專利名稱：一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器。此導(dǎo)波器位于待測(cè)溫的耳膜及耳溫計(jì)的紅外線感應(yīng)器之間，用以引導(dǎo)耳膜發(fā)出的紅外線至感應(yīng)器處。
在此，先描述利用感應(yīng)紅外線來(lái)測(cè)量待測(cè)物(例如耳膜)溫度的原理當(dāng)紅外線感應(yīng)器接收到待測(cè)物發(fā)出的紅外線時(shí)，它將依據(jù)兩個(gè)溫度…感應(yīng)器溫度Ts及待測(cè)物溫度Tt……產(chǎn)生電子訊號(hào)。此一溫度與電子訊號(hào)間的關(guān)系可以用斯蒡芬一玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律來(lái)表示Vdet＝kεtεs(Tt-Ts)(a)其中Vdet為感應(yīng)器所產(chǎn)生的電子訊號(hào)，εt及εs分別為待測(cè)物及感應(yīng)器的放射率，k則是一個(gè)常數(shù)(主要由光耗合所決定)。
若位于待測(cè)物及感應(yīng)器間的導(dǎo)波器其溫度與感應(yīng)器的溫度不同，那么目標(biāo)物與感應(yīng)器間因?yàn)檩椛渌斐傻臒峤粨Q(可由前述Stefan-Boltzmann定律求得)也必須考慮，以求得正確的待測(cè)物溫度。
紅外線耳溫計(jì)的紅外線測(cè)量其主要的目的在于決定待測(cè)物溫度Tt從方程式(a)中可知，要求得Tt，必須先決定紅外線感應(yīng)器產(chǎn)生的電子訊號(hào)值Vdet及感應(yīng)器溫度Ts。
從待測(cè)物發(fā)出的紅外線通常以一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(導(dǎo)波器)導(dǎo)引至紅外線感應(yīng)器。為了能夠精確的測(cè)量到訊號(hào)Vdet，從待測(cè)物發(fā)出的紅外線必須是絕對(duì)而且不受干擾的。若導(dǎo)波器溫度與感應(yīng)器溫度不同，那么目標(biāo)物與感應(yīng)器間因?yàn)檩椛渌斓臒峤粨Q(可由前述Stefan-Boltzmann定律求得)也必須考慮，以求得正確的待測(cè)物溫度。因而要得到精確的紅外線測(cè)量，也必須達(dá)到下列要件的要求(1)從待測(cè)物發(fā)出透過(guò)中間光學(xué)系統(tǒng)的紅外線，必須盡可能較多量為紅外線感應(yīng)器所接收到；
(2)感應(yīng)器所接收的紅外線必須近乎完全來(lái)自待測(cè)物(例如耳膜)而非來(lái)自環(huán)境(例如耳道)；(3)由測(cè)溫系統(tǒng)中的導(dǎo)波器(導(dǎo)波器溫度與感應(yīng)器溫度Ts不同)所發(fā)出的雜散輻射必須降至最低，否則其造成的影響也應(yīng)該在計(jì)算待測(cè)物溫度時(shí)加以考慮。
因此，在測(cè)量待測(cè)物溫度時(shí)為了符合上述要件(1)，從待測(cè)物放射出的紅外線，在通過(guò)反射式光學(xué)系統(tǒng)(例如內(nèi)層表面鍍金的管狀導(dǎo)波器)到達(dá)感應(yīng)器之前，其反射次數(shù)愈少愈好。
除此之外，為了符合上述要件(2)，感應(yīng)器所接收到的紅外線中來(lái)自待測(cè)物(耳膜)周邊環(huán)境(例如耳道)的紅外線比例也是愈低愈好，以免影響到所測(cè)得待測(cè)物溫度的正確性。為了適當(dāng)?shù)脑u(píng)估上述比例，下文中將引用測(cè)溫系統(tǒng)的“系統(tǒng)視角”概含及相關(guān)的“光線追跡”(用來(lái)分析系統(tǒng)視角)技術(shù)，簡(jiǎn)介如下“光線追跡”是從相反的方向來(lái)追跡一組來(lái)自各種可能方向，通過(guò)位于待測(cè)物及感應(yīng)器間的導(dǎo)波器，然后被感應(yīng)器接收的紅外線?？梢越逵纱思夹g(shù)查出被接收的紅外線來(lái)自何處。依據(jù)“光線追跡”的結(jié)果(參考

圖1B，2，3，4，5B及6B)，我們可以清楚的看到此光學(xué)系統(tǒng)中每一條紅外線的軌跡；此光學(xué)系統(tǒng)的雜散輻射隨著光學(xué)系統(tǒng)中紅外線反射次數(shù)的增加而增加(此光學(xué)系統(tǒng)為反射式)。下文中的方程式(7)將有更進(jìn)一步探討。除此之外，依據(jù)“光線追跡”的結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)某些測(cè)溫系統(tǒng)其感應(yīng)器所接收的紅外線大多來(lái)自待測(cè)物，而在其他測(cè)溫系統(tǒng)其感應(yīng)器所接收的紅外線則大多來(lái)自環(huán)境而非來(lái)自待測(cè)物本身。前面提到的測(cè)溫系統(tǒng)的“系統(tǒng)視角”可概略定義為感應(yīng)器所接收的總紅外線輻射(或紅外線)中來(lái)自環(huán)境的紅外線輻射(或紅外線)所占的比例。因?yàn)榇郎y(cè)物(耳膜)環(huán)境(例如耳道)的溫度通常與待測(cè)物溫度不同(差異可達(dá)4°F)，測(cè)溫系統(tǒng)的“系統(tǒng)視角”將會(huì)影響待測(cè)物溫度的測(cè)量準(zhǔn)確度。也就是說(shuō)，只有在測(cè)溫系統(tǒng)擁有非常窄的“系統(tǒng)視角”時(shí)才會(huì)擁有高精確度。
