非接触式有源温度传感器制造技术

一种用于非接触式测量远距离表面温度的传感系统的组合，其特征在于包括：传感器壳体装置，具有一光通道，允许对应于预定频率范围的经过所述壳体的热辐射耦合；传感器组件装置，在所述传感器壳体内，通过所述光通道接收热辐射，所述组件装置包括一暴露于所述热辐射的辐射元件和一补偿元件，各自单独安装在分开的基板上，彼此由一低热导率的阻挡物热隔离，辐射元件和补偿元件被各自连接到分开的温度控制装置，以便分开控制元件的温度，所述温度控制装置连接到所述辐射元件，产生一对应于所述远距离表面和所述辐射元件之间辐射热通量的信号。２．如权利要求１的系统，其特征在于，所述远距离表面与所述辐射元件光耦合，而与所述补偿元件光隔离。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非接触式测温系统，特别是，涉及用于红外(线)测温的装置和方法，其中隔离和消除了误差引起的信号以确保读数准确。
技术介绍
为了用红外辐射测温，可以用许多已有技术的传感器来检测热(红外)辐射，由于热辐射具有电磁性质，因此可由量子检测器或热检测器来检测，量子检测器，如光敏电阻器或光敏二极管，需要低温冷却以便以高准确度测量较低的温度。另一方面，热检测器，尽管不如量子检测器那样灵敏，却可以在常规的室温下工作。本专利技术涉及热检测器，其最常见的应用是用于非接触式温度计，这类温度计的一个例子是医用即时耳朵温度计(instant medical ear thermometer)，能够非接触地测量鼓膜及其周围组织的温度，常用于红外温度计的热传感器有热电偶、热电体、测辐射热计以及有源红外检测器。红外传感器的目的是产生表示传感器与测量对象之间的净红外辐射通量的电信号，辐射通量取决于两个温度；传感器自身表面温度Ts和被测对象表面温度Tb。斯特藩-玻尔兹曼(Stefam-Boltzmanm)定律给出了这两个温度与辐射通量之间的关系Φ=&Kgr;ϵβϵσ(&Tgr;β4-&Tgr;σ4)----(1)]]>这里εb和εs分别是对象物体和传感器的辐射率，K是常数。温度测量的最终目的是确定Tb。由上式可见，为了计算温度Tb，必须首先确定两个变量红外辐射通量φ的大小和传感器表面温度Ts。表面温度可用已有技术中各种温度检测器的一种来测量，如热敏电阻器或热电体，而净红外辐射通量的测量需要光电器件，称为热红外传感器，有两类热红外传感器，无源红外(PIR)传感器和有源远红外(AFIR)传感器，PIR检测器的例子有热电体、热电偶和测辐射率计，用PIR传感器测量红外辐射通量不是一件简单的事情，因为有着好的比速度响应的PIR传感器通常做成薄片或薄膜形式，其表面温度Ts不但难以测量，而且一旦暴露于被测对象时温度会发生变化。传感器表面温度Ts确定的不准确度会在非接触温度计算中产生误差，由于PIR检测器中传感器的表面温度一旦暴露于被测对象时会变化，为改变这种传感器件的响应速度，其热容量必须做得非常小。这就对PIR传感器的设计提出了相当严格的要求，并增加了成本。与PIR不同，AFIR传感器在预定的(通常是恒定的)检测元件温度Ts下工作，这种AFIR传感器基于颁发给Fraden的美国专利4,854,730和5,054,936。AFIR传感器的工作原理可由下面的例子来说明。在传感器壳体中有一检测元件，包括一温度检测器(例如热敏电阻)和一加热器(恒定的电阻器)。加热器与检测器热耦合。检测元件连接到一电子线路，该电路经一温度检测器温度该检测的温度，并对加热器提供电流使温度上升到超过环境温度，该电路使这一元件的温度维持在预定的Ts水平，在大多数情况下，高于被测对象的最高温度。这样，在被加热时，AFIR检测元件成为一红外辐射源，其净辐射通量被引向被测对象，这一通量大小与已在温度Ts和被测对象的未知温度Tb之间的温度梯度有关。