溫度感測裝置的製作方法

2023-06-10 08:58:31

專利名稱：溫度感測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及溫度感測裝置，並具體涉及一種利用其溫度待感測的物體(待感測物體)產生的紅外線來感測溫度的溫度感測裝置。
通常，溫度感測裝置被廣泛應用於各種領域。例如，溫度感測裝置被用於如煤氣爐和微波爐等烹飪用具中以感測食物的溫度。特別地，食物的溫度由烹飪用具的自動模式來感測，而烹飪用具的工作狀況由食物的溫度來控制。然而，在這些烹飪用具中，難以使用普通的溫度感測裝置，如與待感測物體直接接觸的水銀溫度計。在這方面，使用另一種溫度感測裝置，其利用待感測物體輻射出的電磁波，如紅外線，來感測溫度。
參見

圖1說明現有技術中的一種利用紅外線的溫度感測裝置。
該利用紅外線的現有技術溫度感測裝置包括傳感器5，反射鏡3，和紅外線濾光器1。
傳感器5感測由待感測物體產生的紅外線並將感測到的紅外線轉換為電信號。具有預定曲率的反射鏡3裝在傳感器5的上部，用於將紅外線會聚到傳感器5上。紅外線濾光器1安裝在反射鏡3的通光口，並只濾過各種電磁波中的紅外線。
傳感器5包括由紅外線加熱的黑體，和通過黑體的熱量產生熱電動勢的熱電堆。
同時，由於傳感器5產生的電信號非常微弱，因此傳感器5與能夠放大電信號的信號處理器10相連接。也就是說，待感測物體的溫度通過信號處理器10的輸出信號來感測。
參見圖2說明現有技術中的另一種利用紅外線的溫度感測裝置。
殼體4安裝在傳感器5的上部。在殼體4的通光口處安裝一面凸透鏡以將紅外線會聚到傳感器5上。傳感器5與信號處理器10相連。在這種現有技術中的溫度感測裝置中，採用凸透鏡2替代反射鏡。它的工作過程與第一種現有技術的溫度感測裝置的工作過程相同，因而省略對其的詳細描述。
前述的現有技術中的利用紅外線的溫度感測裝置存在一些問題。
首先，在如圖1所示的溫度感測裝置中，必須精密地加工反射鏡3的內部，以便精確地將待感測物體產生的紅外線會聚到傳感器5上。然而，在實際中難以按照所需的精度加工反射鏡3的內部。如果要使反射鏡3的加工精度超過預定的精度，則生產成本將會很昂貴。如果反射鏡3的加工精度低於預定的精度，將會在反射鏡3的表面上發生不規則的反射，從而難於精確地感測溫度。
其次，紅外線濾光器1隻濾過紅外線，同時防止如蒸汽等異物附著在傳感器5上。然而，難以防止異物附著在紅外線濾光器1的表面。而且，考慮到反射鏡型溫度感測裝置的結構，紅外線濾光器1應具有預定或更大的尺寸，所以紅外線濾光器1很可能被汙染。在那種情況下，由於待感測物體產生的紅外線是部分地入射到傳感器5上，因而難於精確地感測溫度。
類似地，在如圖2所示的溫度感測裝置中，存在例如以下問題難於按預定或更高的精度加工凸透鏡2，以及凸透鏡2被異物汙染等，從而降低了溫度測量的精度。
同時，為了防止紅外線濾光器1或凸透鏡2被汙染，可以在它們的前面放一道保護窗。然而，在這種情況下，難以完全防止保護窗被汙染，因此難以精確地感測溫度。
最後，現有技術中的溫度感測裝置還存在另一個問題，即設計的自由度降低了，也就是說，在設計溫度感測裝置過程中，必須考慮溫度感測裝置所應用的溫度感測範圍和空間，以及待感測物體的特性，如尺寸和形狀。然而，在現有技術中的溫度感測裝置中，由於難以按照所需的精度來設計和加工反射鏡或凸透鏡的尺寸或曲率，因而難以設計和製造出滿足這些設計要求的反射鏡或凸透鏡。
因此，本發明致力於一種溫度感測裝置，它充分地消除了由現有技術中的局限和缺點所帶來的一個或多個問題。
本發明的目的之一是提供一種溫度感測裝置，它具有便於設計的簡單結構，並能夠精確地感測待感測物體的溫度。