在美國(guó)專利第4,797,840號(hào)(名稱為“Infrared Electronic Thermometer and Method for Measuring Temperature”中，提出一種由一根直管(整雙直管的直徑均相同)所制成的導(dǎo)波器(功能如同上述的光學(xué)系統(tǒng))，于下文中將以“簡(jiǎn)單直管”表示。圖1A顯示使用此導(dǎo)波器1的實(shí)際狀況。導(dǎo)波器1位于紅外線感應(yīng)器2與耳膜0(待測(cè)物)之間；位于感應(yīng)器2和導(dǎo)波器1之間的光閘5(只有瞬時(shí)反應(yīng)感應(yīng)器需要，可控制上下移動(dòng))用來(lái)控制是否讓紅外線通過(guò)導(dǎo)波器1。如圖1B所示，經(jīng)由“光線追跡”本測(cè)溫系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)事實(shí)。首先，大多數(shù)紅外線的反射次數(shù)大于2。其次，在感應(yīng)器所接收的紅外線中有非?？捎^的部分是來(lái)自環(huán)境3而非耳膜0。也就是說(shuō)此測(cè)溫系統(tǒng)的“系統(tǒng)視角”非常寬。因此這種測(cè)溫系統(tǒng)無(wú)法符合上述精確測(cè)量紅外線輻射的要件1及件2的要求。除此之外，雖然隨反射次數(shù)增加而加強(qiáng)的雜散輻射并不可以忽略，在美國(guó)專利號(hào)碼4,797,840的專利中卻沒有適當(dāng)?shù)目紤]雜散輻射的影響。也無(wú)法符合上述要件(3)的要求。
美國(guó)專利號(hào)碼5,024,533的專利中提出在導(dǎo)波器上再加裝一個(gè)溫度感應(yīng)器，以將導(dǎo)波器溫度上升對(duì)雜散輻射造成的影響納入計(jì)算。然而再加裝一個(gè)溫度感應(yīng)器將會(huì)顯著的提高成本。
在美國(guó)專利號(hào)碼5,368,038的專利中提出以紅外線輻射可穿透折射棒所制造的導(dǎo)波器。圖2，3及4分別顯示平面，凸面及凹面折射棒的“光線追跡”結(jié)構(gòu)與狀態(tài)?！肮饩€追跡”的結(jié)果顯示這些使用折射棒的測(cè)溫系統(tǒng)都有頗大的“系統(tǒng)視角”，因而也無(wú)法符合上述要件(2)的要求。另外用來(lái)制造這種導(dǎo)波器所用的高穿透性紅外線輻射可穿透材質(zhì)非常昂貴，增加整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的成本。
在此先將下文中提到的“感應(yīng)器視角”作一解釋。感應(yīng)器的“感應(yīng)器視角”可定義為“半域半角”(“Half Magnitude Halfangle”(HMHA))。參照?qǐng)D9A與9B來(lái)解釋視角的偵測(cè)法，圖9A顯示如何偵測(cè)感應(yīng)器的“感應(yīng)器視角”，圖9B顯示偵測(cè)結(jié)果。如圖9A所示，在偵測(cè)“半域半角”的過(guò)程中，待測(cè)物T原本位于與感應(yīng)器N垂直的直線V上，開始繞著紅外線感應(yīng)器N左右移動(dòng)(待測(cè)物T與感應(yīng)器N間的距離固定)。移動(dòng)中待測(cè)物T的位置可以用直線V和直線L(連接待測(cè)物T與感應(yīng)器N中心點(diǎn)的直線)間的夾角θ來(lái)表示。接收到待測(cè)物T位于不同位置發(fā)出的紅外線后，感應(yīng)器N產(chǎn)生反應(yīng)訊號(hào)的強(qiáng)度M被偵測(cè)并記錄成θ的方程式M(θ)。圖9B將偵測(cè)結(jié)果，方程式M(θ)，以相對(duì)極座標(biāo)表示。于θ＝0°時(shí)測(cè)得的感應(yīng)器反應(yīng)訊號(hào)的強(qiáng)度M定為Mo在Mh＝(1/2)Mo的地方，此位置定義為θh。此特殊的角度θ則定義為感應(yīng)器N的“感應(yīng)器視角”。當(dāng)感應(yīng)器N與上述的導(dǎo)波器共同使用于一測(cè)溫系統(tǒng)時(shí)，有效“感應(yīng)器視角”將受到導(dǎo)波器位置與大小的限制。如圖9C所示，若感應(yīng)器N的垂直線V和直線I(連接導(dǎo)波器W的出口及感應(yīng)器N)間的夾角θw比θh小，則感應(yīng)器N的有效“感應(yīng)器視角”會(huì)縮小成θw，而非θh。
