CN2368020Y - 红外线温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种红外线温度测量装置,系采用含有热电堆(thermopile)与周围温度传感器一体的双感测单元,以测量物质或人体热辐射的温度;感测单元系置于一光导管(optical guide)后端,由一金属遮罩所包覆,外层更有一外壳作隔离,以有效导波及隔离热源噪声,提升信噪比(S/N ratio);感测的信号经放大及噪声滤波后,由一微机芯片运算处理,其至少包含一模拟/数字转换器、一中央处理单元、一存储单元及一液晶显示驱动电路等,以有效量得温度;此外,更包含一EEPROM储存系统校正参数与系统状态,以简化生产程序,提高测量精度,扩大测量温度范围,并同时存储测量资料。
Description
本实用新型是关于一种红外线温度测量装置，且特别是一种采用含有热电堆(thermopile)与周围温度传感器一体的双感测单元，一微机芯片及一EEPROM(E lectrically Erasable Programmable Read OnlyMemory，电可删除可编程只读存储器)来增进效能的红外线温度测量装置。
传统的接触式温度计，例如水银式或电子式温度计已不能满足使用者的需求。故而需进一步追求精确、快速、容易测量、容易判读、不具伤害和更符合人性化的温度测量方法及装置。目前利用测量红外线辐射热的非接触式温度测量装置正具有上述优点。因而逐渐受到重视而陆续被开发出来。
一般红外线辐射温度测量装置，例如已知市面上所见的耳温枪，系利用红外线感测人体等热源所放出的辐射能量(radiation power)，再将辐射能量配合周围温度感测器所量测的周围温度值转换为对应的测量温度。
任何物质热源的温度或人体温度，均会放射出热辐射(thermalradiation)，依文恩定律(Wiens law)，其热辐射的最大波长为λmax＝2900/T，其中λmax单位为μm，T为物质的绝对温度°K，因此人体温度(约35-40℃)的最大辐射功率的波长约8-10μm。
又依据Stefan-Boltzmann定律，物质辐射的能量为E＝ερT4，其中ε为物体的辐射率，人体表面为0.98，系数ρ为5.67×108W/m2(°K)4。所以从物质或人体表面传至传感器的热能为q＝ερ(Tb 4-Ta 4)，其中Tb为物质或人体温度，Ta为传感器的周围温度。
由以上得知，传感器在不接触到被测物质或人体的情况下，也可接受到被测物质或人体的热温度能量，从而判断其温度。但为获得高灵敏度及正确性的测量，需要有良好的待测热导引装置与热噪声隔离装置，稳定的信号放大与噪声滤波，以及适当的微机控制及信号处理设计。而且更要的是制造方式、校正技术、产生品管及回收检验能相互配合，使产能能提高。
如一般所知，辐射热传感器有好几种，包括热电传感器(pyoelectric)及热电堆等。因此使用的感测器不同，或对测量系统精度与测量温度范围的需求不同，系统整体的设计都须有适当的配合才行。
因此，本实用新型的目的之一在于：采用含有热电堆与周围温度传感器集成的双传感器作为辐射热传感器，以提供一种新型的红外线温度测量装置。
本实用新型的另一目的在于：提供应用于一温度测量装置的一微机芯片，进行信号的运算处理，并配合一EEPROM进行系统校正及测量资料的存储等，以简化生产程序及提高系统功能。
根据上述本实用新型之目的，提供一种红外线温度测量装置，至少包括：
一集成的双感测单元，包含一热电堆与一周围温度传感器所组成，用以感测辐射能量，以发出相应的一信号；
一金属遮罩和一外壳，以包覆双感测单元具有的导波元件，并于其间形成空气间隙，以提供对导波元件一双绝缘效果；
一信号放大滤波器，将传入的信号进行放大与噪声滤波处理；
一微机芯片，用以接收信号放大滤波器处理后的该信号，经计算处理产生一对应的测量温度输出；
一电可删除可编程存储器，由微机芯片控制，用以储存所需的系统和校正参数；以及
一输出装置，显示信号处理单元产生的该输出结果。
为让本实用新型之上述的其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明：
图1表示本实用新型红外线温度测量装置所用的集成的双感测单元的结构示意图；
