專利名稱：紅外線溫度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是關(guān)于一種紅外線溫度測(cè)量裝置，且特別是一種采用含有熱電堆(thermopile)與周圍溫度傳感器一體的雙感測(cè)單元，一微機(jī)芯片及一EEPROM(E lectrically Erasable Programmable Read OnlyMemory，電可刪除可編程只讀存儲(chǔ)器)來(lái)增進(jìn)效能的紅外線溫度測(cè)量裝置。
傳統(tǒng)的接觸式溫度計(jì)，例如水銀式或電子式溫度計(jì)已不能滿足使用者的需求。故而需進(jìn)一步追求精確、快速、容易測(cè)量、容易判讀、不具傷害和更符合人性化的溫度測(cè)量方法及裝置。目前利用測(cè)量紅外線輻射熱的非接觸式溫度測(cè)量裝置正具有上述優(yōu)點(diǎn)。因而逐漸受到重視而陸續(xù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。
一般紅外線輻射溫度測(cè)量裝置，例如已知市面上所見(jiàn)的耳溫槍，系利用紅外線感測(cè)人體等熱源所放出的輻射能量(radiation power)，再將輻射能量配合周圍溫度感測(cè)器所量測(cè)的周圍溫度值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的測(cè)量溫度。
任何物質(zhì)熱源的溫度或人體溫度，均會(huì)放射出熱輻射(thermalradiation)，依文恩定律(Wiens law)，其熱輻射的最大波長(zhǎng)為λmax＝2900/T，其中λmax單位為μm，T為物質(zhì)的絕對(duì)溫度°K，因此人體溫度(約35-40℃)的最大輻射功率的波長(zhǎng)約8-10μm。
又依據(jù)Stefan-Boltzmann定律，物質(zhì)輻射的能量為E＝ερT4，其中ε為物體的輻射率，人體表面為0.98，系數(shù)ρ為5.67×108W/m2(°K)4。所以從物質(zhì)或人體表面?zhèn)髦羵鞲衅鞯臒崮転閝＝ερ(Tb4-Ta4)，其中Tb為物質(zhì)或人體溫度，Ta為傳感器的周圍溫度。
由以上得知，傳感器在不接觸到被測(cè)物質(zhì)或人體的情況下，也可接受到被測(cè)物質(zhì)或人體的熱溫度能量，從而判斷其溫度。但為獲得高靈敏度及正確性的測(cè)量，需要有良好的待測(cè)熱導(dǎo)引裝置與熱噪聲隔離裝置，穩(wěn)定的信號(hào)放大與噪聲濾波，以及適當(dāng)?shù)奈C(jī)控制及信號(hào)處理設(shè)計(jì)。而且更要的是制造方式、校正技術(shù)、產(chǎn)生品管及回收檢驗(yàn)?zāi)芟嗷ヅ浜?，使產(chǎn)能能提高。
如一般所知，輻射熱傳感器有好幾種，包括熱電傳感器(pyoelectric)及熱電堆等。因此使用的感測(cè)器不同，或?qū)y(cè)量系統(tǒng)精度與測(cè)量溫度范圍的需求不同，系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)都須有適當(dāng)?shù)呐浜喜判小?br> 因此，本實(shí)用新型的目的之一在于采用含有熱電堆與周圍溫度傳感器集成的雙傳感器作為輻射熱傳感器，以提供一種新型的紅外線溫度測(cè)量裝置。
本實(shí)用新型的另一目的在于提供應(yīng)用于一溫度測(cè)量裝置的一微機(jī)芯片，進(jìn)行信號(hào)的運(yùn)算處理，并配合一EEPROM進(jìn)行系統(tǒng)校正及測(cè)量資料的存儲(chǔ)等，以簡(jiǎn)化生產(chǎn)程序及提高系統(tǒng)功能。
根據(jù)上述本實(shí)用新型之目的，提供一種紅外線溫度測(cè)量裝置，至少包括一集成的雙感測(cè)單元，包含一熱電堆與一周圍溫度傳感器所組成，用以感測(cè)輻射能量，以發(fā)出相應(yīng)的一信號(hào)；一金屬遮罩和一外殼，以包覆雙感測(cè)單元具有的導(dǎo)波元件，并于其間形成空氣間隙，以提供對(duì)導(dǎo)波元件一雙絕緣效果；一信號(hào)放大濾波器，將傳入的信號(hào)進(jìn)行放大與噪聲濾波處理；一微機(jī)芯片，用以接收信號(hào)放大濾波器處理后的該信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理產(chǎn)生一對(duì)應(yīng)的測(cè)量溫度輸出；一電可刪除可編程存儲(chǔ)器，由微機(jī)芯片控制，用以儲(chǔ)存所需的系統(tǒng)和校正參數(shù)；以及一輸出裝置，顯示信號(hào)處理單元產(chǎn)生的該輸出結(jié)果。
