TWI716229B - 高精準度非接觸式溫度量測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係為一種高精準度非接觸式溫度量測裝置，包含一隔熱箱體，由隔熱材料製備而成，該隔熱箱體內部係具有一容置空間；一動態恆溫回饋控制模組，係用於控制該容置空間之溫度；一非測溫型熱顯像儀，係設置於該容置空間，本發明提出的架構將整體非接觸溫度量測儀內部進行系統絕熱保溫及並使系統整體溫度在動態恆定條件下，使其整個溫度量測系統以上述整體封閉系統動態溫度恆定調控，補償內部晶片自熱效應與視野背景溫度變異所造成的影響，最後結合熱顯像型非接觸溫度量測常用溫度校正演算法，就可用顯像型非接觸溫度量測儀求得待測物體表面精準的均溫值。
Description
本發明係關於一種溫度量測裝置，特別是關於一種利用校正非測溫型熱顯像儀以達成高精準度非接觸式量測之溫度量測裝置。
近年來，紅外線感測器的發展已逐漸由國防武器系統轉移到軍民通用系統應用上，更進一步發展成民生工業的應用。舉例說，紅外線感測器可用來進行溫度量測。目前紅外線溫度感測器架構大致上可分為金屬熱電堆(Thermopile)式感測器、焦電元件(Pyroelectric Infrared Sensor，PIS)感測器以及微阻(Microbolometer)式感測器，其中，Microbolometer感測器之材料主要有氧化釩(VOx)、非晶矽(a-Si)與BST。
當前在非接觸溫度量測技術在主要是架構上述三大感測器結構上，以此類結構開發出的非接觸溫度量測儀為現今最常用的設備，然而具有高解析度熱顯像功能且具輕巧、低噪音、低功率消耗特性之非接觸溫度量測儀，均採用微阻式感測器結構。雖然此微阻式感測器結構具上述優點，但是由於微阻式結構感測器在進行非接觸溫度量測時，常因
微阻式結構感測器本身操作需要提供一個固定操作電壓或電流，與其結構正下方的讀取積體電路晶片長期間運作導致其熱顯像溫度感測晶片自熱效應(Self-heating effect)，造成晶片直接輸出電壓或轉阻電壓準位飄移，致使溫度量測的精度降低。
因此，常見的非接觸溫度量測儀，除在晶片內會設計參考基板溫度監控感測單元(reference pixel)外，最接近感測晶片周邊會貼上接觸式熱敏溫度感測單元及感測晶片前方的校正快門(shutter)旁也會貼上此感測單元，隨時將準位飄移用軟體結合接觸式熱敏溫度感測單元的數值，進行操作溫度補償、環境溫度補償等數值演算，建立直接輸出電壓或轉阻電壓準位飄移迴歸補償運算，維持長時間非接觸高精度溫度量測性能。
絕大部分熱顯像型非接觸溫度量測儀內部核心熱顯像晶片是一種藉由微阻(Microbolometer)式之焦平面陣列(Focal Place Array)吸收輻射熱後，再由讀出積體電路晶片(ROIC)讀取電訊號，依據此微阻(Microbolometer)上的VOx材料發生晶相變化所產生電阻的改變，經由ROIC擷取電流(或電壓)值。接著，利用所測出的電流(或電壓)值運算出實際量測溫度。不過有鑑於感測器之製程變異以及焦平面陣列晶片操作溫度的自熱效應與視野背景溫度等因素的影響，常會使讀出電路所擷取的電流(或電壓)值存有誤差的情況而
導致量測溫度不精確。
因此，目前也有許多廠商研發適當的校正方法，以期提昇量測的準確性，市面上幾乎所有的熱顯像型非接觸溫度量測儀，為維持操作溫度的恆定及視野背景快門參考溫度正確回饋，往往在量測儀內部需要置入上述熱敏溫度感測單元，並結合複雜的校正法則，徒增系統整合製造及執行校正演算硬體的複雜度。
以一般熱顯像型非接觸溫度量測儀來說，在實際進行測溫功能時需開機等待至少30分鐘，最好使系統達準動態穩定之工作溫度下(機殼溫度及熱像機感測核心FPA晶片溫度差相對恆定)後才能執行測溫功能，並藉由非均勻度及單溫度點校正來確保一般測定溫度精度為±5℃或±5%，若要更為精確(
