为了用红外辐射测温，可以用许多已有技术的传感器来检测热(红外)辐射， 由于热辐射具有电磁性质，因此可由量子检测器或热检测器来检测，量子检测 器，如光敏电阻器或光敏二极管，需要低温冷却以便以高准确度测量较低的温 度。另一方面，热检测器，尽管不如量子检测器那样灵敏，却可以在常规的室温下 工作。本发明涉及热检测器，其最常见的应用是用于非接触式温度计，这类温度 计的一个例子是医用即时耳朵温度计(instant medical ear thermometer)，能够 非接触地测量鼓膜及其周围组织的温度，常用于红外温度计的热传感器有热电 偶、热电体、测辐射热计以及有源红外检测器。
红外传感器的目的是产生表示传感器与测量对象之间的净红外辐射通量的 电信号，辐射通量取决于两个温度；传感器自身表面温度Ts和被测对象表面温 度Tb。斯特藩-玻尔兹曼(Stefam-Boltzmanm)定律给出了这两个温度与辐射通 量之间的关系： $\Phi =\mathrm{\&Kgr;}{ϵ}_{\beta }{ϵ}_{\sigma }({\mathrm{\&Tgr;}}_{\beta }^4-{\mathrm{\&Tgr;}}_{\sigma }^4)----\left(1\right)$ 这里εb和εs分别是对象物体和传感器的辐射率，K是常数。温度测量的最终目 的是确定Tb。由上式可见，为了计算温度Tb，必须首先确定两个变量：红外辐射 通量φ的大小和传感器表面温度Ts。
表面温度可用已有技术中各种温度检测器的一种来测量，如热敏电阻器或 热电体，而净红外辐射通量的测量需要光电器件，称为热红外传感器，有两类热 红外传感器，无源红外(PIR)传感器和有源远红外(AFIR)传感器，PIR检测器 的例子有热电体、热电偶和测辐射率计，用PIR传感器测量红外辐射通量不是 一件简单的事情，因为有着好的比速度响应的PIR传感器通常做成薄片或薄膜 形式，其表面温度Ts不但难以测量，而且一旦暴露于被测对象时温度会发生变 化。传感器表面温度Ts确定的不准确度会在非接触温度计算中产生误差，由于 PIR检测器中传感器的表面温度一旦暴露于被测对象时会变化，为改变这种传 感器件的响应速度，其热容量必须做得非常小。这就对PIR传感器的设计提出 了相当严格的要求，并增加了成本。
与PIR不同，AFIR传感器在预定的(通常是恒定的)检测元件温度Ts下工 作，这种AFIR传感器基于颁发给Fraden的美国专利4,854,730和5,054,936。 AFIR传感器的工作原理可由下面的例子来说明。在传感器壳体中有一检测元 件，包括一温度检测器(例如热敏电阻)和一加热器(恒定的电阻器)。加热器与检 测器热耦合。检测元件连接到一电子线路，该电路经一温度检测器温度该检测的 温度，并对加热器提供电流使温度上升到超过环境温度，该电路使这一元件的温 度维持在预定的Ts水平，在大多数情况下，高于被测对象的最高温度。这样，在 被加热时，AFIR检测元件成为一红外辐射源，其净辐射通量被引向被测对象， 这一通量大小与已在温度Ts和被测对象的未知温度Tb之间的温度梯度有关。 在理想情况下，按照能量守恒定律，从传感器向被测对象辐射的热量φ应等于 向电阻性加热器提供的电功率，这里，理想情况意味着该元件失去其热能的唯一 途径是向被测对象辐射热能，提供给加热器的电功率可由加热器的电阻值R和 其上的电压V来表示： $P=\frac{V^2}{R}---\left(2\right)$ 这样，由式(1)和(2)，可以计算被测对象温度 $T_b=\sqrt[4]{T_s^4-\frac{V^2}{R{ϵ}_s{ϵ}_{b}K}}---\left(3\right)$
可以看到，算出的被测对象的温度仅取决于一个变量，即加热电阻器两端的 电压V。式(3)的所有其他部分都是常数或预先确定了的，而且，若电子线路足以 有效地维持Ts与Tb无关，则该元件的温度不会在暴露于被测对象时发生变化， 因而AFIF传感器不但成为准确的，而且也是快速的，无需对检测元件热容量的 严格要求就可做到这一点。事实上，AFIR传感器直接而有效地把电功率转换成 热辐射功率的转换器。Ts的值典型地选为在40℃至100℃范围内，对医学上的 用途来说，最好是接近50℃。
