CN111721427A - 热电堆传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热电堆传感器及其控制方法，热电堆传感器包括热电堆传感器芯片、加热器以及控制加热器对热电堆传感器芯片进行加热的控制组件，热电堆传感器芯片具有工作温度，热电堆传感器芯片内集成有第一测温芯片和第二测温芯片，第一测温芯片用于感测外界环境温度和待测物温度，第二测温芯片用于感测热电堆传感器芯片的整体温度，当第一测温芯片感测到的外界环境温度和第二测温芯片感测到的热电堆传感器芯片整体温度低于热电堆传感器芯片的工作温度时，控制组件控制加热器工作，将热电堆传感器芯片的整体温度加热到工作温度，此时无论处于何种复杂低温环境，热电堆传感器都可正常工作且检测精度和稳定性都可以得到较好的保障。

Description

热电堆传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及温度传感技术领域，尤其涉及一种热电堆传感器及其控制方法。

背景技术

红外测温设备具有非接触、测量时间短、方便数字化读取等特点，在公共场所筛查发热人群时被广泛使用。目前常见的非接触式红外测温设备除了额温枪，还有耳温枪和红外热成像设备，其测温原理相同，均是通过热电堆传感器或热电堆传感器阵列来实现。

热电堆传感器是一种温度测量元件，由两个或多个热电偶串接构成，通过叠加各个热电偶上的温差电动势并根据温差电动势与温度的对应关系，得到待测温度差或者待测温度。

任何高于“绝对零度”-273.15℃以上的物体都是红外辐射的发射源，只是红外辐射的波长不同。非接触式红外测温设备就是利用物体的辐射能量随温度而变化的原理制成的。现阶段，非接触式红外测温设备广泛的用于医疗系统、家庭健康管理、防疫监控等场景，而在实际的使用过程中，环境温度决定了非接触式红外测温设备的测量准确性。

在环境温度相对稳定的室内环境中，非接触式红外测温设备的检测精度和稳定性都可以得到较好的保障，但是在复杂环境中(如低温、室外)，则存在测量数据不准确、甚至无法正常工作的问题。

有鉴于此，确有必要对现有的热电堆传感器进行改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热电堆传感器及其控制方法，以解决红外测温仪器在复杂低温环境下测量数据不准确、无法正常使用的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种热电堆传感器，包括热电堆传感器芯片、加热器以及控制所述加热器对所述热电堆传感器芯片进行加热的控制组件，所述热电堆传感器芯片具有工作温度，所述热电堆传感器芯片内集成有第一测温芯片和第二测温芯片，所述第一测温芯片用于感测外界环境温度和待测物温度，所述第二测温芯片用于感测所述热电堆传感器芯片的整体温度，当所述第一测温芯片感测到的外界环境温度和第二测温芯片感测到的热电堆传感器芯片整体温度低于热电堆传感器芯片的工作温度时，所述控制组件控制所述加热器工作，将所述热电堆传感器芯片的整体温度加热到工作温度。

作为本发明的进一步改进，当所述第一测温芯片感测到的外界环境温度高于第二测温芯片感测到的热电堆传感器芯片的整体温度时，所述控制组件调节所述加热器的加热功率，使所述热电堆传感器芯片的整体温度与外界环境温度一致。

作为本发明的进一步改进，所述热电堆传感器芯片的工作温度位于5～45℃之间。

作为本发明的进一步改进，所述热电堆传感器芯片的工作温度位于15～40℃之间或25～45℃之间。

作为本发明的进一步改进，所述第一测温芯片和第二测温芯片均设置在所述热电堆传感器芯片的顶部，所述加热器环设在所述热电堆传感器芯片的四周侧面。

作为本发明的进一步改进，所述热电堆传感器芯片的顶面形成有热结区和位于热结区外周的冷结区，所述第一测温芯片靠近所述热结区设置，以便感测外界环境温度和待测物温度；所述第二测温芯片靠近所述冷结区设置，以便感测所述热电堆传感器芯片的整体温度。

作为本发明的进一步改进，所述第一测温芯片为红外线测温芯片，所述第二测温芯片为感应芯片，所述加热器为电热线圈。

作为本发明的进一步改进，所述热电堆传感器还包括环设在所述加热器四周和底部的第一隔热部件以及位于所述热电堆传感器芯片上方的第二隔热部件，所述第二隔热部件与所述热电堆传感器芯片之间还设有定位件，以限位所述热电堆传感器芯片。

