量。

因此，微型计算机9通过由来自温度传感器器件4的温度信息，计算在二维热电堆阵列2中得到的被探测区域5的各区域的温度信息，可得到被分割为被探测区域5的32(纵)×32(横)各区域的温度信息。

内置热电堆型远红外线区域传感器1的扫描电路3，从外部输入时钟信号和复位信号。扫描电路3在每个复位信号来时，将配置于上述扫描电路3内部的计数器值初始化并回零。

配置于上述扫描电路3内部的计数器与所输入的时钟信号的上升沿同步，一个一个地增加计数值。

以二维热电堆阵列2的32(纵)×32(横)分割的区域，从左上角起依次所有了地址。扫描电路3利用上述逐个增加的计数值，将分配给二维热电堆阵列2的地址值依次输出至二维热电堆阵列2。

接受上述地址的二维热电堆阵列2，将依次对应的各区域所取得的温度差信息作为电位差(电压)输出。

上述电位差从热电堆型远红外线区域传感器1的输出端子P端子、N端子输出。P端子是P沟道端子，意为正极性；N端子是N沟道端子，意为负极性。

从热电堆型远红外线区域传感器1输出的P端子、N端子输入放大器7。放大器7为差分放大电路，根据P端子和N端子的电位差，放大电位差并从放大器7作为输出信号输出。

由于在二维热电堆阵列2产生的电动势微弱，故需在放大器7中用高放大倍数放大。

本实施例的放大器7，将P端子与N端子的电位差放大约数千倍，输出至低通滤波器(LPF)8。

LPF8为由电阻和电容器构成的低通滤波器。LPF8将在由放大器7放大后的电位差内所包含的信号中急剧变高的噪声成分平滑化，输出至微型计算机9内部的12位A/D转换器10。

12位A/D转换器10将由LPF8输入的模拟信号变换为12位数字数据。

此外，温度传感器器件4将二维热电堆阵列2自身的温度信息作为电位差输出。

二维热电堆阵列2自身的温度信息被输入12位A/D转换器11，由12位A/D转换器11变换为12位数字数据。

CPU12计算表示来自12位A/D转换器11的二维热电堆阵列2自身的温度信息、和来自12位A/D转换器10的各所分割区域的二维热电堆阵列2之间的温度差的电压输出，得到被分割为32(纵)×32(横)的每个区域的温度信息。

其中的温度信息为表示被探测区域5的每个区域温度与二维热电堆阵列2之间的温度差的相对温度差。也就是说，被探测区域5的每个区域的温度如果与二维热电堆阵列相比较，就可知温度相对高多少、低多少。

为了得到被探测区域5的每个区域中的温度信息，CPU12在表示被探测区域5的每个区域的温度和二维热电堆阵列2之间的温度差的相对温度差中，附加并求出二维热电堆阵列2自身的温度信息。

所求得的每个被探测区域5的区域中的温度信息，由CPU12通过CPU总线记忆到SRAM1(14)中。1次所测量的每个32×32区域的温度信息被称为1帧，作为1个信息单位被收集处理。

在本实施例中，被检测区域5的温度测量定为1秒测量3次，在SRAM1(14)中，记忆了过去3次的测量结果。SRAM1(14)在每次新测量温度是随时删除最早的测量结果并继续更新。相关的一系列处理程序被记忆在PROM13中。PROM13由被称之为闪烁ROM的非易失性存储器构成。因此，在修正程序时可重写、使用方便。

此外，图1所示的SRAM1(14)和SRAM2(15)被分开图示。在CPU中所用的存储器中，一般将所有存储器区分为几个并进行管理。若由CPU要求向存储器存取，则根据存储器的地址信息等从所区分的存储器的集合中选择1个区分对象，执行读出或写入。将此时的存储器区分称之为存储单元。

采用上述存储单元将存储器分为2个存储单元，将每个设为SRAM1(14)及SRAM2(15)，可将1个SRAM分为2个使用。

在利用该存储单元时，与单个设SRAM1(14)及SRAM2(15)的情况相比，可共有部分内置的存储器地址编码的一部分，故可减小微型机9的芯片面积。

另外，被探测区域5的每个区域的温度信息，因二维热电堆阵列2及温度传感器4的标准离差，有时每个完成品在测量精度上具有固有特性。因此，在对完成品保证相同的精度时，需要通过检查严格选择，或通过校正进行校正。在通过检查严格选择的情况下，成为废品的成品多，会影响制造成本。因此，为了尽量降低成品的制造成本，可以说通过校正进行修正是最好的选择。

作为通过具体的修正进行修正的措施，采用可忠实地再现设定的温度的装置(黑体炉)，一般试验测量温度。例如，将图1的黑体炉19设定到某设定温度，将黑体炉19设置到被探测区域5。