本發明的另一個目的是提供一種溫度感測裝置，它能夠有效地防止傳感器被汙染。
本發明的其它特點和優點將在下面的說明中進行闡述，其部分地可以從以下說明中獲得，或可以通過實踐本發明來掌握。本發明的目的和其它優點可以通過文字說明，權利要求以及附圖中特別指出的結構來實現或獲得。
為了實現這些和其它的優點，並按照本發明的意圖，如所具體體現和廣泛說明的，根據本發明的溫度感測裝置包括傳感器，用於將待感測物體產生的紅外線轉換為電信號；傳感器罩，其內部裝有傳感器，並在上部開有用於通過紅外線的感測孔。
優選地，傳感器罩為中空的圓柱形，感測孔的中心線與傳感器的傳感器窗(sensor window)的中心線基本相同，而感測孔的尺寸大於傳感器窗的尺寸。更為優選地，傳感器罩的內壁進一步具有可吸收紅外線的非反射層。在本發明的溫度感測裝置中，能夠精確地感測待感測物體的溫度，並能夠獲得簡單的構造。
應當理解，上面的概括說明以及下面的具體說明都是示例性和解釋性的，其是用於對本發明權利要求作進一步解釋。
所含的附圖提供了對本發明的進一步理解，被結合進說明書並構成了說明書的一部分。這些附解了本發明的實施例，並與說明書一起用於解釋本發明的原理。
附圖中圖1為展示現有技術中的一種利用紅外線的溫度感測裝置的示意圖；圖2為展示現有技術中的另一種利用紅外線的溫度感測裝置的示意圖；圖3為依照本發明第一實施例的溫度感測裝置的剖視圖；圖4為圖3中的傳感器罩的立體圖；圖5為依照本發明第一實施例的溫度感測裝置的一種變型的剖視圖；圖6為依照本發明第二實施例的溫度感測裝置的剖視圖；圖7為依照本發明第三實施例的溫度感測裝置的剖視圖；圖8為依照本發明第三實施例的溫度感測裝置的工作過程的剖視圖；和圖9為展示本發明第一和第三實施例的視角與輸出電壓關係的曲線圖。
下面將詳細評述本發明的優選實施例，其中示例在附圖中加以展示。
下面參照圖3和圖4說明依照本發明一個實施例的溫度感測裝置。
圖3為依照本發明一個實施例的溫度感測裝置的剖視圖，圖4為圖3中的傳感器罩的立體圖。
不同於現有技術中的溫度感測裝置，本發明不採用反射鏡或凸透鏡。換言之，本發明的溫度感測裝置包括傳感器30和傳感器罩20。傳感器30將紅外線轉換為電信號，傳感器罩20用於容納傳感器30，並開有一個用於通過紅外線的感測孔22。
由於傳感器30與現有技術的溫度感測裝置中的傳感器相同，因此將省略對其的詳細描述。
下面具體說明傳感器罩20。
傳感器罩20包括用於容納傳感器30的空腔。用於通過紅外線的感測孔22開在傳感器罩20的上部，在傳感器罩20的下部有一開口，用於將傳感器罩20安裝在電路襯底36上。
換言之，依照本發明的傳感器罩20內部中空以容納傳感器30，並具有感測孔22，用於通過射向傳感器罩20的紅外線。考慮到製造方面的因素，傳感器罩20最好為圓柱形，即圓柱截面。
同時，感測孔22的中心線最好與傳感器30的傳感器窗32的中心線基本相同，而感測孔22的尺寸D1最好大於傳感器窗32的尺寸，以便將射向感測孔22的紅外線有效地會聚在傳感器窗32上，而不需要反射鏡或凸透鏡。
而且，感測孔22的尺寸D1最好相對小於傳感器罩20的尺寸D，從而可以防止任何異物進入到傳感器罩20中。
同時，應設置對應於能夠測量待感測物體溫度的範圍的視角θ，以精確感測待感測物體的溫度。也就是說，設置視角θ時應當考慮到待感測物體的特性，如它的尺寸和形狀，以及溫度感測裝置的位置，並且溫度感測裝置應當被設計為具有所設定的視角θ。
在現有技術的溫度感測裝置中，由於視角θ是反射鏡或凸透鏡的尺寸和曲率的函數，因此這些因數應當被設計為滿足所需的視角θ。然而，將反射鏡或凸透鏡的尺寸和曲率設計為滿足所需的視角θ並不容易。即使能夠設計反射鏡或凸透鏡的尺寸和曲率，製造滿足所需視角θ的反射鏡或凸透鏡也會非常困難。