作为本发明的进一步改进，所述热电堆传感器还包括遮罩在所述热电堆传感器芯片、加热器及控制组件外侧的屏蔽罩，所述屏蔽罩包括罩壳本体和镀在所述罩壳本体外侧的金属膜。

为实现上述目的，本发明还提供了一种热电堆传感器的控制方法，主要包括以下步骤：

获取第一测温芯片感测到的外界环境温度；

获取第二测温芯片感测到的热电堆传感器芯片的整体温度；

将外界环境温度和热电堆传感器芯片的整体温度与预先设定的热电堆传感器芯片的工作温度进行比较，若外界环境温度和热电堆传感器芯片的整体温度低于热电堆传感器芯片的工作温度，则控制组件控制加热器工作，直至将热电堆传感器芯片的整体温度加热到工作温度。

作为本发明的进一步改进，在加热器工作过程中，所述第二测温芯片实时对热电堆传感器芯片的整体温度进行监测。

本发明的有益效果是：本发明的热电堆传感器通过在热电堆传感器芯片内集成第一测温芯片和第二测温芯片，从而可利用第一测温芯片来感测外界环境温度、利用第二测温芯片来感测热电堆传感器芯片的整体温度，进而当外界环境温度和热电堆传感器芯片的整体温度低于预先设定的热电堆传感器芯片的工作温度时，可通过控制组件来控制加热器工作，以将热电堆传感器芯片的整体温度加热到工作温度，此时无论处于何种复杂低温环境，热电堆传感器都可正常工作且检测精度和稳定性都可以得到较好的保障。

附图说明

图1是本发明热电堆传感器的立体图。

图2是图1所示热电堆传感器的分解图。

图3是图2中热电堆传感器芯片的立体图。

图4是图3所示热电堆传感器芯片的另一角度立体图。

图5是图2中屏蔽罩的分解图。

图6是本发明热电堆传感器的控制方法的流程图。

图7是本发明的一款热电堆传感器芯片最佳工作温度侧视图。

图8是本发明的另一款热电堆传感器芯片最佳工作温度侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1与图2所示，本发明揭示了一种热电堆传感器100，包括热电堆传感器芯片10、加热器20、用于控制所述加热器20对所述热电堆传感器芯片10进行加热的控制组件(未图示)、用于对热电堆传感器芯片10和加热器20进行保温隔热的隔热部件以及位于所述热电堆传感器芯片10上方的红外线滤光片30。本发明的热电堆传感器100主要应用于低温环境，用来解决低温环境下热电堆传感器芯片10无法正常工作的问题。

如图3与图4所示，所述热电堆传感器芯片10可以基于硅衬底11制备而成，包括集成在硅衬底11上的第一测温芯片12和第二测温芯片13，所述第一测温芯片12用于感测外界环境温度和待测物温度，所述第二测温芯片13用于感测所述热电堆传感器芯片10的整体温度。将第一测温芯片12和第二测温芯片13同时集成在硅衬底11上，不仅减小了热电堆传感器芯片10的体积，而且减少了测温传感器的数量，此时依然可以实现环境温度、待测物温度的检测，同时还能为控制组件的工作提供数据来源和数据支撑。

所述热电堆传感器芯片10具有预先设定好的工作温度，该工作温度一般设定在5～45℃之间，以保障高测量精度(一般情况下，热电堆传感器芯片的工作温度为-20℃到﹢85℃，但是可以保障高精度的工作温度只有5～45℃这一小段区间)。优选的，热电堆传感器芯片10的工作温度可以设定在15～40℃之间，也可以设定在25～45℃之间，具体根据热电堆传感器芯片10的实际测量精度与工作温度的特性进行设定，此处不作限制。

当所述第一测温芯片12感测到的外界环境温度和第二测温芯片13感测到的热电堆传感器芯片10的整体温度低于该工作温度时，表明当前热电堆传感器芯片10处于低温环境，此时控制组件立即控制加热器20开始工作并调节加热器20的加热功率，使热电堆传感器芯片10的整体温度能够快速达到工作温度。当所述第一测温芯片12感测到的外界环境温度高于第二测温芯片13感测到的热电堆传感器芯片10的整体温度时，此时所述控制组件调节所述加热器20的加热功率，使所述热电堆传感器芯片10的整体温度与外界环境温度一致，避免外界环境温度对热电堆传感器芯片10的测量精度产生影响。加热器20的设置，使得热电堆传感器芯片10能够在工作温度下正常工作，不管外界环境发生何种变化(如：日夜温差较大时)，加热器20都能够快速响应并进行热平衡，防止外界环境对温度测试产生影响，提高了测温精度。