±1℃或±2%)，便要複雜的多項式迴歸參數演算法導入MCU或PC上進行迴歸運算，若所處環境溫度突然劇烈變化(旁邊有高溫或低溫源)，使整體系統動態溫差
±3℃，都會導致測溫儀的測溫值精度變差，需要再等長時間系統與外部環境達到溫度熱平衡(溫度動態恆定)後，再以當下焦平面陣列晶片操作溫度與視野背景溫度，隨後重複上述的測溫校正程序，正規化輸出的強度訊號值，最後執行全系統自適性的選用逆運算，最後得到精確的目標量測溫度值。
以上論述，一般熱顯像型非接觸溫度量測儀為了提升與維持長時間溫度量測的準確度，必須在系統軟硬體上
增加許多複雜的硬體設計與繁複演算法的導入，主要的缺點為：1.無法有效恆定系統溫度，僅靠系統被動式動態熱平衡機制，無法有效率使全系統處於操作溫度恆定態，而能精確量測到目標物溫度。2.需要額外置入監控熱顯像晶片溫度感測器及視野背景快門溫度之感測器，使系統設計與製造複雜化。一般商用熱顯像儀受到缺乏系統溫度之感測器硬體及無校正演算法(測溫機構恆溫回饋)支援，因此僅能進行熱顯像監控應用，而無法進行廣泛測溫應用。
鑒於上述習知技術之缺點，而本發明提供一種具高精度非接觸溫度量測的機構，不需要獲知焦平面陣列晶片操作溫度、視野背景快門參考溫度，只要使用本發明提出的架構將整體非接觸溫度量測儀內部進行系統絕熱保溫及並使系統整體溫度在動態恆定條件下，使其整個溫度量測系統以上述整體封閉系統動態溫度恆定調控，補償內部晶片自熱效應與視野背景溫度變異所造成的影響，最後結合熱顯像型非接觸溫度量測常用溫度校正演算法，就可用顯像型非接觸溫度量測儀求得待測物體表面精準的均溫值。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種高精準度非接觸式溫度量測裝置，其包含：一隔熱箱體，係由隔熱材料製備而成，該隔熱箱體內部係具有一容置空間；一動態恆溫回饋控制模組，係用於控制該容置空間
之溫度；一非測溫型熱顯像儀，係設置於該容置空間。
本發明所提出之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該隔熱材料可為PE。
本發明所提出之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該動態恆溫回饋控制模組可包含一溫度感測器、一溫度控制模組、一溫度回饋控制單元及一電源模組，該溫度感測器設置於該容置空間，該溫度感測器量測該容置空間之溫度後產出一回饋訊號，該溫度回饋控制單元接收該回饋訊號後產生一控制訊號，該溫度控制模組接受該控制訊號後控制該容置空間之溫度，該電源模組提供電能驅動該溫度感測器、該溫度控制模組及該溫度回饋控制單元。
本發明所提出之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該溫度控制模組可為TEC致冷晶片。
本發明所提出之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該溫度回饋控制單元可為MCU、ASIC或PC。
本發明所提出之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該高精準度非接觸式溫度量測裝置可更包含一散熱結構，該散熱結構可設置於該隔熱箱體之外層表面。
本發明所提出之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該高精準度非接觸式溫度量測裝置更包含一前蓋板，該前蓋板可設置於該隔熱箱體之一側面，該側面及該前蓋板可各具有一孔洞，該非測溫型熱顯像儀可藉由該等孔洞