实际上，AFIR传感器并不在理想情况下工作，加热电阻器散失的热能不仅 向被测对象散发，也向传感器内部结构的所有元器件散发。而且，该元件的热传 播不仅是辐射，还通过传感器壳体内气体的热传导和重力对流，这就使得式(3) 的使用变得很不准确，因为它未包括影响很大的附加变量，这一变量是传感器壳 体的温度，换句话说，环境温度，即，设计和使用AFIR传感器的一个主要困难与 补偿传感器系统的杂散热量损失有关。
为了补偿检测元件的不希望有的热损失，已提出了几种方法和系统安排，例 如，见颁发给本发明人的美国专利5,054,936和4,854,730。这两篇专利通过引 用结合在这里，就如在此重述。尽管在着手解决AFIR传感器有关的某些误差引 起的信号方面获得了一些成功，仍然需要增强信号隔离和读数准确度方面的整 体性能，正是理解了这些已有的系统，才实现本发明。
本发明的目的和简述
本发明的一个目的是提供一种非接触式测温方法，其中传感器的准确度实 质上不依赖于环境温度。
本发明的另一目的是提供一种响应速度快的有源红外温度传感器。
本发明的另一目的是提出一种在宽的工作温度范围内稳定的有源红外温度 计。
本发明的再一目的是提供一种小尺寸的有源红外传感器。
本发明的又一目的是提供一种具有预定光学特性的有源红外温度传感器。
本发明的上述和其它目的在一具体的传感器装置中实现，其中，在一非接触 式温度计中有两个单独的按预先选定的取向放置的有源传感器元件(AFIR)。通 过采用两个单独和分开的传感器元件，被测对象的温度信号可与通常在单一传 感器元件时有的其他由误差引起的信号成份相隔离，尤其是，第一检测元件用于 向目标发出远红外辐射，而第二个基本上相同的检测元件与目标隔离，产生一反 映检测元件局部环境的补偿信号，后者与目标无关的信号用于对局部环境热传 递进行补偿，由此可计算准确的目标温度。
为克服两单独的传感器元件之间的热交扰所带来的限制，把检测件做在分 开的、热隔离的基板上，每一元件有其自己的电子控制电路使其温度维持在已知 的预定水平上，最好是，两元件的温度大体相同。每一元件包括一辅助加热器和 控制电路。控制电路测量元件的温度并通过电阻器提供热量，以维持预设的元件 温度。
由这一安排，两元件的杂散热损失几乎是相同的，而只有辐射元件可向目标 发出热辐射因为辐射元件的杂散热损失由第二元件和其控制电路经一辅助加热 器补偿，因此辐射元件及其控制电路只需响应于热辐射功率，由于两检测元件彼 此绝热，控制电路可独立工作，确保了其稳定的性能。
附图简述
图1是具有两个检测元件的AFIR传感器的横截面图；
图2表示由一共用分隔器支撑的两个检测元件的检测组件；
图3是具有一圆筒形光引导器的传感器的等角视图；
图4是具有一抛物柱面形光引导器的传感器的等角视图；
图5是具有一圆锥形光引导器的传感器的等角视图；
图6表示由共用支撑件支撑的AFIR检测元件；
图7是在基板一面有着多层的AFIR检测元件的放大的横截面图；
图8是带有有着轴向接触的独立温度传感器的检测元件的放大的横截面 图；
图9是带有着面接触的独立温度传感器的检测元件的放大的横截面图；
图10是在基板两面都有着多层的检测元件的放大的横截面图；
图11是连接到控制电路的双传感器的方框图；
图12是具有集成电路的检测组件。
本发明的叙述
参见图1，可见AFIR传感器1容于一保护壳3中，其目的是保护内部免受 污染及使内部结构热环境均匀。这样，壳3最好由金属制成，但是，某些塑料和陶 瓷也可以用于此目的，传感器1的内部空间43充入干燥空气或惰性气体，或者， 气体可被抽空以使内部空间43保持真空，壳体3的上部有一光开孔40，这一开 孔可做在光引导器11中，为红外辐射通量向传感器外的所需方向提供通道，引 导器11的内表面12最好是高反射性的，这样，可对其抛光和镀金，因为金是红 外波段最有效的反射体。
