專利名稱：輻射式溫度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度計，特別是一種輻射式溫度計。其原理是利用電校正方式，估算熱輻射感測元件(感測裝置)所接受的由目標(biāo)物產(chǎn)生的紅外輻射，并依該估算得的紅外輻射量推算標(biāo)的物的溫度。
量測物體的溫度長久以來一向是科學(xué)與工業(yè)中一項(xiàng)普遍且重要的技術(shù)。量測溫度的方法有兩類一類是接觸型，另一類是非接觸型。前者是利用感測元件與待測定溫度的標(biāo)的物的實(shí)際接觸，熱流經(jīng)由接觸介面?zhèn)髦翜囟葴y定元件，使其計溫而得感應(yīng)信號。后者是在感測裝置與標(biāo)的物間存在一段距離，熱流經(jīng)由標(biāo)的物與感測元件間的熱輻射而轉(zhuǎn)移。
利用輻射量的測量方法有許多優(yōu)點(diǎn)(1)感測元件對標(biāo)的物的影響較接觸型為小，故量測結(jié)果較準(zhǔn)確，尤以標(biāo)的物的熱容較小時更是如此；(2)可免除接觸所引起的麻煩及可能的危險性。例如，設(shè)在高處的大電力設(shè)施的表面溫度的量測、火災(zāi)的預(yù)防性監(jiān)測以及醫(yī)療診斷時接觸人體量測所能引起的感染與插入式的不便。因此，長久以來，非接觸式溫度量測一直是使用者最希望的方式。
非接觸式溫度量測的一例是為焦電型輻射計?；旧希朔N輻射計是利用焦電效應(yīng)的原理，亦即以焦電材料制成感測元件，當(dāng)此感測元件與待量測溫度的標(biāo)的物間因?yàn)闇囟炔煌鹉撤N程度的輻射熱交換，焦電感測元件受到來自標(biāo)的物的紅外線熱輻射的光加熱，本身發(fā)生溫度變化時，由于焦電材料的特性，會在其上感應(yīng)產(chǎn)生非平衡的暫態(tài)電荷(此即所謂焦電效應(yīng))，此電荷再經(jīng)由外接電路產(chǎn)生一感應(yīng)電流。


圖1顯示習(xí)用的電校式焦電型輻射計的一例，圖2A顯示此一輻射計中所采用的感測元件10的結(jié)構(gòu)。而圖2B為圖2A所示焦電感測元件的等效電路圖。如此二圖所示，感測元件10主要包含一焦電材料層11，于受加熱致溫度上升時，會在其上感應(yīng)產(chǎn)生非平衡的暫態(tài)電荷；一電阻材料層12，設(shè)于該第一焦電材料層11一側(cè)；一第一加熱端子T1及一第二加熱端子T2，分別設(shè)于電阻材料層12兩側(cè)，可利用引線14與外界電源連結(jié)以加熱電阻材料層12；一底部電極13，設(shè)于焦電材料層11的另一側(cè)，可利用引線15使焦電材料層11所感應(yīng)產(chǎn)生的電荷流至外部電路；及一黑色包覆層16，連附于電阻材料層12與焦電材料層11相反側(cè)，用以吸收來自外界標(biāo)的物的紅外輻射，再傳熱至焦電材料層11。電極13具有正極性或負(fù)極性，其決定方式如下。當(dāng)焦電材料層11因受熱而產(chǎn)生電流時，若電極13構(gòu)成該電流的源點(diǎn)(source)，則其具有正極性。反之，若電極13構(gòu)成該電流的匯點(diǎn)(sink)，則其具有負(fù)極性。此有關(guān)極性的定義適用于本說明書的全文。
其次參考圖1，說明前述習(xí)用電校式焦電型輻射計的結(jié)構(gòu)。此一輻射計主要包括感測元件10，用以接受來自外界電源的電加熱或來自外界標(biāo)的物1(輻射源)的光加熱，并于外接電路產(chǎn)生一感應(yīng)電流；切光器2，介設(shè)于標(biāo)的物1和感測元件10之間，藉由持續(xù)轉(zhuǎn)動，以控制自標(biāo)的物1朝感測元件10輻射的紅外光，僅容許其于部分時間穿過切光器2而為感測元件10所接收到，感應(yīng)信號放大器3，藉由引線15和感測元件10連接，用以將感測元件10所產(chǎn)生的感應(yīng)電流予以放大；馬達(dá)24，用以驅(qū)動切光器2，使其轉(zhuǎn)動；驅(qū)動電路25，用以驅(qū)動馬達(dá)24；功率量測器4，用以量測加于感測元件10的電能的大小；隔離放大器5，用以加電能于感測元件10；模擬多工器9，用以選擇性地將來自感應(yīng)信號放大器3或功率量測器4中的一信號輸入至A/D變換器20；微處理機(jī)21，用以發(fā)出控制信號等至驅(qū)動電路25、A/D變換器20、模擬多工器9、D/A變換器6，并處理來自模擬多工器9再經(jīng)A/D變換器20變換為數(shù)字信號的數(shù)據(jù)；儲存器22，與微處理機(jī)21連結(jié)，用以供微處理機(jī)21存取數(shù)據(jù)；顯示器23，與微處理機(jī)21連結(jié)，用以顯示微處理機(jī)21所提供的數(shù)據(jù)；啟動按紐26，用以啟動微處理機(jī)21。由微處理機(jī)21產(chǎn)生的電加熱信號，經(jīng)D/A變換器6轉(zhuǎn)換成模擬信號，又經(jīng)隔離放大器5予以放大后，再施加于感測元件10。