美國(guó)專利號(hào)碼5,522,262的專利中提出犧牲“感應(yīng)器視角”來(lái)縮小測(cè)溫系統(tǒng)“系統(tǒng)視角”的方法。在感應(yīng)器前面放置一片窗體(包含一個(gè)讓紅外線通過(guò)的小窗口及紅外線遮蔽區(qū)域)以縮小“感應(yīng)器視角”。此設(shè)計(jì)大大的降低到達(dá)感應(yīng)器的輻射能量。在此專利中我們了解此設(shè)計(jì)會(huì)減少感應(yīng)器的接收，而且當(dāng)視角的角度(即紅外線窗)過(guò)小時(shí)會(huì)出現(xiàn)不良的“訊號(hào)/雜訊”比。
鑒于上述常規(guī)技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型主要目的是提出一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，其紅外線反射次數(shù)及雜散輻射都被減低。和美國(guó)專利號(hào)碼4,797,840的專利中提出的直管導(dǎo)波器比較起來(lái)，更符合上述精確測(cè)量紅外線輻射的要件(1)的要求。
本實(shí)用新型又一目的是提出擁有更窄“系統(tǒng)視角”的一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，和美國(guó)專利號(hào)碼4,797,840及5,368,038的專利中提出的導(dǎo)波器比較起來(lái)，更符合上述精確測(cè)量紅外線輻射的要件(2)的要求。
本實(shí)用新型的另一個(gè)目的是提出一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，其可以容忍導(dǎo)波器與感應(yīng)器間較大程度的熱不平衡。
本實(shí)用新型的另一個(gè)目的提出一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，其附件的光閘只須要較小的行程及移動(dòng)速度。于是光閘機(jī)構(gòu)及整個(gè)溫度計(jì)可以有較小的體積，同時(shí)因?yàn)楣忾l移動(dòng)的振動(dòng)所造成的麥克風(fēng)噪音也可以降低。
本實(shí)用新型另一個(gè)目的是提出一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，其感應(yīng)器可以接收到較多的輻射，因而有較高的S/N比。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案在于提供一種由兩端開口的長(zhǎng)中空體制成的耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，此導(dǎo)波器具有高反射性內(nèi)層表面，大略為一個(gè)截去長(zhǎng)軸兩端的橢圓體形。此導(dǎo)波器位于待測(cè)溫度的耳膜及耳溫計(jì)的紅外線感應(yīng)器之間，從而引導(dǎo)耳膜發(fā)出的紅外線至感應(yīng)器處。另外，該類橢圓體形中空體的長(zhǎng)軸與短軸比的范圍約為3到10之間。
除此之外，本實(shí)用新型的技術(shù)方案還在于提供一種由具有高反射性內(nèi)層表面的長(zhǎng)中空體制成的耳溫計(jì)導(dǎo)波器。此導(dǎo)波器位于待測(cè)溫度的耳膜及耳溫計(jì)的紅外線感應(yīng)器之間，從而引導(dǎo)耳膜發(fā)出的紅外線至感應(yīng)器處。此導(dǎo)波器的感應(yīng)器端其內(nèi)徑為漸縮設(shè)計(jì)，此一漸縮端部分可能為半個(gè)截去長(zhǎng)軸端的橢圓體形。另外，此一漸縮端部分宜占導(dǎo)波器全長(zhǎng)的1/10至1/3。
除此之外，本實(shí)用新型的技術(shù)方案更提供一種由具有高反射性內(nèi)層表面的長(zhǎng)中空體制成的耳溫計(jì)的導(dǎo)波器。此導(dǎo)波器位于街測(cè)溫度的耳膜及耳溫計(jì)的紅外線感應(yīng)器之間，從而引導(dǎo)耳膜發(fā)出的紅外線至感應(yīng)器處。此導(dǎo)波器的特征為更包括一個(gè)朝感應(yīng)器側(cè)內(nèi)徑漸縮的分離式中空體。此內(nèi)徑漸縮中空體和長(zhǎng)中空體對(duì)正，在使用時(shí)其較大的一端會(huì)和長(zhǎng)中空體相連接。
本實(shí)用新型與已有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)和積極效果非常明顯，由上述技術(shù)方案可知本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于較低的雜散輻射、更窄的系統(tǒng)視角、可以容忍導(dǎo)波器與感應(yīng)器間較大程度的熱不平衡、較低的麥克風(fēng)噪音、及感應(yīng)器可以接收到較多的輻照度(較高的S/N比)。