光引导器11的外开孔由窗13保护，窗可以粘或焊在光引导器上，窗应有良 好的红外波段透过特性。尽管它可由塑料如聚烯烃来制作，较好的材料是硅、锗、 锌的硒化物、AMTIR或其它他合适的硬质晶体或非晶体元素或其合成物，为了 改善透光特性，可涂上适于工作波长的抗反射涂层(ARC)。
壳3由焊接、低温焊接或用适当的粘结剂固定到底座2，这样，壳3、窗13和 底座2的结合封住内部空间43。
在传感器1中，有一检测组件4，由间隔片5和两个元件6和7构成。辐射元 件6面向光引导器，而补偿元件7面向底座2。辐射元件6经光引导器11和窗 13光耦合到传感器的外侧。补偿元件夹在间隔片5与底座2之间，底座2的表 面41是反射性的，最好镀金，这样补偿元件7的辐射较低，为进一步减小元件6 和7和传感器内壁之间的辐射耦合，壳3的内表面也是反射性的，最好镀金。
间隔片5呈环形，中间有开孔，这一开孔在传感器元件之间形成一空腔，以 减小元件6与7之间的热接触，为进一步改善绝热，间隔片20可填入低导热性 材料。检测组件4由引线端15支撑，它们也提供至外部电路的电连接，为确保引 线端15与底座2之间的密封，可在引线端15上底座2表面之间使用一绝缘小 孔44。
或者，检测组件可设计成如图6所示，元件6和7由几个支撑件16至19支 撑，这样可无需单端的间隔片5，在这一安排中，至这些引线端的电连接可通过 几种已知技术之一来完成，如导线连接、导电环氧树脂、表面金属化等。作为一个 例子，图6表示支撑件18的表面金属化，金属化形成导体22，与元件6在夹持区 域21形成连接。传感器组件4的上述和其他安排相关的功能性特点包括机械完 整性、检测元件间良好的热隔离、以及与传感器引线端的电连接。
在另一实施例中，检测元件可由低导热系数的支撑件支撑在AFIR壳体内， 这会使元件之间的热交扰和从元件到传感器壳体的热损失为最小，元件与引线 端之间的电连接可由已有技术中的标准方法之一来实现，例如，用导线连结工 艺，对减小热损失来说，重要的是确保线的长度应最大而横截面为最小。
对某些应用需要宽的视角。在这些情形中，光引导器可采取圆筒形，如图1 和3所示，这里视场70a较宽，在其它应用中，光引导器完全可省去，在没有光引 导器的传感器中，窗13可直接安装在光开孔40边沿处，在其他一些应用中，尤 其是在制造医用温度计应用中，会需要较窄的视场。这样，会聚透镜可代替窗安 装在光开孔40中，这种会聚透镜应采用在远红外波段具有良好透射特性的材料 来制造。
或者，一种非成像的会聚器可用作光引导器，这种会聚器在例如 W.T.Welford和R.Wilson的《高度集中非成象光学》一书中(Acadenic Press Inc公司1989年出版)叙述，(这里将该技术引为参考)。为说明会聚器的使用， 图4表示抛物柱形的光引导器11，而图5表示圆锥形的光引导器任一光引导器 11被窗13覆盖，提供与图3所示相比较窄的视场70b和70c，抛物柱形引导器 通常对形成窄的视场更有效，但圆锥形的易于制作。
再回到图1，可发现每一相同的检测元件6和7是一复杂结构，参见元件6， 这元件包括基板14，在其表面上沉积了多层，各层的次序并不是关键，但是至少 有一温度检测层8、第一电阻层9和第二电阻层10。由于实际的制造目的通常最 好是使检测层8在最上面，在导电层之间可以有几层电绝缘层。
图7表示示意性的检测元件(适于图6或7的元件)的横截面，其中表示了 绝缘层26和27，在这一结构中，第一和第二电阻层9和10分别用作加热器，而 检测层8用作测量多层结构的温度，元件6的上述各层次彼此电绝缘，同时彼此 保持紧密耦合。
温度检测层8可由溅射技术来淀积，形成一层半导体材料的薄膜，用作对温 度敏感的电阻器。若基板由高导热材料(如氮化铝)制作，则温度检测层8与电阻 层9和10可分别淀积在基板14的相对的两面上，如图10所示，这可简化传感 器制造工艺，因为电阻层9和10以及绝缘层26可由厚膜工艺形成，而温度检测 层8由薄膜工艺形成。