觀測待測物。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
100‧‧‧高精準度非接觸式溫度量測裝置
110‧‧‧散熱結構
120‧‧‧隔熱箱體
130‧‧‧動態恆溫回饋控制模組
140‧‧‧非測溫型熱顯像儀
150‧‧‧前蓋板
210‧‧‧交流電源模組
220‧‧‧交流/直流電源模組
230‧‧‧電橋式功率放大電路模組
240‧‧‧致冷晶片與散熱結構
250‧‧‧溫度感測器
260‧‧‧溫度控制模組
270‧‧‧MCU或ASIC控制單元
第一圖係為本發明高精準度非接觸式溫度量測裝置之結構示意圖；
第二圖係為動態恆溫回饋控制模組示意圖；
第三圖係為熱顯像型非接觸溫度量測儀量測結果圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
本發明主要以一般商用非測溫型熱顯像模組建立一個絕熱保溫的封閉系統，使得整個模組機構動態恆溫，亦即運用熱電致冷(Thermoelectric coolin,TEC)模組及結合溫度感測單元(電橋式放大電路、PID溫控單元：可用市售MCU結合溫控ASIC晶片替代)等進行系統動態恆溫回饋建構機構
恆溫態，因此系統為絕熱保溫系統，在外界環境溫度變異下(
±3℃)，並不會造成系統溫度的大幅變化(系統一般可維持
±1℃)，如此非測溫型熱顯像系統內的不須如測溫型熱顯像系統需在熱顯像陣列晶與在視野背景快門片旁置入溫度感測器，擷取上述即時溫度參數，來進行複雜的溫度補償數值演算，既能簡化熱顯像測溫儀的設計與製造複雜度，也能長時間獲得精準度的量測目標溫度值。
請參閱第一圖，係為本發明高精準度非接觸式溫度量測裝置之結構示意圖，本發明之一實施例，一種高精準度非接觸式溫度量測裝置(100)，其包含：一隔熱箱體(120)，係由隔熱材料製備而成，該隔熱材料可為PE保溫材料，該隔熱箱體(120)內部係具有一容置空間；一動態恆溫回饋控制模組(130)，其中，該動態恆溫回饋控制模組(130)可包含一溫度感測器、一溫度控制模組、一溫度回饋控制單元及一電源模組，該溫度感測器設置於該容置空間，該溫度感測器量測該容置空間之溫度後產出一回饋訊號，該溫度回饋控制單元接收該回饋訊號後產生一控制訊號，該溫度控制模組接受該控制訊號後控制該容置空間之溫度，該電源模組提供電能驅動該溫度感測器、該溫度控制模組及該溫度回饋控制單元，係用於控制該容置空間之溫度，該溫度控制模組可為TEC致冷晶片，該溫度回饋控制單元可為MCU、ASIC或PC；一非測溫型熱顯像儀(140)，係設置於該容置空間；一散熱結構(110)，
該散熱結構(110)可設置於該隔熱箱體(120)之外層表面，一前蓋板(150)，該前蓋板(150)可設置於該隔熱箱體(120)之一側面，該側面及該前蓋板(150)可各具有一孔洞，該非測溫型熱顯像儀(140)可藉由該等孔洞觀測待測物。
本發明建立一個準絕熱保溫(PE保溫材料)的封閉系統，除此之外致使整個模組機構能動態恆溫的關鍵，就是以熱電致冷(Thermoelectric cooling,TEC)模組及結合溫度感測器、電橋式功率放大電路模組，再由PID溫度控制模組進行負回饋動態恆溫調控，最後由PC或商用MCU或溫控ASIC晶片等進行全系統動態恆溫回饋控制，因此系統為本發明所架構在非測溫型熱顯像儀周邊的絕熱保溫封閉架構及動態恆溫回饋控制機構，兩部分所組成的主動式動態恆溫調控準絕熱保溫封閉系統。
請參閱第二圖，該圖係為動態恆溫回饋控制模組示意圖，能使一般商售非測溫型熱顯像儀內熱顯像晶片及視野背景快門溫度迅速到達系統設定溫度並維持動態恆定狀態，大幅提高測溫的精準度與實用性。