然而，在本發明的溫度感測裝置中，視角θ由傳感器罩20上的感測孔的尺寸D1和傳感器罩的高度H來決定。設定能夠滿足所需視角θ的感測孔尺寸D1和傳感器罩高度H相對比較簡單。而且，由於傳感器罩的形狀簡單，因而製造滿足要求的傳感器罩並不困難。
同時，如果設置溫度感測裝置，使待感測物體在視角θ的範圍內，則由視角範圍外的路逕入射到感測孔22中的紅外線，將被當作不是由待感測物體產生的幹擾紅外線(圖3中的虛線)。如果這種幹擾紅外線入射到傳感器罩20的內部，則難以精確感測待感測物體的溫度。因此，傳感器罩20的內壁最好具有非反射層24，以吸收幹擾紅外線，從而防止幹擾紅外線入射到傳感器30上。通過在內壁塗上一種能夠吸收紅外線而不反射紅外線的材料或通過在傳感器罩20內提供一單獨部件，得到非反射層24。
同時，利用紅外線的溫度感測裝置的原理是基於熱電動勢。在這方面，傳感器30最好只依靠待感測物體產生的紅外線來產生熱電動勢，以精確感測待感測物體的溫度。也就是說，最好在溫度感測裝置與其外圍環境之間沒有溫度偏差，而且溫度感測裝置本身也沒有溫度偏差。為此，傳感器罩20最好採用良好導熱材料。在這種情況下，如果傳感器罩20，例如在它的上部與下部之間，產生溫度偏差，則熱平衡會快速進行，以至於傳感器罩20的溫度偏差可以最小化。結果，在包含傳感器30的傳感器罩內部的溫度偏差可以最小化。
如圖5所示，最好在傳感器罩20的外壁上進一步提供熱屏蔽裝置40，以便熱屏蔽裝置40有效地防止外部的熱量傳入傳感器罩20的內部。
雖然利用紅外線的溫度感測裝置已在上述實施例中加以說明，但本發明並不限於此。例如，可以使用在不直接與待感測物體接觸的情況下利用待感測物體輻射的其它電磁波(而不是紅外線)的溫度感測裝置。
圖6展示了依照本發明第二實施例的溫度感測裝置。
本發明第二實施例在結構上類似於本發明第一實施例。然而，在本發明第二實施例中，在傳感器罩20上部的外圓周上提供一個防入射部件26，用於防止幹擾紅外線入射到感測孔22中。從而，可以防止幹擾紅外線進入傳感器罩20。
如圖6所示，將防入射部件26的高度H1設定在使視角θ不受影響的範圍內。可以進一步在傳感器罩20的內壁上形成非反射層24，以精確感測待感測物體的溫度。而且，最好在防入射部件26的內壁上也形成非反射層24，以便更精確地感測待感測物體的溫度。
圖7為依照本發明第三實施例的溫度感測裝置的剖視圖。
在本發明的第三實施例中，溫度感測裝置包括傳感器30，和具有感測孔22的傳感器罩20。感測孔22有一預定梯度。此時，由於感測孔的尺寸越向下越小，因此感測孔的上部尺寸D1大於感測孔的下部尺寸。最好將感測孔22的內壁28拋光處理以反射紅外線。
同時，感測孔22最好具有由上向下的梯度形狀，特別是考慮到製造方面的因素，最好為圓錐形。
下面將參照圖8說明依照本發明第三實施例的溫度感測裝置的工作情況。
紅外線對感測孔的入射角(θ0/2，以下稱作「感測孔入射角」)與紅外線經過感測孔內壁反射後射向傳感器的入射角(θ1/2，以下稱作「傳感器入射角」)之間的關係表述如下θ1/2＝θ0/2+n(其中，為感測孔的梯度角，而n為在感測孔內反射的次數)在上面的關係式中，注意到傳感器入射角θ1大於感測孔入射角θ0。這意味著當以預定角度進入感測孔22的紅外線，經過感測孔22中的反射後入射到傳感器30上時，入射角變大。
因此，值得注意的是增加了傳感器30上的入射光量。傳感器30上的入射光量與紅外線對傳感器30的入射角，即，與傳感器入射角θ1的最大範圍成比例。在本發明第三實施例中，由上面的關係式中可知，傳感器入射角θ1將變大，因此增加了傳感器30的入射光量。