图2表示本实用新型红外线温度测量装置中测量探头(probe)的构造剖视图；
图3表示本实用新型红外线温度测量装置中一实施例的系统方框图；
图4表示对应图3中红外线温度测量装置的详细电路图；
图5表示本实用新型红外线温度测量装置具有的一液晶显示屏；
图6表示本实用新型以一微机芯片处理系统校正的流程图；
图7表示本实用新型以手动输入作系统校正的配备图；以及
图8表示本实用新型以自动输入作系统校正的配备图。
请参阅图1，其为本实用新型装置所采用的双传感器的示意图。如图所示，双感测单元1包含一热电堆13和一周围温度传感器12，系设置在一底座10上，以一壳套15包覆，底座10则具有四支输出的接脚11。热电堆13和周围温度传感器12的制作，是在一硅基片131上沉积形成，以硅基片131作为热电堆13的冷接点(cold junction)，藉由蚀刻出一极薄的隔离薄膜将热接点(hot junction)132和冷接点131隔离开。热辐射能量(radiation power)将经由壳套14上具有的滤窗14传入，经热接点132的吸收区域接收后转换成热，因此，热接头132和冷接头131间将形成温差，再藉由例如在冷接点131和热接点132间接上一堆细小的热电偶(thermocouple)(未绘示)，根据席贝克效应(Seebeck-Effect)，便可测量到热电堆13产生的一电压信号，其将正比于冷接点131和热接点132间的温度差。
必须再加以说明的是，本实用新型采用将周围温度传感器12和热电堆13制于一体的集成设计，是想要利用周围温度传感器12测量环境的温度，并立即提供作为冷接点131温度的基准，如此可改善已知温度传感器分立设置时，所产生的基准温度测量误差及受到不必要的干扰等问题。因此，本实用新型以二合一的双感测单元1作为温度的测量，将具有高灵敏度和高准确率的好处。
请再参照附图2，其为本实用新型装置之温度测量探头的结构剖视图。如图所示，测量探头99包含有一外壳90，一般是塑料制品，由外壳90包覆内部所有的感测组件。上述的双感测单元1藉由一固定座91固定在一导波管92的末端，使导波管92恰能抵住双感测单元1的滤窗14，固定座91较佳是以金属制成，以减小导波管92和双感测单元1间形成的温差。导波管92较佳是以金属制成，且外部需镀上金，以增加其对辐射的反射率。上述整个内部的感测组件置系于一圆锥状的金属遮罩94内，以一隔垫93固定住导波管92。因此，本实用新型装置在传送所测量到的热辐射能量时，分别结合了外壳90的隔离效果，以遮罩94阻绝电子和热源噪声，以及导波管92可靠的绝缘能力，除非辐射能量是由导波管92的外部导引端传入，即导波管92远离与双感测器1接合的一端，任何位置可能的热辐射传入都将被隔绝掉。因此，要测量的物质或人体温度，只要将其置于导波管92远离双感测单元1的一端，就能有效传达其辐射能量至双感测单元1的热电堆13。此外，固定座91和遮罩94之间、遮罩和导波管92之间以及遮罩94和外壳91之间更形成有空气间隙98，所以能达到双重的隔热效果，也就是能增加元件间的热绝缘及提升测量探头99的信噪比(signal-noise-ratio)。至于，在遮罩94的末端(即导波管92热辐射传入的位置)上可固定一滤镜95，用以避免导波管92受到破坏与污染，或是更具有一可拆装的套子96盖住，这样也可确保本实用新型装置作为耳温枪测量耳温时的清洁，滤镜95和套子96较佳是以聚乙烯或聚丙烯塑料制成。最后，由双感测单元1，将导波管92所传来的辐射能，藉由其冷接点131和热接点132间的温度差异，形成一信号经其接脚11传输到一印刷电路板(PCB)120上处理。
请参阅附图3，其为本实用新型装置的信号处理方框图。如图所示，由集成的双感测单元1产生的信号，经由一放大和滤波器2的处理之后，被导入一微机芯片3。此微机芯片3结合有一模拟/数字传换器31，将传入的模拟信号转换成数字信号；一含有只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)的中央处理器(MPU)32，以处理输入的数字信号，并藉由一些键盘5的控制产生出温度测量的结果；一液晶显示驱动器33，以控制液晶显示屏(LCD)6显示温度值；以及一通讯接口34，用以与外部的装置8，例如一校正用的仪器或一监控的仪器进行资料的输入与输出。此微机芯片3系制成一单晶片的型式，可一并由MPU32达成由输入的信号计算出测量的温度值，由一EEPROM 4读取和写入系统的参数，并且能提供声音输出至一蜂鸣器或扬声器7，以及与外部装置8的通讯。
