專利名稱：紅外溫度測量及其穩(wěn)定化的制作方法
紅外溫度測量及其穩(wěn)定化相關(guān)申請的交叉引用本申請要求在2010年7月8 日提交的、名為“INFRARED TEMPERATURE MEASUREMENTAND STABILIZATION THEREOF”、申請系列號No. 61/362，623的美國臨時專利申請的權(quán)益，還要求 2011 年7 月 I 日提交的、名為 “INFRARED TEMPERATURE MEASUREMENT ANDSTABILIZATION THEREOF”的專利申請?zhí)枮镹o. 13/178，077的美國專利申請的權(quán)益。上述申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
紅外(IR)溫度傳感器可監(jiān)測紅外光，然后該紅外光被轉(zhuǎn)換為電信號且最終轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。在不使用特別設(shè)計的使得頻譜可視的設(shè)備的情況下，人類不易于看到紅外輻射的頻譜。紅外波的測量在從0.7到1000微米范圍內(nèi)被校準(zhǔn)。如今，可使用紅外溫度傳感器來測量幾乎所有類型的移動部件或物體的溫度，包括很多被相關(guān)車輛而使用。一個最基本的IR溫度傳感器設(shè)計包括將IR能量聚焦在檢測器上的透鏡。該檢測器可將所測得的能量轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號可以溫度單位來顯示。物體發(fā)射率與所捕捉的能量一起被用于將所測得的能量轉(zhuǎn)換為溫度。如今，更為復(fù)雜的傳感器可被動地補償環(huán)境溫度變化以實現(xiàn)目標(biāo)物體的準(zhǔn)確測量。IR傳感器的一個非常有用的特征是在例如沒有物理接觸的情況下的測溫能力。這個溫度監(jiān)測能力在其中物體處于運動中(如，在車輛應(yīng)用中)的情況下是特別有用的。不幸的是，對于傳感器的環(huán)境影響要求安裝有保護(hù)性外殼等以保護(hù)傳感器免于環(huán)境因素的影響。保護(hù)性外殼等包括隨溫度變化且對傳感器的IR能量路徑有所影響的材料，藉此使得難以作出準(zhǔn)確和有效的溫度測量。相關(guān)于常規(guī)IR溫度傳感器，當(dāng)IR傳感器，如熱電偶，承受傳感區(qū)域或路徑中的諸如較廣范圍的操作溫度、溫度變化率、或靜態(tài)熱梯度之類的熱條件時，經(jīng)常出現(xiàn)顯著的測量誤差。在傳感元件和測量目標(biāo)之間的路徑中的任何IR可視的物體將傳遞能量值傳感器以及阻礙由物體目標(biāo)發(fā)射的熱能量的一部分；導(dǎo)致準(zhǔn)確的且低效的溫度測量。

發(fā)明內(nèi)容
以下提供了本創(chuàng)新的簡化概述以提供對本創(chuàng)新的某些方面的基本理解。該概述不是本創(chuàng)新的廣泛概覽。它既不旨在標(biāo)識本創(chuàng)新的關(guān)鍵/重要元素，也不旨在描繪本創(chuàng)新的范圍。其唯一目的是以簡化的形式呈現(xiàn)本創(chuàng)新的一些概念，作為后面給出的更加詳細(xì)的描述的序言。此處公開且要求保護(hù)的創(chuàng)新，在其一個方面，包括紅外(IR)溫度測量與穩(wěn)定化系統(tǒng)，以及與之相關(guān)的方法。該創(chuàng)新主動地穩(wěn)定化IR傳感器和目標(biāo)物體之間路徑中的物體的溫度。采用溫度監(jiān)測器和控制器來調(diào)節(jié)至電阻性溫度設(shè)備(RTD)的電源，藉此調(diào)節(jié)傳送至該RTD的電流(和功率)。作為結(jié)果，對于變化，例如，環(huán)境溫度的變化，可主動地穩(wěn)定化IR可視物體的溫度。
相關(guān)于傳統(tǒng)紅外(IR)溫度傳感器，當(dāng)IR傳感器，如熱電偶，承受傳感區(qū)域中的諸如較廣范圍的操作溫度、溫度變化率、或靜態(tài)熱梯度之類的熱條件時，經(jīng)常出現(xiàn)顯著的測量誤差。在傳感元件和測量目標(biāo)之間的路徑中的IR可視的物體將傳遞能量值傳感器以及阻礙由物體目標(biāo)發(fā)射的熱能量的一部分。根據(jù)本創(chuàng)新，維持中間介質(zhì)(諸如光學(xué)透鏡和保護(hù)窗)的熱穩(wěn)定，藉此允許它們的能量貢獻(xiàn)是已知的且由測量系統(tǒng)準(zhǔn)確地進(jìn)行補償。還有，經(jīng)由RTD可穩(wěn)定化傳感區(qū)域內(nèi)的其他元件，如，傳感器外殼、基座等。