專利名稱：非接觸式有源溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非接觸式測溫系統(tǒng)，特別是，涉及用于紅外(線)測溫的裝置和方法，其中隔離和消除了誤差引起的信號以確保讀數(shù)準(zhǔn)確。
背景技術(shù)：
為了用紅外輻射測溫，可以用許多已有技術(shù)的傳感器來檢測熱(紅外)輻射，由于熱輻射具有電磁性質(zhì)，因此可由量子檢測器或熱檢測器來檢測，量子檢測器，如光敏電阻器或光敏二極管，需要低溫冷卻以便以高準(zhǔn)確度測量較低的溫度。另一方面，熱檢測器，盡管不如量子檢測器那樣靈敏，卻可以在常規(guī)的室溫下工作。本發(fā)明涉及熱檢測器，其最常見的應(yīng)用是用于非接觸式溫度計，這類溫度計的一個例子是醫(yī)用即時耳朵溫度計(instant medical ear thermometer)，能夠非接觸地測量鼓膜及其周圍組織的溫度，常用于紅外溫度計的熱傳感器有熱電偶、熱電體、測輻射熱計以及有源紅外檢測器。
紅外傳感器的目的是產(chǎn)生表示傳感器與測量對象之間的凈紅外輻射通量的電信號，輻射通量取決于兩個溫度；傳感器自身表面溫度Ts和被測對象表面溫度Tb。斯特藩-玻爾茲曼(Stefam-Boltzmanm)定律給出了這兩個溫度與輻射通量之間的關(guān)系Φ=&Kgr;ϵβϵσ(&Tgr;β4-&Tgr;σ4)----(1)]]>這里εb和εs分別是對象物體和傳感器的輻射率，K是常數(shù)。溫度測量的最終目的是確定Tb。由上式可見，為了計算溫度Tb，必須首先確定兩個變量紅外輻射通量φ的大小和傳感器表面溫度Ts。
表面溫度可用已有技術(shù)中各種溫度檢測器的一種來測量，如熱敏電阻器或熱電體，而凈紅外輻射通量的測量需要光電器件，稱為熱紅外傳感器，有兩類熱紅外傳感器，無源紅外(PIR)傳感器和有源遠(yuǎn)紅外(AFIR)傳感器，PIR檢測器的例子有熱電體、熱電偶和測輻射率計，用PIR傳感器測量紅外輻射通量不是一件簡單的事情，因為有著好的比速度響應(yīng)的PIR傳感器通常做成薄片或薄膜形式，其表面溫度Ts不但難以測量，而且一旦暴露于被測對象時溫度會發(fā)生變化。傳感器表面溫度Ts確定的不準(zhǔn)確度會在非接觸溫度計算中產(chǎn)生誤差，由于PIR檢測器中傳感器的表面溫度一旦暴露于被測對象時會變化，為改變這種傳感器件的響應(yīng)速度，其熱容量必須做得非常小。這就對PIR傳感器的設(shè)計提出了相當(dāng)嚴(yán)格的要求，并增加了成本。
與PIR不同，AFIR傳感器在預(yù)定的(通常是恒定的)檢測元件溫度Ts下工作，這種AFIR傳感器基于頒發(fā)給Fraden的美國專利4,854,730和5,054,936。AFIR傳感器的工作原理可由下面的例子來說明。在傳感器殼體中有一檢測元件，包括一溫度檢測器(例如熱敏電阻)和一加熱器(恒定的電阻器)。加熱器與檢測器熱耦合。檢測元件連接到一電子線路，該電路經(jīng)一溫度檢測器溫度該檢測的溫度，并對加熱器提供電流使溫度上升到超過環(huán)境溫度，該電路使這一元件的溫度維持在預(yù)定的Ts水平，在大多數(shù)情況下，高于被測對象的最高溫度。這樣，在被加熱時，AFIR檢測元件成為一紅外輻射源，其凈輻射通量被引向被測對象，這一通量大小與已在溫度Ts和被測對象的未知溫度Tb之間的溫度梯度有關(guān)。在理想情況下，按照能量守恒定律，從傳感器向被測對象輻射的熱量φ應(yīng)等于向電阻性加熱器提供的電功率，這里，理想情況意味著該元件失去其熱能的唯一途徑是向被測對象輻射熱能，提供給加熱器的電功率可由加熱器的電阻值R和其上的電壓V來表示P=V2R---(2)]]>這樣，由式(1)和(2)，可以計算被測對象溫度Tb=Ts4-V2RϵsϵbK4---(3)]]>可以看到，算出的被測對象的溫度僅取決于一個變量，即加熱電阻器兩端的電壓V。式(3)的所有其他部分都是常數(shù)或預(yù)先確定了的，而且，若電子線路足以有效地維持Ts與Tb無關(guān)，則該元件的溫度不會在暴露于被測對象時發(fā)生變化，因而AFIF傳感器不但成為準(zhǔn)確的，而且也是快速的，無需對檢測元件熱容量的嚴(yán)格要求就可做到這一點。事實上，AFIR傳感器直接而有效地把電功率轉(zhuǎn)換成熱輻射功率的轉(zhuǎn)換器。Ts的值典型地選為在40℃至100℃范圍內(nèi)，對醫(yī)學(xué)上的用途來說，最好是接近50℃。