為讓本實(shí)用新型之上述的其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1表示本實(shí)用新型紅外線溫度測(cè)量裝置所用的集成的雙感測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2表示本實(shí)用新型紅外線溫度測(cè)量裝置中測(cè)量探頭(probe)的構(gòu)造剖視圖；圖3表示本實(shí)用新型紅外線溫度測(cè)量裝置中一實(shí)施例的系統(tǒng)方框圖；圖4表示對(duì)應(yīng)圖3中紅外線溫度測(cè)量裝置的詳細(xì)電路圖；圖5表示本實(shí)用新型紅外線溫度測(cè)量裝置具有的一液晶顯示屏；圖6表示本實(shí)用新型以一微機(jī)芯片處理系統(tǒng)校正的流程圖；圖7表示本實(shí)用新型以手動(dòng)輸入作系統(tǒng)校正的配備圖；以及圖8表示本實(shí)用新型以自動(dòng)輸入作系統(tǒng)校正的配備圖。
請(qǐng)參閱圖1，其為本實(shí)用新型裝置所采用的雙傳感器的示意圖。如圖所示，雙感測(cè)單元1包含一熱電堆13和一周圍溫度傳感器12，系設(shè)置在一底座10上，以一殼套15包覆，底座10則具有四支輸出的接腳11。熱電堆13和周圍溫度傳感器12的制作，是在一硅基片131上沉積形成，以硅基片131作為熱電堆13的冷接點(diǎn)(cold junction)，藉由蝕刻出一極薄的隔離薄膜將熱接點(diǎn)(hot junction)132和冷接點(diǎn)131隔離開(kāi)。熱輻射能量(radiation power)將經(jīng)由殼套14上具有的濾窗14傳入，經(jīng)熱接點(diǎn)132的吸收區(qū)域接收后轉(zhuǎn)換成熱，因此，熱接頭132和冷接頭131間將形成溫差，再藉由例如在冷接點(diǎn)131和熱接點(diǎn)132間接上一堆細(xì)小的熱電偶(thermocouple)(未繪示)，根據(jù)席貝克效應(yīng)(Seebeck-Effect)，便可測(cè)量到熱電堆13產(chǎn)生的一電壓信號(hào)，其將正比于冷接點(diǎn)131和熱接點(diǎn)132間的溫度差。
必須再加以說(shuō)明的是，本實(shí)用新型采用將周圍溫度傳感器12和熱電堆13制于一體的集成設(shè)計(jì)，是想要利用周圍溫度傳感器12測(cè)量環(huán)境的溫度，并立即提供作為冷接點(diǎn)131溫度的基準(zhǔn)，如此可改善已知溫度傳感器分立設(shè)置時(shí)，所產(chǎn)生的基準(zhǔn)溫度測(cè)量誤差及受到不必要的干擾等問(wèn)題。因此，本實(shí)用新型以二合一的雙感測(cè)單元1作為溫度的測(cè)量，將具有高靈敏度和高準(zhǔn)確率的好處。
請(qǐng)?jiān)賲⒄崭綀D2，其為本實(shí)用新型裝置之溫度測(cè)量探頭的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖所示，測(cè)量探頭99包含有一外殼90，一般是塑料制品，由外殼90包覆內(nèi)部所有的感測(cè)組件。上述的雙感測(cè)單元1藉由一固定座91固定在一導(dǎo)波管92的末端，使導(dǎo)波管92恰能抵住雙感測(cè)單元1的濾窗14，固定座91較佳是以金屬制成，以減小導(dǎo)波管92和雙感測(cè)單元1間形成的溫差。導(dǎo)波管92較佳是以金屬制成，且外部需鍍上金，以增加其對(duì)輻射的反射率。上述整個(gè)內(nèi)部的感測(cè)組件置系于一圓錐狀的金屬遮罩94內(nèi)，以一隔墊93固定住導(dǎo)波管92。因此，本實(shí)用新型裝置在傳送所測(cè)量到的熱輻射能量時(shí)，分別結(jié)合了外殼90的隔離效果，以遮罩94阻絕電子和熱源噪聲，以及導(dǎo)波管92可靠的絕緣能力，除非輻射能量是由導(dǎo)波管92的外部導(dǎo)引端傳入，即導(dǎo)波管92遠(yuǎn)離與雙感測(cè)器1接合的一端，任何位置可能的熱輻射傳入都將被隔絕掉。因此，要測(cè)量的物質(zhì)或人體溫度，只要將其置于導(dǎo)波管92遠(yuǎn)離雙感測(cè)單元1的一端，就能有效傳達(dá)其輻射能量至雙感測(cè)單元1的熱電堆13。此外，固定座91和遮罩94之間、遮罩和導(dǎo)波管92之間以及遮罩94和外殼91之間更形成有空氣間隙98，所以能達(dá)到雙重的隔熱效果，也就是能增加元件間的熱絕緣及提升測(cè)量探頭99的信噪比(signal-noise-ratio)。至于，在遮罩94的末端(即導(dǎo)波管92熱輻射傳入的位置)上可固定一濾鏡95，用以避免導(dǎo)波管92受到破壞與污染，或是更具有一可拆裝的套子96蓋住，這樣也可確保本實(shí)用新型裝置作為耳溫槍測(cè)量耳溫時(shí)的清潔，濾鏡95和套子96較佳是以聚乙烯或聚丙烯塑料制成。最后，由雙感測(cè)單元1，將導(dǎo)波管92所傳來(lái)的輻射能，藉由其冷接點(diǎn)131和熱接點(diǎn)132間的溫度差異，形成一信號(hào)經(jīng)其接腳11傳輸?shù)揭挥∷㈦娐钒?PCB)120上處理。