因此，通過主動穩(wěn)定化關(guān)鍵的測量元件，本創(chuàng)新可給出顯著減少的最終溫度顯示響應(yīng)時間。通過以RTD結(jié)合溫度控制元件和電路來主動地穩(wěn)定化關(guān)鍵測量元件，可顯著地被減少或消除溫度補償，包括傳感器穩(wěn)定態(tài)溫度和變化率依賴性。在其他方面，該創(chuàng)新被動地穩(wěn)定化了傳感器和目標(biāo)物體之間路徑中的物體的溫度。在這些方面，經(jīng)由將傳感器導(dǎo)電地耦合至光學(xué)元件可完成被動熱穩(wěn)定化。為了為實現(xiàn)上述及相關(guān)目的，本文結(jié)合下面的描述和附圖來描述本創(chuàng)新的某些說明性方面。但是，這些方面僅僅是指示了可采用該創(chuàng)新的原理的各種方式中的若干種，并且本發(fā)明創(chuàng)新旨在涵蓋所有此類方面及其等效方案。通過結(jié)合附圖參考對本創(chuàng)新的以下詳細(xì)描述，本創(chuàng)新的其它優(yōu)點和新穎特征將變得顯而易見。附圖簡述

圖1示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面，能實現(xiàn)元件穩(wěn)定化的示例性紅外(IR)溫度傳感器系統(tǒng)。圖2示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的自加熱溫度傳感器系統(tǒng)的示例性仰視圖。圖3示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的自加熱溫度傳感器系統(tǒng)的示例性俯視圖。圖4示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面，有助于溫度穩(wěn)定化的元件和電路的示例性電示意圖。圖5示出根據(jù)本創(chuàng)新的一方面，有助于主動溫度穩(wěn)定化的過程的示例性流程圖。圖6示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的示例性自加熱溫度IR傳感器組件。圖7示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的示例性傳感器組件的示例性展開視圖。圖8示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的示例性傳感器組件的示例性底部透視圖。圖9示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的示例性傳感器組件的示例性側(cè)面透視圖。圖10示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的示例性傳感器組件的示例性仰視透視圖。圖11示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的組件的又一個示例性透視圖。圖12示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的導(dǎo)電銅框架的示例性放置。圖13示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的保護(hù)性外殼和電路板底座的示例性側(cè)面透視圖。圖14示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的示例性導(dǎo)電銅框架。圖15示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面，被置于導(dǎo)線上的玻璃填充物。圖16是根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的組件的示例性仰視透視圖。詳細(xì)說明現(xiàn)在參考附圖來描述本創(chuàng)新，在全部附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來指示同樣的元素。在下面的描述中，出于說明目的闡述了眾多具體細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明的全面理解。然而，顯而易見，可以沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實施本創(chuàng)新。在其他情況下，公知的結(jié)構(gòu)和設(shè)備以框圖形式示出以便于描述本創(chuàng)新。