其次，簡單說明此一習(xí)用電校式焦電型輻射計的動作方式。由標(biāo)的物1發(fā)出的紅外輻射經(jīng)切光器2施以切光，在切光器2旋轉(zhuǎn)的前半周期被輸入至感測元件10，而產(chǎn)生一焦電感應(yīng)信號，此信號經(jīng)信號放大器3加以放大后，可由多工器9予以選擇輸入至A/D變換器20，施以A/D變換，而后再由微處理機(jī)21加以處理。在切光器2旋轉(zhuǎn)的后半周期，一嘗試用電功率的加熱電壓被輸入至感測元件10，將加熱端子12加熱，使其焦電材料層11產(chǎn)生一焦電感應(yīng)信號。將此兩焦電感應(yīng)信號加以比較，當(dāng)兩者達(dá)到平衡(兩者的差異小于容許偏差值)時，即可由人為輸入的已知電加熱功率，獲知來自待施行溫度量測的標(biāo)的物的熱輻射功率。由于此一輻射計利用焦電材料構(gòu)成感測元件10的主要部分，并采用電校正方式求取標(biāo)的物的熱輻射功率，故為一電校式焦電型輻射計。采取此方式，往往須經(jīng)多次嘗試，交替地施行電加熱與光加熱，才能達(dá)到前述兩焦電感應(yīng)信號平衡的狀況(此稱為自動歸零)。
由以上說明可知，圖1所示的習(xí)用電校式焦電型輻射計具有如下缺點(diǎn)(1)、由于須設(shè)一持續(xù)旋轉(zhuǎn)的切光器，故機(jī)構(gòu)較復(fù)雜且體積較大。
(2)、由于須施行多次電加熱，而較耗電。
(3)、由于自動歸零須反覆施行多次電加熱與光加熱，故須花費(fèi)較長時間才能測知標(biāo)的物發(fā)出的紅外輻射功率，致使此一習(xí)用電校式焦電型輻射計不適于商品化。
(4)、由于感測元件的電阻材料層12與底部電極13間的電容耦合(參考圖1)，加熱電壓的高頻成分會貫穿元件而輸送至信號放大器。此種電容耦合信號并非由加熱所產(chǎn)生的焦電信號，因此會形成假信號。圖1所示的習(xí)用電校式焦電型輻射計利用昂貴的隔離放大器解決此問題，造成其制造成本提高。
另一習(xí)用的焦電型輻射溫度計，公開于美國專利第4,797,840號“紅外線電子溫度計及其溫度量測方法”中。于該專利的方式中，利用壓電效應(yīng)以校正焦電感測信號，以補(bǔ)償因焦電感測元件材料老化、溫度漂移或電子元件不穩(wěn)定所造成該焦電感測信號可能變異。參考圖3及圖4，簡介其所采用的校正電路及校正方法。如圖3所示，一校正電路30中采用一焦電感測元件31，其包含一壓電膜片35；及一外側(cè)平面電極32，設(shè)于壓電膜片35朝外的一側(cè)，由兩分開的電極片33、34所構(gòu)成。電極片33、34形成一抗顫噪音的串聯(lián)式感測元件，校正電路30另包括一放大電路37、一微處理機(jī)38、一開關(guān)36及一激勵信號電路39。圖3一中空管狀導(dǎo)波器42，用以引導(dǎo)由標(biāo)的物1發(fā)出的紅外輻射，使其到達(dá)焦電感測元件31處?？扉T43(其驅(qū)動機(jī)構(gòu)未圖示)，僅容許該紅外輻射于所需的時間內(nèi)通過而到達(dá)焦電感測元件31。電極片34與放大電路37連接，電極片33則連至開關(guān)36，開關(guān)36選擇性地將電極片33連至放大電路37或連至激勵信號電路39。激勵信號電路39可產(chǎn)生一預(yù)定的電校正信號40，用以激勵膜片35，使其產(chǎn)生一機(jī)械應(yīng)力，轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一感應(yīng)電信號41(見圖4)。在溫度計安裝初期(焦電感測元件31尚未發(fā)生老化時)的感應(yīng)電信號41的值，被存儲起來作為一預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行校正作業(yè)時，開關(guān)36及激勵信號電路39由微處理機(jī)38予以控制，激勵信號電路39可接受微處理機(jī)38的指令，而產(chǎn)生一預(yù)定的電校正信號40。
其次，說明前述美國專利第4,797,840號所公開的習(xí)用焦電型輻射溫度計的校正作業(yè)。于即將進(jìn)行溫度量測作業(yè)之前，在快門43關(guān)閉狀態(tài)下，以開關(guān)36將電極片33連至激勵信號電路39，預(yù)定的電校正信號40被施加于電極片33。由于膜片35的壓電性質(zhì)，會造成一機(jī)械應(yīng)力，此機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)而使膜片35在電極32產(chǎn)生一感應(yīng)電信號41’，感應(yīng)電信號41’經(jīng)電極片34被傳至放大電路37。由于電校正信號40為一預(yù)定值，感應(yīng)電信號41’自前述預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電信號41的偏差量成為在焦電感測元件31所產(chǎn)生的材料老等變化的指標(biāo)，且此偏差量提供了由微處理機(jī)38作適當(dāng)修正所必須的校正信息。
緊接于校正作業(yè)之后，開關(guān)36將電極片33連至放大電路37，開始進(jìn)行溫度量測作業(yè)。使快門43開啟，使標(biāo)的物1所產(chǎn)生的紅外輻射在導(dǎo)波器42的引導(dǎo)下，到達(dá)焦電感測元件31處，對焦電感測元件31進(jìn)行光加熱。假定焦電感測元件31對光加熱的能量反應(yīng)值為Vt’，利用微處理機(jī)38以經(jīng)由前述校正作業(yè)所獲得的校正信息加以校正，以補(bǔ)賞因焦電感測元件材料老化等所產(chǎn)生的偏差后，即得到修正的能量反應(yīng)值Vt。再利用下列公式，即可計算出標(biāo)的物1的溫度Vt＝f(Ta)×(Tt4-Ta4)其中，Ta為周圍環(huán)境溫度，Tt為標(biāo)的物的溫度，Vt為經(jīng)校正的能量反應(yīng)值而f(Ta)為周圍環(huán)境溫度Ta的函數(shù)。