請(qǐng)參閱附圖3，其為本實(shí)用新型裝置的信號(hào)處理方框圖。如圖所示，由集成的雙感測(cè)單元1產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)由一放大和濾波器2的處理之后，被導(dǎo)入一微機(jī)芯片3。此微機(jī)芯片3結(jié)合有一模擬/數(shù)字傳換器31，將傳入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；一含有只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)的中央處理器(MPU)32，以處理輸入的數(shù)字信號(hào)，并藉由一些鍵盤(pán)5的控制產(chǎn)生出溫度測(cè)量的結(jié)果；一液晶顯示驅(qū)動(dòng)器33，以控制液晶顯示屏(LCD)6顯示溫度值；以及一通訊接口34，用以與外部的裝置8，例如一校正用的儀器或一監(jiān)控的儀器進(jìn)行資料的輸入與輸出。此微機(jī)芯片3系制成一單晶片的型式，可一并由MPU32達(dá)成由輸入的信號(hào)計(jì)算出測(cè)量的溫度值，由一EEPROM 4讀取和寫(xiě)入系統(tǒng)的參數(shù)，并且能提供聲音輸出至一蜂鳴器或揚(yáng)聲器7，以及與外部裝置8的通訊。
請(qǐng)?jiān)賲⒄崭綀D4，其為圖3的詳細(xì)電路圖。雙感測(cè)單元1的信號(hào)，即由熱電堆13和周圍溫度感測(cè)器12所產(chǎn)生的信號(hào)，分別經(jīng)由放大電路21、22處理后，被送入微機(jī)芯片3當(dāng)中。兩個(gè)按鈕51、52用來(lái)啟動(dòng)分別對(duì)應(yīng)的“開(kāi)”接著“選擇”及“執(zhí)行”的命令，舉例來(lái)說(shuō)，由“偵測(cè)耳溫”、“偵測(cè)其它物質(zhì)溫度”、“存儲(chǔ)溫度”及“由存儲(chǔ)器中取出溫度值”等命令中選擇并執(zhí)行之。當(dāng)兩個(gè)按鈕51、52同時(shí)被按下時(shí)，可用來(lái)作為對(duì)“日期”、“時(shí)間”或“以攝氏或華氏顯示”的設(shè)定，以啟動(dòng)更進(jìn)一步的選擇和執(zhí)行。LCD6將顯示出操作時(shí)的內(nèi)容，而且在一特定時(shí)間之后未有任何按按鈕的動(dòng)作時(shí)，顯示屏將進(jìn)入一休息待機(jī)狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)。系統(tǒng)參數(shù)，例如測(cè)量校正因子和系統(tǒng)條件，系由微機(jī)芯片3讀出并寫(xiě)入EEPROM 4中。聲音輸出可表現(xiàn)出一些系統(tǒng)的狀況，例如當(dāng)紅外線溫度裝置準(zhǔn)備測(cè)量時(shí)，或測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)時(shí)都可由揚(yáng)聲器7來(lái)提示。微機(jī)芯片3的通訊接口以一排線接頭34與外部裝置8連接。一電源供應(yīng)電路100以圖示中Vn為電源端，能提供不同的電壓V1、V2、V3、及Va，由微機(jī)芯片3發(fā)出的控制信號(hào)Ct，將控制晶體管Q1執(zhí)行開(kāi)啟或關(guān)閉整個(gè)裝置的操作。
附圖5為液晶顯示屏所顯示的內(nèi)容。LCD6顯示的內(nèi)容包含日期和時(shí)間65、功能顯示61、62、63和64、溫度值66、攝氏或華氏67、測(cè)量或非測(cè)量的狀態(tài)68、以及電力不足的警示69等。
附圖6為制作本實(shí)用新型裝置期間以微機(jī)芯片作校正的流程圖。包含下列步驟(a)讀取一電壓值，以設(shè)定“電力不足”情況下的臨界顯示；(b)讀取至少兩組電阻與對(duì)應(yīng)的溫度資料，以產(chǎn)生溫度傳感器的一反應(yīng)線；(c)檢查溫度傳感器的實(shí)際反應(yīng)，若需要，則重置溫度傳感器的反應(yīng)線；(d)讀取至少兩組電壓與對(duì)應(yīng)的溫度資料，以產(chǎn)生熱電堆的一反應(yīng)線；以及(e)檢查熱電堆的實(shí)際反應(yīng)，若需要，則重置熱電堆的反應(yīng)線。
校正的程序可以下面所述的手動(dòng)或自動(dòng)方式完成。