如下文中將更詳細(xì)地描述的，該創(chuàng)新公開了在紅外(IR)溫度測量系統(tǒng)中對于關(guān)鍵測量元件以及其他“可視”物體的穩(wěn)定化。該創(chuàng)新可有效地穩(wěn)定化由于保護(hù)帽或外殼以及與該IR傳感器接近的其他IR “可視”元件引起的干擾。如可理解的，IR熱測量對于在目標(biāo)-物體路徑中(或周圍)的傳感部件和IR “可視”介質(zhì)二者的熱能量狀態(tài)和流是高度敏感的。對于這些系統(tǒng)元件的熱能量或絕對溫度的主動穩(wěn)定化是本公開的一個根本原理。這個溫度穩(wěn)定化增強了準(zhǔn)確度且相比常規(guī)IR傳感器系統(tǒng)可以高效的速率被執(zhí)行。首先參看附圖，圖1示出能進(jìn)行主動元件溫度穩(wěn)定化的示例性IR溫度傳感器系統(tǒng)100。一般而言，該系統(tǒng)100可包括具有整體化窗口或透鏡104的保護(hù)性外殼102 (如，模制的塑帽)。可理解的是，透鏡104 (如，透明窗口)使得能經(jīng)由IR溫度傳感器106 (如，熱電偶)進(jìn)行IR能量的測量?？衫斫獾氖?，這個窗口可用與保護(hù)性外殼102 —樣的材料制成。因此，在窗口 104的溫度被穩(wěn)定化之前，窗口 104的溫度變化影響著IR測量的準(zhǔn)確度。可理解的是，窗口 104 —般可代表由熱電偶106所檢測到的能量的30%到50%。出于至少這個理由，本創(chuàng)新能穩(wěn)定化窗口 104的溫度以使可高效地且有力地作出補償來增強傳感設(shè)備106的準(zhǔn)確度。如圖所示，溫度傳感器106配備有光學(xué)元件108，該光學(xué)元件108也可隨溫度變化且影響熱電偶106的性能。由于在操作過程中窗口 104的溫度經(jīng)常波動，提供熱源來穩(wěn)定化窗口 104的溫度藉此增加IR溫度監(jiān)測功能的性能。此外，由于窗口 104最為經(jīng)常用塑料制成，溫度上的波動緩慢，因為塑料并不是熱的有效導(dǎo)體。下文將描述裝配有電阻性溫度設(shè)備(RTD)的示例性導(dǎo)電金屬框架。這個導(dǎo)電金屬被置于保護(hù)性外殼102的內(nèi)側(cè)且可將熱聚焦在窗口 104上?？衫斫馇伊私獾氖?，其他方面可包括任選的溫度方向性裝置(如，錐形設(shè)備)，其從裝配有RTD的熱源捕捉熱量且將此熱量引導(dǎo)至窗口 104和傳感器106的其他元件。換言之，在一些方面和環(huán)境中，如上所述的加熱效果和效率可受到保護(hù)性外殼內(nèi)所捕獲的空氣的低傳導(dǎo)率的影響。通過提供溫度引導(dǎo)裝置，如，漏斗(用虛線110表示)，熱量可被包含在錐形的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)，藉此增強穩(wěn)定化效果?？闪私獾氖窃诋?dāng)前或傳統(tǒng)的測量技術(shù)下，存在數(shù)種程度的測量系統(tǒng)誤差。需要耗費人力、費時、且昂貴的校準(zhǔn)處理來補償變化的溫度范圍。已經(jīng)嘗試了其他技術(shù)來使用絕緣和導(dǎo)電材料來被動地控制中間介質(zhì)的溫度。不幸的是，這些技術(shù)是復(fù)雜的且導(dǎo)致延遲的溫度讀數(shù)。進(jìn)一步，對于中間介質(zhì)溫度的被動控制經(jīng)常導(dǎo)致誤差或不準(zhǔn)確的讀數(shù)。將理解的是很多應(yīng)用要求在IR溫度測量中的高準(zhǔn)確度。本發(fā)明創(chuàng)新的主動溫度穩(wěn)定化系統(tǒng)可提供這樣的準(zhǔn)確度。傳統(tǒng)地而言，IR溫度測量中的固有誤差是被容忍的。此外，通過從狹窄的腔體或較長的管子觀察，從而保護(hù)光學(xué)透鏡或原始傳感器免于環(huán)境元素的影響。進(jìn)一步，根據(jù)傳統(tǒng)系統(tǒng)，移除環(huán)境性保護(hù)阻礙物，因為它們導(dǎo)致復(fù)雜度，引起不準(zhǔn)確的讀數(shù)。在溫度穩(wěn)定的環(huán)境中，設(shè)備花費較長時間來準(zhǔn)確地顯示。根據(jù)傳統(tǒng)系統(tǒng)，通過在廣泛溫度范圍上收集傳感器響應(yīng)來正確地處理溫度補償。此后，使用傳感器唯一校正因子來調(diào)節(jié)顯示。這是耗時的且導(dǎo)致折衷的準(zhǔn)確度。增加較大的熱質(zhì)量來減緩溫度變化率且解決熱梯度。不幸的是，這個方法導(dǎo)致增加的設(shè)備尺寸和較長的熱響應(yīng)時間。