所述校正作業(yè)，基本上是假定設(shè)焦電測元件的材料老化對其焦電響應(yīng)度影響和對其壓電系數(shù)的影響完全一致。事實(shí)上，焦電響應(yīng)度是受到諸多參數(shù)(例如焦電感測元件的壓電系數(shù)、焦電感測元件的熱時間常數(shù)及焦電感測元件與其周遭環(huán)境的熱導(dǎo)等)的影響，壓電系數(shù)僅不過為其中之一而已，故該一假設(shè)并非精確。因此，不能期待通過基于前述錯誤假設(shè)的校正作業(yè)，能獲得正確的溫度量測結(jié)果。在校正作業(yè)時，因原先的抗顫噪音感測器結(jié)構(gòu)不再被串聯(lián)連結(jié)，使原抗顫噪音的機(jī)制消失，致使校正的噪音增大，更加不能得到正確的量測結(jié)果。
在美國專利第4,797,840中，另揭露一種利用受到溫控保持于恒溫的加熱元件，來求取標(biāo)的物的溫度的方式。當(dāng)快門開啟時，焦電感測元件接收到來自標(biāo)的物的紅外輻射，而產(chǎn)生一第一感就信號；而當(dāng)快門關(guān)閉，亦即在未對焦電感測元件進(jìn)行光加熱時，自該加熱元件發(fā)出的紅外輻射經(jīng)反射，并為同一焦電感測元件所接收，而產(chǎn)生一第二感應(yīng)信號。利用已知的加熱元件的溫度及所測得的第一感應(yīng)信號與第二感應(yīng)信號，而計算出標(biāo)的物的溫度。采用此方式，須要不斷地對加熱元件施以加熱，并將其溫度控制于恒定，由于耗電量大，不但使用成本高、且不易小型化。又因加熱元件的溫度欲達(dá)到穩(wěn)定頗為費(fèi)時，而不適于商品化。此外，由于標(biāo)的物溫度計算的依據(jù)非為直接來自標(biāo)的物的絕度對輻射量，而是利用焦電感測元件的感應(yīng)信號，故此溫度計非為絕對輻射溫度計。
另外，在美國專利第4,790,324號及第4,602,642號中，均利用受到溫控保持于恒溫的黑體以校正溫度計。其缺點(diǎn)與在美國專利第4,797,840號中，利用受到溫控保持于恒溫的加熱元件，來求取標(biāo)的物的溫度的方式大致相同。
在美國專利第4,900,162號的紅外輻射測溫系統(tǒng)中，設(shè)有一輻射檢測器及用以加熱、冷卻該輻射檢測器使后者保持于恒溫的一加熱冷卻單元，當(dāng)一和輻射檢測器與標(biāo)的物兩者的溫度差成比例的歸零輻射計信號達(dá)到零時，即判斷該溫度差為零，而可由溫度已知的輻射檢測器求出標(biāo)的物的溫度。由于加熱、冷卻作業(yè)須消耗大量的電流，故此一檢溫系統(tǒng)亦存在使用成本高、不易小型化的問題。
在美國專利第4,907,895號中，揭露一紅外輻射溫度計用的切光器，該切光器是由一馬達(dá)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，而須耗費(fèi)大量電源，因而造成與前述相同的缺點(diǎn)。并且因其未施行校正，長時間的穩(wěn)定性仰賴于高穩(wěn)定性的昂貴元件，而造成制造成本提高。
在美國專利第4,993,424號的紅外醫(yī)用輻射溫度計中，利用一樞接于探針前端的校正板供作校正之用，該校正板亦須受到加熱保持于恒溫，而須耗費(fèi)大量電源，因而造成使用成本高、不易小型化等缺點(diǎn)。
在美國專利第5,127,742號的輻射溫度計中，利用一受到溫控保持于恒溫的快門，其目的在提供一不受環(huán)境溫度影響的溫度計及增大溫度計的量測溫度范圍。此一設(shè)計，除了前述加熱施行溫控作業(yè)的缺點(diǎn)外，更存在有一問題是要將加熱用的電線連接至一高速動作的快門還是困難的事。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種以標(biāo)的物的絕對輻射量求得標(biāo)的物溫度的非接觸式溫度計，其藉由已知的電加熱的能量，直接估算由標(biāo)的物的紅外輻射所施于焦電感測元件的絕對輻射量，并依該絕對輻射量計算標(biāo)的物的溫度，因而溫度計量的結(jié)果不受焦電元件響應(yīng)度(responsivity)的影響。
本發(fā)明的目的之二，在于提供一種耗電量小，成本低的溫度計。
本發(fā)明的目的之三，在于提供一種光加熱與電加熱均實(shí)施于同一元件，而可達(dá)到精確溫度量測結(jié)果的溫度計。
本發(fā)明的目的之四，在于提供一種測量靈敏的溫度計，只須對準(zhǔn)標(biāo)的物一秒鐘即能完成溫度量測。
本發(fā)明的目的之五，在于提供一種雜音小的溫度計，利用與系統(tǒng)電源隔絕的浮接電源施行電加熱，而可有效地降低電源雜音。
本實(shí)用新型的種輻射式溫度計，包括一感測裝置，用以感應(yīng)由外界電源所加的電能而產(chǎn)生第一組感應(yīng)信號及感應(yīng)來自外界標(biāo)的物的紅外輻射以產(chǎn)生第二組感應(yīng)信號；一切光器，設(shè)于標(biāo)的物與感測裝置間，受控制而移動，以開放或遮斷紅外輻射朝向感測裝置的通路；一電能激勵器，用以施加電能于所述感測裝置；及一信號處理裝置，用以處理感測裝置所產(chǎn)生的第二組感應(yīng)信號及第一組感應(yīng)信號，再計算出來自標(biāo)的物而為感測裝置所接收到的紅外輻射量，并據(jù)以求出標(biāo)的物的溫度。
結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的特征說明如下附圖簡單說明圖1為一習(xí)用焦電型電校式輻射溫度計的構(gòu)成的方塊圖。