實際上，AFIR傳感器并不在理想情況下工作，加熱電阻器散失的熱能不僅向被測對象散發(fā)，也向傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的所有元器件散發(fā)。而且，該元件的熱傳播不僅是輻射，還通過傳感器殼體內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和重力對流，這就使得式(3)的使用變得很不準(zhǔn)確，因為它未包括影響很大的附加變量，這一變量是傳感器殼體的溫度，換句話說，環(huán)境溫度，即，設(shè)計和使用AFIR傳感器的一個主要困難與補(bǔ)償傳感器系統(tǒng)的雜散熱量損失有關(guān)。
為了補(bǔ)償檢測元件的不希望有的熱損失，已提出了幾種方法和系統(tǒng)安排，例如，見頒發(fā)給本發(fā)明人的美國專利5,054,936和4,854,730。這兩篇專利通過引用結(jié)合在這里，就如在此重述。盡管在著手解決AFIR傳感器有關(guān)的某些誤差引起的信號方面獲得了一些成功，仍然需要增強(qiáng)信號隔離和讀數(shù)準(zhǔn)確度方面的整體性能，正是理解了這些已有的系統(tǒng)，才實現(xiàn)本發(fā)明。
本發(fā)明的目的和簡述本發(fā)明的一個目的是提供一種非接觸式測溫方法，其中傳感器的準(zhǔn)確度實質(zhì)上不依賴于環(huán)境溫度。
本發(fā)明的另一目的是提供一種響應(yīng)速度快的有源紅外溫度傳感器。
本發(fā)明的另一目的是提出一種在寬的工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的有源紅外溫度計。
本發(fā)明的再一目的是提供一種小尺寸的有源紅外傳感器。
本發(fā)明的又一目的是提供一種具有預(yù)定光學(xué)特性的有源紅外溫度傳感器。
本發(fā)明的上述和其它目的在一具體的傳感器裝置中實現(xiàn)，其中，在一非接觸式溫度計中有兩個單獨的按預(yù)先選定的取向放置的有源傳感器元件(AFIR)。通過采用兩個單獨和分開的傳感器元件，被測對象的溫度信號可與通常在單一傳感器元件時有的其他由誤差引起的信號成份相隔離，尤其是，第一檢測元件用于向目標(biāo)發(fā)出遠(yuǎn)紅外輻射，而第二個基本上相同的檢測元件與目標(biāo)隔離，產(chǎn)生一反映檢測元件局部環(huán)境的補(bǔ)償信號，后者與目標(biāo)無關(guān)的信號用于對局部環(huán)境熱傳遞進(jìn)行補(bǔ)償，由此可計算準(zhǔn)確的目標(biāo)溫度。
為克服兩單獨的傳感器元件之間的熱交擾所帶來的限制，把檢測件做在分開的、熱隔離的基板上，每一元件有其自己的電子控制電路使其溫度維持在已知的預(yù)定水平上，最好是，兩元件的溫度大體相同。每一元件包括一輔助加熱器和控制電路。控制電路測量元件的溫度并通過電阻器提供熱量，以維持預(yù)設(shè)的元件溫度。
由這一安排，兩元件的雜散熱損失幾乎是相同的，而只有輻射元件可向目標(biāo)發(fā)出熱輻射因為輻射元件的雜散熱損失由第二元件和其控制電路經(jīng)一輔助加熱器補(bǔ)償，因此輻射元件及其控制電路只需響應(yīng)于熱輻射功率，由于兩檢測元件彼此絕熱，控制電路可獨立工作，確保了其穩(wěn)定的性能。
附圖簡述

圖1是具有兩個檢測元件的AFIR傳感器的橫截面圖；圖2表示由一共用分隔器支撐的兩個檢測元件的檢測組件；