采用本实施例测量黑体炉19的温度。如果二维热电堆阵列2及温度传感器器件4的精度好的话，温度测量结果应为设定了黑体炉19的温度。

但是，在二维热电堆阵列2及温度传感器器件4中，含有制造阶段的标准离差或装配阶段的标准离差，有时每个完成品具有不同的温度特性。如上所述，为了抑制每个制品的标准离差，有必要进行严格的选择或校正每个制品。在本实施例中，通过校正来校正每个制品的温度特性，可抑制每个制品的标准离差、保持纳入一定范围内的一致性、低价向消费者提供。

作为具体的每个制品的温度特性，可涉及：因制品测量结果为较高的情况、为较低的情况、用测量的温度低的温度和测量温度高的温度特性不同的情况等多方面。

为了了解每个完成品的温度特性，需要从低温到高温的范围内，在不同的温度中，至少进行2次以上测量对采用了黑体炉19的温度试验。例如在低温范围内设为摄氏5度，在高温范围内设为摄氏40度进行试验。根据试验结果，当实际测量的值发生偏移时，进行将实际值接近实际黑体炉19的温度的理想值的校正。

图2至图4对具体的校正方法进行详细说明。

在图2的(1)、(2)中，从低温到高温具体说明以一定比例校正高或低的情况。在低温、高温进行测量，如果在低温、高温范围为大致相同程度的误差，则可仅以一定的比例单纯地将所有的实测值进行升高或降低而进行有效的校正。

在图2(1)中，在由采用黑体炉19的实测值的测量结果中，相对理想的直线高出一定的比例来所测量的。因此，进行降低一定数值的校正。在图2(1)中，在低温及高温的范围内，相对理想的温度，由于测量出高出5度，故进行将由实测值减5度的值作为测量结果的校正。此时，相对理想的温度，校正的温度被保持在PROM13中。

在图2(2)中，与图2(1)相反，因采用黑体炉19的实测值的测量结果低，故进行升高一定数值的校正。在图2(2)中，在低温及高温的范围内，相对理想的温度，由于测量低5度，故进行将由实测值加5度的值作为测量结果的校正。

在图2的(1)及(2)中，是通过校正温度减少误差的考虑方法，而在图4中，表示无理想值自身的情况。只测量2点实测值，之后所测量的结果以所在连接该实测值2点的直线上作为过程决定实际温度。

在图3中，在被检测地区域5的区域中设置黑体炉19，作为不同的2个已知的第1温度和第2温度。第1温度为低温的5度，第2温度为高温的40度。

将由来自第1温度、第2温度中的A/D转换器10及A/D转换器11的输出得到的测量结果分别作为第1基准计算结果、第2基准计算结果。

求出连接第1温度中的第1基准计算结果和第2温度中的第2基准计算结果的直线。在每次测量被检测地区域5的区域时，采用线性关系预测实际温度。

具体为，测量被检测地区域5的区域，将得到的计算结果作为y轴的点，由与直线相交的点求出垂直下落到x轴上的点，以比例关系为基础预测实际温度。

在图2及图3中，是采用黑体炉19对已知的温度进行2点测量，由2点求出直线、并校正与理想直线间的偏差的方法。由2点求出根据实测值的直线，进行如成为理想直线的校正。

对高温和低温2点进行试验，由2点求出根据实测值的直线、并校正为理想直线时，在测量2点实测值的时刻，有时包含测量误差。

所谓该测量误差，是在每次测量时每次不同的主要原因，例如，有根据噪声影响的大小，在测量结果中较多包含测量误差的情况和几乎不含测量误差的情况。

在较多包含测量误差的情况下，其后由于根据试验时的结果进行校正，故在校正后所测量的所有测量结果中，成为追加试验时的测量误差的情况。

为了避免较多包含测量误差的情况，希望对由黑体炉19的试验不是2点，而是进行许多试验。

但是，如图4所示，通过许多试验难以得到近似直线。因此，进行利用最小二乘法的温度校正。

此外，二维热电堆阵列2自身的温度特性有时也不是严格的直线，而是2次曲线。在温度特性为2次曲线时，通过利用最小二乘法进行的温度校正，可将测量误差控制在最小限度内。

以下显示利用最小二乘法的温度校正方法。对由黑体炉19产生的基准温度进行摄影，将此时的数据设为x、测量温度设为y，使黑体炉19的温度依次变化，将7个采样的结果表示为式1。连接实测值的近似函数(近似曲线)与理想的直线(近似直线)不能完全吻合的理由是考虑了上述测量误差的影响等。

若对黑体炉19依次设定基准温度为x1、x2、x3…，将此时的测量结果设为y1、y2、…，则对基准温度的每个变化进行N个采样的结果可以表示为式1。

〖式1〗

(x_n，y_n)，n＝0，1，…，N-1

另外，由式2表示求出的近似函数

〖式2〗

f(x)＝c₀+c₁x+c₂x²+…c_nxⁿ

在理想的直线中，将测量1中的x座标设为x1，此时的y座标为a(x1)+b。用测量1在实测值中，x座标为x1，y座标为y1。理想值与实测值的差被称为预测误差，可用S1＝y1-{a(x1)+b}表示。

正如由式2所示的近似函数(近似曲线)的预测误差为最小，式2的系数c0～cn采用平方误差，可表示为式3。

〖式3〗

$S=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(y_n-f\left(x_n\right))}^2$