圖1的測量系統(tǒng)可主動控制IR測量系統(tǒng)的關(guān)鍵元件的熱環(huán)境。以下是可用于穩(wěn)定化溫度的選項的概覽。傳感器系統(tǒng)的一個技術(shù)允許傳感器106在環(huán)境溫度和熱源穩(wěn)定化之后較快地進(jìn)入熱平衡。為了完成此舉，熱電偶傳感器106被直接暴露于環(huán)境，對于腐蝕性或嚴(yán)酷環(huán)境幾乎不具有保護(hù)或沒有保護(hù)。需要這樣的直接暴露以使其溫度在合理時間量內(nèi)追蹤環(huán)境溫度。不幸的是，直接暴露導(dǎo)致對于傳感器上元件的損壞和腐蝕。另一個可選技術(shù)采用熱源的熱分離，諸如功率耗散的電子元件，同時增強保護(hù)蓋和環(huán)境介質(zhì)熱轉(zhuǎn)移之間的被動熱傳導(dǎo)?？衫斫獾氖?，傳統(tǒng)產(chǎn)品在較廣的環(huán)境溫度范圍上具有有限的性能。整體上，通過主動溫度穩(wěn)定化，圖1的IR系統(tǒng)100可提供就常規(guī)系統(tǒng)而言有所改進(jìn)的準(zhǔn)確度。此外，可以更快的響應(yīng)時間呈現(xiàn)更為準(zhǔn)確的溫度。該系統(tǒng)100采用簡化，其導(dǎo)致減少的與校準(zhǔn)過程關(guān)聯(lián)的時間?？紤]到由本創(chuàng)新的特征、功能、和優(yōu)勢所提供的效率，可減少整體上的終端成本(end cost)。又進(jìn)一步，傳感器106和系統(tǒng)100可具有更寬的應(yīng)用基礎(chǔ)。因此，該創(chuàng)新提供可適應(yīng)于較廣范圍的用途或應(yīng)用的通用系統(tǒng)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，圖示出了示例性自加熱溫度傳感器200的底部視圖。項202圖示了圖1的熱電偶的基座。能檢測并產(chǎn)生熱的RTD 204可被熱結(jié)合至基座202。因此，除了檢測熱功率外，RTD 204還可產(chǎn)生熱，藉此穩(wěn)定化基座202以及系統(tǒng)的其他元件的溫度。圖示了導(dǎo)線孔206，且導(dǎo)線孔提供了通過此熱電偶導(dǎo)線可穿過基座202到附屬電路的裝置。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的各方面的示例性穩(wěn)定化系統(tǒng)300的俯視圖。一般而言，系統(tǒng)300包括保護(hù)蓋302，其具有被設(shè)置在該保護(hù)蓋(302)的頂部表面上的透鏡304 (或窗口)。在各方面中，窗口 304被集成于該蓋，然而，在可選設(shè)計中，窗口 304還可以是分立的元件。如上所述，保護(hù)蓋302封住IR傳感器系統(tǒng)(如，圖1的系統(tǒng)100)的元件。透鏡304 (或窗口)的溫度和溫度變化對于該系統(tǒng)的IR檢測而言是有效的噪聲，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的讀數(shù)。根據(jù)此，本創(chuàng)新提供了對于透鏡304的溫度穩(wěn)定化。本質(zhì)上，透鏡304是由金屬化銅(Cu)框架306作為邊界的IR透射窗口 304?？蚣?06被部署于保護(hù)蓋302的內(nèi)表面上且可聚焦在窗口 304周圍的熱。盡管圖示出正方形框架，可理解的是可在不背離本創(chuàng)新的精神和/或范圍的情況下采用將熱聚焦在窗口 304上的其他形狀和部署的導(dǎo)電材料(如，銅)。此外，在可選方面，可采用其他導(dǎo)電材料，如，鉬、銀、等?？商峁┳约訜犭娮栊詼囟葌鞲衅?08 (如，RTD)從而控制本創(chuàng)新的自加熱功能?？衫斫獾氖?，如果溫度穩(wěn)定化需要，RTD 308可檢測并傳遞熱功率。盡管圖示出兩個RTD，其他方面可在不背離本創(chuàng)新和所附權(quán)利要求范圍的情況下，按需采用附加的或更少的RTD。圖4示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的示例性電示意圖400。如圖所示，自加熱溫度傳感器402 (如，RTD)可電耦合至包括于熱控制電路404內(nèi)的溫度測量與溫度控制元件。根據(jù)期望的溫度設(shè)置點，通過改變功率耗散，RTD 402可測量并控制溫度。換言之，RTD 402電阻將代表特定溫度，且將被提供至RTD 402的功率將與流過RTD 402的電流的平方根成比例。在操作中，可選擇特定的設(shè)置點溫度(如，120° F)，藉此RTD可被提供所必需的功率量從而實現(xiàn)期望的溫度。在熱控制電路404中，可如圖所示地測量溫度。根據(jù)這個所測得的溫度，溫度控制可提供足夠的功率給自加熱溫度傳感器(RTD) 402來按照期望實現(xiàn)溫度設(shè)置點。