因此，與第一實施例相比，在相同的視角下，能夠增加傳感器的入射光量。因此，在第三實施例中，提高了聚焦效率，從而能夠更精確地感測溫度。
感測孔22的梯度角可以通過控制感測孔的厚度L以及感測孔的尺寸D1和D2來控制。然而，為了有效地防止異物進入傳感器罩20，最好使感測孔的尺寸D1和D2較小，而使它的厚度較大。
同時，在第三實施例中，可以在傳感器罩20的內部形成非反射層，以防止幹擾紅外線入射到傳感器30上。而且，可以在傳感器罩20的上部加裝防入射部件，以防止幹擾紅外線入射到傳感器罩20中。
然而，不同於第一實施例，並不在感測孔22的內壁28上形成非反射層。
下面將說明第一實施例與第三實施例的比較結果。
對比實驗基於以下條件進行。
在第一與第三實施例中，感測孔22為圓剖面，而傳感器罩的高度H為13.7mm。在第一實施例中感測孔的直徑D1為3.4mm。在第三實施例中，感測孔的上端直徑D1為3.4mm，而下端直徑D2為2.4mm，感測孔的厚度L為6.7mm，而感測孔底部與傳感器窗的距離G為3.7mm。
結果如圖9所示，當在第一與第三實施例中感測相同物體的溫度時，由傳感器窗產生的電壓在感測孔的中央0°位置時最大，而向著感測孔的邊緣處降低。應注意，第一與第三實施例在感測待感測物體時沒有差別，因為第一與第三實施例的輸出電壓幾乎相似。
然而值得注意的是，在第三實施例中，射向傳感器30的紅外線的歸一化IR強度提高了63％。
最後，在第三實施例中，能夠提高聚焦效率，並同時有效地防止異物進入傳感器罩。
上述的溫度感測裝置具有以下優點。
首先，由於傳感器裝在傳感器罩中並且傳感器罩上的感測孔很小，因而能夠防止傳感器被異物汙染。因此，即便溫度感測裝置被使用了很長時間，依然能夠精確地感測溫度。
其次，由於能夠使傳感器周圍的溫度偏差最小化，並能夠防止幹擾紅外線入射到傳感器，因而在感測溫度時能夠提高精確度。
最後，由於可以通過控制傳感器罩的高度和感測孔的尺寸來控制視角，因而能夠提高設計的自由度。而且，由於本發明的溫度感測裝置不使用昂貴的反射鏡或凸透鏡，並且製造工藝簡單，因而可以節省製造成本。
對於本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，可以對依照本發明的溫度感測裝置進行各種改進和變換。然而，只要這些改進和變換出自附屬權利要求及其等同物的範圍之內，則將被本發明所覆蓋。
權利要求
1.一種溫度感測裝置，包括傳感器，用於將待感測物體產生的紅外線轉換為電信號；和傳感器罩，其內部裝有傳感器，其上部開有用於通過紅外線的感測孔。
2.如權利要求1所述的溫度感測裝置，其特徵在於傳感器罩為中空圓柱形，感測孔的中心線與傳感器的傳感器窗的中心線基本相同，而感測孔的尺寸大於傳感器窗的尺寸。
3.如權利要求1所述的溫度感測裝置，其特徵在於在傳感器罩的內壁形成用於吸收紅外線的非反射層。
4.如權利要求1所述的溫度感測裝置，其特徵在於傳感器罩由高導熱材料製成。
5.如權利要求4所述的溫度感測裝置，其特徵在於在傳感器罩的外壁上形成有熱屏蔽裝置。
6.如權利要求1所述的溫度感測裝置，其特徵在於在傳感器罩的上部提供有防入射部件，以防止幹擾紅外線入射到傳感器罩中。
7.如權利要求1所述的溫度感測裝置，其特徵在於感測孔具有預定的梯度，由其上部向下部逐漸變窄。
全文摘要
一種能有效防止傳感器被汙染並能夠精確感測溫度的溫度感測裝置,包括:用於將待感測物體產生的紅外線轉換為電信號的傳感器,和內部裝有傳感器的傳感器罩,在傳感器罩的上部開有用於通過紅外線的感測孔。
文檔編號H05B6/80GK1253287SQ9912232
公開日2000年5月17日 申請日期1999年11月1日 優先權日1998年10月31日
發明者李君錫, 林定鉉 申請人:Lg電子株式會社