下面參照附圖通過(guò)最佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。附圖中圖1A顯示常規(guī)的美國(guó)專利號(hào)碼4,797,840專利中揭露的直管導(dǎo)波器結(jié)構(gòu)；圖1B顯示圖1A中導(dǎo)波器的“光線追跡”的結(jié)果；圖2顯示美國(guó)專利號(hào)5,368,038的專利中提出的平端面折射棒制成的導(dǎo)波器的“光線追跡”結(jié)果；圖3顯示美國(guó)專利號(hào)碼5,368,038的專利中提出的凸端面折射棒制成的導(dǎo)波器的“光線追跡”結(jié)果；圖4顯示美國(guó)專利號(hào)碼5,368,038的專利中提出的凹端面折射棒制成的導(dǎo)波器的“光線追跡”結(jié)果。
圖5A顯示本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例中導(dǎo)波器的結(jié)構(gòu)；圖5B顯示圖5A中導(dǎo)波器的“光線追跡”的結(jié)果；圖6A顯示本實(shí)用新型的第二實(shí)實(shí)施例中導(dǎo)波器結(jié)構(gòu)的放大圖6B顯示圖6A中導(dǎo)波器的“光線追跡”的結(jié)果；圖7顯示本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例中導(dǎo)波器的結(jié)構(gòu)；圖8顯示本實(shí)用新型的經(jīng)四個(gè)實(shí)施例中導(dǎo)波器結(jié)構(gòu)的放大圖；圖9A顯示偵測(cè)感應(yīng)器“感應(yīng)器視角”的方法；圖9C顯示一個(gè)感應(yīng)器的有效“感應(yīng)器視角”是如何受其協(xié)同作業(yè)的導(dǎo)波器設(shè)計(jì)的影響；圖10A是用以分析自待測(cè)物投射到感應(yīng)器上的入射功率的圖式；圖10B是用以分析當(dāng)紅外線經(jīng)過(guò)一次反射到達(dá)感應(yīng)器后，其紅外線感應(yīng)器中心點(diǎn)的輻射及雜散輻射的圖式；圖10C是用以分析紅外線在前述簡(jiǎn)單直管導(dǎo)波器中的反射次數(shù)的圖式；圖11比較紅外線分別在圖1B，5A及6A所示的導(dǎo)波器中反射的反射次數(shù)，此反射次數(shù)是表示為在感應(yīng)器上的入射角的函數(shù)；圖12比較來(lái)自待測(cè)物的總迅號(hào)輻照度(irradiance)，以感應(yīng)器視角的函數(shù)來(lái)表示；圖13比較來(lái)自導(dǎo)波器的總雜散輻射度，以感應(yīng)器視角的函數(shù)來(lái)表示；圖14比較感應(yīng)器接收的總凈輻照度，以感應(yīng)器視角的函數(shù)來(lái)表示；和圖15比較測(cè)得的待測(cè)物溫度受到導(dǎo)波器溫度波動(dòng)影響造成的誤差靈敏度，以感應(yīng)器視角的函數(shù)來(lái)表示。
圖5A顯示本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例中導(dǎo)波器的結(jié)構(gòu)，圖5B顯示圖5A中導(dǎo)波器的“光線追跡”的結(jié)果。
在此依據(jù)圖5A來(lái)討論本實(shí)用新型的第一實(shí)施例中導(dǎo)波器20的結(jié)構(gòu)。此導(dǎo)波器20由一個(gè)種兩端開口的長(zhǎng)中空體制成。其具有高反射性內(nèi)層表面，大略呈一個(gè)截去長(zhǎng)軸兩端的橢圓體形，此橢圓體形的兩個(gè)焦點(diǎn)F1與F2位于導(dǎo)波器20之外在使用時(shí)，導(dǎo)波器20和紅外線溫度計(jì)的其他部分(例如紅外線感應(yīng)器2等)如圖5B所示放入耳中。感應(yīng)器位于焦點(diǎn)F1附近。從圖5B所示的導(dǎo)波器“光線追跡”的結(jié)果可知，感應(yīng)器2接收到的紅外線大部分來(lái)自待測(cè)物-耳膜3，而且經(jīng)由導(dǎo)波器20反射之入射光線其反射次數(shù)不大于一次。可以說(shuō)使用這種導(dǎo)波器其反射次數(shù)為0或1。
接下來(lái)依據(jù)圖6A討論本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施例中導(dǎo)波器30的結(jié)構(gòu)。此導(dǎo)波器30由一種具有高反射性內(nèi)層表面的長(zhǎng)中空體制成。全長(zhǎng)為L(zhǎng)，包括約長(zhǎng)4/5L的第一段直管分節(jié)31(直徑固定)及約長(zhǎng)1/5L且和第一分節(jié)31合成一體的第二分節(jié)32(截去一端的半橢圓體形)。第二分節(jié)32有兩個(gè)焦點(diǎn)F1及F2分別位于最左端及距離最左端2/5L的位置。