请再参照附图4，其为图3的详细电路图。双感测单元1的信号，即由热电堆13和周围温度感测器12所产生的信号，分别经由放大电路21、22处理后，被送入微机芯片3当中。两个按钮51、52用来启动分别对应的“开”接著“选择”及“执行”的命令，举例来说，由“侦测耳温”、“侦测其它物质温度”、“存储温度”及“由存储器中取出温度值”等命令中选择并执行之。当两个按钮51、52同时被按下时，可用来作为对“日期”、“时间”或“以摄氏或华氏显示”的设定，以启动更进一步的选择和执行。LCD6将显示出操作时的内容，而且在一特定时间之后未有任何按按钮的动作时，显示屏将进入一休息待机状态或关闭状态。系统参数，例如测量校正因子和系统条件，系由微机芯片3读出并写入EEPROM 4中。声音输出可表现出一些系统的状况，例如当红外线温度装置准备测量时，或测量结果出现时都可由扬声器7来提示。微机芯片3的通讯接口以一排线接头34与外部装置8连接。一电源供应电路100以图示中Vn为电源端，能提供不同的电压V1、V2、V3、及Va，由微机芯片3发出的控制信号Ct，将控制晶体管Q1执行开启或关闭整个装置的操作。
附图5为液晶显示屏所显示的内容。LCD6显示的内容包含日期和时间65、功能显示61、62、63和64、温度值66、摄氏或华氏67、测量或非测量的状态68、以及电力不足的警示69等。
附图6为制作本实用新型装置期间以微机芯片作校正的流程图。包含下列步骤：
(a)读取一电压值，以设定“电力不足”情况下的临界显示；
(b)读取至少两组电阻与对应的温度资料，以产生温度传感器的一反应线；
(c)检查温度传感器的实际反应，若需要，则重置温度传感器的反应线；
(d)读取至少两组电压与对应的温度资料，以产生热电堆的一反应线；以及
(e)检查热电堆的实际反应，若需要，则重置热电堆的反应线。
校正的程序可以下面所述的手动或自动方式完成。
请参照附图7，其为以手动方式完成本实用新型装置校正的设备。如图所示，温度测量装置包含一测量探头99和一具有微机芯片3、EEPROM4、按钮5、LCD6及接口34的印刷电路板PCB120。装置藉由接口34连结到一固定装置81，其包含多个按键810作为校正资料的输入，至少两个具有不同基准温度的黑体辐射源82，以对准本实用新型装置的测量探头99，分别侦测出基准的温度，其中每一黑体辐射源82由一热控金属体821、一加热器822、温度探测器824作反馈控制、一控制器825以及一控制面板和显示屏826所组成。在微机芯片3的控制程序下，使用者将藉由LCD6监测测量探头99内双感测单元1所反应的结果，然而由按键810和按钮5输入修正资料，以校正所显示的反应结果。之后，修正参数将在微机芯片3控制下，以上述图6所述的校正流程存入EEPROM 4内。
最后，请参照附图8，其为以自动方式完成本实用新型装置校正的设备。同图7，使用固定装置81和黑体辐射源82，不过更包含相互对应的信号收/发器813、828及一编码/解码器814、827。第一收/发器可包含未绘示的一光电二极管和一接收器作为光学感应的通讯连结，否则也可使用无线电的连结方式。在自动的校正程序下，由微机芯片3控制信号收/发器813，经由编码/解码器814与黑体辐射源82通讯，以侦测温度和作连续且自动的修正。固定装置81的按键810仅作为启动和取消校正程序之用。信号收/发器813和编码/解码器814也可并入本实用新型印刷电路板PCB120的布局设计中，如此便不需要藉助固定装置81来校正。
由于校正的过程系由微机芯片3配合EEPROM 4来完成，校正的程序与资料可适当的被安排以达到一较高准确率和一较大范围或一定范围的测量。举例来说，利用人体周围多个温度校正点将确保测量到的温度的正确性，有一些高于或低于温度范围的校正位置，本实用新型的温度测量装置在其它温度范围内也同样能运作，例如从0℃-100℃的范围内。
