JP2014139588A - 赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法並びに温度測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測定対象物10から放射される赤外線を検出する赤外線センサ部2と、この赤外線センサ部2の環境温度を測定する環境温度測定部3とを有する赤外線センサ装置1における赤外線センサ部2から得られる電気信号に基づく赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量する。環境温度測定部3から得られる環境温度に、この環境温度のオフセット補正量を加算又は減算して補正環境温度を得る環境温度オフセット補正工程と、この補正環境温度に基づいて前記赤外線センサ信号を補正する信号補正工程とを有する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の実施形態1に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。図中符号1は赤外線センサ装置、2は赤外線センサ部、3は環境温度測定部、4は視野角制限体、5はプリント基板、6は窓材、10は測定対象物を示している。
本実施形態1における赤外線センサ装置1は、温度TOBJの測定対象物10から放射される赤外線が、赤外線センサ部2に到達すると、この赤外線センサ部2が受ける赤外線エネルギー量に対応した赤外線センサ信号SIRを赤外線センサ部2から電流値または電圧値として出力するものである。赤外線センサ部2の環境温度TAMBは、環境温度測定部3によって得られる。
A=an×TAMB’n+an-1×TAMB’(n-1)+・・・+a3×TAMB’3+a2×TAMB’2+a1×TAMB’+a0 ・・・(1)
この補正方法をプログラミングしてマイコンなどで計算処理する場合、高次の関数を用いると計算処理には時間がかかってしまい、効率的に動作させることが難しいという観点から、なるべく低次の関数であることが好ましい。例えば、−30℃≦TAMB’≦60℃であれば、3次関数を用いることが、温度補正の精度を高める観点からより好ましい。
傾きβ=(SIRC2−SIRC1)/(TOBJ2−TOBJ1) ・・・(2)
補正係数Bは、その導出において環境温度TAMBの関数として定められるが、本実施形態1においては、環境温度TAMBの代わりに補正環境温度TAMB’を用いて補正係数Bを算出することで、測定対象物の温度測定精度が向上する。
赤外線センサ信号オフセット補正工程において、赤外線センサ信号SIRに対して赤外線センサ信号オフセット補正量SOFFSETを加算又は減算する赤外線センサ信号オフセット補正工程を適用すると、補正赤外線センサ信号SIR’が得られる。
SIR1の第2補正信号S21’:
S21’={(SIR1×C−SOFFSET)−A’(TAMB1)}×B’(TAMB1) ・・・(3)
SIR2の第2補正信号S22’:
S22’={(SIR2×C−SOFFSET)−A’(TAMB2)}×B’(TAMB2) ・・・(4)
第2補正信号S21’及びS22’は補正後の環境温度に依存しない信号であるので、測定対象物温度毎に所定の値を定めておけば、(3),(4)を基にして得られる(3’),(4’)を連立方程式として解くことにより、SOFFSET及びCが算出される。後述する実施例3ではこの方法を採用している。
SIR1×C−SOFFSET=S21’/B’(TAMB1)+A’(TAMB1) ・・・(3’)
SIR2×C−SOFFSET=S22’/B’(TAMB2)+A’(TAMB2) ・・・(4’)
図4は、本発明の実施形態4に係る赤外線センサ信号の補正方法及び温度測定方法を説明するための工程図である。なお、図1と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
赤外線センサ信号オフセット補正工程において、赤外線センサ信号SIRに対して赤外線センサ信号のオフセット補正量SOFFSETを加算又は減算する赤外線センサ信号オフセット補正工程を適用すると、補正赤外線センサ信号SIR’が得られる。また、環境温度オフセット補正工程において、上述した実施形態1と同様に、環境温度測定部3から得られる環境温度TAMBに対して、環境温度のオフセット補正量TOFFSETを加算又は減算する環境温度オフセット補正工程を適用すると、補正環境温度TAMB’が得られる。