把感應(yīng)器2置于導(dǎo)波器30的第一焦點(diǎn)F1處，以“光線追跡”來(lái)分析三條代表性的紅外線α，β及γ；這三條紅外線α，β及γ在到達(dá)紅外線感應(yīng)器(位于焦點(diǎn)F1)之前分別在導(dǎo)波器內(nèi)層A，B及C處(分別距離最左端1/10L(位在第二分節(jié)32內(nèi))，1/5L(位在分節(jié)31與32連接處)，及2/5L。經(jīng)由逆追跡紅外線α，β及γ可以了解所有紅外線在導(dǎo)波器30中的反射狀態(tài)，即考慮從焦點(diǎn)F1射出的每一條光線α，β及γ通過(guò)導(dǎo)波器30然后離開導(dǎo)波器30的最右端。光線α與β首先被分節(jié)32反射一次，通過(guò)焦點(diǎn)F2(橢圓體形的物理特性)后再被分節(jié)31反射一次，然后從導(dǎo)波器30的最右端離開。所有從焦點(diǎn)F1發(fā)出并且第一次反射發(fā)生在分節(jié)31內(nèi)的光線(例如γ)，在離開導(dǎo)波器30以前只會(huì)再反射0或1次。因而我們推論所有從焦點(diǎn)F1發(fā)射出的光線在離開導(dǎo)波器30之前反射次數(shù)不會(huì)超過(guò)兩次。反過(guò)來(lái)說(shuō)，所有來(lái)自導(dǎo)波器30右邊待測(cè)物及其環(huán)境的紅外線在到達(dá)感應(yīng)器2(位于焦點(diǎn)點(diǎn))以前在導(dǎo)波器30內(nèi)的反射次數(shù)不會(huì)超過(guò)兩次(參照?qǐng)D6B)。
為說(shuō)明本實(shí)用新型的第一及第二實(shí)施例中導(dǎo)波器的優(yōu)點(diǎn)，在此介紹一些比較反射式導(dǎo)波器表現(xiàn)的方法。
參照?qǐng)D10A，從發(fā)光度(radiance)RA的待測(cè)物T到達(dá)感應(yīng)器N的入射功率可以表示為(參考資料Thermal Radiation Heat Transfer Robert Siegel，John R.Howell，第19頁(yè))(θp)·dAsen·cos(θr)S2]]>其中，dAtar位于待測(cè)物T上的第一個(gè)小區(qū)域dAsen位于感應(yīng)器N上的第二個(gè)小區(qū)域dE 待測(cè)物T上第一個(gè)小區(qū)域的入射功率RA 待測(cè)物T發(fā)光度U連接待測(cè)物T上第一個(gè)小區(qū)域及感應(yīng)器N上第二個(gè)小區(qū)域的直線S感應(yīng)器N到待測(cè)物T間的距離(即連接線段U的長(zhǎng)度)θP 第一個(gè)小區(qū)域的垂直線和直線U之間的夾角θr 感應(yīng)器N的垂直線和直線U(或入射光)之間的夾角將上式中兩邊各除以dAsen，可得dEdAsenRA·cos(θr)·cos(θp)·dAtarS2]]>其中 dΦ＝RA·cos(θr)·dΩdΦ(＝dE/dAsen)感應(yīng)器N上的輻照度dΩ(＝cos(θp)·dAtar/S2)由感應(yīng)器N張開的相對(duì)于dAtar的一小立體角將RA＝σT4/π(依據(jù)Stefan-Boltzmann定律)代入上式，可得dφ=σ·T4π·cos(θr)·dΩ]]>上式可更進(jìn)一步化成dΦ＝kc·T4其中kc=σπcos(θr)·dΩ=σ1·cos(θr)·dΩ....(K)]]>其中，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，且
圖10B顯示當(dāng)來(lái)自待測(cè)物T的紅外線到達(dá)感應(yīng)器N的前先被反射器R(例如導(dǎo)波器)反射一次，其感應(yīng)器N中心點(diǎn)輻照度及雜散輻射的分析圖。
依據(jù)Stefan-Boltzmann定律并考慮各紅外線源(待測(cè)物，導(dǎo)波器及感應(yīng)器)的輻射率，可以得到在“一次反射”情況下包括迅速號(hào)輻射，雜散輻射及由感應(yīng)器的輸出輻射(outgoing radiation)的輻照度
(1)訊號(hào)…從待測(cè)物T到感應(yīng)器N的紅外線輻射dΦsig＝kc·Ttar4·Rw1·εs(2)雜散輻射…來(lái)自反射器R(導(dǎo)波器)的紅外線輻射dΦsty＝kc·Twg4·εs·εw(3)來(lái)自感應(yīng)器N的輸出輻射dΦout＝kc·Tsen4·εs其中，Ttar待測(cè)物T的溫度Tsen感應(yīng)器N的溫度Twg導(dǎo)波器的溫度Ω 圍繞感應(yīng)器N張開的對(duì)應(yīng)立體角d 于小立體角dΩ范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)感應(yīng)器N的輻照度dsig由待測(cè)物發(fā)出至感應(yīng)器的紅外線輻射所造成的輻照度dsty由反射器發(fā)出至感應(yīng)器的紅外線輻射所造成的輻照度dout由感應(yīng)器自體輸出的紅外線輻射所造成的輻照度εt 待測(cè)物的輻射率εs 感應(yīng)器的輻射率εw 導(dǎo)波器的輻射率Rw＝1-εw 反射器(導(dǎo)波器)的反射率θrx感應(yīng)器視角接下來(lái)是在“二次反射”情況下的迅速、雜散輻射及感應(yīng)器輸出輻射的輻照度(4)迅號(hào)-從待測(cè)物T到感應(yīng)器N的紅外線輻射dΦsig＝kc·Ttar4·Rw2·εs(5)雜散輻射-來(lái)自反射器R(導(dǎo)波器)的紅外線輻射dΦsty＝kc·Twg4·εs·εw·(1+Rw1)此外，在一般“N次反射”情況下的訊號(hào)、雜散輻射及感應(yīng)器輸出輻射的輻照度如下