圖3是具有一圓筒形光引導(dǎo)器的傳感器的等角視圖；圖4是具有一拋物柱面形光引導(dǎo)器的傳感器的等角視圖；圖5是具有一圓錐形光引導(dǎo)器的傳感器的等角視圖；圖6表示由共用支撐件支撐的AFIR檢測元件；圖7是在基板一面有著多層的AFIR檢測元件的放大的橫截面圖；圖8是帶有有著軸向接觸的獨立溫度傳感器的檢測元件的放大的橫截面圖；圖9是帶有著面接觸的獨立溫度傳感器的檢測元件的放大的橫截面圖；圖10是在基板兩面都有著多層的檢測元件的放大的橫截面圖；圖11是連接到控制電路的雙傳感器的方框圖；圖12是具有集成電路的檢測組件。
本發(fā)明的敘述參見圖1，可見AFIR傳感器1容于一保護(hù)殼3中，其目的是保護(hù)內(nèi)部免受污染及使內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱環(huán)境均勻。這樣，殼3最好由金屬制成，但是，某些塑料和陶瓷也可以用于此目的，傳感器1的內(nèi)部空間43充入干燥空氣或惰性氣體，或者，氣體可被抽空以使內(nèi)部空間43保持真空，殼體3的上部有一光開孔40，這一開孔可做在光引導(dǎo)器11中，為紅外輻射通量向傳感器外的所需方向提供通道，引導(dǎo)器11的內(nèi)表面12最好是高反射性的，這樣，可對其拋光和鍍金，因為金是紅外波段最有效的反射體。
光引導(dǎo)器11的外開孔由窗13保護(hù)，窗可以粘或焊在光引導(dǎo)器上，窗應(yīng)有良好的紅外波段透過特性。盡管它可由塑料如聚烯烴來制作，較好的材料是硅、鍺、鋅的硒化物、AMTIR或其它他合適的硬質(zhì)晶體或非晶體元素或其合成物，為了改善透光特性，可涂上適于工作波長的抗反射涂層(ARC)。
殼3由焊接、低溫焊接或用適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑固定到底座2，這樣，殼3、窗13和底座2的結(jié)合封住內(nèi)部空間43。
在傳感器1中，有一檢測組件4，由間隔片5和兩個元件6和7構(gòu)成。輻射元件6面向光引導(dǎo)器，而補(bǔ)償元件7面向底座2。輻射元件6經(jīng)光引導(dǎo)器11和窗13光耦合到傳感器的外側(cè)。補(bǔ)償元件夾在間隔片5與底座2之間，底座2的表面41是反射性的，最好鍍金，這樣補(bǔ)償元件7的輻射較低，為進(jìn)一步減小元件6和7和傳感器內(nèi)壁之間的輻射耦合，殼3的內(nèi)表面也是反射性的，最好鍍金。
間隔片5呈環(huán)形，中間有開孔，這一開孔在傳感器元件之間形成一空腔，以減小元件6與7之間的熱接觸，為進(jìn)一步改善絕熱，間隔片20可填入低導(dǎo)熱性材料。檢測組件4由引線端15支撐，它們也提供至外部電路的電連接，為確保引線端15與底座2之間的密封，可在引線端15上底座2表面之間使用一絕緣小孔44。
或者，檢測組件可設(shè)計成如圖6所示，元件6和7由幾個支撐件16至19支撐，這樣可無需單端的間隔片5，在這一安排中，至這些引線端的電連接可通過幾種已知技術(shù)之一來完成，如導(dǎo)線連接、導(dǎo)電環(huán)氧樹脂、表面金屬化等。作為一個例子，圖6表示支撐件18的表面金屬化，金屬化形成導(dǎo)體22，與元件6在夾持區(qū)域21形成連接。傳感器組件4的上述和其他安排相關(guān)的功能性特點包括機(jī)械完整性、檢測元件間良好的熱隔離、以及與傳感器引線端的電連接。
在另一實施例中，檢測元件可由低導(dǎo)熱系數(shù)的支撐件支撐在AFIR殼體內(nèi)，這會使元件之間的熱交擾和從元件到傳感器殼體的熱損失為最小，元件與引線端之間的電連接可由已有技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)方法之一來實現(xiàn)，例如，用導(dǎo)線連結(jié)工藝，對減小熱損失來說，重要的是確保線的長度應(yīng)最大而橫截面為最小。