或者，温度检测层8可由分立的温度传感器代替，图8表示用片状热敏电阻 器作为温度传感器29，置于多层组件顶部的情形，温度传感器29具有导体31 形成的端部，它们可用焊接等方法电连接到金属接线28上，导体31可置于温度 传感器29的各面，图8表示导体31的轴向位置，图9表示温度传感器29具有 顶部金属化45和底部金属化46，它们分别连接到接线28和接触条47，接线28 和接触条47提供了温度传感器29与基板14上导体之间的电连接，并随后连接 到传感器引线端15(未在图7-10中表示)，分立的温度传感器29必须与第一 和第二电阻层9和10很好的热连接，以确保对检测元件的快速和有效的热控 制。
对每一安排的要求是在检测组件的最上部在工作波段内有高辐射率，上表 面由金属形成较为合适，如图9所示顶部金属化45。在这些例子中，必须对金属 化表面进行处理以达到0.9以上的辐射率，这可由已有技术中的标准方法之一 来做到(例如参见J.Fraden的《AIP现代传感器手册》(美国物理学会(AIP)出 版，1993年，第465页，通过引用结合于此)。
顾名思义，AFIR传感器是有源的，所以需要外部能源使其工作，这一功能 由电子线路完成，对目前的两个单独的传感器元件，需要双重电路，图11表示这 种电路的方框，在图中，底部连接到补偿元件7，该电路由第一误差放大器32和 第一控制电路34组成，后者有一内置功率驱动器对补偿元件7的第2二电阻层 100提供电流，电路34也对辐射元件6的第二电阻层10提供同样的电流，该电 流经导体35提供并由输出电压Vcomp表示。
在工作时，第一误差放大器32把来自温度敏感层80的信号与其参考输入 端33的第一参考信号Vref1比较，并把差值送到第一控制电路34该电路产生输 出电压Vcomp，大小为保持温度敏感层80输出几乎等于第一参考信号Vref1所必 需的值，参考信号可由一电压基准或惠斯顿电桥(Wheatstone bridge)(未画出) 产生。只要预先确定了第一参考电压Vref1，补偿元件7的温度就会保持在预定高 低上，它可以是恒定的或不是恒定的，取决于传感器的具体应用。
由于元件6和7是相同的，并且其电阻层10和100由第一控制电路34提 供同样电流，这些元件的温度彼此接近，温度差的出现主要是由于元件6和7的 光学条件不同。辐射元件6可向外部构件发出红外辐射通量，而补偿元件7的这 种辐射却被屏蔽，在顶部，它的辐射被热基板14所阻挡，后者的温度几乎等于基 板140的温度，而在底部，它面对着底座2的反射面41。
此外，补偿元件7的外层(在图11中为温度敏感层80)可被覆以金属以进 一步减小其辐射率，所以，补偿传感器可以只通过传导和对流损失其热量，而辐 射传感器还可以由辐射散热。附加的热损失会导致辐射元件6温度的某些下降。 为了补偿这一下降，把温度检测层8的信号送到第二误差放大器36，后者的参 考输入端37有着第二参考信号Vref2，Vref2的大小为确保检测元件6和7温度相 同。
仍然参见图11，放大器36的误差信号送到第二控制电路38，后者产生控制 信号39，送到第一电阻层9，控制信号39的大小足以产生等于向目标辐射损失 的热量，这一信号用作输出信号Vout，由于非辐射损失几乎由第一控制电路34 全部补偿，第二控制电路38只需对辐射元件6的辐射损失进行补偿。这样，输出 电压Vout几乎不受环境温度的影响，因为环境温度确定了非辐射损失，而辐射损 失受离远处目标的温度的控制。
由于元件6和7被热导率极低的间隔片20分开，两控制电路被很好地热隔 离，为确保隔离是完全的，导体35最好薄而长。检测元件6和7之间的低的热耦 合确保了传感器稳定的功能。
在许多应用中，希望把传感器温度控制电路结合在传感器壳体内，大多数电 子元件可做成集成电路形成，可直接置于补偿元件7中，如图12所示，检测组件 4的总体结构与上面所述大体相同，唯一的区别是集成电路72粘结在绝缘体71 面上，这样，可以把温度检测器结合到集成电路芯片中，补偿元件7不需要图11 中所示温度检测层80，由于第一电阻层90通常不连接到任何控制电路(图11)， 它可被省去，如图12那样，此时把绝缘体71淀积在第二电阻层100顶部。
上述结构仅用于说明本发明的原理，对本领域的技术人员来说，可作出大量 变更和修改而不离开本发明的实质范围。