(6)訊號(hào)…從待測(cè)物T到感器N的紅外線輻射dΦsig＝kc·Ttar4·RwN·εs(6)(7)雜散輻射…來(lái)自反射器R(導(dǎo)波器)的紅外線輻射dΦsty＝kc·Twg4·εs·εw·(1+Rw+...+RwN-1)(7)依據(jù)圖10C，我們可得到紅外線在由“簡(jiǎn)單直管”構(gòu)成的常規(guī)導(dǎo)波器(美國(guó)專利號(hào)碼4,797,840)中的反射次數(shù)。假設(shè)紅外線A從直管P的右端進(jìn)入，經(jīng)過(guò)管壁W反射壁W反射數(shù)次后到達(dá)位于直管左端附近的感應(yīng)器N。將最后一個(gè)反射點(diǎn)發(fā)出的入射光I反向延伸可得到虛線E，再?gòu)牡谝粋€(gè)反射點(diǎn)發(fā)出的入射光I反向延伸可得到虛線E，再?gòu)牡谝粋€(gè)反射點(diǎn)Q畫一條與管壁垂直的虛線F，從E與F的交點(diǎn)Q’畫一條平行于管壁W的直線W’。將直線W’與點(diǎn)Q’分別視為直線W與點(diǎn)Q的鏡像?？梢约傧胗幸粭l直線A’先通過(guò)點(diǎn)Q’再進(jìn)入感應(yīng)器N，類似于紅外線A在直管P中實(shí)際行進(jìn)的情況。因而反射次數(shù)可以表示如下Nftube(θr)＝floor(H2/2Rtube)H2＝H+RtubeH＝tan(θr)Ssp最后得到Nftube(θr)=floor(tan(θr)·Ssp+Rtube2·Rtube)....(8)]]>其中Nftube(θr)紅外線的反射次數(shù)θr入射光I與直管P中心線的夾角aSsp感應(yīng)器N至導(dǎo)波器末端的距離Rtube 直管P的半徑floor 一函數(shù)，將括號(hào)中的數(shù)僅取其其整數(shù)部分換句話說(shuō)，第一及第二實(shí)施例中導(dǎo)波器內(nèi)的紅外線反射次數(shù)表示如下Nf(θr，max)＝max 當(dāng)Nftube(θr)＞maxNf(θr，max)＝Nftube(θr) 當(dāng)Nftube(θr)≤max(9)其中，
max≡1(第一實(shí)施例)，或max≡2(第二實(shí)施例)Nftube(θr)≡由式(8)所得的反射次數(shù)因此一個(gè)導(dǎo)波器的反射次數(shù)因其θr及設(shè)計(jì)方式(為第一實(shí)施例、第二實(shí)施例、或常規(guī)簡(jiǎn)單直管)而定。換言之，反射次數(shù)通?？梢杂肗ftube＝Nf(θr，d)表示，其中“d”代表導(dǎo)波器的“設(shè)計(jì)方式”。第一實(shí)施例、第二實(shí)施例、或常規(guī)簡(jiǎn)單直管中，導(dǎo)波器的反射次數(shù)方程式Nf(θr，d)分別可表示為Nf(θr，Pr)，Nf(θr，E2)或Nf(θr，Pr)。
圖11中把從式(8)，(9)得到的導(dǎo)波器反射次數(shù)以θr的方程式表示。常規(guī)導(dǎo)波器的反射次數(shù)Nf(θr，Pr)以階梯圖表示，而第一及第二實(shí)施例的導(dǎo)波器反射次數(shù)(分別為N+(Q6，E1)Nf以階梯圖表示，(θr，E2))則是水平線，分別代表Nf(θr，E1)＝1及Nf(θr，E2)＝2。與經(jīng)由“光線追跡”所得的結(jié)果相同(參照?qǐng)D1B，5B及6B)。
把Nf(θr，d)和從式(K)所得的kc代入式(6)，(7)中得到(10)訊號(hào)-從待測(cè)物T至感應(yīng)器N的紅外線輻射dΦsig(θr，d，Ttar)＝σl·cos(θr)·εs·Ttar4·RwNf(θr，d)·dΩ(11)雜散輻射-來(lái)自反射器R(導(dǎo)波器)的紅外線輻射dΦsty(θr，d，Twgd)＝σl·cos(θr)·εw·εs·(Tsen+Twgd)4·Σn=1Nf(θr,d)Rwn-1·dΩ]]>其中Twgd＝Twg-Tsen(12)感應(yīng)器的輸出輻射dΦout(θr，d)＝σl·cos(θr)·εs·Tsen4·dΩ現(xiàn)在針對(duì)整個(gè)感應(yīng)器視角對(duì)這些方程式以一個(gè)小立體角dW積分，以得到a)訊號(hào)輻射b)雜散輻射c)感應(yīng)器的輸出輻射d)凈輻射。ΦIsig(θrx，d，Ttar)＝∫dΦsig(θr，d，Twgd) (13)ΦIsig(θrx，d，Ttar)＝∫σl·cos(θr)·εs·Ttar4·RwNf(θr，d)·dΩ將dΩ＝2πsin(θr)dθr代入式(13)，可得ΦIsig(θrx，d，Ttar)＝2π∫0θrxσ1·cos(θr)·ϵs·Ttar4·RwNf(θr,d)·sin(θr)·dθr...(14)]]>同樣地，我們可得到Isty(θrx，d，Ttar)及Iout(