赤外線センサ装置1として、赤外線センサ部2に、砒化ガリウム(GaAs)基板上に、n型インジウムアンチモン(InSb)層と、p型InSb層と、前記n型InSb層と前記p型InSb層との間に光吸収層であるi型InSb層と、前記p型InSb層と前記i型InSb層との間に生成したキャリアのリークを防ぐためのバリア層であるp型アルミニウムインジウムアンチモン(AlInSb)層と、を積層したPIN構造を有する、フォトダイオードを用いて、視野角θが120°となるような視野角制限体4を有し、窓材6として5μmカット・ロングパスフィルタを有する、赤外線センサ装置を用意した。
図8は、実施例1における赤外線センサ信号を示す図である。赤外線センサ装置1を用いて、10,30,50℃に設定されたペルチェ素子を対象物として(TOBJ=10,30,50℃)、ペルチェ素子表面から放射される赤外線を、環境温度5〜55℃において検出した際の赤外線センサ信号SIRとして、光電流を示している。このペルチェ素子表面と赤外線センサ装置との距離を約1cmとして、ペルチェ素子表面から放射される赤外線を、環境温度5〜55℃において検出した際の赤外線センサ信号SIRとして、光電流を示している。なお、ペルチェ素子表面は12cm×18cmの長方形であり、黒体スプレー(放射率0.94)を塗付してあり、ペルチェ素子表面が赤外線センサ装置1の視野全体に広がった状態で測定を実施した。
図9は、実施例1における補正環境温度に対する赤外線センサ信号を示す図で、環境温度TAMBに対して環境温度オフセット補正工程を適用した場合の補正環境温度TAMB’と、赤外線センサ信号SIRとの関係を示している。
SIR=−0.08942TAMB+3.071 ・・・(5)
赤外線センサ信号SIRに対して第3補正工程を適用して第3補正信号S3を得た。ここで、第3補正工程として、補正係数Cの乗算を行った。なお、実施例1における補正係数Cとしては、(TOBJ,TAMB)=(50,30)における赤外線センサ信号SIRの値SIR=2.263nAを、3.260nAに合わせるための係数とし、C=1.440とした。
第3補正信号S3に対して第1補正工程を適用して第1補正信号S1を得て、第1補正信号S1に対して第2補正工程を適用して第2補正信号S2を得た。ここで、第1補正工程として、オフセット補正量Aの減算を行った。なお、オフセット補正量Aとしては、下記式(6)で表される関数を用いて、補正環境温度TAMB’に基づいたオフセット補正量Aを得た。
A[nA]=(−4.5827×10-6)×TAMB’3−(1.0057×10-3)×TAMB’2−(4.1142×10-2)×TAMB’+2.2897 ・・・(6)
B=(5.6761×10-5)×TAMB’2−(5.8224×10-3)×TAMB’+1.1192 ・・・(7)
表1は、本実施例1の手順に沿って得られた第2補正信号S2に基づいて温度換算工程を行うことにより得られた出力温度TOUTを示している。
図10は、実施例2における環境温度に対する補正赤外線センサ信号を示す図で、環境温度TAMBと、赤外線センサ信号SIRに赤外線センサ信号オフセット補正工程を適用した場合の補正赤外線センサ信号SIR’との関係を示している。
補正赤外線センサ信号SIR’に対して第3補正工程を適用して第3補正信号S3’を得た。ここで、第3補正工程として、補正係数Cの乗算を行った。なお、実施例2における補正係数Cとしては、(TOBJ,TAMB)=(50,30)における補正赤外線センサ信号SIR’の値SIR’=1.887を、2.827nAに合わせるための係数とし、C=1.498とした。
第3補正信号S3’に対して第1補正工程を適用して第1補正信号S1’を得て、第1補正信号S1’に対して第2補正工程を適用して第2補正信号S2’を得た。ここで、第1補正工程として、オフセット補正量A’の減算を行った。なお、オフセット補正量A’としては、下記式(9)で表される関数を用いて、環境温度TAMBに基づいたオフセット補正量A’を得た。
A’[nA]=(−4.5827×10-6)×TAMB 3−(1.0057×10-3)×TAMB 2−(4.1142×10-2)×TAMB+2.2897 ・・・(9)
B’=(5.6761×10-5)×TAMB 2−(5.8224×10-3)×TAMB+1.1192 ・・・(10)
表2は、本実施例2の手順に沿って得られた第2補正信号S2’に基づいて温度換算工程を行うことにより得られた出力温度TOUT’を示している。
0.3759×C−SOFFSET=0/B’(TAMB=30℃)+A’(TAMB=30℃) ・・・(11)
2.263×C−SOFFSET=2.788/B’(TAMB=30℃)+A’(TAMB=30℃) ・・・(12)
ここで、B’(TAMB=30℃),A’(TAMB=30℃)は、それぞれ、前記式(9),(10)より求まる、TAMB=30℃における補正係数B’とオフセット補正量A’である。この連立方程式を解くと、C=1.483,SOFFSET=0.5310nAが得られる。
図11は、実施例4における補正環境温度に対する補正赤外線センサ信号を示す図で、補正環境温度TAMB’と、補正赤外線センサ信号SIR’との関係を示している。