對某些應(yīng)用需要寬的視角。在這些情形中，光引導(dǎo)器可采取圓筒形，如圖1和3所示，這里視場70a較寬，在其它應(yīng)用中，光引導(dǎo)器完全可省去，在沒有光引導(dǎo)器的傳感器中，窗13可直接安裝在光開孔40邊沿處，在其他一些應(yīng)用中，尤其是在制造醫(yī)用溫度計應(yīng)用中，會需要較窄的視場。這樣，會聚透鏡可代替窗安裝在光開孔40中，這種會聚透鏡應(yīng)采用在遠(yuǎn)紅外波段具有良好透射特性的材料來制造。
或者，一種非成像的會聚器可用作光引導(dǎo)器，這種會聚器在例如W.T.Welford和R.Wilson的《高度集中非成象光學(xué)》一書中(Acadenic PressInc公司1989年出版)敘述，(這里將該技術(shù)引為參考)。為說明會聚器的使用，圖4表示拋物柱形的光引導(dǎo)器11，而圖5表示圓錐形的光引導(dǎo)器任一光引導(dǎo)器11被窗13覆蓋，提供與圖3所示相比較窄的視場70b和70c，拋物柱形引導(dǎo)器通常對形成窄的視場更有效，但圓錐形的易于制作。
再回到圖1，可發(fā)現(xiàn)每一相同的檢測元件6和7是一復(fù)雜結(jié)構(gòu)，參見元件6，這元件包括基板14，在其表面上沉積了多層，各層的次序并不是關(guān)鍵，但是至少有一溫度檢測層8、第一電阻層9和第二電阻層10。由于實際的制造目的通常最好是使檢測層8在最上面，在導(dǎo)電層之間可以有幾層電絕緣層。
圖7表示示意性的檢測元件(適于圖6或7的元件)的橫截面，其中表示了絕緣層26和27，在這一結(jié)構(gòu)中，第一和第二電阻層9和10分別用作加熱器，而檢測層8用作測量多層結(jié)構(gòu)的溫度，元件6的上述各層次彼此電絕緣，同時彼此保持緊密耦合。
溫度檢測層8可由濺射技術(shù)來淀積，形成一層半導(dǎo)體材料的薄膜，用作對溫度敏感的電阻器。若基板由高導(dǎo)熱材料(如氮化鋁)制作，則溫度檢測層8與電阻層9和10可分別淀積在基板14的相對的兩面上，如圖10所示，這可簡化傳感器制造工藝，因為電阻層9和10以及絕緣層26可由厚膜工藝形成，而溫度檢測層8由薄膜工藝形成。
或者，溫度檢測層8可由分立的溫度傳感器代替，圖8表示用片狀熱敏電阻器作為溫度傳感器29，置于多層組件頂部的情形，溫度傳感器29具有導(dǎo)體31形成的端部，它們可用焊接等方法電連接到金屬接線28上，導(dǎo)體31可置于溫度傳感器29的各面，圖8表示導(dǎo)體31的軸向位置，圖9表示溫度傳感器29具有頂部金屬化45和底部金屬化46，它們分別連接到接線28和接觸條47，接線28和接觸條47提供了溫度傳感器29與基板14上導(dǎo)體之間的電連接，并隨后連接到傳感器引線端15(未在圖7-10中表示)，分立的溫度傳感器29必須與第一和第二電阻層9和10很好的熱連接，以確保對檢測元件的快速和有效的熱控制。
對每一安排的要求是在檢測組件的最上部在工作波段內(nèi)有高輻射率，上表面由金屬形成較為合適，如圖9所示頂部金屬化45。在這些例子中，必須對金屬化表面進(jìn)行處理以達(dá)到0.9以上的輻射率，這可由已有技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)方法之一來做到(例如參見J.Fraden的《AIP現(xiàn)代傳感器手冊》(美國物理學(xué)會(AIP)出版，1993年，第465頁，通過引用結(jié)合于此)。
顧名思義，AFIR傳感器是有源的，所以需要外部能源使其工作，這一功能由電子線路完成，對目前的兩個單獨的傳感器元件，需要雙重電路，圖11表示這種電路的方框，在圖中，底部連接到補(bǔ)償元件7，該電路由第一誤差放大器32和第一控制電路34組成，后者有一內(nèi)置功率驅(qū)動器對補(bǔ)償元件7的第2二電阻層100提供電流，電路34也對輻射元件6的第二電阻層10提供同樣的電流，該電流經(jīng)導(dǎo)體35提供并由輸出電壓Vcomp表示。