該動態恆溫回饋控制模組可包含一溫度感測器、一溫度控制模組、一溫度回饋控制單元及一電源模組，於本實施例中，該動態恆溫回饋控制模組係為一交流電源模組(210)、一交流/直流電源模組(220)、一電橋式功率放大電路模組(230)、一致冷晶片與散熱結構(240)、一溫度感測器(250)、
一溫度控制模組(260)、一MCU或ASIC控制單元(270)，該交流電源模組(210)提供電源給該交流/直流電源模組(220)，該交流/直流電源模組(220)提供電源給該電橋式功率放大電路模組(230)，該電橋式功率放大電路模組(230)提供電源給致冷晶片與散熱結構(240)；該溫度感測器(250)傳送回饋訊號給該溫度控制模組(260)，該溫度控制模組(260)傳送回饋訊號給該MCU或ASIC控制單元(270)，該MCU或ASIC控制單元(270)傳送控制訊號給該溫度控制模組(260)，該溫度控制模組(260)傳送控制訊號給該電橋式功率放大電路模組(230)；該電橋式功率放大電路模組(230)可藉由接收控制訊號調整供給該致冷晶片與散熱結構(240)之電源功率，達成溫控的效果；因此，溫度回饋控制單元於本實施例為MCU或ASIC控制單元，電源模組為交流電源模組、交流/直流電源模組及電橋式功率放大電路模組。
請參閱第三圖，係為熱顯像型非接觸溫度量測儀量測結果圖，使用主動式動態恆溫調控絕熱保溫封閉系統，是運用PID溫度控制模組(以本發明為例：動態主動恆溫控制機構所組成的熱顯像型非接觸溫度量測儀)及無使用外部PID控制焦平面陣列(FPA)晶片與視野背景快門溫度(以一般商用測溫熱顯像儀為例)與運用定功率控制之商用測溫熱顯像儀內焦平面陣列晶片操作時間與溫度比較圖如第三圖所示。我們得知以本發明動態主動恆溫控制機構所組成的熱顯像型非接
觸溫度量測儀內的焦平面陣列晶片與視野背景快門溫度在5分鐘內可迅速到達動態溫度恆定值，以此例得知至少能恆定溫度達80分鐘以上，足見可長時間維持動態溫度恆定，此溫度恆定變異值
±1℃；一般商用測溫熱顯像儀(無使用外部PID控制模組)至少需經過30分鐘以上，勉強使得溫度恆定變異值
±3℃，之後FPA與shutter溫度上升幅度趨緩，至80分鐘後才使得溫度恆定變異值
±1℃；以運用定功率控制之商用測溫熱顯像儀內焦平面陣列晶片操作時間與溫度圖，因定功率操作，開始前5分鐘，功率過大造成FPA與shutter溫度急速下降，5分鐘後，才逐漸因自熱效應導致其溫度逐漸攀升，至40分鐘後溫度恆定變異值
±1℃，綜言之，無論有無PID溫度控制的條件之測溫熱顯像(具PID控制或定功率條件)，到達動態溫度恆定值均優於一般商用測溫顯像儀。在15分鐘後可達穩定狀態，大大縮減熱顯像儀在測溫運用時等待系統溫度恆定時間，如此測溫的精準度也能有效提升。
商用型測溫熱顯像儀(又稱一般型測溫非測溫型熱顯像儀)於開機後約18分鐘後(FPA晶片及Shutter溫度約33℃)，執行一次非均勻度及單溫度點校正，同時記錄約2小時對30℃及80℃距離為1公尺遠的平板式標準黑體輻射源進行持續溫度量測(量測週期=1次/秒)，其相關溫度數據(平均溫、最高溫與最低溫度值)如下表所示：
動態主動恆溫控制機構所組成的熱顯像型非接觸溫度量測儀(此為本發明架構：簡稱恆溫型測溫熱像機)，於開機後約18分鐘(FPA晶片及Shutter溫度約33℃)，執行一次均勻度及單溫度點校正，同時記錄約2小時對30℃及80℃平板式標準黑體輻射源的溫度量測情形(量測條件與一般型測溫熱顯像儀設定的目標溫度相同)，其相關數據如下表所示：
量測標準低溫及高溫平板目標，其平均溫、最高
溫與最低溫度值分別為30.57℃；29.71℃；31.54℃(目標物溫度30℃)；80.50℃；79.77℃；81.15℃(目標物溫度80℃)。其測溫精準度可達±0.5℃內，其溫度的變異度(標準差分別為0.28和0.21℃，皆
0.3℃)。
