CN1059496C - 辐射式温度计 - Google Patents

Abstract

一种辐射式温度计，包括：一感测装置，用以感应由外界电源所加的电能而产生第一组感应信号及感应来自外界标的物的红外辐射以产生第二组感应信号；一切光器，设于标的物与感测装置间；一电能激励器，用以施加电能于所述感测装置；及一信号处理装置，用以处理所述感应信号，再计算出感测装置所接收到的红外辐射量，并据以求出标的物的温度。感测元件由二个以其极化方向正反并联或串联连接的焦电感测元件组成，以消除感测装置产生的噪音。

Description

辐射式温度计

本发明涉及一种温度计，特别是一种辐射式温度计。其原理是利用电校正方式，估算热辐射感测元件(感测装置)所接受的由目标物产生的红外辐射，并依该估算得的红外辐射量推算标的物的温度。

量测物体的温度长久以来一向是科学与工业中一项普遍且重要的技术。量测温度的方法有两类：一类是接触型，另一类是非接触型。前者是利用感测元件与待测定温度的标的物的实际接触，热流经由接触介面传至温度测定元件，使其计温而得感应信号。后者是在感测装置与标的物间存在一段距离，热流经由标的物与感测元件间的热辐射而转移。

利用辐射量的测量方法有许多优点：(1)感测元件对标的物的影响较接触型为小，故量测结果较准确，尤以标的物的热容较小时更是如此；(2)可免除接触所引起的麻烦及可能的危险性。例如，设在高处的大电力设施的表面温度的量测、火灾的预防性监测以及医疗诊断时接触人体量测所能引起的感染与***式的不便。因此，长久以来，非接触式温度量测一直是使用者最希望的方式。

非接触式温度量测的一例是为焦电型辐射计。基本上，此种辐射计是利用焦电效应的原理，亦即以焦电材料制成感测元件，当此感测元件与待量测温度的标的物间因为温度不同，引起某种程度的辐射热交换，焦电感测元件受到来自标的物的红外线热辐射的光加热，本身发生温度变化时，由于焦电材料的特性，会在其上感应产生非平衡的暂态电荷(此即所谓焦电效应)，此电荷再经由外接电路产生一感应电流。

图1显示***衡的暂态电荷；一电阻材料层12，设于该第一焦电材料层11一侧；一第一加热端子T1及一第二加热端子T2，分别设于电阻材料层12两侧，可利用引线14与外界电源连结以加热电阻材料层12；一底部电极13，设于焦电材料层11的另一侧，可利用引线15使焦电材料层11所感应产生的电荷流至外部电路；及一黑色包覆层16，连附于电阻材料层12与焦电材料层11相反侧，用以吸收来自外界标的物的红外辐射，再传热至焦电材料层11。电极13具有正极性或负极性，其决定方式如下。当焦电材料层11因受热而产生电流时，若电极13构成该电流的源点(source)，则其具有正极性。反之，若电极13构成该电流的汇点(sink)，则其具有负极性。此有关极性的定义适用于本说明书的全文。

其次参考图1，说明前述习用电校式焦电型辐射计的结构。此一辐射计主要包括：感测元件10，用以接受来自外界电源的电加热或来自外界标的物1(辐射源)的光加热，并于外接电路产生一感应电流；切光器2，介设于标的物1和感测元件10之间，藉由持续转动，以控制自标的物1朝感测元件10辐射的红外光，仅容许其于部分时间穿过切光器2而为感测元件10所接收到，感应信号放大器3，藉由引线15和感测元件10连接，用以将感测元件10所产生的感应电流予以放大；马达24，用以驱动切光器2，使其转动；驱动电路25，用以驱动马达24；功率量测器4，用以量测加于感测元件10的电能的大小；隔离放大器5，用以加电能于感测元件10；模拟多工器9，用以选择性地将来自感应信号放大器3或功率量测器4中的一信号输入至A/D变换器20；微处理机21，用以发出控制信号等至驱动电路25、A/D变换器20、模拟多工器9、D/A变换器6，并处理来自模拟多工器9再经A/D变换器20变换为数字信号的数据；储存器22，与微处理机21连结，用以供微处理机21存取数据；显示器23，与微处理机21连结，用以显示微处理机21所提供的数据；启动按纽26，用以启动微处理机21。由微处理机21产生的电加热信号，经D/A变换器6转换成模拟信号，又经隔离放大器5予以放大后，再施加于感测元件10。