圖2A為圖1所示習(xí)用及本發(fā)明的輻射溫度計中均采用的一焦電感測元件的詳細(xì)構(gòu)造的剖視圖。
圖2B為圖2A所示焦電感測元件的等效電路圖。
圖3為顯示另一習(xí)用焦電型輻射溫度計的校正電路的電路方塊圖。
圖4為校正作業(yè)時，對于焦電感測元件所施加的電校正信號及由焦電感測元件所產(chǎn)生的感應(yīng)電信號示意圖。
圖5A本發(fā)明的一實(shí)施例的絕對輻射溫度計的電路方塊圖。
圖5B為圖5A的簡化方塊圖。
圖6A將圖2A與圖2B所示焦電感測元件加以改良，使讀出電極與加熱端子分開設(shè)置的感測裝置示意圖。
圖6B為將圖6A所示感測裝置加以改良的第一型抗顫噪音感測裝置的示意圖。
圖6C為將圖6B所示第一型的抗顫噪音感測裝置予以簡化的感測裝置示意圖。
圖7A為略異于圖6C的第二型抗顫噪音感測裝置的示意圖。
圖7B為圖7A所示感測裝置的一變形。
圖8A為本發(fā)明中所采用的一電能激勵器的示意圖。
圖8B為圖6C所示的抗顫噪音感測裝置與圖8A所示電能激勵器及感應(yīng)信號放大器的連接示意圖。
圖9為本發(fā)明中所采用的另一電能激勵器的示意圖。
圖10A為本發(fā)明的輻射式溫度計中采用的另一種焦電感測元件的詳細(xì)剖視圖。
圖10B為圖10A所示焦電感測元件的等效電路圖。
圖11A為采用圖10A與圖10B所示焦電感測元件的第三種抗顫噪音感測裝置的示意圖。
圖11B為將圖11A簡化結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為采用圖10A與圖10B所示焦電感測元件的第四抗顫噪音感測裝置的示意圖。
首先，參照圖5A詳細(xì)說明依本發(fā)明的一實(shí)施例的輻射式溫度計的組成。如圖5A所示，此溫度計包括一感測元件10，用以接受來自外界電源的電加熱或來自外界標(biāo)的物1(輻射源)的光加熱，并于外接電路產(chǎn)生一感應(yīng)電流；切光器63，設(shè)于標(biāo)的物1和感測元件10之間，可受控制上、下移動，以開放或遮蔽自標(biāo)的物1朝向感測元件10輻射的紅外光的通路；中空圓管狀的導(dǎo)波器90，用以引導(dǎo)由標(biāo)的物1發(fā)出的紅外輻射，使其到達(dá)感測元件10處；感應(yīng)信號放大器51，與感測元件10相連接，用以將感測無件10所產(chǎn)生的感應(yīng)電流予以放大；切光器驅(qū)動機(jī)構(gòu)64，用以驅(qū)動切光器63上、下移動，以開放或遮蔽紅外光的通路；切光器驅(qū)動電路65，用以驅(qū)動該切光器驅(qū)動機(jī)構(gòu)64；環(huán)境溫度感測器61，用以量測環(huán)境溫度；溫度信號放大器62，用以將環(huán)境溫度的信號予以放大；功率量測器58，用以量測施加于感測元件10的電能的大小；電能激勵器57，用以施加電能于感測元件10；模擬多工器52，用以選擇性地將來自溫度信號放大器62、感應(yīng)信號放大器51或功率量測量器58中的信號輸入至A/D變換器53；微處理機(jī)54，用以發(fā)出控制信號等至A/D變換器53、模擬多工器52或電能激勵器57或經(jīng)放大器59至驅(qū)動電路65，并處理來自模擬多工器52再經(jīng)A/D變換器53變換為數(shù)字信號的數(shù)據(jù)；儲存器55與微處理機(jī)54連結(jié)，用以供微處理機(jī)54存取數(shù)據(jù)；顯示器56，與微處理機(jī)54連結(jié)，用以顯示微處理機(jī)54所提供的數(shù)據(jù)；及啟動按紐60，用以啟動微處理機(jī)54。另外，設(shè)有一大熱容量容器66，用以將感測元件10及環(huán)境溫度感測器61等收納于其內(nèi)，以降低環(huán)境溫度變化對焦電感測元件的焦電系數(shù)的影響。圖5B為圖5A的簡化方塊圖。于圖5B中，將圖5A所示第一實(shí)施例的輻射式溫度計構(gòu)成的方塊圖中，和本發(fā)明特征較不相關(guān)的部分，納入一方塊80中，簡稱之為“信號處理裝置”。
其次，說明本發(fā)明中對于感測裝置構(gòu)造的進(jìn)一步改良。在圖2B所示的焦電感測元件，若直接以電阻材料層12與底部電極13作為提取焦電材料層11所感應(yīng)的焦電信號用的讀出電極，則因?yàn)榻闺姼袦y元件的電容性，使加熱電阻材料層的電訊號易于耦合至真正的焦電信號，而擾亂該焦電信號。因此，適宜如圖6A所示，在電阻材料層12兩邊的加熱端子T1、T2并聯(lián)連接另一電阻材料層(可變電阻)VR，以引線A1、A2自其兩連接點(diǎn)接出，經(jīng)功率量測器58連至電能激勵器57(參考圖5A、5B)。另以一滑動電極M觸接于電阻材料層VR，其觸接位置須受到適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使電阻材料層VR與電阻材料層12構(gòu)成一平衡電橋，以避免電容耦合信號擾亂到測取的焦電信號?；瑒与姌OM被視為一虛擬讀出電極，與原有讀出電極即底部電極13分別由引線A3、A4連接至感應(yīng)信號放大器51(參考圖5A、5B)，以在不受加熱信號擾亂情況下提取焦電信號，并將該信號送至信號放大器51。如此，而構(gòu)成圖6A所示的感測裝置100A。