在工作時，第一誤差放大器32把來自溫度敏感層80的信號與其參考輸入端33的第一參考信號Vref1比較，并把差值送到第一控制電路34該電路產(chǎn)生輸出電壓Vcomp，大小為保持溫度敏感層80輸出幾乎等于第一參考信號Vref1所必需的值，參考信號可由一電壓基準(zhǔn)或惠斯頓電橋(Wheatstone bridge)(未畫出)產(chǎn)生。只要預(yù)先確定了第一參考電壓Vref1，補(bǔ)償元件7的溫度就會保持在預(yù)定高低上，它可以是恒定的或不是恒定的，取決于傳感器的具體應(yīng)用。
由于元件6和7是相同的，并且其電阻層10和100由第一控制電路34提供同樣電流，這些元件的溫度彼此接近，溫度差的出現(xiàn)主要是由于元件6和7的光學(xué)條件不同。輻射元件6可向外部構(gòu)件發(fā)出紅外輻射通量，而補(bǔ)償元件7的這種輻射卻被屏蔽，在頂部，它的輻射被熱基板14所阻擋，后者的溫度幾乎等于基板140的溫度，而在底部，它面對著底座2的反射面41。
此外，補(bǔ)償元件7的外層(在圖11中為溫度敏感層80)可被覆以金屬以進(jìn)一步減小其輻射率，所以，補(bǔ)償傳感器可以只通過傳導(dǎo)和對流損失其熱量，而輻射傳感器還可以由輻射散熱。附加的熱損失會導(dǎo)致輻射元件6溫度的某些下降。為了補(bǔ)償這一下降，把溫度檢測層8的信號送到第二誤差放大器36，后者的參考輸入端37有著第二參考信號Vref2，Vref2的大小為確保檢測元件6和7溫度相同。
仍然參見圖11，放大器36的誤差信號送到第二控制電路38，后者產(chǎn)生控制信號39，送到第一電阻層9，控制信號39的大小足以產(chǎn)生等于向目標(biāo)輻射損失的熱量，這一信號用作輸出信號Vout，由于非輻射損失幾乎由第一控制電路34全部補(bǔ)償，第二控制電路38只需對輻射元件6的輻射損失進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，輸出電壓Vout幾乎不受環(huán)境溫度的影響，因為環(huán)境溫度確定了非輻射損失，而輻射損失受離遠(yuǎn)處目標(biāo)的溫度的控制。
由于元件6和7被熱導(dǎo)率極低的間隔片20分開，兩控制電路被很好地?zé)岣綦x，為確保隔離是完全的，導(dǎo)體35最好薄而長。檢測元件6和7之間的低的熱耦合確保了傳感器穩(wěn)定的功能。
在許多應(yīng)用中，希望把傳感器溫度控制電路結(jié)合在傳感器殼體內(nèi)，大多數(shù)電子元件可做成集成電路形成，可直接置于補(bǔ)償元件7中，如圖12所示，檢測組件4的總體結(jié)構(gòu)與上面所述大體相同，唯一的區(qū)別是集成電路72粘結(jié)在絕緣體71面上，這樣，可以把溫度檢測器結(jié)合到集成電路芯片中，補(bǔ)償元件7不需要圖11中所示溫度檢測層80，由于第一電阻層90通常不連接到任何控制電路(圖11)，它可被省去，如圖12那樣，此時把絕緣體71淀積在第二電阻層100頂部。
上述結(jié)構(gòu)僅用于說明本發(fā)明的原理，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可作出大量變更和修改而不離開本發(fā)明的實質(zhì)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于非接觸式測量遠(yuǎn)距離表面溫度的傳感系統(tǒng)的組合，其特征在于包括傳感器殼體裝置，具有一光通道，允許對應(yīng)于預(yù)定頻率范圍的經(jīng)過所述殼體的熱輻射耦合；傳感器組件裝置，在所述傳感器殼體內(nèi)，通過所述光通道接收熱輻射，所述組件裝置包括一暴露于所述熱輻射的輻射元件和一補(bǔ)償元件，各自單獨安裝在分開的基板上，彼此由一低熱導(dǎo)率的阻擋物熱隔離，輻射元件和補(bǔ)償元件被各自連接到分開的溫度控制裝置，以便分開控制元件的溫度，所述溫度控制裝置連接到所述輻射元件，產(chǎn)生一對應(yīng)于所述遠(yuǎn)距離表面和所述輻射元件之間輻射熱通量的信號。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，所述遠(yuǎn)距離表面與所述輻射元件光耦合，而與所述補(bǔ)償元件光隔離。