因此，基于當(dāng)前和/或期望溫度，溫度控制可改變功率。因此，在RTD (多個)的位置(多個)的熱環(huán)境的主動控制中，可自動地或主動地補償并穩(wěn)定化熱損失?？衫斫獾氖?，這個調(diào)節(jié)溫度的過程還可被利用在本創(chuàng)新的系統(tǒng)中設(shè)置的所有RTD，如，如下文所述結(jié)合至保護(hù)性外殼內(nèi)的導(dǎo)電金屬的RTD。圖5示出根據(jù)本創(chuàng)新的各方面，穩(wěn)定化IR溫度測量系統(tǒng)中的元件的方法。盡管出于解釋簡明的目的，此處例如以流程圖形式示出的一個或多個方法被示出并描述為一系列動作，但是可以理解和明白，本發(fā)明創(chuàng)新不受動作的次序的限制，因為根據(jù)本創(chuàng)新，某些動作可以按與此處所示并描述的不同的次序和/或與其他動作同時發(fā)生。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明白并理解，方法可被替換地表示為一系列相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)或事件，諸如以狀態(tài)圖的形式。此外，并非所有例示的動作皆為實現(xiàn)根據(jù)本創(chuàng)新的方法所需要的。在502，可建立溫度設(shè)置點。例如，在各方面中，可選擇120° F的設(shè)置點，從而超過大多數(shù)任意環(huán)境操作條件。如上所述，IR傳感器組件可被裝配有數(shù)個RTD來主動穩(wěn)定化元件溫度。例如，導(dǎo)電框架可被裝配有RTD從而將熱聚焦在保護(hù)性外殼中透射窗口上。類似地，RTD可被結(jié)合至熱電偶的基座上且可提供溫度穩(wěn)定化。在504，可經(jīng)由RTD監(jiān)測溫度。如將理解的，與本創(chuàng)新有關(guān)而采用的RTD可按期望監(jiān)測并傳遞熱。在506做出判定，來確定所檢測到的溫度是否與期望的溫度設(shè)置點相一致。如果是的話，該方法返回至504來監(jiān)測溫度。如果在506為不一致，在508可調(diào)節(jié)送至RTD的功率。因此，在510可調(diào)節(jié)(如，提升)RTD的溫度輸出。如可了解的，溫度的提升可有效地調(diào)節(jié)和/或穩(wěn)定化位于該保護(hù)性外殼內(nèi)且位于該IR測量物體-目標(biāo)路徑內(nèi)的IR “可視”元件。現(xiàn)在參看圖6，圖示的是根據(jù)本創(chuàng)新的示例性自加熱溫度傳感器組件600。如圖6的示例中所示，保護(hù)性外殼602封住熱電偶或傳感器604。例如，該保護(hù)性外殼602掩蔽、遮蔽、和/或保護(hù)傳感器604免于受到環(huán)境影響。設(shè)置電路板606，可將傳感器604安裝在該電路板606上?？衫斫夂土私獾氖?，可部署電路在該板上，從而如此處所述地經(jīng)由RTD來控制傳感器604用于溫度測量和熱穩(wěn)定化控制。如所示，電路板606的形狀與該保護(hù)性外殼602 一致?？稍O(shè)置金屬化框架608且配備有幫助本創(chuàng)新的自加熱功能的RTD。圖7示出根據(jù)本創(chuàng)新的傳感器組件700的展開(和組裝好的)視圖。如圖所示，組件700可包括封住傳感器元件的保護(hù)性外殼702。在各方面中，該保護(hù)性外殼可由大多數(shù)任意塑料或適當(dāng)剛性的材料制成。保護(hù)性外殼702遮蔽傳感器外殼704，例如，免于環(huán)境影響。傳感器外殼704可由不銹鋼或大多數(shù)任意其他適當(dāng)剛性的材料制成。如上文圖1中所示，傳感器光學(xué)透鏡706可被適配在傳感器外殼704頂部。透鏡706是透明的且可由硅或其他適當(dāng)透明或半透明的材料制成?；?08被部署于與傳感器外殼706的與透鏡706相對端部處。在各方面，基座706是由不銹鋼制成的。然而，可理解和了解的是可在不背離本創(chuàng)新以及隨附權(quán)利要求的精神和/或范圍的情況下采用大多數(shù)任何合適的材料。電阻性溫度檢測器(RTD) 710可被安裝或熱結(jié)合在基座708底部，藉此經(jīng)由RTD 710可實現(xiàn)元件(如，708、706、704)的溫度穩(wěn)定化。在各方面，RTD 710可以是陶瓷RTD。本創(chuàng)新的RTD能用在可同時測量溫度并傳遞熱的模式中。因此，這個單個元件(如，RTD)能功能性地測量溫度同時用于穩(wěn)定化其他IR “可視”元件(如，外殼、基座、光學(xué)透鏡、保護(hù)性外殼窗口等)的溫度。