·Σn=1Nf(θr,d)Rwn-1·sin(θr)·dθr....(15)]]>φIout(θrx,d)=2π·∫0θrxσ1·cos(θr)·ϵs·Tsen4·sin(θr)·dθr...(16)]]>又，凈輻射之總熱交換ΦInet(θrx，d，Twgd)可表示成ΦInet(θrx，d，Twgd)＝ΦIsig(θrx，d，Ttar)+ΦIsty(θrx，d，Twgd)-ΦIout(θrx，d)(17)上式中之未知數(shù)可以適當(dāng)?shù)臄?shù)值代替Ttar≡(37+273.15)·degKTsen≡(25+273.15)·degKTwg＝Tsen+TwgdTwgd≡1.5·degKεt≡0.99εs≡0.90εw≡0.02 假設(shè)導(dǎo)波器以拋光黃金製成Rw＝1-ewσ≡5.67·10-8·ωαττμ2·δϵγ&Kgr;4]]>θo 零反射的最大θ值Rtube＝1.90毫米 導(dǎo)波器半徑Ssp＝33.2毫米感應(yīng)器至導(dǎo)波器最末端的距離把上列數(shù)值代入式(13)，(14)及(16)中，并對(duì)變數(shù)θr積分，可得到不同θrx的積分結(jié)果(如圖12，13，及14所示)。
圖12，13及14中實(shí)線E1代表第一實(shí)施例，短虛線E2代表第二實(shí)施例，長(zhǎng)虛線Pr代表常規(guī)導(dǎo)波器。從Isig(θrx，d，Ttar)，Isty(θrx，d，Ttar)及Iout(θrx，d)可以很清楚的看出，第一及第二實(shí)施例的導(dǎo)波器的表現(xiàn)比常規(guī)導(dǎo)波器好(特別是在感應(yīng)器視角θrx很大時(shí))，其中又以第一實(shí)施例最佳。本實(shí)用新型第一及第二實(shí)施例的導(dǎo)波器提供感應(yīng)器較低的雜散輻射及較高的輻照度(即較高的S/N比)。
為評(píng)估因?yàn)閷?dǎo)波器溫度Twg波動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)得待測(cè)物溫度Ttar誤差，本實(shí)用新型的第一及第二實(shí)施例或常規(guī)簡(jiǎn)單直管導(dǎo)波器中不同θrx的dTtar/dTwg值可由式(18)計(jì)算，結(jié)果見圖15。dTtar/dTwg(θrx,d,Twgd,Ttar)=ddTwgdφInet(φrx,d,Twgd)ddTtarφInet(θrx,d,Twgd)....(18)]]>圖15為dTtar/dTwg的計(jì)算結(jié)果，其中實(shí)線E1代表第一實(shí)施例，短虛線2代表第二實(shí)施例，長(zhǎng)虛線Pr代表常規(guī)導(dǎo)波器。從圖15可知對(duì)于所有的視角θrx值而言第一實(shí)施例的dTtar/dTwg值均為一常數(shù)。對(duì)于幾乎所有的視角θrx值來(lái)說(shuō)第二實(shí)施例的dTtar/dTwg值也保持為一常數(shù)(但比第一實(shí)施例大)。然而常規(guī)導(dǎo)波器的dTtar/dTwg值隨著θrx值上升而增加，導(dǎo)至測(cè)得的Ttar值在θrx到達(dá)40°時(shí)會(huì)有顯著的誤差。因而本實(shí)用新型的導(dǎo)波器允許Twg有一定程度的溫度變化，即允許導(dǎo)波器和感應(yīng)器間一定程度的熱不平衡。
圖7顯示本實(shí)用新型第三實(shí)施例的導(dǎo)波器40的結(jié)構(gòu)。此導(dǎo)波器40包括直徑固定的第一段直管分節(jié)41及內(nèi)徑漸縮的第二段截尖端圓錐狀分節(jié)42(與第一段分節(jié)41相連，沿感應(yīng)器2方向直徑逐漸縮小)。此導(dǎo)波器40的內(nèi)表層形狀類似第二實(shí)施例，因而它如前所述比常規(guī)簡(jiǎn)單直管導(dǎo)波器有更佳的現(xiàn)表。本實(shí)用新型的第一、第二及第三實(shí)施例中的導(dǎo)波器20、30、40在其感應(yīng)器端開口的大小比常規(guī)簡(jiǎn)單直管導(dǎo)波器小。因而位于導(dǎo)波器和感應(yīng)呂間用來(lái)控制紅外線通過(guò)的光閘5其行程與移動(dòng)速度均可減少。和常規(guī)導(dǎo)波器比較起來(lái)，因?yàn)楣忾l移動(dòng)的振動(dòng)所造成的麥克風(fēng)噪音也可以大幅降低。