所述第一测温芯片12和第二测温芯片13均设置在所述热电堆传感器芯片10的顶部，本申请中，所述第一测温芯片12为红外线测温芯片，所述第二测温芯片13为热传导感应芯片，但不应以此为限。所述硅衬底11的底部对应设有柔性电路板(FPC)14，所述第一测温芯片12和第二测温芯片13均通过柔性电路板14与控制组件相连，以便实现控制组件与第一测温芯片12之间、控制组件与第二测温芯片13之间的电源控制和信号传递。

所述热电堆传感器芯片10的顶面形成有热结区101和位于热结区101外周的冷结区102，所述第一测温芯片12靠近所述热结区101设置，以方便感测到外界环境温度和待测物温度；所述第二测温芯片13靠近所述冷结区102设置，以方便感测到所述热电堆传感器芯片10的整体温度。

所述热结区101可以通过薄膜材料制备而成，用于吸收外界环境的红外线从而感知外界环境温度；所述冷结区102设置在所述热电堆传感器芯片10顶面的外周，或者所述冷结区102也可以设置在所述热电堆传感器芯片10的侧面上。当然，需要说明的是，在本申请实施例中，上述热电堆传感器芯片10可以使用其他任意材料的衬底，而且本申请对热结区101和冷结区102的材料和结构形状均不作限定，另外所述热电堆传感器芯片10还可以使用带有虚浮结构的热结区101，在此不再赘述。

如图2所示，所述加热器20环设在所述热电堆传感器芯片10的四周侧面，用于对所述热电堆传感器芯片10进行加热。所述加热器20为可控型加热器，如电发热膜、纳米稀土加热片、电热线圈等；本实施例中，加热器20优选为电热线圈，通过控制电热线圈20的电流、电压来调节加热功率。

所述红外线滤光片30位于所述热电堆传感器芯片10的上方，用于对外界环境中的光线进行过滤，从而使红外线辐照在所述热结区101。

所述隔热部件包括环设在所述加热器20四周和底部的第一隔热部件41以及位于所述热电堆传感器芯片10上方的第二隔热部件42，所述第一隔热部件41与第二隔热部件42相互配合，以对热电堆传感器芯片10和加热器20的四周进行隔热。所述隔热部件选用高隔热系数的材料，如气凝胶膜、气凝胶片等，从而在加热器20工作过程中，可以降低热传导损耗，减少加热次数，同时也降低了功耗，保障热电堆传感器100能够在稳定的工作温度下工作。

所述第一隔热部件41包括环设在所述加热器20四周的第一部分411和位于所述加热器20底部的第二部分412，所述第二部分412与所述第一部分411相连，以对加热器20和热电堆传感器芯片10的四周及底部进行包覆，降低加热器20工作过程中的热传导损耗。当然，在其他实施例中，所述第一隔热部件41也可整体式设置，此时只需在第一隔热部件41的中心位置处开设一凹槽，供放置加热器20和热电堆传感器芯片10，也能达到降低热传导损耗的目的。

所述第二隔热部件42与所述热电堆传感器芯片10之间还设有定位件43，所述定位件43用于限位所述热电堆传感器芯片10。所述第二隔热部件42和定位件43均呈片状或板状设置，且所述第二隔热部件42和定位件43上均开设有开口。定义所述第二隔热部件42上的开口为第一开口421、所述定位件43上的开口为第二开口431，所述第一开口421和第二开口431分别与所述热结区101相对应，以便所述第一测温芯片12通过所述第一开口421和第二开口431感测到外界环境温度和待测物温度。

当然，所述第一开口421的尺寸小于所述第二开口431的尺寸，这是因为：第二开口431还要对热电堆传感器芯片10进行限位，防止热电堆传感器芯片10在前、后、左、右方向上移动，故第二开口431的尺寸需要略大于热电堆传感器芯片10的尺寸；而第一开口421只需要实现热结区101的暴露即可，故第一开口421的尺寸可以设置成小于第二开口431的尺寸。

本申请中，所述第一部分411和第二部分412为气凝胶片，所述第二隔热部件42为气凝胶膜，均能起到隔热的功效。所述红外线滤光片30封装在所述第二隔热部件42的顶部，用于对外界环境中的光线进行过滤，从而使红外线辐照在所述热结区101。