由上述比較結果所示，無論是測溫精準度與測溫溫度變異度均優於商用型測溫熱顯像儀的溫度量測數據，本發明為一種具高精度非接觸溫度量測的機構，主要是不需要獲知焦平面陣列晶片操作溫度、視野背景快門參考溫度，只要使用本發明提出的架構將整體非接觸溫度量測儀內部進行系統絕熱保溫及並使系統整體溫度在動態恆定條件下，使其整個溫度量測系統以上述整體封閉系統動態溫度恆定調控，補償內部晶片自熱效應與視野背景溫度變異所造成的影響，最後結合熱顯像型非接觸溫度量測常用溫度校正演算法，就可用顯像型非接觸溫度量測儀以本發明所揭露的系統動態恆溫回饋方法以ROIC積體電路晶片擷取強度訊號(此數值接近在系統出廠時正規恆定值)，再以單點溫度值位準補正後，隨即以全系統自適性的選用逆運算，求解溫度的熱輻射(R、B、F、O)校正迴歸係數，進而求得待測物體表面精準的均溫值。綜合而論，以本發明所提出的高精度非接觸溫度量測的機構，可結合一般商用型非具測溫功能的熱顯像儀，達到與市面上高精準度的非接觸熱顯像儀一樣的測溫精度，更能在暫態溫度急遽變化的背景操作溫度下長時間精準測溫，大幅降低測
溫熱顯像系統的硬體製造的複雜度與軟體運算的負荷，具長時間監控目標物溫度的能力及大幅降低業界測溫熱像儀採購成本，未來均可用於工業大量自動化異常溫度監控、病人生理溫度告警、公共場所異常高溫警示等應用場景，由於測溫熱顯像儀系統成本預期可大幅降低，對工業民生的廣泛需求會造成強大正向衝擊。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化，因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
100‧‧‧高精準度非接觸式溫度量測裝置
110‧‧‧散熱結構
120‧‧‧隔熱箱體
130‧‧‧動態恆溫回饋控制模組
140‧‧‧非測溫型熱顯像儀
150‧‧‧前蓋板
Claims (6)
- 一種高精準度非接觸式溫度量測裝置，其包含：一隔熱箱體，係由隔熱材料製備而成，該隔熱箱體內部係具有一容置空間；一動態恆溫回饋控制模組，係用於控制該容置空間之溫度；一非測溫型熱顯像儀，係設置於該容置空間，其中，該動態恆溫回饋控制模組係包含一溫度感測器、一溫度控制模組、一溫度回饋控制單元及一電源模組，該溫度感測器設置於該容置空間，該溫度感測器量測該容置空間之溫度後產出一回饋訊號，該溫度回饋控制單元接收該回饋訊號後產生一控制訊號，該溫度控制模組接受該控制訊號後控制該容置空間之溫度，該電源模組提供電能驅動該溫度感測器、該溫度控制模組及該溫度回饋控制單元。
- 如請求項第1項所述之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該隔熱材料係為PE。
- 如請求項第1項所述之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該溫度控制模組係為TEC致冷晶片。
- 如請求項第1項所述之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該溫度回饋控制單元係為MCU、ASIC或PC。
- 如請求項第1項所述之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該高精準度非接觸式溫度量測裝置係更包含一散熱結構，該散熱結構係設置於該隔熱箱體之外層表面。
- 如請求項第1項所述之高精準度非接觸式溫度量測裝置，其中，該高精準度非接觸式溫度量測裝置更包含一前蓋板，該前蓋板係設置於該隔熱箱體之一側面，該側面及該前蓋板係各具有一孔洞，該非測溫型熱顯像儀係藉由該等孔洞觀測待測物。
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