圖8顯示的第四實(shí)施例的導(dǎo)波器50為第三實(shí)施例中導(dǎo)波器40的變化。導(dǎo)波器50也是由兩段分節(jié)所構(gòu)成…直徑固定的第一段直管分節(jié)51及內(nèi)徑漸縮的第二段截頭圓錐狀分節(jié)52(朝向感應(yīng)器2方向直徑逐漸縮小)。但是第二段分節(jié)52和第一段分節(jié)51為分離式設(shè)計(jì)。第二段分節(jié)52和第一段分節(jié)52和第一段分節(jié)51為分離式設(shè)計(jì)。第二段分節(jié)52和第一段分節(jié)51的軸呈一直線，并在使用時(shí)以其較大端和第一段分節(jié)51相鄰接，光閘5則插在兩者中間。當(dāng)光閘5打開時(shí)這兩個(gè)分節(jié)51及52構(gòu)成的導(dǎo)波器在結(jié)構(gòu)和功能上與第三實(shí)施例中的導(dǎo)波器40完全相同。
本實(shí)用新型的范圍當(dāng)然不只局限于這些實(shí)施例。在本實(shí)用新型的精神及范圍內(nèi)尚可有多種變化。例如第三及第四實(shí)施例中，雖然其第二分節(jié)的內(nèi)層被描述成截去尖端錐狀，但是任何內(nèi)徑漸縮的第二分節(jié)(朝向感應(yīng)器方向直徑逐漸縮小)均可用來(lái)取代的。本實(shí)用新型的范圍應(yīng)該如同下列權(quán)利要求中所限定的范圍。
權(quán)利要求1.一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，由兩端開口并具有高反射性內(nèi)層表面的長(zhǎng)中空體制成，該導(dǎo)波器位于待測(cè)溫度的耳膜及紅外線感應(yīng)器之間，用以引導(dǎo)耳膜發(fā)出的紅外線至感應(yīng)器處；其特征在于一個(gè)沿長(zhǎng)軸方向截去兩端的類橢圓體形。
2.一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，由兩端開口并具有高反射性內(nèi)層表面的長(zhǎng)中空體制成，該導(dǎo)波器位于待測(cè)溫度的耳膜及紅外線感應(yīng)器這間，用以引導(dǎo)耳膜發(fā)出的紅外線至感應(yīng)器處，其特征在于具有一朝向感應(yīng)器側(cè)內(nèi)徑漸縮小的端部。
3.如權(quán)利要求2所述的耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，其特征在于，該內(nèi)徑漸縮端為半個(gè)截去長(zhǎng)軸端的橢圓體形。
4.如權(quán)利要求2所述的耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，其特征在于，該內(nèi)徑漸縮端部分占感應(yīng)器到該導(dǎo)波器遠(yuǎn)離端距離的1/10至1/3。
5.如權(quán)利要求3所述的耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，其特征在于，該內(nèi)徑漸縮端部分占感應(yīng)器到該導(dǎo)波器遠(yuǎn)離端距離的1/10至1/3。
6.一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，由兩端開口并具有高反射性內(nèi)層表面的長(zhǎng)中空體制成，該導(dǎo)波器位于待測(cè)溫度的耳膜及紅外線感應(yīng)器之間，用以引導(dǎo)耳膜發(fā)出的紅外線至感應(yīng)器處。其特征在于另外有一個(gè)朝向感應(yīng)器側(cè)內(nèi)徑漸縮小的分離中空體，該分離中空體是和該長(zhǎng)中空體的軸線呈一直線，并在使用時(shí)以其較大端和該長(zhǎng)中空體相鄰接。
7.如權(quán)利要求1所述的耳溫計(jì)的導(dǎo)波器，其特征在于，該類橢圓體形中空體的長(zhǎng)軸與短軸比的范圍約為3到10之間。
專利摘要一種耳溫計(jì)的導(dǎo)波器,由一個(gè)將略長(zhǎng)橢圓體形的中空體長(zhǎng)軸兩端截去而構(gòu)成。該導(dǎo)波器位于待測(cè)溫的耳膜及紅外線感應(yīng)器之間,用以引導(dǎo)耳膜發(fā)出的紅外線至感應(yīng)器處。該導(dǎo)波器的形狀除呈略長(zhǎng)橢圓體形的截頭中空體外,亦可為內(nèi)徑朝向感應(yīng)器側(cè)漸縮的兩端截除的中空體。此內(nèi)徑漸縮端最好為半個(gè)長(zhǎng)橢圓體形的截頭中空體,且其長(zhǎng)度占感應(yīng)器到該導(dǎo)波器最遠(yuǎn)端距離的1/10至1/3。
文檔編號(hào)G01K11/00GK2290047SQ9720320
公開日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1997年4月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月4日
發(fā)明者曹琦, 謝正雄, 黃幼謙, 梁家雨, 林三寶, 歐陽(yáng)盟, 游如淵 申請(qǐng)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