3.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一信號處理裝置，將所述輻射熱通量轉(zhuǎn)換成所述遠(yuǎn)距離表面的溫度讀數(shù)。
4.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，所述補(bǔ)償元件在光學(xué)上暴露于所述殼體的內(nèi)反射面。
5.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射元件在工作波段長具有高輻射率的暴露表面。
6.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，所述補(bǔ)償元件基板和輻射元件基板保持在大約相同的溫度。
7.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，所述補(bǔ)償元件和輻射元件各進(jìn)一步包括一電阻加熱器。
8.如權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射元件和所述補(bǔ)償元件的所述電阻加熱器由響應(yīng)于各個元件溫度的溫度控制電路使其工作。
9.如權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度控制裝置進(jìn)一步包括用于所述輻射和補(bǔ)償元件兩者的熱傳感器。
10.如權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱傳感器和所述電阻加熱器置于所述輻射元件基板的相對側(cè)。
11.如權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱傳感器和所述電阻加熱器置于所述補(bǔ)償元件基板的相對側(cè)。
12.如權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于，所述輻射元件和補(bǔ)償元件各自安裝在由充氣空間隔開的獨立基板上。
13.如權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其特征在于，輻射元件基板具有低的熱導(dǎo)率。
14.一種用于確定一遠(yuǎn)距離對象溫度的裝置，包括一輻射傳感器組件，包括第一傳感器元件和第二傳感器元件，所述第一和第二傳感器元件由一低熱導(dǎo)率的阻擋物隔離，這樣，兩元件實質(zhì)上是被熱隔離的；一傳感器殼體裝置，用于容納所述輻射傳感器組件，所述殼體包括一紅外輻射通道，其取向允許與第一傳感器元件作紅外輻射溝通，并阻止所述第二傳感器元件與殼體外部的輻射源之間的紅外輻射溝通；所述傳感器殼體裝置進(jìn)一步提供一種環(huán)境，這樣所述第一和所述第二傳感器元件響應(yīng)于環(huán)境條件有著基本等同的傳導(dǎo)和對流熱通量。
15.如權(quán)利要求14的裝置，其特征在于，所述第一和所述第二傳感器元件分別包括第一和第二各自受控的加熱器元件。
16.如權(quán)利要求14的裝置，其特征在于，所述第一和第二傳感器元件分別安裝在分開的基板裝置上。
17.如權(quán)利要求16的裝置，其特征在于，所述第一基板裝置與所述第二基板裝置分開，以基本上阻止其間的熱傳遞。
18.如權(quán)利要求14的裝置，其特征在于，所述第一傳感器元件進(jìn)一步包括多個電阻層，其間夾有電絕緣層。
19.如權(quán)利要求15的裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括用于控制所述第一和第二加熱器元件的溫度補(bǔ)償電路。
20.如權(quán)利要求19的裝置，其特征在于，所述第一和第二傳感器元件分別包括與之熱耦合的第一和第二溫度傳感器裝置。