在焦電感測元件的利用上，另存在有顫噪音(Microphonic)的問題。詳言之，所有的焦電材料均為壓電材料，亦即，當(dāng)其受到機(jī)械應(yīng)力時會產(chǎn)生感應(yīng)表面電荷，同時并在加于焦電感測元件的負(fù)載產(chǎn)生壓電信號。所以由壓電材料所制成的焦電感測元件不僅受到溫度變化的影響，亦受到因振動所造成的焦電材料形變的影響，而產(chǎn)生感應(yīng)表面電荷。由負(fù)載所生的壓電信號即是由焦電信號與壓電信號所混合而成的。為了消除不必要的壓電信號，可將圖6A的感測裝置100A改良成如圖6B所示第一型抗顫噪音的感測裝置10B。其方式將是兩焦電感測元件依其極化方向(即圖中箭頭方向)一正一反并聯(lián)起來，使兩焦電感測元件的壓電信號互相抵消。由于圖中右側(cè)的焦電感測元件并不受電加熱，且不用來接收紅外輻射，故可免設(shè)平衡電橋，而成為如圖6B的構(gòu)造。或進(jìn)一步省去或其電阻材料層及黑色包覆層，而代以一頂部電極p，成為圖6C所示的感測裝置100C。此感測裝置100C包含圖中左側(cè)的第一焦電感測元件10L、右側(cè)的第二焦電感測元件10R及可變電阻VR。而第一焦電感測元件10L用以接收來自標(biāo)的物的紅外輻射及由電能激勵器所施加的電能。第一焦電感測元件10L包括一第一焦電材料層11L；一第一電阻材料層12，設(shè)于該第一焦電材料層11L一側(cè)；一第一加熱端子T1，設(shè)于第一電阻材料層12的一邊；一第二加熱端子T2，設(shè)于第一電阻材料層12的另一邊；一第一底部電極13L，設(shè)于第一焦電材料層11L的另一側(cè)；及一黑色包覆層16，連附于第一電阻材料層12與焦電材料層11L相反側(cè)，用以吸收來自外界標(biāo)的物的紅外輻射，再傳熱至第一焦電材料層11L。第二焦電感測元件10R包括；一第二焦電材料層11R；一頂部電極P，設(shè)于第二焦電材料層11R一側(cè)；一第二底部電極13R，設(shè)于第二焦電材料層11R的另一側(cè)?？勺冸娮鑆R包括一第二電阻材料層，具有第一端部S1及第二端部S2；一滑動電極M，滑接于第二電阻材料層的上部，而可沿著該上部在第一端部S1與第二端部S2間滑動；且滑動電極M的位置經(jīng)適當(dāng)調(diào)整，落于第一端部S1與第二端部S2間的一適當(dāng)點(diǎn)上，而與第一電阻材料層12構(gòu)成一平衡電橋，滑動電極M構(gòu)成一虛擬讀出電極。第一端部S1與第一加熱端子T1相連接于一第一接點(diǎn)N1，而第二端子S2與第二加熱端子T2相連接于一第二接點(diǎn)N2，且第一接點(diǎn)N1及第二接點(diǎn)N2均連至電能激勵器57或57A(參考圖5B或8B)。頂部電極P與第一底部電極13L具有相反的極性且連接于一第四接點(diǎn)N4；虛擬讀出電極M及第四接點(diǎn)N4分別以引線A3、A4連至包含于信號處理裝置80內(nèi)的感應(yīng)信號放大器51(參考8B)。且第二底部電極13R連接于第一加熱端子T1或經(jīng)二加熱端子T2或虛擬讀出電極M三者中之一。由于電阻材料層表面已有足夠的輻射發(fā)射率，故于某些情況下，在左側(cè)的焦電感測元件10L亦可省略高輻射率的黑色包覆層16。
圖7A為略異于圖6C的一第二型的抗顫噪音感測裝置100D的示意圖。將圖6C所示，原本為并聯(lián)的兩焦電感測元件改為串聯(lián)連接，兩焦電感測元件底部電極相互連接，且引線A4自左側(cè)焦電感測元件頂部電極拉出。其他構(gòu)造均與圖6C相同。圖7B顯示由圖7A所示感測裝置100D加以變形而成的另一感測裝置100D’。原本在感測裝置100D中為分開設(shè)置的左右兩焦電感測元件的焦電材料層，在此一感測裝置100D’中改為成一體設(shè)置。
本發(fā)明，由于利用前述抗顫噪音感測裝置可能達(dá)到消除壓電信號對于欲測取的焦電信號的影響的效果，但因?yàn)榻闺姼袦y元件的加熱電源與感應(yīng)信號放大器51的一輸入端連接(參考圖8B及后面的說明)，若該加熱電源未與系統(tǒng)的電源相隔絕，則須采用昂貴的差動放大式感應(yīng)信號放大器，才能避免加熱信號擾亂到焦電信號。作為此等隔絕的加熱電源的電能激勵器的實(shí)例顯示于圖8A與圖9。
圖8A為本發(fā)明中所采用的一種電能激勵器的示意圖。圖8B為圖6C所示的抗顫噪音感測裝置100C與圖8A所示電能激勵器57A及感應(yīng)信號放大器51的連接方式的示意圖。圖8A示的電源激勵器57A包括一電容器571及一雙刀雙擲開關(guān)572，設(shè)在電容器571與功率量測量器58之間。雙刀雙投開關(guān)572可為MOS開關(guān)或機(jī)械式開關(guān)，且可受信號處理裝置80控制而選擇性地在第一位置(圖中實(shí)線所示位置)與第二位置(圖中虛線所示位置)間被切換。當(dāng)其位于第一位置時，電容器571通過開關(guān)572而與信號處理裝置80的電源電性連接，以對電容器571充電至一精確的電壓值。如圖8B及8A所示，當(dāng)開關(guān)572位于第二位置時，電容器571由開關(guān)572、功率量測器58及引線A1、A2而與圖6C所示的抗顫噪音感測裝置100C的加熱端子T1、T2連結(jié)?？诡澰胍舾袦y裝置100C另以引線A3、A4連接至感應(yīng)信號放大器51的輸入端。
在圖8A及8B所示的本發(fā)明中所采用的電能激勵器，僅藉由以一電容器571及一雙刀雙擲開關(guān)572組成的簡單構(gòu)造，不須采用習(xí)知技術(shù)中所用的昂貴的隔離放大器(參考圖1)及差動信號放大器，即可提供對焦電感測裝置施行電校正所須的電加熱，而能以低制造成本達(dá)到高精度的電校正。且此一設(shè)計所用的電加熱功率在0.1mW以下，遠(yuǎn)較美國專利第4,797,840號中所采用須要施行溫控的加熱元件等習(xí)知技術(shù)中所耗費(fèi)的電能(100mW以上)為低，而能大幅度降低使用成本。