虽然本实用新型已以一较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何熟习此技艺者，在本实用新型的基础上所作的许之更动与润饰，均未脱离本实用新型的精神和范围，因此本实用新型的保护范围当视本申请之权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (16)
1、一种红外线温度测量装置，其特征在于，至少包括：
一集成的双感测单元，由一热电堆与一周围温度传感器组成；
一金属遮罩和一外壳，包覆该双感测单元具有的导波元件，并于其间形成空气间隙；
一信号处理单元，与该双感测单元的信号输出端连接；
一存储单元，连于该信号处理单元；以及
一输出装置，连接于该信号处理单元的输出端。
2、如权利要求1所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的双感测单元中所说的热电堆和所说的周围温度传感器是形成在一硅基片上。
3、如权利要求1所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的信号处理单元，还包括一放大滤波器与一微机芯片，所说的放大滤波器的输入端与该双感测单元的输出端连接，而所说的放大滤波器的输出端与所说的微机芯片连接。
4、如权利要求3所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的微机芯片还包括一模拟/数字转换器、一中央处理器、一存储器、一显示控制器及一通讯接口。
5、如权利要求1所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的存储单元为一电可擦除可编程存储器(EEPROM)。
6、一种红外线温度测量装置，其特征在于，至少包括：
一温度感测单元；
一金属遮罩和一外壳，包覆所说的温度感测单元具有的导波元件，并于其间形成空气间隙；
一信号放大滤波器，与所说的温度感测单元的输出端连接；
一微机芯片，连接于所说的信号放大滤波器的输出端；
一电可擦除可编程存储器(EEPROM)，与所说的微机芯片连接；以及
一输出装置，与所说的信号处理单元的输出端连接。
7、如权利要求6所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的温度感测单元是由一热电堆和一周围温度传感器集成而组成。
8、如权利要求7所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的热电堆和所说的周围温度传感器形成在一硅基片上。
9、如权利要求6所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的微机芯片还包括一模拟/数字转换器、一中央处理器、一存储器及一显示控制器。
10、如权利要求3或6所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的微机芯片具有一日期和时间信号存取单元。
11、如权利要求3或6所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的微机芯片具有一声音输出单元。
12、如权利要求3或9所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的微机芯片还具有一通讯接口，与一外部装置连接，所说的外部装置至少包括一校正装置。
13、如权利要求12所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的校正装置至少包括一黑体辐射源。
14、如权利要求3或6所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的微机芯片还包括一校正控制单元。
15、如权利要求14所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的校正控制单元具有一输入固定装置连接至所说的微机芯片；且至少有两个具有不同基准温度的辐射源。
16、如权利要求15所述的红外线温度测量装置，其特征在于所说的输入固定装置和所说的辐射源具有资料传输和接收装置。
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