为了防止外界环境的冷冲击对热电堆传感器芯片10产生影响，本申请的热电堆传感器100还包括遮罩在所述热电堆传感器芯片10、加热器20及控制组件外侧的屏蔽罩50。

如图5所示，所述屏蔽罩50由罩壳本体和镀在所述罩壳本体外侧的金属膜组成，所述罩壳本体的材质为隔热塑料，能够起到保温作用，所述金属膜能够起到屏蔽作用。相较于全部由金属材质制成的屏蔽罩，本发明的屏蔽罩50能够同时起到保温和屏蔽的作用。

所述屏蔽罩50包括相互组装固定的上罩壳51和下罩壳52，所述上罩壳51罩设在所述红外线滤光片30、热电堆传感器芯片10、加热器20及隔热部件的外侧；所述下罩壳52位于所述第一隔热部件41的底部，这样上罩壳51的内壁与下罩壳52的顶壁能够形成中空的密闭空间。所述红外线滤光片30、定位件43、热电堆传感器芯片10及加热器20均收容在该密闭空间内，所述隔热部件填满密闭空间内的空隙，使隔热、保温效果达到最佳，不仅减少了热能散耗、降低了温度变化幅度、减少了加热器20的开启次数，同时还达到了降低整体功耗的目的。

所述上罩壳51呈底部开口状设置，所述上罩壳51的相对设置的两个侧壁511的底部均开设有卡槽512，所述下罩壳52的相对设置的两个侧壁上对应突设有凸条521，所述凸条521卡持在对应的卡槽512内，以此来实现上罩壳51与下罩壳52的组装固定。

所述上罩壳51的顶部开设有一圆形的通孔513，该通孔513与热结区101相对应，以便外界环境中的光线透过通孔513进入红外线滤光片30进行过滤，从而使红外线辐照在所述热结区101。

为了与上述热电堆传感器100的实施例相对应，本发明还提供了一种热电堆传感器100的控制方法。

如图6所示，本发明的热电堆传感器100的控制方法，主要包括以下步骤：

S1、获取第一测温芯片12感测到的外界环境温度；

S2、获取第二测温芯片13感测到的热电堆传感器芯片10的整体温度；

S3、将外界环境温度和热电堆传感器芯片10的整体温度与预先设定的热电堆传感器芯片10的工作温度进行比较，若外界环境温度和热电堆传感器芯片10的整体温度低于热电堆传感器芯片10的工作温度，则控制组件控制加热器20工作，直至将热电堆传感器芯片10的整体温度加热到工作温度。

步骤S1具体为：第一测温芯片12将感测到的外界环境温度通过柔性电路板14发送到控制组件，使控制组件能够实时获取外界环境温度。

步骤S2具体为：第二测温芯片13将感测到的热电堆传感器芯片10的整体温度通过柔性电路板14发送到控制组件，使控制组件能够实时获取热电堆传感器芯片10的整体温度。初始状态下，热结区101和冷结区102温度一致；只有在红外线辐射下，热结区101的温度才会根据红外线的辐射能量而变化。

步骤S3具体为：控制组件将外界环境温度和热电堆传感器芯片10的整体温度与热电堆传感器芯片10的工作温度进行比较，若外界环境温度和热电堆传感器芯片10的整体温度较低，则表示此时的外界环境为低温环境，热电堆传感器100无法正常工作，因此控制组件需要增加施加到加热器20上的电压或电流，以此来增加加热器20的加热功率(即快速加热)，使热电堆传感器芯片10的整体温度达到工作温度。

一般情况下，将热电堆传感器芯片10加热到5℃左右时，热电堆传感器100即可正常工作；当然，在低温环境下，若想达到更好的测量精度，也可将热电堆传感器芯片10加热到15～40℃或者25～45℃，此时的测温最为精准。

具体来讲，如图7与图8所示，为两款不同的热电堆传感器芯片，该两幅图中：横坐标代表热电堆传感器芯片10的工作温度，纵坐标代表待测物温度(待测物一般为人体，温度位于35-40℃之间)。由图7可以看出：当待测物的温度位于35-40℃之间时，第一款热电堆传感器芯片10的最佳工作温度位于15～40℃之间，此时测温最精准，可以将误差控制在±0.2℃。由图8可以看出：当待测物的温度位于35-40℃之间时，第二款热电堆传感器芯片10的最佳工作温度位于25～45℃之间，此时测温最精准，可以将误差控制在±0.1℃。当然，在低温环境下，将热电堆传感器芯片10加热到最低工作温度(如15℃或25℃)时，热电堆传感器芯片10即可正常工作。