其次，简单说明此一***衡(两者的差异小于容许偏差值)时，即可由人为输入的已知电加热功率，获知来自待施行温度量测的标的物的热辐射功率。由于此一辐射计利用焦电材料构成感测元件10的主要部分，并采用电校正方式求取标的物的热辐射功率，故为一电校式焦电型辐射计。采取此方式，往往须经多次尝试，交替地施行电加热与光加热，才能达到前述两焦电感应信号平衡的状况(此称为自动归零)。

由以上说明可知，图1所示的习用电校式焦电型辐射计具有如下缺点：

(1)、由于须设一持续旋转的切光器，故机构较复杂且体积较大。

(2)、由于须施行多次电加热，而较耗电。

(3)、由于自动归零须反覆施行多次电加热与光加热，故须花费较长时间才能测知标的物发出的红外辐射功率，致使此一习用电校式焦电型辐射计不适于商品化。

(4)、由于感测元件的电阻材料层12与底部电极13间的电容耦合(参考图1)，加热电压的高频成分会贯穿元件而输送至信号放大器。此种电容耦合信号并非由加热所产生的焦电信号，因此会形成假信号。图1所示的习用电校式焦电型辐射计利用昂贵的隔离放大器解决此问题，造成其制造成本提高。

另一***面电极32，设于压电膜片35朝外的一侧，由两分开的电极片33、34所构成。电极片33、34形成一抗颤噪音的串联式感测元件，校正电路30另包括一放大电路37、一微处理机38、一开关36及一激励信号电路39。图3一中空管状导波器42，用以引导由标的物1发出的红外辐射，使其到达焦电感测元件31处。快门43(其驱动机构未图示)，仅容许该红外辐射于所需的时间内通过而到达焦电感测元件31。电极片34与放大电路37连接，电极片33则连至开关36，开关36选择性地将电极片33连至放大电路37或连至激励信号电路39。激励信号电路39可产生一预定的电校正信号40，用以激励膜片35，使其产生一机械应力，转而产生一感应电信号41(见图4)。在温度计安装初期(焦电感测元件31尚未发生老化时)的感应电信号41的值，被存储起来作为一预定标准。在进行校正作业时，开关36及激励信号电路39由微处理机38予以控制，激励信号电路39可接受微处理机38的指令，而产生一预定的电校正信号40。

其次，说明前述美国专利第4,797,840号所公开的习用焦电型辐射温度计的校正作业。于即将进行温度量测作业之前，在快门43关闭状态下，以开关36将电极片33连至激励信号电路39，预定的电校正信号40被施加于电极片33。由于膜片35的压电性质，会造成一机械应力，此机械应力转而使膜片35在电极32产生一感应电信号41’，感应电信号41’经电极片34被传至放大电路37。由于电校正信号40为一预定值，感应电信号41’自前述预定标准感应电信号41的偏差量成为在焦电感测元件31所产生的材料老等变化的指标，且此偏差量提供了由微处理机38作适当修正所必须的校正信息。

紧接于校正作业之后，开关36将电极片33连至放大电路37，开始进行温度量测作业。使快门43开启，使标的物1所产生的红外辐射在导波器42的引导下，到达焦电感测元件31处，对焦电感测元件31进行光加热。假定焦电感测元件31对光加热的能量反应值为Vt’，利用微处理机38以经由前述校正作业所获得的校正信息加以校正，以补赏因焦电感测元件材料老化等所产生的偏差后，即得到修正的能量反应值Vt。再利用下列公式，即可计算出标的物1的温度：

Vt＝f(Ta)×(Tt⁴-Ta⁴)其中，Ta为周围环境温度，Tt为标的物的温度，Vt为经校正的能量反应值而f(Ta)为周围环境温度Ta的函数。

所述校正作业，基本上是假定设焦电测元件的材料老化对其焦电响应度影响和对其压电系数的影响完全一致。事实上，焦电响应度是受到诸多参数(例如焦电感测元件的压电系数、焦电感测元件的热时间常数及焦电感测元件与其周遭环境的热导等)的影响，压电系数仅不过为其中之一而已，故该一假设并非精确。因此，不能期待通过基于前述错误假设的校正作业，能获得正确的温度量测结果。在校正作业时，因原先的抗颤噪音感测器结构不再被串联连结，使原抗颤噪音的机制消失，致使校正的噪音增大，更加不能得到正确的量测结果。

在美国专利第4,797,840中，另揭露一种利用受到温控保持于恒温的加热元件，来求取标的物的温度的方式。当快门开启时，焦电感测元件接收到来自标的物的红外辐射，而产生一第一感就信号；而当快门关闭，亦即在未对焦电感测元件进行光加热时，自该加热元件发出的红外辐射经反射，并为同一焦电感测元件所接收，而产生一第二感应信号。利用已知的加热元件的温度及所测得的第一感应信号与第二感应信号，而计算出标的物的温度。采用此方式，须要不断地对加热元件施以加热，并将其温度控制于恒定，由于耗电量大，不但使用成本高、且不易小型化。又因加热元件的温度欲达到稳定颇为费时，而不适于商品化。此外，由于标的物温度计算的依据非为直接来自标的物的绝度对辐射量，而是利用焦电感测元件的感应信号，故此温度计非为绝对辐射温度计。