圖9為本發(fā)明中所采用的另一種電能激勵器的構(gòu)造示意圖。圖示的電源激勵器57B包括一電池576及一單刀單擲開關(guān)577，開關(guān)577可受信號處理裝置80的控制而開閉，以控制電池576是否供應(yīng)電流至感測裝置的加熱端子。
在圖5A及5B所示本發(fā)明的輻射式溫度計的感測元件，除可采用圖2A、2B所示型式的感測元件外，亦可采圖10A、10B所示的另一型式的感測元件。圖10A為本發(fā)明中所采用的第二型式的焦電感測元件70的詳細(xì)構(gòu)造的剖視圖。圖10B為其等效電路圖。此兩圖所示的感測元件70主要包含一焦電材料層71，于受加熱致溫度上升時，會在其上感應(yīng)產(chǎn)生非平衡的暫態(tài)電荷；一頂部電極78，設(shè)于焦電材料層71一側(cè)；一底部電極73，設(shè)于焦電材料層的另一側(cè)，可利用引線使焦電材料層71所感應(yīng)產(chǎn)生的電荷流至外部電路；一電阻材料層72，與焦電材料層71設(shè)于頂部電極78的相反側(cè)；一第一加熱端子T1及一第二加熱端子T2，分別設(shè)于電阻材料層72兩側(cè)；一絕緣層77，設(shè)于電阻材料層72和頂部電極78之間，用以將兩者隔絕；一黑色包覆層76，連附于電阻材料層72與絕緣層77相反側(cè)，用以吸收來自標(biāo)的物的紅外輻射，再傳熱至焦電材料層71。
換言之，此感測元件70與前述感測元件10的唯一不同點(diǎn)，是將接受加熱用的電阻材料層72與頂部電極78分開設(shè)置，并以絕緣層77將兩者隔絕，藉以避免壓電信號與焦電信號混雜在一起。如同前述，為了消除不必要的壓電信號，可將兩焦電感測元件依其極化方向(即圖中箭頭方向)一正一反在其頂部電極與底部電極并聯(lián)起來(參考圖11A)，而得到第三型的抗顫噪音感測裝置100E。換言之，將左側(cè)感測元件的頂部電極與右側(cè)感測元件的底部電極連接于一接點(diǎn)，且將該右側(cè)感測元件的頂部電極與左側(cè)感測元件的底部電極連接于另一接點(diǎn)，并分別以引線A3、A4將該兩接點(diǎn)連至信號處理裝置80。且利用引線A1、A2自左側(cè)焦電感測元件的兩加熱端子T1、T2接出，經(jīng)功率量測器58連至電能激勵器57(參考圖5A、5B)，以加熱其電阻材料層72。由于圖中右側(cè)的焦電感測元件并不受電加熱，且不用來接收紅外輻射，故可免設(shè)絕緣層、電阻材料層及黑色包覆層，成為圖11B所示的感測裝置100F。又由于電阻材料層表面已有足夠的輻射發(fā)射率，故于某些情況下，在右側(cè)的焦電感測元件亦可省略高輻射發(fā)射率的黑色包覆層。
圖12為略異于圖11B的第四型的抗顫噪音感測裝置100G的示意圖。將圖11B中，原本為并聯(lián)的兩焦電感測元件改為串聯(lián)連接，兩焦電感測元件底部電極相互連接。引線A3自左側(cè)感測元件的頂部電極直接拉出，且引線A4自右側(cè)感測元件的頂部電極拉出。其他構(gòu)造均與圖11B相同。
參看圖2A，光加熱施于黑色包覆層16，電加熱施于電阻材料層12，此兩層極為接近，只要保持黑色包覆層16的熱傳導(dǎo)率高，則光加熱與電加熱可為“等效的”(光加熱與電加熱的對等性)Et/Ee＝Fr×Vt/Ve其中Fr＝1.00±0.02(一常數(shù))Et＝光加熱功率Ee＝電加熱功率Vt＝光加熱于感測元件時自A/D變換器53輸出的感應(yīng)信號(參考圖5A)Ve＝電加熱于感測元件時自A/D變換器53輸出的感應(yīng)信號(參考圖5A)Ve＝電加熱于感測元件時A/D變換器53輸出的感應(yīng)信號(參考圖5A)又由Stefan-Blotzmann Law可知Et＝Kf×δ×(Tt4-Ta4)Et＝Ka×(Tt4-Ta4)……(a)其中Ka＝Kf×δσ＝5.67×10-8W/M2/°K4Kf為一“光耦合常數(shù)”由系統(tǒng)的光學(xué)配置所決定，其值約為As×Sin(θr)2×εs×ιs其中As＝感測元件的輻射吸收面積θr＝感測元件的視窗角度Field of Viewιs＝感測元件視窗的穿透率εs＝感測元件的輻射吸收率在本發(fā)明中所采用以求出標(biāo)的物的溫度的方式說明如下利用感測裝置中的焦電感測元件的感應(yīng)信號大小和施加于其上的能量成正比的特性，可由已知的電加熱的能量，求得由來自標(biāo)的物的熱輻射對同一焦電感測元件所為的光加熱的能量，進(jìn)而算出標(biāo)的物的溫度。包含如下步驟(1)、量取周圍環(huán)境溫度Ta；(2)、利用該電能激勵器對感測裝置施加一電能，使感測裝置產(chǎn)生第一組感應(yīng)信號Ve；(3)、量測施加于感測裝置電能的大小，并記錄為一標(biāo)準(zhǔn)電能Ee；(4)、開啟切光器，使感測裝置接收來自標(biāo)的物的紅外輻射，并產(chǎn)生第二組感應(yīng)信號Vt，將切光器關(guān)閉；(5)、利用信號處理裝置計算出來自標(biāo)的物的熱輻射量Et。