通過幫助維持特定溫度或設(shè)置點(如，120° F)的電路，可控制該RTD。因此，該電路可調(diào)節(jié)送至RTD的功率從而維持所期望的溫度。盡管本文描述了特定溫度和電源，通過按需提供功率或瓦特數(shù)，本創(chuàng)新的特征、功能、和益處可被用于維持大多數(shù)任何期望溫度。可了解的是，關(guān)鍵元件的溫度的穩(wěn)定化增強了 IR溫度傳感功能的準(zhǔn)確度和性能。如圖所示，玻璃填充物712可被裝在基座708的孔中。除了安裝在電路板718上的保護(hù)性外殼702外，玻璃填充物712可增強本創(chuàng)新的氣密密封。制造時，導(dǎo)線，如，銅導(dǎo)線，714可通過玻璃填充物712被插入基座708。跡線，如，銅跡線，716在各實施例中可被設(shè)置。電路板718可被適配在保護(hù)性外殼702的開口端上，藉此封住其中的傳感器元件。可了解的是，電路板718可以是與保護(hù)性外快702的開口端一致的形狀。在其他方面，可設(shè)置與保護(hù)性外殼702的開口端的形狀相一致的槽，從而提供合適的氣密密封。在保護(hù)性外殼702中還包括金屬化框架，如，銅框架720。銅框架702可配備有RTD722。在一個方面，RTD 722是陶瓷檢測器。盡管RTD 710可檢測溫度并提供熱至基座708區(qū)域，如圖所示，RTD 722可提供熱至保護(hù)性外殼窗口區(qū)域?？闪私獾氖?，RTD 722可提供熱至金屬化框架，該金屬化框架可傳導(dǎo)窗口附近的熱。通過聚焦熱到窗口上，可均勻地穩(wěn)定化溫度來增強IR測量功能。圖8是根據(jù)本創(chuàng)新的各方面的示例性傳感器組件800的底部透視圖。如圖所示，傳感器組件800可包括保護(hù)性外殼802、電路板804、和RTD 806。附加地，設(shè)置銅導(dǎo)線808來按需幫助電連接?，F(xiàn)在參看圖9，示出了示例性傳感器組件900的側(cè)面透視圖。如圖所示，保護(hù)性外殼902在頂部可配備半透明窗口 904從而可經(jīng)由傳感器或熱電偶來捕捉IR能量。保護(hù)性外殼902的底部部分是打開的，從而如上文參看圖7所述地，傳感器元件可被插入。進(jìn)一步，保護(hù)性外殼902的開口端可被配置為配接于電路板906，如，提供放水或氣密密封?？衫斫獾氖牵诤线m的情況下，可設(shè)置襯墊來幫助或增強密封功能。圖10示出根據(jù)各方面的示例性傳感器組件1000的仰視透視圖。從這個有利位置，可見玻璃填充物1002的放置。換言之，在插入電路板1006時，每一個導(dǎo)線1004穿過玻璃填充物1004。圖11是根據(jù)各方面的組件1100的又一個透視圖。如圖所示，傳感器元件1102可被部署在電路板1104的中心內(nèi)。在其他方面，傳感器元件1102可被安裝在不包括電路板的端蓋上。在這些可選方面中，電路可位于遠(yuǎn)離熱電偶之處。可了解的是這個圖示是示例性的且并不意在限制本創(chuàng)新的可選方面。圖12示出在保護(hù)性外殼1204的封閉面內(nèi)的銅框架1202的示例性放置。換言之，金屬(如，銅)框架1202和如上文更為詳細(xì)地所述的其他傳感器元件一起被封在保護(hù)性外殼1204內(nèi)。進(jìn)一步，如圖所示，金屬框架1202可被配備有RTD 1206。根據(jù)本創(chuàng)新的特征、功能、和益處，這些RTD 1206可提供溫度穩(wěn)定化必需的信息。還有，該RTD 1206可提供穩(wěn)定化效果必需的熱。圖13到16是根據(jù)本創(chuàng)新的特定方面而圖示的。盡管公開了特定的熱容和導(dǎo)電率，可理解的是，這些值和參數(shù)是為了說明而提供的且并不是以任何方式限制本創(chuàng)新。首先參看圖13的組件1300，保護(hù)性外殼1302，如塑料，可具有2200J/Kg ° K的特定熱容和0. 5W/m ° K的導(dǎo)電率。電路板1304可具有1200J/Kg ° K的特定熱容和0. 23W/m ° K的導(dǎo)電率。圖4的銅框架1400可具有385J/Kg ° K的特定熱容和398W/m ° K的導(dǎo)電率。圖15的玻璃填充物1502可具有0. 836ff/m ° K的導(dǎo)電率。最后，如圖16中所示，傳感器外殼1602，如，鋼外殼，可具有477J/Kg ° K的特定熱容。在各方面中，該傳感器外殼1602還可具有16. 7W/m ° K的導(dǎo)電率。與傳感器外殼1602—致，基座1604，如鋼，可具有477J/Kg ° K的特定熱容和16. 7W/m ° K的導(dǎo)電率。