21.如權(quán)利要求20的裝置，其特征在于，所述溫度補(bǔ)償電路從所述溫度傳感器裝置接收溫度信號，并將這些信號與參考信號比較以提供補(bǔ)償輸出信號，所述輸出信號包括對所述第一和第二傳感器元件中的所述加熱器元件的第二輸出和對所述第一傳感器元件中的第三加熱器元件的第一輸出。
22.如權(quán)利要求21的裝置，其特征在于，所述第一輸出對應(yīng)于所述第一傳感器元件的輻射熱通量值。
23.如權(quán)利要求14的裝置，其特征在于，所述紅外輻射通道進(jìn)一步包括用于向所述遠(yuǎn)距離對象提供預(yù)定視場的光引導(dǎo)器。
24.如權(quán)利要求23的裝置，其特征在于，所述光引導(dǎo)器提供窄視場。
25.如權(quán)利要求14的裝置，其特征在于，所述輻射通道包括非成象的會聚器，以建立所述遠(yuǎn)距離物體的窄視場。
26.一種用于非接觸地測量遠(yuǎn)距離對象溫度的方法的組合，其特征在于包括下列步驟在所述遠(yuǎn)距離物體與傳感器組件之間建立紅外輻射通路，所述傳感器組件包括第一傳感器元件和第二傳感器元件；將所述紅外輻射通路引導(dǎo)到所述第一傳感器元件，并實際上隔離所述第二傳感器元件與所述遠(yuǎn)距離物體的紅外聯(lián)系；建立所述傳感器組件周圍的局部環(huán)境，使所述第一傳感器元件呈現(xiàn)的所有熱量傳遞的傳導(dǎo)和對流成分同時也由所述第二傳感器元件呈現(xiàn)；使所述第一傳感器元件與所述第二傳感器元件熱隔離，并分別控制所述第一傳感器元件和所述第二傳感器元件的溫度；以及測量至所述第一傳感器元件的熱控制信號，并把所述信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于所述遠(yuǎn)距離對象的所述溫度的值。
27.如權(quán)利要求26的方法，其特征在于，所述局部環(huán)境由包容所述第一和所述第二傳感器元件于其中的傳感器組件殼體形成。
28.如權(quán)利要求27的方法，其特征在于，所述紅外輻射通路用一單獨的光學(xué)窗口建立在所述殼體中，以預(yù)定的視場使所述紅外輻射出現(xiàn)在所述第一傳感器元件上。
29.如權(quán)利要求27的方法，其特征在于，所述殼體包括暴露于所述第二傳感器元件的高反射性內(nèi)表面。
30.如權(quán)利要求27的方法，其特征在于，所述第一傳感器元件包括第一熱傳感器和由第一熱控制電路控制的第一電阻加熱器。
31.如權(quán)利要求30的方法，其特征在于，第二熱控制電路連接到在所述第二傳感器元件中的第二熱傳感器和第二電阻加熱器。
32.如權(quán)利要求31的方法，其特征在于，所述熱控制電路對每一傳感器元件分別比較由溫度引起的電壓與參考電壓值，并將電流輸出到每一傳感器元件中的所述電阻加熱器以補(bǔ)償在所述比較中的差異。
33.如權(quán)利要求26的方法，其特征在于，所述第一和第二傳感裝置保持在大約同樣溫度。
全文摘要
一種非接觸的有源紅外傳感器(1)，用于測量遠(yuǎn)距離物體的溫度，具有成對的檢測元件(6、7)，只有第一元件(6)暴露于遠(yuǎn)距離物體，由此建立輻射通量，第二元件(7)在與第一元件(6)同樣環(huán)境中構(gòu)成，但與遠(yuǎn)距離物的輻射隔離。比較兩元件(6、7)的熱傳遞，而與遠(yuǎn)距離物體輻射通量相應(yīng)的熱傳遞成分被隔離并轉(zhuǎn)換成溫度信號，傳感器系統(tǒng)把單獨的熱控制單元(34、38)有利地結(jié)合到傳感元件(6、7)中以準(zhǔn)確地控制熱傳遞，而傳感元件(6、7)則熱隔離。
文檔編號G01J5/02GK1141672SQ94194805
公開日1997年1月29日 申請日期1994年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月10日
發(fā)明者雅各布·弗萊登 申請人:溫度掃描股份有限公司