此外，加热器20的加热功率可以根据具体的外界环境温度来调节，比如：当外界环境温度极低(即外界环境温度与工作温度之间的温度差较大)时，控制组件可以快速的调节加热器20的加热功率，进行快速加热；当外界环境略低(即外界环境温度与工作温度之间的温度差较小)时，控制组件可以缓慢的调节加热器20的加热功率，进行缓慢加热。在加热器20工作过程中，第二测温芯片13实时对热电堆传感器芯片10的整体温度进行监测，一旦热电堆传感器芯片10的整体温度达到工作温度，控制组件可立即控制加热器20停止工作，或者降低加热器20的加热功率，以防热电堆传感器芯片10的整体温度在短时间内下降。

综上所述，本发明的热电堆传感器100通过在热电堆传感器芯片10内集成第一测温芯片12和第二测温芯片13，从而可利用第一测温芯片12来感测外界环境温度、利用第二测温芯片13来感测热电堆传感器芯片10的整体温度，进而当外界环境温度和热电堆传感器芯片10的整体温度低于预先设定的热电堆传感器芯片10的工作温度时，可通过控制组件来控制加热器20工作，将热电堆传感器芯片10的整体温度加热到工作温度，此时无论处于何种复杂低温环境，热电堆传感器100都可正常工作且检测精度和稳定性都可以得到较好的保障，解决了红外测温仪器在复杂低温环境下测量数据不准确、无法正常使用的问题。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种热电堆传感器，包括热电堆传感器芯片、加热器以及控制所述加热器对所述热电堆传感器芯片进行加热的控制组件，其特征在于：所述热电堆传感器芯片具有工作温度，所述热电堆传感器芯片内集成有第一测温芯片和第二测温芯片，所述第一测温芯片用于感测外界环境温度和待测物温度，所述第二测温芯片用于感测所述热电堆传感器芯片的整体温度，当所述第一测温芯片感测到的外界环境温度和第二测温芯片感测到的热电堆传感器芯片整体温度低于热电堆传感器芯片的工作温度时，所述控制组件控制所述加热器工作，将所述热电堆传感器芯片的整体温度加热到工作温度。

2.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于：当所述第一测温芯片感测到的外界环境温度高于第二测温芯片感测到的热电堆传感器芯片的整体温度时，所述控制组件调节所述加热器的加热功率，使所述热电堆传感器芯片的整体温度与外界环境温度一致。

3.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于：所述热电堆传感器芯片的工作温度位于5～45℃之间。

4.根据权利要求3所述的热电堆传感器，其特征在于：所述热电堆传感器芯片的工作温度位于15～40℃之间或25～45℃之间。

5.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于：所述第一测温芯片和第二测温芯片均设置在所述热电堆传感器芯片的顶部，所述加热器环设在所述热电堆传感器芯片的四周侧面。

6.根据权利要求5所述的热电堆传感器，其特征在于：所述热电堆传感器芯片的顶面形成有热结区和位于热结区外周的冷结区，所述第一测温芯片靠近所述热结区设置，以便感测外界环境温度和待测物温度；所述第二测温芯片靠近所述冷结区设置，以便感测所述热电堆传感器芯片的整体温度。

7.根据权利要求6所述的热电堆传感器，其特征在于：所述第一测温芯片为红外线测温芯片，所述第二测温芯片为感应芯片，所述加热器为电热线圈。

8.根据权利要求5所述的热电堆传感器，其特征在于：所述热电堆传感器还包括环设在所述加热器四周和底部的第一隔热部件以及位于所述热电堆传感器芯片上方的第二隔热部件，所述第二隔热部件与所述热电堆传感器芯片之间还设有定位件，以限位所述热电堆传感器芯片。

9.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于：所述热电堆传感器还包括遮罩在所述热电堆传感器芯片、加热器及控制组件外侧的屏蔽罩，所述屏蔽罩包括罩壳本体和镀在所述罩壳本体外侧的金属膜。

10.一种热电堆传感器的控制方法，应用权利要求1-9中任一项所述的热电堆传感器，其特征在于，主要包括以下步骤：

获取第一测温芯片感测到的外界环境温度；

获取第二测温芯片感测到的热电堆传感器芯片的整体温度；

将外界环境温度和热电堆传感器芯片的整体温度与预先设定的热电堆传感器芯片的工作温度进行比较，若外界环境温度和热电堆传感器芯片的整体温度低于热电堆传感器芯片的工作温度，则控制组件控制加热器工作，直至将热电堆传感器芯片的整体温度加热到工作温度。

11.根据权利要求10所述的热电堆传感器的控制方法，其特征在于：在加热器工作过程中，所述第二测温芯片实时对热电堆传感器芯片的整体温度进行监测。

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