另外，在美国专利第4,790,324号及第4,602,642号中，均利用受到温控保持于恒温的黑体以校正温度计。其缺点与在美国专利第4,797,840号中，利用受到温控保持于恒温的加热元件，来求取标的物的温度的方式大致相同。

在美国专利第4,900,162号的红外辐射测温***中，设有一辐射检测器及用以加热、冷却该辐射检测器使后者保持于恒温的一加热冷却单元，当一和辐射检测器与标的物两者的温度差成比例的归零辐射计信号达到零时，即判断该温度差为零，而可由温度已知的辐射检测器求出标的物的温度。由于加热、冷却作业须消耗大量的电流，故此一检温***亦存在使用成本高、不易小型化的问题。

在美国专利第4,907,895号中，揭露一红外辐射温度计用的切光器，该切光器是由一马达驱动旋转，而须耗费大量电源，因而造成与前述相同的缺点。并且因其未施行校正，长时间的稳定性仰赖于高稳定性的昂贵元件，而造成制造成本提高。

在美国专利第4,993,424号的红外医用辐射温度计中，利用一枢接于探针前端的校正板供作校正之用，该校正板亦须受到加热保持于恒温，而须耗费大量电源，因而造成使用成本高、不易小型化等缺点。

在美国专利第5,127,742号的辐射温度计中，利用一受到温控保持于恒温的快门，其目的在提供一不受环境温度影响的温度计及增大温度计的量测温度范围。此一设计，除了前述加热施行温控作业的缺点外，更存在有一问题是：要将加热用的电线连接至一高速动作的快门还是困难的事。

本发明的主要目的在于提供一种以标的物的绝对辐射量求得标的物温度的非接触式温度计，其藉由已知的电加热的能量，直接估算由标的物的红外辐射所施于焦电感测元件的绝对辐射量，并依该绝对辐射量计算标的物的温度，因而温度计量的结果不受焦电元件响应度(responsivity)的影响。