在式3中，如果忽略x的系数比3次大的情况，则可表示为式4。

〖式4〗

S_n＝(y_n-c₀-c₁x_n-c₂x_n ²)²

在式4中，有关系数c₀～c_n，在成为最小的点中，偏微分的值为零。有关系数c₀～c₂在成为最小的点中，偏微分的值为零，故可导出式5、式6、式7。

〖式5〗

$\frac{\mathrm{dS}}{d{c}_0}=0\→\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(y_n-c_0-c_1{x}_n-c_2{x_n}^2)=0$

〖式6〗

$\frac{\mathrm{dS}}{d{c}_1}=0\→\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(y_n-c_0-c_1{x}_n-c_2{x_n}^2)x_n=0$

〖式7〗

$c_{0}N+c_1\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n+c_2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^2=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_n$

而且，若解式5则为式8，若解式6则为式9，若解式7则为式10。

〖式8〗

$c_0\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n+c_1\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^2{+c}_2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^3=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_{n}y}_n$

〖式9〗

$c_0\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^2+c_1\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^3+c_2\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^4=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{{x_n}^{2}y}_n$

〖式10〗

$\left(\begin{array}{ccc}N& {\mathrm{\Σx}}_n& {\mathrm{\Σ}{x}_n}^2\\ {\mathrm{\Σx}}_n& {\mathrm{\Σ}{x}_n}^2& {{\mathrm{\Σx}}_n}^3\\ {\mathrm{\Σ}{x}_n}^2& {{\mathrm{\Σx}}_n}^3& {{\mathrm{\Σx}}_n}^4\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{c}_0\\ c_1\\ c_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{y}_n\\ {\mathrm{\Σx}}_n{y}_n\\ {{\mathrm{\Σx}}_n}^2{y}_n\end{array}\right)$

若用矩阵变换表示式8、式9、式10则成为式11。

〖式11〗

(A_i，j)(c_i)＝(B_i)

由式11可得到以c₀～c₂为未知数的连立方程式。若设系数矩阵为A_ij、未知数向量为c_i、常数向量为B_i，则式11表示为式12。

〖式12〗

(A_i，j)(c_i)＝(B_i)

当式12时，近似函数的最高次数为n次时，A、B的要素可表示为式13。

〖式13〗

$A_{i,j}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^{i+j},B_i=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x_n}^i{y}_n(i=0,1,\·\·\·,n,j=0,1,\·\·\·,n)$

由基准输入数据式1求出二次最小平方多项式、导出连立方程式，若解其便可得到c_i。通过将c_i代入式2，将新输入的数据作为x代入，可计算出温度。

由于热电堆的输出特性取二次曲线，故由采样的数点构成连立方程式，通过将所得到的c₀～c₂登录到ROM，可从输入数据得到还包含并校正热电堆特性的温度。

由于不需要这样多次校正用采样，故可进行高精度的高速变换。但是，为了提高精度，需要在每个像素单位进行上述处理，得到校正后的温度。通过采用最小2除法，可将实际测得的温度更接近理想值。

以上针对本发明的实施方式，根据其实施方式进行了具体的说明，但并不限定于此，在不脱离其主要意思的范围内可作种种变更。

Claims (6)

1、一种温度校正处理装置，其特征在于，

配置为分割监视区域并监视，在具有测量上述监视区域内热量的多个受光单元的温度校正处理装置中，

具有：受光部，通过非接触测量与上述各被分割为受光单元的上述各监视区域相对之间的温度差；

测量电路，测量上述受光部自身温度的温度；

计算电路，由该温度测量电路运算温度与上述相对温度差，计算出上述各监视区域的温度、并输出计算结果；和

保持电路，将上述监视区域内设定为已知的基准温度，保持来自测量被设定为该基准温度的上述监视区域内热量时的上述计算电路的计算结果与上述基准温度之差的校正信息；

其中，测量结果根据上述修正信息校正上述计算结果。

2、根据权利要求1所述的温度校正处理装置，其特征在于：

利用连接来自上述计算电路的第1计算结果及来自上述计算电路的第2计算结果的直线进行温度校正。

3、根据权利要求1所述的温度校正处理装置，其特征在于：

作为各自不同的2个已知的第1温度和第2温度，在上述监视区域内设定为已知的基准温度，将来自上述计算电路的计算结果作为第1基准计算结果、第2基准计算结果，

在每次求出连接上述第1基准计算结果和上述第2基准计算结果的直线的斜率并测量上述受光部的温度时，利用上述线性关系预测上述监视区域的温度。

4、根据权利要求1所述的温度校正处理装置，其特征在于：

进行多次温度测量，根据来自上述计算电路的结果，求出表示温度特性的函数，根据该函数校正来自上述计算电路的温度。

5、根据权利要求4所述的温度校正处理装置，其特征在于：上述函数采用了最小2乘法。

6、根据权利要求1至5所述的温度校正处理装置，其特征在于：采用了热线探测器。

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