請(qǐng)參照附圖7，其為以手動(dòng)方式完成本實(shí)用新型裝置校正的設(shè)備。如圖所示，溫度測(cè)量裝置包含一測(cè)量探頭99和一具有微機(jī)芯片3、EEPROM4、按鈕5、LCD6及接口34的印刷電路板PCB120。裝置藉由接口34連結(jié)到一固定裝置81，其包含多個(gè)按鍵810作為校正資料的輸入，至少兩個(gè)具有不同基準(zhǔn)溫度的黑體輻射源82，以對(duì)準(zhǔn)本實(shí)用新型裝置的測(cè)量探頭99，分別偵測(cè)出基準(zhǔn)的溫度，其中每一黑體輻射源82由一熱控金屬體821、一加熱器822、溫度探測(cè)器824作反饋控制、一控制器825以及一控制面板和顯示屏826所組成。在微機(jī)芯片3的控制程序下，使用者將藉由LCD6監(jiān)測(cè)測(cè)量探頭99內(nèi)雙感測(cè)單元1所反應(yīng)的結(jié)果，然而由按鍵810和按鈕5輸入修正資料，以校正所顯示的反應(yīng)結(jié)果。之后，修正參數(shù)將在微機(jī)芯片3控制下，以上述圖6所述的校正流程存入EEPROM 4內(nèi)。
最后，請(qǐng)參照附圖8，其為以自動(dòng)方式完成本實(shí)用新型裝置校正的設(shè)備。同圖7，使用固定裝置81和黑體輻射源82，不過(guò)更包含相互對(duì)應(yīng)的信號(hào)收/發(fā)器813、828及一編碼/解碼器814、827。第一收/發(fā)器可包含未繪示的一光電二極管和一接收器作為光學(xué)感應(yīng)的通訊連結(jié)，否則也可使用無(wú)線電的連結(jié)方式。在自動(dòng)的校正程序下，由微機(jī)芯片3控制信號(hào)收/發(fā)器813，經(jīng)由編碼/解碼器814與黑體輻射源82通訊，以偵測(cè)溫度和作連續(xù)且自動(dòng)的修正。固定裝置81的按鍵810僅作為啟動(dòng)和取消校正程序之用。信號(hào)收/發(fā)器813和編碼/解碼器814也可并入本實(shí)用新型印刷電路板PCB120的布局設(shè)計(jì)中，如此便不需要藉助固定裝置81來(lái)校正。
由于校正的過(guò)程系由微機(jī)芯片3配合EEPROM 4來(lái)完成，校正的程序與資料可適當(dāng)?shù)谋话才乓赃_(dá)到一較高準(zhǔn)確率和一較大范圍或一定范圍的測(cè)量。舉例來(lái)說(shuō)，利用人體周圍多個(gè)溫度校正點(diǎn)將確保測(cè)量到的溫度的正確性，有一些高于或低于溫度范圍的校正位置，本實(shí)用新型的溫度測(cè)量裝置在其它溫度范圍內(nèi)也同樣能運(yùn)作，例如從0℃-100℃的范圍內(nèi)。
雖然本實(shí)用新型已以一較佳實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本實(shí)用新型，任何熟習(xí)此技藝者，在本實(shí)用新型的基礎(chǔ)上所作的許之更動(dòng)與潤(rùn)飾，均未脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，因此本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)視本申請(qǐng)之權(quán)利要求書(shū)所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于，至少包括一集成的雙感測(cè)單元，由一熱電堆與一周圍溫度傳感器組成；一金屬遮罩和一外殼，包覆該雙感測(cè)單元具有的導(dǎo)波元件，并于其間形成空氣間隙；一信號(hào)處理單元，與該雙感測(cè)單元的信號(hào)輸出端連接；一存儲(chǔ)單元，連于該信號(hào)處理單元；以及一輸出裝置，連接于該信號(hào)處理單元的輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的雙感測(cè)單元中所說(shuō)的熱電堆和所說(shuō)的周圍溫度傳感器是形成在一硅基片上。
3.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的信號(hào)處理單元，還包括一放大濾波器與一微機(jī)芯片，所說(shuō)的放大濾波器的輸入端與該雙感測(cè)單元的輸出端連接，而所說(shuō)的放大濾波器的輸出端與所說(shuō)的微機(jī)芯片連接。
4.如權(quán)利要求3所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的微機(jī)芯片還包括一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、一中央處理器、一存儲(chǔ)器、一顯示控制器及一通訊接口。