本发明的目的之二，在于提供一种耗电量小，成本低的温度计。

本发明的目的之三，在于提供一种光加热与电加热均实施于同一元件，而可达到精确温度量测结果的温度计。

本发明的目的之四，在于提供一种测量灵敏的温度计，只须对准标的物一秒钟即能完成温度量测。

本发明的目的之五，在于提供一种杂音小的温度计，利用与***电源隔绝的浮接电源施行电加热，而可有效地降低电源杂音。

本实用新型的种辐射式温度计，包括：

一感测装置，用以感应由外界电源所加的电能而产生第一组感应信号及感应来自外界标的物的红外辐射以产生第二组感应信号；

一切光器，设于标的物与感测装置间，受控制而移动，以开放或遮断红外辐射朝向感测装置的通路；

一电能激励器，用以施加电能于所述感测装置；及

一信号处理装置，用以处理感测装置所产生的第二组感应信号及第一组感应信号，再计算出来自标的物而为感测装置所接收到的红外辐射量，并据以求出标的物的温度。

结合附图及实施例对本发明的特征说明如下：

附图简单说明：

图1为一习用焦电型电校式辐射温度计的构成的方块图。

图2A为图1所示习用及本发明的辐射温度计中均采用的一焦电感测元件的详细构造的剖视图。

图2B为图2A所示焦电感测元件的等效电路图。

图3为显示另一习用焦电型辐射温度计的校正电路的电路方块图。

图4为校正作业时，对于焦电感测元件所施加的电校正信号及由焦电感测元件所产生的感应电信号示意图。

图5A本发明的一实施例的绝对辐射温度计的电路方块图。

图5B为图5A的简化方块图。

图6A将图2A与图2B所示焦电感测元件加以改良，使读出电极与加热端子分开设置的感测装置示意图。

图6B为将图6A所示感测装置加以改良的第一型抗颤噪音感测装置的示意图。

图6C为将图6B所示第一型的抗颤噪音感测装置予以简化的感测装置示意图。

图7A为略异于图6C的第二型抗颤噪音感测装置的示意图。

图7B为图7A所示感测装置的一变形。

图8A为本发明中所采用的一电能激励器的示意图。

图8B为图6C所示的抗颤噪音感测装置与图8A所示电能激励器及感应信号放大器的连接示意图。

图9为本发明中所采用的另一电能激励器的示意图。

图10A为本发明的辐射式温度计中采用的另一种焦电感测元件的详细剖视图。

图10B为图10A所示焦电感测元件的等效电路图。

图11A为采用图10A与图10B所示焦电感测元件的第三种抗颤噪音感测装置的示意图。

图11B为将图11A简化结构示意图。

图12为采用图10A与图10B所示焦电感测元件的第四抗颤噪音感测装置的示意图。

首先，参照图5A详细说明依本发明的一实施例的辐射式温度计的组成。如图5A所示，此温度计包括：一感测元件10，用以接受来自外界电源的电加热或来自外界标的物1(辐射源)的光加热，并于外接电路产生一感应电流；切光器63，设于标的物1和感测元件10之间，可受控制上、下移动，以开放或遮蔽自标的物1朝向感测元件10辐射的红外光的通路；中空圆管状的导波器90，用以引导由标的物1发出的红外辐射，使其到达感测元件10处；感应信号放大器51，与感测元件10相连接，用以将感测无件10所产生的感应电流予以放大；切光器驱动机构64，用以驱动切光器63上、下移动，以开放或遮蔽红外光的通路；切光器驱动电路65，用以驱动该切光器驱动机构64；环境温度感测器61，用以量测环境温度；温度信号放大器62，用以将环境温度的信号予以放大；功率量测器58，用以量测施加于感测元件10的电能的大小；电能激励器57，用以施加电能于感测元件10；模拟多工器52，用以选择性地将来自温度信号放大器62、感应信号放大器51或功率量测量器58中的信号输入至A/D变换器53；微处理机54，用以发出控制信号等至A/D变换器53、模拟多工器52或电能激励器57或经放大器59至驱动电路65，并处理来自模拟多工器52再经A/D变换器53变换为数字信号的数据；储存器55与微处理机54连结，用以供微处理机54存取数据；显示器56，与微处理机54连结，用以显示微处理机54所提供的数据；及启动按纽60，用以启动微处理机54。另外，设有一大热容量容器66，用以将感测元件10及环境温度感测器61等收纳于其内，以降低环境温度变化对焦电感测元件的焦电系数的影响。图5B为图5A的简化方块图。于图5B中，将图5A所示第一实施例的辐射式温度计构成的方块图中，和本发明特征较不相关的部分，纳入一方块80中，简称之为“信号处理装置”。

其次，说明本发明中对于感测装置构造的进一步改良。在图2B所示的焦电感测元件，若直接以电阻材料层12与底部电极13作为提取焦电材料层11所感应的焦电信号用的读出电极，则因为焦电感测元件的电容性，使加热电阻材料层的电讯号易于耦合至真正的焦电信号，而扰乱该焦电信号。因此，适宜如图6A所示，在电阻材料层12两边的加热端子T1、T2并联连接另一电阻材料层(可变电阻)VR，以引线A1、A2自其两连接点接出，经功率量测器58连至电能激励器57(参考图5A、5B)。另以一滑动电极M触接于电阻材料层VR，其触接位置须受到适当的调整，使电阻材料层VR与电阻材料层12构成一平衡电桥，以避免电容耦合信号扰乱到测取的焦电信号。滑动电极M被视为一虚拟读出电极，与原有读出电极即底部电极13分别由引线A3、A4连接至感应信号放大器51(参考图5A、5B)，以在不受加热信号扰乱情况下提取焦电信号，并将该信号送至信号放大器51。如此，而构成图6A所示的感测装置100A。