在理想情况下，按照能量守恒定律，从传感器向被测对象辐射的热量φ应等于向电阻性加热器提供的电功率，这里，理想情况意味着该元件失去其热能的唯一途径是向被测对象辐射热能，提供给加热器的电功率可由加热器的电阻值R和其上的电压V来表示P=V2R---(2)]]>这样，由式(1)和(2)，可以计算被测对象温度Tb=Ts4-V2RϵsϵbK4---(3)]]>可以看到，算出的被测对象的温度仅取决于一个变量，即加热电阻器两端的电压V。式(3)的所有其他部分都是常数或预先确定了的，而且，若电子线路足以有效地维持Ts与Tb无关，则该元件的温度不会在暴露于被测对象时发生变化，因而AFIF传感器不但成为准确的，而且也是快速的，无需对检测元件热容量的严格要求就可做到这一点。事实上，AFIR传感器直接而有效地把电功率转换成热辐射功率的转换器。Ts的值典型地选为在40℃至100℃范围内，对医学上的用途来说，最好是接近50℃。实际上，AFIR传感器并不在理想情况下工作，加热电阻器散失的热能不仅向被测对象散发，也向传感器内部结构的所有元器件散发。而且，该元件的热传播不仅是辐射，还通过传感器壳体内气体的热传导和重力对流，这就使得式(3)的使用变得很不准确，因为它未包括影响很大的附加变量，这一变量是传感器壳体的温度，换句话说，环境温度，即，设计和使用AFIR传感器的一个主要困难与补偿传感器系统的杂散热量损失有关。为了补偿检测元件的不希望有的热损失，已提出了几种方法和系统安排，例如，见颁发给本专利技术人的美国专利5,054,936和4,854,730。这两篇专利通过引用结合在这里，就如在此重述。尽管在着手解决AFIR传感器有关的某些误差引起的信号方面获得了一些成功，仍然需要增强信号隔离和读数准确度方面的整体性能，正是理解了这些已有的系统，才实现本专利技术。本专利技术的目的和简述本专利技术的一个目的是提供一种非接触式测温方法，其中传感器的准确度实质上不依赖于环境温度。本专利技术的另一目的是提供一种响应速度快的有源红外温度传感器。本专利技术的另一目的是提出一种在宽的工作温度范围内稳定的有源红外温度计。本专利技术的再一目的是提供一种小尺寸的有源红外传感器。本专利技术的又一目的是提供一种具有预定光学特性的有源红外温度传感器。本专利技术的上述和其它目的在一具体的传感器装置中实现，其中，在一非接触式温度计中有两个单独的按预先选定的取向放置的有源传感器元件(AFIR)。通过采用两个单独和分开的传感器元件，被测对象的温度信号可与通常在单一传感器元件时有的其他由误差引起的信号成份相隔离，尤其是，第一检测元件用于向目标发出远红外辐射，而第二个基本上相同的检测元件与目标隔离，产生一反映检测元件局部环境的补偿信号，后者与目标无关的信号用于对局部环境热传递进行补偿，由此可计算准确的目标温度。为克服两单独的传感器元件之间的热交扰所带来的限制，把检测件做在分开的、热隔离的基板上，每一元件有其自己的电子控制电路使其温度维持在已知的预定水平上，最好是，两元件的温度大体相同。每一元件包括一辅助加热器和控制电路。控制电路测量元件的温度并通过电阻器提供热量，以维持预设的元件温度。由这一安排，两元件的杂散热损失几乎是相同的，而只有辐射元件可向目标发出热辐射因为辐射元件的杂散热损失由第二元件和其控制电路经一辅助加热器补偿，因此辐射元件及其控制电路只需响应于热辐射功率，由于两检测元件彼此绝热，控制电路可独立工作，确保了其稳定的性能。附图简述附图说明图1是具有两个检测元件的AFIR传感器的横截面图；图2表示由一共用分隔器支撑的两个检测元件的检测组件；图3是具有一圆筒形光引导器的传感器的等角视图；图4是具有一抛物柱面形光引导器的传感器的等角视图；图5是具有一圆锥形光引导器的传感器的等角视图；图6表示由共用支撑件支撑的AFIR检测元件；图7是在基板一面有着多层的AFIR检测元件的放大的横截面图；图8是带有有着轴向接触的独立温度传感器的检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雅各布·弗莱登，
申请(专利权)人：温度扫描股份有限公司，
类型：发明
国别省市：