一种新型远距离红外测温传感器装置的制作方法

1.本发明涉及红外测温技术领域，更具体地，涉及一种新型提高精度远距离红外测温传感器装置。


背景技术：

2.目前常用的普通红外测温器的有效准确测温距离大致在5厘米以内，这个限制来自于两个部分，一是目前采用的传感元件，如mems红外传感器的灵敏度，二是传感器本身的设计，如目前常用的人体温度测量的to-46红外测温传感器封装，其接受辐射的角度大致有90度，离测量目标距离变大，接受的目标面积也会增大，超出目标大小，测量就不再准确。为了达到测量的准确并信号的信噪比稳定，就必须解决这两个问题。
3.这两个问题的解决不是一个简单的提高传感元件的灵敏度，或改变传感器封装方式来限制辐射接受角度那么简单，还要涉及对传感元件信号输出、封装及材料的理解来综合设计以提高传感器的信噪比，达到实用的效果。红外测温的基本物理理论基于黑体辐射理论，普朗克公式(plack’s law)准确描述了物体辐射与物体温度的关系，普朗克(max planck)是量子理论的开创者之一，此公式获得了1918年的nobel奖。由普朗克公式对波长积分可以推导出stefan-boltzmann公式，建立了物体辐射能量与物体温度的关系。由此，我们测量辐射能量就可以间接获得物体的温度信息。
4.红外测温传感元件，如目前最常用的基于半导体mems技术的热电偶，接受微弱的辐射而产生一个微小电势输出，这个电势正比与接受的辐射能量减去自身的辐射能量。这是传感元件的工作原理。从这个来说，测温传感信号不仅取决于被测物体的温度，也取决于传感元件本身的温度。这里假设了被测物体的温度是均匀的，如不均匀，测量获得的结果是测量范围内被测物体的积分平均温度。
5.为实现准确测量，采用了封装技术，把传感元件密封在一个温度一致的环境内，实现传感元件本身的温度精确测量，同时限制传感元件接受辐射的角度来实现对有限范围内物体的温度测量。但随着被测物体的距离变远，我们就要把这个接受辐射的角度限制到更小，来测量同样大小物体的温度，同时这个距离变远造成了接受的辐射以距离平方反比关系的辐射减弱。这对测量元件的灵敏度和信噪比提出了更严的要求。为解决这两个问题常规的设计是采用光透镜的方式来达成两大目的，即实现角度的控制，同时提高了辐射接受角度来提高传感元件接受更多的能量。国际市场上已经有这种设计的红外测温传感器，有不同的接受角度控制来实现不同的应用需求。
6.如图1所示，描述了常规的红外测温传感器的设计，一个红外透明材料制作的红外光透镜(1)会聚入射的红外辐射，聚焦到红外辐射传感元件(2)上，主入射光(chiefray)，在图1中水平入射的光线，聚焦到传感元件(2)的中间，倾斜入射的光会聚点将会偏离中心，随入射角度的增大而逐步远离中心，最后将离开传感元件的有效传感区域(3)之外，会聚到传感元件(2)的边框区域(4)。
7.这个设计理论上是一个直观的设计，但这个设计忽略了mems传感元件本身的一个
具体问题，有限角度内的辐射到达了传感元件接受面上，但限制角度外的辐射也会到达传感元件的边侧或封装上来直接或间接加热传感元件，这个边侧和封装设计决定了传感元件本身基准温度，受辐射会造成测量信号的下降以及噪声的提高。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的上述弊端，本发明提供了一种新型远距离红外测温传感器装置，可以限制传感元件边缘部分受辐射的影响，进一步提高信号的信噪比，同时更准确地反映被测量物体的真实温度。
9.作为本发明的第一个方面，提供一种新型远距离红外测温传感器装置，包括红外光透镜和设置在所述红外光透镜一侧的传感元件，还包括光阑，所述光阑包括内光阑和/或外光阑，所述内光阑设置在所述红外光透镜和所述传感元件之间，所述外光阑设置在所述红外光透镜远离所述传感元件的一侧，所述传感元件包括位于中间的有效传感区域和位于所述有效传感区域周边的边框区域。
10.进一步地，所述传感元件包括半导体热硅堆红外辐射传感器。
11.进一步地，所述光阑固定在封装所述新型远距离红外测温传感器装置的外壳上。
12.进一步地，所述内光阑包括圆型通光孔径。
13.进一步地，所述外光阑为中空的桶装光阑。
14.进一步地，所述内光阑的个数为一个或多个。
15.进一步地，所述外光阑的个数为一个或多个。
16.本发明提供的新型远距离红外测温传感器装置具有以下优点：基于红外测温传感元件的物理特性，采用辐射限制来提高传感器的性能，最大化传感有效面积内的使用，最小化传感边框受辐射而影响测量的精度和减少测量误差；可以限制传感元件边缘部分受辐射的影响，进一步提高信号的信噪比，同时更准确地反映被测量物体的真实温度。
附图说明
17.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