SIR=−0.08942TAMB+3.071 ・・・(14)
SIR=−0.1564TAMB+8.234 ・・・(15)
SOFFSET=−0.08942(30+TOFFSET)+3.071 ・・・(14’)
SOFFSET=−0.1564(50+TOFFSET)+8.234 ・・・(15’)
補正赤外線センサ信号SIR’に対して第3補正工程を適用して第3補正信号S3’を得た。ここで、第3補正工程として、補正係数Cの乗算を行った。なお、実施例4における補正係数Cとしては、(TOBJ,TAMB)=(50,30)における補正赤外線センサ信号SIR’の値SIR’=1.910nAを、2.869nAに合わせるための係数とし、C=1.502とした。
第3補正信号S3’に対して第1補正工程を適用して第1補正信号S1’’を得て、第1補正信号S1’’に対して第2補正工程を適用して第2補正信号S2’’を得た。ここで、第1補正工程として、オフセット補正量Aの減算を行った。なお、オフセット補正量Aとしては、上述した実施例1と同様の関数を用いて、補正環境温度TAMB’に基づいたオフセット補正量Aを得た。また、第2補正工程として、補正係数Bの乗算を行った。なお、補正係数Bとしては、上述した実施例1と同様の関数を用いて、環境温度TAMBに基づいた補正係数Bを得た。
表4は、本実施例4の手順に沿って得られた第2補正信号S2’’に基づいて温度換算工程を行うことにより得られた出力温度TOUT’’を示している。
TOUT=(7.9714×10-2)×S2’’3−(7.5540×10-1)×S2’’2+8.6454×S2’’+30.047 ・・・(14)
2 赤外線センサ部
3 環境温度測定部
4 視野角制限体
5 プリント基板
6 窓材
10 測定対象物
11 環境温度の測定機構を有する赤外線センサ部
12 温度測定装置
13 第3補正部
14 環境温度オフセット補正部
15 赤外線センサ信号オフセット補正部
16 第1補正部
17 第2補正部
18 温度換算部
Claims (21)
- 測定対象物から放射される赤外線を検出して電気信号を出力する赤外線センサ部と、該赤外線センサ部の環境温度を測定する環境温度測定部とを有する赤外線センサ装置における前記赤外線センサ部から得られる電気信号に基づく赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量する赤外線センサ信号の補正方法において、
前記環境温度測定部から得られる環境温度に、該環境温度のオフセット補正量を加算又は減算して補正環境温度を得る環境温度オフセット補正工程と、
前記補正環境温度に基づいて前記赤外線センサ信号を補正する信号補正工程と
を有することを特徴とする赤外線センサ信号の補正方法。 - 前記信号補正工程が、前記赤外線センサ信号に前記補正環境温度に基づいたオフセット補正量を加算又は減算する第1補正工程を有し、前記補正環境温度に基づいたオフセット補正量が、前記補正環境温度の3次及び/又は2次の項を含む関数で表されることを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記信号補正工程が、前記補正環境温度に基づいた補正係数を乗算する第2補正工程を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記赤外線センサ信号に前記赤外線センサ装置固有の補正係数を乗算する第3補正工程を有することを特徴とする請求項1,2又は3に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記補正係数は、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であることを特徴とする請求項4に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記赤外線センサ信号に、該赤外線センサ信号のオフセット補正量を加算又は減算して補正赤外線センサ信号を得る赤外線センサ信号オフセット補正工程を有し、前記信号補正工程が、前記補正環境温度に基づいて前記補正赤外線センサ信号を補正する工程であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記赤外線センサ部が、前記環境温度測定部の機能を有することを特徴とする請求項6に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記第1補正工程と前記第2補正工程との順番を入れ替えて補正処理することを特徴とする請求項6に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 測定対象物から放射される赤外線を検出して電気信号を出力する赤外線センサ部と、該赤外線センサ部の環境温度を測定する環境温度測定部とを有する赤外線センサ装置における前記赤外線センサ部から得られる電気信号に基づく赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量する赤外線センサ信号の補正方法において、