導(dǎo)線1606，如銅導(dǎo)線，可具有385J/Kg ° K的特定熱容和398W/m ° K的導(dǎo)電率。根據(jù)本創(chuàng)新，可理解的是，熱傳遞是通過元件中和兩個元件接觸之處的傳導(dǎo)進(jìn)行的。保護(hù)性外殼的外表面可與環(huán)境溫度對流。保護(hù)性外殼的內(nèi)表面和保護(hù)性外殼內(nèi)的其他元件的外表面(如，傳感器外殼)將與捕獲在該保護(hù)性外殼內(nèi)的所捕獲的空氣相對流。在各實施例中，使用7. 9ff/M~2K的對流熱傳遞系數(shù)。根據(jù)上述熱容和導(dǎo)電率，在每一個RTD處指定0. 196W電源。環(huán)境溫度被固定在-20° C。進(jìn)行測試時，在每一個RTD施加0. 196W的電源。在銅框架處的RTD接觸到約120° F的溫度。對于這個功率，在基座附近的RTD處的溫度是101° F?？衫斫獾氖牵@個量的穩(wěn)定化足以能進(jìn)行有效且準(zhǔn)確的IR溫度測量。換言之，可提供控制電路從而使用IR能量中的穩(wěn)定化的元件溫度來進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。作為結(jié)果，消除了 IR “可視”元件的影響。盡管此處詳細(xì)公開且描述了主動穩(wěn)定化，可理解的是在本公開和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)將構(gòu)想且包括被動(或主動和被動的組合)穩(wěn)定化的實施例。例如，在被動實施例中，傳感器元件(多個)可被熱耦合至光學(xué)元件從而影響被動穩(wěn)定化。換言之，使用導(dǎo)電材料(如，銅)，蓋(如，包括光學(xué)元件)可被金屬化。此處，可使用經(jīng)由導(dǎo)電金屬的熱性質(zhì)的被動導(dǎo)電率來如上所述地穩(wěn)定化溫度(多個)。以上已經(jīng)描述的內(nèi)容包括了本創(chuàng)新的數(shù)個示例。當(dāng)然，要為描述本發(fā)明創(chuàng)新而描述組件或方法的每一種可構(gòu)想到的組合是不可能的，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將可認(rèn)識至IJ，本創(chuàng)新的許多進(jìn)一步的組合和置換是可能的。因此，該創(chuàng)新旨在涵蓋所有這些落入所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的更改、修改和變化。此外，就在說明書或權(quán)利要求書中使用術(shù)語“包括”而言，這一術(shù)語旨在以與術(shù)語“包含”在被用作權(quán)利要求書中的過渡詞時所解釋的相似的方式為包含性的。
權(quán)利要求
1.一種紅外(IR)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，包括: 具有開口端和封閉端的保護(hù)性外殼，其中所述保護(hù)性外殼封住IR溫度傳感器； 置于所述保護(hù)性外殼的所述封閉端的內(nèi)部部分上的金屬框架，其中所述金屬框包圍住在所述保護(hù)性外殼的所述封閉端中的透射窗口； 多個電阻性溫度檢測器(RTD)，所述電阻性溫度檢測器熱結(jié)合至所述金屬框架，其中所述多個RTD檢測并生成熱；和 控制電路，因變于經(jīng)由所述RTD的其中一個或多個所檢測到的熱來經(jīng)由對于所述多個RTD的每一個的溫度控制，來主動穩(wěn)定化所述透射窗口的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括熱結(jié)合至所述IR溫度傳感器的基座的附加RTD，其中經(jīng)由所述附加RTD的熱生成經(jīng)由所述控制電路被主動控制，且其中所述熱生成主動穩(wěn)定化所述基座的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括置于電路板上的IR傳感器，其中所述電路板氣密地密封所述保護(hù)性外殼的所述開口端。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路產(chǎn)生大體上0.196W且將所述溫度穩(wěn)定化在大體上120° F。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路主動穩(wěn)定化所述金屬框架、所述多個RTD、和所述IR溫度傳感器的溫度。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述保護(hù)性外殼圓柱形狀的。