在焦电感测元件的利用上，另存在有颤噪音(Microphonic)的问题。详言之，所有的焦电材料均为压电材料，亦即，当其受到机械应力时会产生感应表面电荷，同时并在加于焦电感测元件的负载产生压电信号。所以由压电材料所制成的焦电感测元件不仅受到温度变化的影响，亦受到因振动所造成的焦电材料形变的影响，而产生感应表面电荷。由负载所生的压电信号即是由焦电信号与压电信号所混合而成的。为了消除不必要的压电信号，可将图6A的感测装置100A改良成如图6B所示第一型抗颤噪音的感测装置10B。其方式将是两焦电感测元件依其极化方向(即图中箭头方向)一正一反并联起来，使两焦电感测元件的压电信号互相抵消。由于图中右侧的焦电感测元件并不受电加热，且不用来接收红外辐射，故可免设平衡电桥，而成为如图6B的构造。或进一步省去或其电阻材料层及黑色包覆层，而代以一顶部电极p，成为图6C所示的感测装置100C。此感测装置100C包含图中左侧的第一焦电感测元件10L、右侧的第二焦电感测元件10R及可变电阻VR。而第一焦电感测元件10L用以接收来自标的物的红外辐射及由电能激励器所施加的电能。第一焦电感测元件10L包括：一第一焦电材料层11L；一第一电阻材料层12，设于该第一焦电材料层11L一侧；一第一加热端子T1，设于第一电阻材料层12的一边；一第二加热端子T2，设于第一电阻材料层12的另一边；一第一底部电极13L，设于第一焦电材料层11L的另一侧；及一黑色包覆层16，连附于第一电阻材料层12与焦电材料层11L相反侧，用以吸收来自外界标的物的红外辐射，再传热至第一焦电材料层11L。第二焦电感测元件10R包括；一第二焦电材料层11R；一顶部电极P，设于第二焦电材料层11R一侧；一第二底部电极13R，设于第二焦电材料层11R的另一侧。可变电阻VR包括：一第二电阻材料层，具有第一端部S1及第二端部S2；一滑动电极M，滑接于第二电阻材料层的上部，而可沿着该上部在第一端部S1与第二端部S2间滑动；且滑动电极M的位置经适当调整，落于第一端部S1与第二端部S2间的一适当点上，而与第一电阻材料层12构成一平衡电桥，滑动电极M构成一虚拟读出电极。第一端部S1与第一加热端子T1相连接于一第一接点N1，而第二端子S2与第二加热端子T2相连接于一第二接点N2，且第一接点N1及第二接点N2均连至电能激励器57或57A(参考图5B或8B)。顶部电极P与第一底部电极13L具有相反的极性且连接于一第四接点N4；虚拟读出电极M及第四接点N4分别以引线A3、A4连至包含于信号处理装置80内的感应信号放大器51(参考8B)。且第二底部电极13R连接于第一加热端子T1或经二加热端子T2或虚拟读出电极M三者中之一。由于电阻材料层表面已有足够的辐射发射率，故于某些情况下，在左侧的焦电感测元件10L亦可省略高辐射率的黑色包覆层16。

图7A为略异于图6C的一第二型的抗颤噪音感测装置100D的示意图。将图6C所示，原本为并联的两焦电感测元件改为串联连接，两焦电感测元件底部电极相互连接，且引线A4自左侧焦电感测元件顶部电极拉出。其他构造均与图6C相同。图7B显示由图7A所示感测装置100D加以变形而成的另一感测装置100D’。原本在感测装置100D中为分开设置的左右两焦电感测元件的焦电材料层，在此一感测装置100D’中改为成一体设置。

本发明，由于利用前述抗颤噪音感测装置可能达到消除压电信号对于欲测取的焦电信号的影响的效果，但因为焦电感测元件的加热电源与感应信号放大器51的一输入端连接(参考图8B及后面的说明)，若该加热电源未与***的电源相隔绝，则须采用昂贵的差动放大式感应信号放大器，才能避免加热信号扰乱到焦电信号。作为此等隔绝的加热电源的电能激励器的实例显示于图8A与图9。

图8A为本发明中所采用的一种电能激励器的示意图。图8B为图6C所示的抗颤噪音感测装置100C与图8A所示电能激励器57A及感应信号放大器51的连接方式的示意图。图8A示的电源激励器57A包括一电容器571及一双刀双掷开关572，设在电容器571与功率量测量器58之间。双刀双投开关572可为MOS开关或机械式开关，且可受信号处理装置80控制而选择性地在第一位置(图中实线所示位置)与第二位置(图中虚线所示位置)间被切换。当其位于第一位置时，电容器571通过开关572而与信号处理装置80的电源电性连接，以对电容器571充电至一精确的电压值。如图8B及8A所示，当开关572位于第二位置时，电容器571由开关572、功率量测器58及引线A1、A2而与图6C所示的抗颤噪音感测装置100C的加热端子T1、T2连结。抗颤噪音感测装置100C另以引线A3、A4连接至感应信号放大器51的输入端。

在图8A及8B所示的本发明中所采用的电能激励器，仅藉由以一电容器571及一双刀双掷开关572组成的简单构造，不须采用习知技术中所用的昂贵的隔离放大器(参考图1)及差动信号放大器，即可提供对焦电感测装置施行电校正所须的电加热，而能以低制造成本达到高精度的电校正。且此一设计所用的电加热功率在0.1mW以下，远较美国专利第4,797,840号中所采用须要施行温控的加热元件等习知技术中所耗费的电能(100mW以上)为低，而能大幅度降低使用成本。

图9为本发明中所采用的另一种电能激励器的构造示意图。图示的电源激励器57B包括一电池576及一单刀单掷开关577，开关577可受信号处理装置80的控制而开闭，以控制电池576是否供应电流至感测装置的加热端子。