前記赤外線センサ信号に、該赤外線センサ信号のオフセット補正量を加算又は減算して補正赤外線センサ信号を得る赤外線センサ信号オフセット補正工程と、
前記環境温度に基づいて前記補正赤外線センサ信号を補正する信号補正工程と
を有することを特徴とする赤外線センサ信号の補正方法。 - 前記信号補正工程が、前記赤外線センサ信号に前記環境温度に基づいたオフセット補正量を加算又は減算する第1補正工程を有し、前記環境温度に基づいたオフセット補正量が、前記環境温度の3次及び/又は2次の項を含む関数で表されることを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記信号補正工程が、前記環境温度に基づいた補正係数を乗算する第2補正工程を有することを特徴とする請求項9又は10に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記赤外線センサ信号又は前記補正赤外線センサ信号に前記赤外線センサ装置固有の補正係数を乗算する第3補正工程を有することを特徴とする請求項9,10又は11に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 前記補正係数は、前記赤外線センサ装置を用いて所定の環境温度において所定の測定対象物の温度を測定したときに得られる信号を所定の値にするための係数であることを特徴とする請求項12に記載の赤外線センサ信号の補正方法。
- 請求項1乃至13のいずれかに記載の赤外線センサ信号の補正方法によって得られた信号に基づいて測定温度を導出する温度換算工程を有することを特徴とする温度測定方法。
- 測定対象物から放射される赤外線を検出して電気信号を出力する赤外線センサ部と、該赤外線センサ部の環境温度を測定する環境温度測定部とを備えた赤外線センサ装置における前記赤外線センサ部から得られる電気信号に基づく赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量する温度測定装置において、
前記環境温度測定部から得られる環境温度に、該環境温度のオフセット補正量を加算又は減算して補正環境温度とする環境温度オフセット補正部と、
前記補正環境温度に基づいて前記赤外線センサ部から得られる電気信号に基づく赤外線センサ信号を補正する信号補正部と、
該信号補正部の出力から測定温度を換算する温度換算部と
を備えていることを特徴とする温度測定装置。 - 前記信号補正部が、前記補正環境温度に基づいたオフセット補正量を加算又は減算する第1補正部と、前記補正環境温度に基づいた補正係数を乗算する第2補正部とを備えていることを特徴とする請求項15に記載の温度測定装置。
- 前記赤外線センサ信号に、該赤外線センサ信号のオフセット補正量を加算又は減算して補正赤外線センサ信号とする赤外線センサ信号オフセット補正部を更に備えていることを特徴とする請求項15又は16に記載の温度測定装置。
- 前記赤外線センサ信号又は前記補正赤外線センサ信号に前記赤外線センサ装置固有の補正係数を乗算する第3補正部を更に備えていることを特徴とする請求項15,16又は17に記載の温度測定装置。
- 測定対象物から放射される赤外線を検出して電気信号を出力する赤外線センサ部と、該赤外線センサ部の環境温度を測定する環境温度測定部とを備えた赤外線センサ装置における前記赤外線センサ部から得られる電気信号に基づく赤外線センサ信号の環境温度に対する変化を補正して測定温度を定量する温度測定装置において、
前記赤外線センサ部から得られる電気信号に基づく赤外線センサ信号に、該赤外線センサ信号のオフセット補正量を加算又は減算して補正赤外線センサ信号とする赤外線センサ信号オフセット補正部と、
前記環境温度に基づいて前記補正赤外線センサ信号を補正する信号補正部と、
該信号補正部の出力から測定温度を換算する温度換算部と
を備えていることを特徴とする温度測定装置。 - 前記信号補正部が、前記環境温度に基づいたオフセット補正量を加算又は減算する第1補正部と、前記環境温度に基づいた補正係数を乗算する第2補正部とを備えていることを特徴とする請求項19に記載の温度測定装置。
- 前記赤外線センサ信号又は前記補正赤外線センサ信号に前記赤外線センサ装置固有の補正係数を乗算する第3補正部を更に備えていることを特徴とする請求項19又は20に記載の温度測定装置。
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