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述保護(hù)性外殼是塑料的。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬框架是銅框架。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述IR溫度傳感器包括外殼、安裝至所述外殼一端的光學(xué)透鏡、和安裝至所述外殼的另一端的基座，其中所述基座包括附加RTD，所述附加RTD經(jīng)由所述控制電路穩(wěn)定化每一個所述IR傳感器元件的溫度。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)透鏡是熱穩(wěn)定的透鏡。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括氣密地密封每一個導(dǎo)線的玻璃填充物，所述導(dǎo)線橫穿所述IR溫度傳感器的所述基座。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括溫度引導(dǎo)裝置，其將來自所述金屬框架的熱導(dǎo)向所述IR溫度傳感器的基座。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，各所述RTD是陶瓷RTD。
14.一種用于穩(wěn)定化IR溫度傳感組件的溫度的方法，所述方法包括: 選擇設(shè)置點溫度； 監(jiān)測與所述設(shè)置點溫度關(guān)聯(lián)的多個RTD的當(dāng)前溫度；且 如果所述多個RTD中的一個的當(dāng)前溫度與所述設(shè)置點不一致， 則主動遞調(diào)節(jié)送至所述多個RTD中的所述一個的功率；且 因變于與所述設(shè)置點關(guān)聯(lián)的所述當(dāng)前溫度來調(diào)節(jié)所述多個RTD中的所述一個的熱輸出。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括: 在保護(hù)性外殼的透射窗口附近部署金屬框架；且 將所述多個RTD熱結(jié)合至所述金屬框架。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括將附加RTD熱結(jié)合至IR溫度傳感器的基座。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括將來自所述金屬框架的熱引導(dǎo)至IR溫度傳感器的光學(xué)透鏡。
18.一種有助于在IR監(jiān)測系統(tǒng)中王動控制溫度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 用于檢測封住IR溫度傳感器的保護(hù)性外殼內(nèi)的當(dāng)前溫度的裝置； 用于基于預(yù)先選擇的設(shè)置點溫度來調(diào)節(jié)所述當(dāng)前溫度的裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于檢測當(dāng)前溫度的裝置是多個 RTD。
20.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)所述當(dāng)前溫度的裝置是主動控制電路或被動熱穩(wěn)定化裝置，所述主動控制電路通過各所述RTD來調(diào)節(jié)功率，其中對所述功率的調(diào)節(jié)增加由各所述RTD產(chǎn)生的熱。
全文摘要
本發(fā)明提供了紅外(IR)溫度測量和穩(wěn)定化系統(tǒng)、以及與之關(guān)聯(lián)的方法。該創(chuàng)新主動穩(wěn)定化了紅外(IR)傳感器和目標(biāo)物體之間的路徑附近或之中的物體的溫度。采用溫度監(jiān)測器和控制器來調(diào)節(jié)至電阻性溫度裝置(RTD)的電源藉此調(diào)節(jié)傳送至該RTD的電流(和功率)。作為結(jié)果，對于變化，例如，環(huán)境溫度的變化，可主動地穩(wěn)定化IR可視物體的溫度，導(dǎo)致有效且準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。
文檔編號G01K7/00GK103080711SQ201180042041
公開日2013年5月1日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
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