[發(fā)明專利]一種新型遠(yuǎn)距離紅外測(cè)溫傳感器裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210388497.3
• 申請(qǐng)日: 2022-04-14
• 公開（公告）號(hào): CN114593828A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳建耀;葉菲;嚴(yán)行健;姜長(zhǎng)華;李佳豪;夏賢沖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心;佛山市川東磁電股份有限公司
• 主分類號(hào): G01J5/12
• 分類號(hào): G01J5/12;G01J5/06;G01J5/08
• 代理公司: 無錫市大為專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32104
• 代理人: 季玉晴;曹祖良

本發(fā)明涉及紅外測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種新型遠(yuǎn)距離紅外測(cè)溫傳感器裝置，包括紅外光透鏡和設(shè)置在所述紅外光透鏡一側(cè)的傳感元件，還包括光闌，所述光闌包括內(nèi)光闌和/或外光闌，所述內(nèi)光闌設(shè)置在所述紅外光透鏡和所述傳感元件之間，所述外光闌設(shè)置在所述紅外光透鏡遠(yuǎn)離所述傳感元件的一側(cè)，所述傳感元件包括位于中間的有效傳感區(qū)域和位于所述有效傳感區(qū)域周邊的邊框區(qū)域。本發(fā)明提供的新型遠(yuǎn)距離紅外測(cè)溫傳感器裝置，可以限制傳感元件邊緣部分受輻射的影響，進(jìn)一步提高信號(hào)的信噪比，同時(shí)更準(zhǔn)確地反映被測(cè)量物體的真實(shí)溫度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及紅外測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種新型提高精度遠(yuǎn)距離紅外測(cè)溫傳感器裝置。

背景技術(shù)

目前常用的普通紅外測(cè)溫器的有效準(zhǔn)確測(cè)溫距離大致在5厘米以內(nèi)，這個(gè)限制來自于兩個(gè)部分，一是目前采用的傳感元件，如MEMs紅外傳感器的靈敏度，二是傳感器本身的設(shè)計(jì)，如目前常用的人體溫度測(cè)量的TO-46紅外測(cè)溫傳感器封裝，其接受輻射的角度大致有90度，離測(cè)量目標(biāo)距離變大，接受的目標(biāo)面積也會(huì)增大，超出目標(biāo)大小，測(cè)量就不再準(zhǔn)確。為了達(dá)到測(cè)量的準(zhǔn)確并信號(hào)的信噪比穩(wěn)定，就必須解決這兩個(gè)問題。

這兩個(gè)問題的解決不是一個(gè)簡(jiǎn)單的提高傳感元件的靈敏度，或改變傳感器封裝方式來限制輻射接受角度那么簡(jiǎn)單，還要涉及對(duì)傳感元件信號(hào)輸出、封裝及材料的理解來綜合設(shè)計(jì)以提高傳感器的信噪比，達(dá)到實(shí)用的效果。紅外測(cè)溫的基本物理理論基于黑體輻射理論，普朗克公式(Plack’s Law)準(zhǔn)確描述了物體輻射與物體溫度的關(guān)系，普朗克(MaxPlanck)是量子理論的開創(chuàng)者之一，此公式獲得了1918年的Nobel獎(jiǎng)。由普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)積分可以推導(dǎo)出Stefan-Boltzmann公式，建立了物體輻射能量與物體溫度的關(guān)系。由此，我們測(cè)量輻射能量就可以間接獲得物體的溫度信息。

紅外測(cè)溫傳感元件，如目前最常用的基于半導(dǎo)體MEMs技術(shù)的熱電偶，接受微弱的輻射而產(chǎn)生一個(gè)微小電勢(shì)輸出，這個(gè)電勢(shì)正比與接受的輻射能量減去自身的輻射能量。這是傳感元件的工作原理。從這個(gè)來說，測(cè)溫傳感信號(hào)不僅取決于被測(cè)物體的溫度，也取決于傳感元件本身的溫度。這里假設(shè)了被測(cè)物體的溫度是均勻的，如不均勻，測(cè)量獲得的結(jié)果是測(cè)量范圍內(nèi)被測(cè)物體的積分平均溫度。

為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，采用了封裝技術(shù)，把傳感元件密封在一個(gè)溫度一致的環(huán)境內(nèi)，實(shí)現(xiàn)傳感元件本身的溫度精確測(cè)量，同時(shí)限制傳感元件接受輻射的角度來實(shí)現(xiàn)對(duì)有限范圍內(nèi)物體的溫度測(cè)量。但隨著被測(cè)物體的距離變遠(yuǎn)，我們就要把這個(gè)接受輻射的角度限制到更小，來測(cè)量同樣大小物體的溫度，同時(shí)這個(gè)距離變遠(yuǎn)造成了接受的輻射以距離平方反比關(guān)系的輻射減弱。這對(duì)測(cè)量元件的靈敏度和信噪比提出了更嚴(yán)的要求。為解決這兩個(gè)問題常規(guī)的設(shè)計(jì)是采用光透鏡的方式來達(dá)成兩大目的，即實(shí)現(xiàn)角度的控制，同時(shí)提高了輻射接受角度來提高傳感元件接受更多的能量。國(guó)際市場(chǎng)上已經(jīng)有這種設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫傳感器，有不同的接受角度控制來實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用需求。

如圖1所示，描述了常規(guī)的紅外測(cè)溫傳感器的設(shè)計(jì)，一個(gè)紅外透明材料制作的紅外光透鏡(1)會(huì)聚入射的紅外輻射，聚焦到紅外輻射傳感元件(2)上，主入射光(ChiefRay)，在圖1中水平入射的光線，聚焦到傳感元件(2)的中間，傾斜入射的光會(huì)聚點(diǎn)將會(huì)偏離中心，隨入射角度的增大而逐步遠(yuǎn)離中心，最后將離開傳感元件的有效傳感區(qū)域(3)之外，會(huì)聚到傳感元件(2)的邊框區(qū)域(4)。

這個(gè)設(shè)計(jì)理論上是一個(gè)直觀的設(shè)計(jì)，但這個(gè)設(shè)計(jì)忽略了MEMs傳感元件本身的一個(gè)具體問題，有限角度內(nèi)的輻射到達(dá)了傳感元件接受面上，但限制角度外的輻射也會(huì)到達(dá)傳感元件的邊側(cè)或封裝上來直接或間接加熱傳感元件，這個(gè)邊側(cè)和封裝設(shè)計(jì)決定了傳感元件本身基準(zhǔn)溫度，受輻射會(huì)造成測(cè)量信號(hào)的下降以及噪聲的提高。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述弊端，本發(fā)明提供了一種新型遠(yuǎn)距離紅外測(cè)溫傳感器裝置，可以限制傳感元件邊緣部分受輻射的影響，進(jìn)一步提高信號(hào)的信噪比，同時(shí)更準(zhǔn)確地反映被測(cè)量物體的真實(shí)溫度。