由光加熱與電加熱的對等性Et/Ee＝Fr×Vt/Ve所以Et＝Ee×Fr×Vt/Ve………(b)(6)、利用信號處理裝置，根據(jù)下列公式計算出標(biāo)的物的溫度Tt；因?yàn)镋t＝Ka(Tt4-Ta4)Tt＝(Et/Ka+Ta4)1/4……(c)(b)代入(c)可解得TtTt＝((Ee×Fr×Vt/Ve)/Ka+Ta4)1/4Tt＝((Ee×Vt/Ve)/Kb+Ta4)1/4……(d)其中，Kb＝Ka/Fr為一常數(shù)，在出廠校準(zhǔn)時可藉由一黑體及已知的Tt而精確量得，Ee亦可精確量得。
由于焦電元件的感度及熱時間常數(shù)的漂移、信號放大器與A/D變換器等參數(shù)的漂移、溫度計的部分構(gòu)成元件的溫度系數(shù)造成的漂移及經(jīng)常與焦電感測裝置一齊使用且極易變動的一極高電阻(約為109歐姆)值的漂移，皆依同一比例的影響Vt及Ve，故Vt/Ve不會隨之漂移，故Tt＝((Ee×Vt/Ve)/Kb+Ta4)1/4亦不會隨之漂移，而可得到精確的標(biāo)的物的溫度Tt，此為本發(fā)明遠(yuǎn)較習(xí)知技術(shù)優(yōu)越之處。
與本發(fā)明相比較，美國專利第4,797,840號，標(biāo)的物溫度Tt是依下式求取Tt＝(Vt/f(Ta)+Ta4)1/4其中，Vt會受前述各種漂移量所影響，而f(Ta)更為周圍環(huán)境溫度Ta的函數(shù)。因此，就可操作溫度范圍、長期穩(wěn)定性及量測量精度等各方面而言，依本發(fā)明的輻射溫度計遠(yuǎn)較前述美國專利為佳。
另考慮到感測裝置、A/D變換器、模擬多工器等的非線性，可在量得Vt及Et后，再作一次電加熱，以進(jìn)一步改善量測結(jié)果的精度。即是在第一次完成前述步驟(1)至(6)，并自(b)式獲得光加熱的功率Et后，進(jìn)一步以接近于所獲得的光加熱功率Et的一嘗試的電加熱功率Ee’，再度執(zhí)行前述步驟(1)至(6)，以將非線性的影響減至最低。
本發(fā)明的輻射式溫度計較習(xí)用輻射溫度計具有如下效果(1)、不受焦電元件感度；熱時間常數(shù)；信號放大器；A/D變換器參數(shù)等漂移的影響。由于標(biāo)的物溫度Tt是以Vl/Ve的比值計算，而上述所有的漂移皆依同一比例影響Vt及Ve，Vt/Ve的比值不受各項(xiàng)漂移的影響，標(biāo)的物溫度Tt亦不受各項(xiàng)漂移的影響。故能以高精度求得標(biāo)的物溫度。
(2)、由于本發(fā)明只須單一光脈沖，每次計量只須切換切光器一次，使耗電減低，且機(jī)構(gòu)簡單體積較小。
(3)、由于光加熱與電加熱均實(shí)施于同一元件，而可達(dá)到較精確的溫度量測結(jié)果。
(4)、由于本發(fā)明溫度計只須對準(zhǔn)標(biāo)的物一秒鐘即能完成溫度量測，不但操作迅速。且可消除環(huán)境溫度變化對焦電系數(shù)的影響。
權(quán)利要求
1.一種輻射式溫度計，包括一感測裝置，用以感應(yīng)由外界電源所加的電能而產(chǎn)生第一組感應(yīng)信號及感應(yīng)來自外界標(biāo)的物的紅外輻射以產(chǎn)生第二組感應(yīng)信號；一切光器，設(shè)于標(biāo)的物與感測裝置間，受控制而移動，以開放或遮斷紅外輻射朝向感測裝置的通路；一電能激勵器，用以施加電能于所述感測裝置；及一信號處理裝置，用以處理感測裝置所產(chǎn)生的第二組感應(yīng)信號及第一組感應(yīng)信號，再計算出來自標(biāo)的物而為感測裝置所接收到的紅外輻射量，并據(jù)以求出標(biāo)的物的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射式溫度計，其特征在于，所述感測裝置包括一第一焦電感測元件及一第二焦電感測元件；第一焦電感測元件用以接收來自標(biāo)的物的紅外輻射及由電能激勵器所施加的電能；第一焦電感測元件包括一第一焦電材料層；一第一頂部電極，設(shè)于第一焦電材料層一側(cè)；一第一底部電極，設(shè)于第一焦電材料層的另一側(cè)；一電阻材料層，與第一焦電材料層設(shè)于第一頂部電極的相反側(cè)；第一加熱端子，設(shè)于電阻材料層的一邊；第二加熱端子，設(shè)于所述電阻材料層的另一邊；一絕緣層，設(shè)于所述電阻材料層和第一頂部電極之間；第二焦電感測元件包括一第二焦電材料層；一第二頂部電極，設(shè)于第二焦電材料層的一側(cè)；一第二底部電極，設(shè)于第二焦電材料層的另一側(cè)；第一頂部電極與第二底部電極具有相反極性且連接于一第四接點(diǎn)，且第二頂部電極與第一底部電極具有相反極性且連接于一第三接點(diǎn)；第三接點(diǎn)及第四接點(diǎn)連至所述信號處算裝置；第一加熱端子及第二加熱端子均被連接至所述電能激勵器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射式溫度計，其特征在于，所述感測裝置包括第一焦電感測元件及第二焦電感測元件；第一焦電感測元件用以接收來自標(biāo)的物的紅外輻射及由電能激勵器所施加的電能；第一焦電感測元件包括一第一焦電材料層；一第一頂部電極，設(shè)于該第一焦電材料層的一側(cè)；一第一底部電極，設(shè)于第一焦電材料層的另一側(cè)；一電阻材料層，與第一焦電材料層設(shè)于第一頂部電極的相反側(cè)；第一加熱端子，設(shè)于電阻材料層的一邊；第二加熱端子，設(shè)于電阻材料層的另一邊；及一絕緣層，設(shè)于電阻材料層和第一底部電極之間；第二焦電感測元件包括一第二焦電材料層；一第二頂部電極，設(shè)于該第二焦電材料層的一側(cè)；一第二底部電極，設(shè)于第二焦電材料層的另一側(cè)；所述第一底部電極與第二底部電極具有相同極性且連