在图5A及5B所示本发明的辐射式温度计的感测元件，除可采用图2A、2B所示型式的感测元件外，亦可采图10A、10B所示的另一型式的感测元件。图10A为本发明中所采用的第二型式的焦电感测元件70的详细构造的剖视图。图10B为其等效电路图。此两图所示的感测元件70主要包含：一焦电材料层71，于受加热致温度上升时，会在其上感应产生非平衡的暂态电荷；一顶部电极78，设于焦电材料层71一侧；一底部电极73，设于焦电材料层的另一侧，可利用引线使焦电材料层71所感应产生的电荷流至外部电路；一电阻材料层72，与焦电材料层71设于顶部电极78的相反侧；一第一加热端子T1及一第二加热端子T2，分别设于电阻材料层72两侧；一绝缘层77，设于电阻材料层72和顶部电极78之间，用以将两者隔绝；一黑色包覆层76，连附于电阻材料层72与绝缘层77相反侧，用以吸收来自标的物的红外辐射，再传热至焦电材料层71。

换言之，此感测元件70与前述感测元件10的唯一不同点，是将接受加热用的电阻材料层72与顶部电极78分开设置，并以绝缘层77将两者隔绝，藉以避免压电信号与焦电信号混杂在一起。如同前述，为了消除不必要的压电信号，可将两焦电感测元件依其极化方向(即图中箭头方向)一正一反在其顶部电极与底部电极并联起来(参考图11A)，而得到第三型的抗颤噪音感测装置100E。换言之，将左侧感测元件的顶部电极与右侧感测元件的底部电极连接于一接点，且将该右侧感测元件的顶部电极与左侧感测元件的底部电极连接于另一接点，并分别以引线A3、A4将该两接点连至信号处理装置80。且利用引线A1、A2自左侧焦电感测元件的两加热端子T1、T2接出，经功率量测器58连至电能激励器57(参考图5A、5B)，以加热其电阻材料层72。由于图中右侧的焦电感测元件并不受电加热，且不用来接收红外辐射，故可免设绝缘层、电阻材料层及黑色包覆层，成为图11B所示的感测装置100F。又由于电阻材料层表面已有足够的辐射发射率，故于某些情况下，在右侧的焦电感测元件亦可省略高辐射发射率的黑色包覆层。

图12为略异于图11B的第四型的抗颤噪音感测装置100G的示意图。将图11B中，原本为并联的两焦电感测元件改为串联连接，两焦电感测元件底部电极相互连接。引线A3自左侧感测元件的顶部电极直接拉出，且引线A4自右侧感测元件的顶部电极拉出。其他构造均与图11B相同。

参看图2A，光加热施于黑色包覆层16，电加热施于电阻材料层12，此两层极为接近，只要保持黑色包覆层16的热传导率高，则光加热与电加热可为“等效的”(光加热与电加热的对等性)：

Et/Ee＝Fr×Vt/Ve其中

Fr＝1.00±0.02(一常数)

Et＝光加热功率

Ee＝电加热功率

Vt＝光加热于感测元件时自A/D变换器53输出的感应信号(参考图5A)

Ve＝电加热于感测元件时自A/D变换器53输出的感应信号(参考图5A)

Ve＝电加热于感测元件时A/D变换器53输出的感应信号(参考图5A)

又由Stefan-Blotzmann Law可知

Et＝Kf×δ×(Tt⁴-Ta⁴)

Et＝Ka×(Tt⁴-Ta⁴)              ……(a)其中

Ka＝Kf×δ

σ＝5.67×10^-8W/M²/°K⁴

Kf为一“光耦合常数”由***的光学配置所决定，其值约为

As×Sin(θr)²×εs×ιs

其中

As＝感测元件的辐射吸收面积

θr＝感测元件的视窗角度Field of View

ιs＝感测元件视窗的穿透率

εs＝感测元件的辐射吸收率

在本发明中所采用以求出标的物的温度的方式说明如下：

利用感测装置中的焦电感测元件的感应信号大小和施加于其上的能量成正比的特性，可由已知的电加热的能量，求得由来自标的物的热辐射对同一焦电感测元件所为的光加热的能量，进而算出标的物的温度。包含如下步骤：

(1)、量取周围环境温度Ta；

(2)、利用该电能激励器对感测装置施加一电能，使感测装置产生第一组感应信号Ve；

(3)、量测施加于感测装置电能的大小，并记录为一标准电能Ee；

(4)、开启切光器，使感测装置接收来自标的物的红外辐射，并产生第二组感应信号Vt，将切光器关闭；

(5)、利用信号处理装置计算出来自标的物的热辐射量Et。

由光加热与电加热的对等性：

Et/Ee＝Fr×Vt/Ve

所以

Et＝Ee×Fr×Vt/Ve               ………(b)