5.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的存儲(chǔ)單元為一電可擦除可編程存儲(chǔ)器(EEPROM)。
6.一種紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于，至少包括一溫度感測(cè)單元；一金屬遮罩和一外殼，包覆所說(shuō)的溫度感測(cè)單元具有的導(dǎo)波元件，并于其間形成空氣間隙；一信號(hào)放大濾波器，與所說(shuō)的溫度感測(cè)單元的輸出端連接；一微機(jī)芯片，連接于所說(shuō)的信號(hào)放大濾波器的輸出端；一電可擦除可編程存儲(chǔ)器(EEPROM)，與所說(shuō)的微機(jī)芯片連接；以及一輸出裝置，與所說(shuō)的信號(hào)處理單元的輸出端連接。
7.如權(quán)利要求6所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的溫度感測(cè)單元是由一熱電堆和一周圍溫度傳感器集成而組成。
8.如權(quán)利要求7所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的熱電堆和所說(shuō)的周圍溫度傳感器形成在一硅基片上。
9.如權(quán)利要求6所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的微機(jī)芯片還包括一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、一中央處理器、一存儲(chǔ)器及一顯示控制器。
10.如權(quán)利要求3或6所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的微機(jī)芯片具有一日期和時(shí)間信號(hào)存取單元。
11.如權(quán)利要求3或6所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的微機(jī)芯片具有一聲音輸出單元。
12.如權(quán)利要求3或9所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的微機(jī)芯片還具有一通訊接口，與一外部裝置連接，所說(shuō)的外部裝置至少包括一校正裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的校正裝置至少包括一黑體輻射源。
14.如權(quán)利要求3或6所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的微機(jī)芯片還包括一校正控制單元。
15.如權(quán)利要求14所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的校正控制單元具有一輸入固定裝置連接至所說(shuō)的微機(jī)芯片；且至少有兩個(gè)具有不同基準(zhǔn)溫度的輻射源。
16.如權(quán)利要求15所述的紅外線溫度測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的輸入固定裝置和所說(shuō)的輻射源具有資料傳輸和接收裝置。
專利摘要本實(shí)用新型為一種紅外線溫度測(cè)量裝置,系采用含有熱電堆(thermopile)與周圍溫度傳感器一體的雙感測(cè)單元,以測(cè)量物質(zhì)或人體熱輻射的溫度;感測(cè)單元系置于一光導(dǎo)管(optical guide)后端,由一金屬遮罩所包覆,外層更有一外殼作隔離,以有效導(dǎo)波及隔離熱源噪聲,提升信噪比(S/N ratio);感測(cè)的信號(hào)經(jīng)放大及噪聲濾波后,由一微機(jī)芯片運(yùn)算處理,其至少包含一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、一中央處理單元、一存儲(chǔ)單元及一液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路等,以有效量得溫度;此外,更包含一EEPROM儲(chǔ)存系統(tǒng)校正參數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài),以簡(jiǎn)化生產(chǎn)程序,提高測(cè)量精度,擴(kuò)大測(cè)量溫度范圍,并同時(shí)存儲(chǔ)測(cè)量資料。
文檔編號(hào)G01J5/00GK2368020SQ9824159
公開(kāi)日2000年3月8日 申請(qǐng)日期1998年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月21日
發(fā)明者陳朝旺 申請(qǐng)人:陳朝旺