接在一起；第一頂部電極與第二頂部電極均被連接至所述信號處理裝置；所述第一加熱端子及第二加熱端子均被連接至所述電能激勵器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射式溫度計，其特征在于，所述感測裝置包括一第一焦電感測元件及一第二焦電感測元件；該第一焦電感測元件用以接收來自標(biāo)的物的紅外輻射及由電能激勵器所施加的電能；第一焦電感測元件包括一第一焦電材料層；一第一電阻材料層，設(shè)于第一焦電材料層一側(cè)，具有一第一加熱端子及一第二加熱端子；及一第一底部電極，設(shè)于第一焦電材料層的另一側(cè)；第二焦電感測元件包括一第二焦電材料層；一頂部電極，設(shè)于第二焦電材料層的一側(cè)；一第二底部電極，設(shè)于第二焦電材料層的另一側(cè)；第一加熱端子及第二加熱端子均連至所述電能激勵器；所述頂部電極與第一底部電極具有相反極性且連接于一第四接點(diǎn)；第四接點(diǎn)連至所述信號處理裝置；所述電能激勵器包括一儲能裝置，一開關(guān)裝置，連接于儲能裝置與感測裝置之間，以選擇性地使儲能裝置對感測裝置施加電能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射式溫度計，其特征在于，所述感測裝置包括第一焦電感測元件及第二焦電感測元件；第一焦電感測元件用以接收來自標(biāo)的物的紅外輻射及由電能激勵器所施加的電能；第一焦電感測元件包括一第一焦電材料層；一第一電阻材料層，設(shè)于第一焦電材料層一側(cè)，具有一第一加熱端子及一第二加熱端子；及一第一底部電極，設(shè)于第一焦電材料層另一側(cè)；所述第二焦電感測元件包括一第二焦電材料層；一頂部電極，設(shè)于第二焦電材料層一側(cè)；一第二底部電極，設(shè)于第二焦電材料層另一側(cè)；所述第一加熱端子及第二加熱端子均連至所述電能激勵器；第一底部電極與第二底部電極具有相同極性且連接在一起；且所述電能激勵器包括一儲能裝置，一開關(guān)裝置，連接于儲能裝置與所述感測裝置之間，以選擇性地使儲能裝置對感測裝置施加電能。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的輻射式雙擲溫度計，其特征在于，所述儲能裝置包括一電容器，所述開關(guān)裝置，包括一雙刀雙擲開關(guān)，所述電能激勵器不對感測裝置施加電能時，電容器經(jīng)過開關(guān)裝置與所述信號處理裝置的電源電連接，以對電容器充電；而當(dāng)電能激勵器對感測裝置施加電能時，經(jīng)過開關(guān)裝置，使電容器僅與感測裝置電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的輻射式溫度計，其特征在于，所述儲能裝置包括一電池，所述開關(guān)裝置，包括一單刀單擲開關(guān)；電能激勵器，通過開關(guān)裝置對感測裝置施加電能。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的輻射式溫度計，其特征在于，所述儲能裝置包括一電容器；所述開關(guān)裝置，包括一雙刀擲開關(guān)；電容器通過開關(guān)裝置與所述信號處理裝置的電源電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的輻射式溫度計，其特征在于，所述儲能裝置包括一電池；所述開關(guān)裝置，包括一單刀單擲開關(guān)；所述電能激勵器通過開關(guān)裝置對感測裝置施加電能。
10.一種利用權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的輻射式溫度計施行溫度量測的方法，主要包括如下各步驟(1)、量取環(huán)境溫度Ta；(2)、利用所述電能激勵器對所述感測裝置施加一電能，使感測裝置產(chǎn)生第一組感應(yīng)信號Ve；(3)、量測施加于所述感測裝置的電能的大小，并記錄為一標(biāo)準(zhǔn)電能Ee；(4)、開啟所述切光器，使所述感測裝置接收來自標(biāo)的物的紅外輻射，并產(chǎn)生第二組感應(yīng)信號Vt，將切光器關(guān)閉；(5)、利用所述信號處理裝置，根據(jù)下式計算出標(biāo)的物的溫度Tt；Tt＝((Ee×Vt/Ve)/Kb+Ta4)1/4其中，Kb為一常數(shù)
全文摘要
一種輻射式溫度計,包括:一感測裝置,用以感應(yīng)由外界電源所加的電能而產(chǎn)生第一組感應(yīng)信號及感應(yīng)來自外界標(biāo)的物的紅外輻射以產(chǎn)生第二組感應(yīng)信號;一切光器,設(shè)于標(biāo)的物與感測裝置間;一電能激勵器,用以施加電能于所述感測裝置;及一信號處理裝置,用以處理所述感應(yīng)信號,再計算出感測裝置所接收到的紅外輻射量,并據(jù)以求出標(biāo)的物的溫度。感測元件由二個以其極化方向正反并聯(lián)或串聯(lián)連接的焦電感測元件組成,以消除感測裝置產(chǎn)生的噪音。
文檔編號G01J5/52GK1182208SQ9612069
公開日1998年5月20日 申請日期1996年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月8日
發(fā)明者曹琦, 謝正雄, 黃幼謙, 梁家雨, 林三寶, 歐陽盟, 游如淵 申請人:眾智光電科技股份有限公司, 光磊科技股份有限公司, 全磊實(shí)業(yè)股份有限公司