(6)、利用信号处理装置，根据下列公式计算出标的物的温度Tt；

因为

Et＝Ka(Tt⁴-Ta⁴)

Tt＝(Et/Ka+Ta⁴)^1/4              ……(c)

(b)代入(c)可解得Tt：

Tt＝((Ee×Fr×Vt/Ve)/Ka+Ta⁴)^1/4

Tt＝((Ee×Vt/Ve)/Kb+Ta⁴)^1/4     ……(d)其中，

Kb＝Ka/Fr为一常数，在出厂校准时可藉由一黑体及已知的Tt而精确量得，Ee亦可精确量得。

由于焦电元件的感度及热时间常数的漂移、信号放大器与A/D变换器等参数的漂移、温度计的部分构成元件的温度系数造成的漂移及经常与焦电感测装置一齐使用且极易变动的一极高电阻(约为10⁹欧姆)值的漂移，皆依同一比例的影响Vt及Ve，故Vt/Ve不会随之漂移，故Tt＝((Ee×Vt/Ve)/Kb+Ta⁴)^1/4亦不会随之漂移，而可得到精确的标的物的温度Tt，此为本发明远较习知技术优越之处。

与本发明相比较，美国专利第4,797,840号，标的物温度Tt是依下式求取：

Tt＝(Vt/f(Ta)+Ta⁴)^1/4

其中，Vt会受前述各种漂移量所影响，而f(Ta)更为周围环境温度Ta的函数。因此，就可操作温度范围、长期稳定性及量测量精度等各方面而言，依本发明的辐射温度计远较前述美国专利为佳。

另考虑到感测装置、A/D变换器、模拟多工器等的非线性，可在量得Vt及Et后，再作一次电加热，以进一步改善量测结果的精度。即是在第一次完成前述步骤(1)至(6)，并自(b)式获得光加热的功率Et后，进一步以接近于所获得的光加热功率Et的一尝试的电加热功率Ee’，再度执行前述步骤(1)至(6)，以将非线性的影响减至最低。

本发明的辐射式温度计较习用辐射温度计具有如下效果：

(1)、不受焦电元件感度；热时间常数；信号放大器；A/D变换器参数等漂移的影响。由于标的物温度Tt是以Vt/Ve的比值计算，而上述所有的漂移皆依同一比例影响Vt及Ve，Vt/Ve的比值不受各项漂移的影响，标的物温度Tt亦不受各项漂移的影响。故能以高精度求得标的物温度。

(2)、由于本发明只须单一光脉冲，每次计量只须切换切光器一次，使耗电减低，且机构简单体积较小。

(3)、由于光加热与电加热均实施于同一元件，而可达到较精确的温度量测结果。

(4)、由于本发明温度计只须对准标的物一秒钟即能完成温度量测，不但操作迅速。且可消除环境温度变化对焦电系数的影响。

Claims (10)

1、一种辐射式温度计，包括：

一感测装置，用以感应由外界电源所加的电能而产生第一组感应信号及感应来自外界标的物的红外辐射以产生第二组感应信号；

一切光器，设于标的物与感测装置间，受控制而移动，以开放或遮断红外辐射朝向感测装置的通路；

一电能激励器，用以施加电能于所述感测装置；及

一信号处理装置，用以处理感测装置所产生的第二组感应信号及第一组感应信号，再计算出来自标的物而为感测装置所接收到的红外辐射量，并据以求出标的物的温度。

2、根据权利要求1所述的辐射式温度计，其特征在于，所述感测装置包括一第一焦电感测元件及一第二焦电感测元件；第一焦电感测元件用以接收来自标的物的红外辐射及由电能激励器所施加的电能；

第一焦电感测元件包括：一第一焦电材料层；一第一顶部电极，设于第一焦电材料层一侧；一第一底部电极，设于第一焦电材料层的另一侧；一电阻材料层，与第一焦电材料层设于第一顶部电极的相反侧；第一加热端子，设于电阻材料层的一边；第二加热端子，设于所述电阻材料层的另一边；一绝缘层，设于所述电阻材料层和第一顶部电极之间；

第二焦电感测元件包括：一第二焦电材料层；一第二顶部电极，设于第二焦电材料层的一侧；一第二底部电极，设于第二焦电材料层的另一侧；

第一顶部电极与第二底部电极具有相反极性且连接于一第四接点，且第二顶部电极与第一底部电极具有相反极性且连接于一第三接点；第三接点及第四接点连至所述信号处算装置；

第一加热端子及第二加热端子均被连接至所述电能激励器。

3、根据权利要求1所述的辐射式温度计，其特征在于，所述感测装置包括第一焦电感测元件及第二焦电感测元件；第一焦电感测元件用以接收来自标的物的红外辐射及由电能激励器所施加的电能；