18.图1为常规的远距离红外测温传感器的结构示意图。
19.图2为本发明提供的增加内光阑的新型远距离红外测温传感器装置的结构示意图。
20.图3为本发明提供的增加外光阑的新型远距离红外测温传感器装置的结构示意图。
21.图4为本发明提供的增加内外光阑的新型远距离红外测温传感器装置的结构示意图。
22.附图标记说明：1-红外光透镜；2-传感元件；3-有效传感区域；4-边框区域；5-内光阑；6-外光阑。
具体实施方式
23.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合
附图及较佳实施例，对依据本发明提出的新型远距离红外测温传感器装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
24.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
25.在本发明的解释中，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，除非是特殊标明。例如，连接可以是固定连接，也可以是通过特殊的接口连接，也可以是中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.在本实施例中提供了一种新型远距离红外测温传感器装置，如图2-4所示，所述新型远距离红外测温传感器装置，包括红外光透镜1和设置在所述红外光透镜1一侧的传感元件2，还包括光阑，所述光阑包括内光阑5和/或外光阑6，所述内光阑5设置在所述红外光透镜1和所述传感元件2之间，所述外光阑6设置在所述红外光透镜1远离所述传感元件2的一侧，所述传感元件2包括位于中间的有效传感区域3和位于所述有效传感区域3周边的边框区域4。
27.具体地，如图2所示，所述红外光透镜1和所述传感元件2之间设置有限制光束的所述内光阑5，其目的是控制红外光只照射到传感元件的有效传感区域3上，从而实现改进的信号，提高传感器的信噪比等性能。
28.具体地，如图3所示，所述红外光透镜1远离所述传感元件2的一侧设置有所述外光阑6。采用外光阑6来限制光入射角，实现与内光阑5同样的设计目的。外光阑6的作用还有提前阻止红外辐射透过透镜而加热传感器内部，提高信号的灵敏度和信噪比。
29.具体地，如图4所示，所述红外光透镜1和所述传感元件2之间设置有所述内光阑5，同时所述红外光透镜1远离所述传感元件2的一侧设置有所述外光阑6。同时采用内光阑5和外光阑6，来实现更好的角度限制。
30.优选地，所述传感元件2包括半导体热硅堆红外辐射传感器。
31.优选地，所述红外光透镜1的材料主要有硅、锗等红外透明材料。
32.优选地，所述光阑固定在封装所述新型远距离红外测温传感器装置的外壳上。
33.优选地，所述内光阑5包括圆型通光孔径。
34.需要说明的是，内光阑5不仅可以是常规的圆型通光孔径，也可以按照传感元件的形状来优化设计，其主要功能还是限制红外光只覆盖有效传感区域3上，内光阑5的数量也可以多个，在实际中可以更好的控制红外辐射局限在传感元件2上，并避免红外辐射对传感元件2周围的加热效应。
35.需要说明的是，光阑5的位置和大小根据以上的设计目的来优化。光阑5可以固定在封装外壳上，也可以与传感元件2或红外光透镜1固定机械一体化，实现器件的稳定和误
差控制。
36.优选地，所述外光阑6为中空的桶装光阑。
37.需要说明的是，外光阑6形状可以按设计和使用的要求而定，也可以根据传感元件2的形状而优化，由于外光阑6的侧壁也会热辐射到传感元件2上，外光阑6的设计还要考虑与传感元件2之间的温度平衡关系。
38.需要说明的是，外光阑6可以是中空的桶装光阑，与透镜1、传感元件2一体化；外光阑6也可以是外容器上开孔，把透镜1和传感元件2封装在内。
39.需要说明的是，外光阑6也可以由多个串联，起到更好的辐射角度控制。
40.透镜固定架本身也是一个光阑，但不能实现内光阑5和外光阑6对辐射范围的准确限制。采用内光阑5和外光阑6来限制辐射在传感元件2的有效传感区域3内，达到高信噪比。
41.优选地，所述内光阑5的个数为一个或多个。
42.优选地，所述外光阑6的个数为一个或多个。
43.需要说明的是，红外温度测量是基于黑体辐射原理来进行非接触温度测量的方法，为本领域技术人员所熟知的常规技术，不在这里详述。
44.本发明提供的一种新型远距离红外测温传感器装置，通过增加限制光束的光阑来限定红外辐射只集中到传感元件的有效面积上，其他大角度辐射被光阑阻挡，可以限制传感元件边缘部分受辐射的影响，进一步提高传感器信号的信噪比，同时更准确地反映被测量物体的真实温度。光阑的具体设计、固定和材料对最终产品会有影响。
45.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。