第一焦电感测元件包括：一第一焦电材料层；一第一顶部电极，设于该第一焦电材料层的一侧；一第一底部电极，设于第一焦电材料层的另一侧；一电阻材料层，与第一焦电材料层设于第一顶部电极的相反侧；第一加热端子，设于电阻材料层的一边；第二加热端子，设于电阻材料层的另一边；及一绝缘层，设于电阻材料层和第一底部电极之间；

第二焦电感测元件包括：一第二焦电材料层；一第二顶部电极，设于该第二焦电材料层的一侧；一第二底部电极，设于第二焦电材料层的另一侧；

所述第一底部电极与第二底部电极具有相同极性且连接在一起；第一顶部电极与第二顶部电极均被连接至所述信号处理装置；

所述第一加热端子及第二加热端子均被连接至所述电能激励器。

4、根据权利要求1所述的辐射式温度计，其特征在于，所述感测装置包括一第一焦电感测元件及一第二焦电感测元件；该第一焦电感测元件用以接收来自标的物的红外辐射及由电能激励器所施加的电能；

第一焦电感测元件包括：一第一焦电材料层；一第一电阻材料层，设于第一焦电材料层一侧，具有一第一加热端子及一第二加热端子；及一第一底部电极，设于第一焦电材料层的另一侧；

第二焦电感测元件包括：一第二焦电材料层；一顶部电极，设于第二焦电材料层的一侧；一第二底部电极，设于第二焦电材料层的另一侧；

第一加热端子及第二加热端子均连至所述电能激励器；

所述顶部电极与第一底部电极具有相反极性且连接于一第四接点；第四接点连至所述信号处理装置；

所述电能激励器包括：一储能装置，一开关装置，连接于储能装置与感测装置之间，以选择性地使储能装置对感测装置施加电能。

5、根据权利要求1所述的辐射式温度计，其特征在于，所述感测装置包括第一焦电感测元件及第二焦电感测元件；第一焦电感测元件用以接收来自标的物的红外辐射及由电能激励器所施加的电能；

第一焦电感测元件包括：一第一焦电材料层；一第一电阻材料层，设于第一焦电材料层一侧，具有一第一加热端子及一第二加热端子；及一第一底部电极，设于第一焦电材料层另一侧；

所述第二焦电感测元件包括：一第二焦电材料层；一顶部电极，设于第二焦电材料层一侧；一第二底部电极，设于第二焦电材料层另一侧；

所述第一加热端子及第二加热端子均连至所述电能激励器；

第一底部电极与第二底部电极具有相同极性且连接在一起；且

所述电能激励器包括：一储能装置，一开关装置，连接于储能装置与所述感测装置之间，以选择性地使储能装置对感测装置施加电能。

6、根据权利要求4所述的辐射式双掷温度计，其特征在于，所述储能装置包括一电容器，所述开关装置，包括一双刀双掷开关，所述电能激励器不对感测装置施加电能时，电容器经过开关装置与所述信号处理装置的电源电连接，以对电容器充电；而当电能激励器对感测装置施加电能时，经过开关装置，使电容器仅与感测装置电连接。

7、根据权利要求4所述的辐射式温度计，其特征在于，所述储能装置包括一电池，所述开关装置，包括一单刀单掷开关；电能激励器，通过开关装置对感测装置施加电能。

8、根据权利要求5所述的辐射式温度计，其特征在于，所述储能装置包括一电容器；所述开关装置，包括一双刀掷开关；电容器通过开关装置与所述信号处理装置的电源电连接。

9、根据权利要求5所述的辐射式温度计，其特征在于，所述储能装置包括一电池；所述开关装置，包括一单刀单掷开关；所述电能激励器通过开关装置对感测装置施加电能。

10、一种利用权利要求1-9中任一项所述的辐射式温度计施行温度量测的方法，主要包括如下各步骤：

(1)、量取环境温度Ta；

(2)、利用所述电能激励器对所述感测装置施加一电能，使感测装置产生第一组感应信号Ve；

(3)、量测施加于所述感测装置的电能的大小，并记录为一标准电能Ee；

(4)、开启所述切光器，使所述感测装置接收来自标的物的红外辐射，并产生第二组感应信号Vt，将切光器关闭；

(5)、利用所述信号处理装置，根据下式计算出标的物的温度Tt；

Tt＝((Ee×Vt/Ve)/Kb+Ta⁴)^1/4

其中，Kb为一常数

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