红外温度传感器及包括其的探头、红外体温计
技术领域
本发明涉及红外探测技术领域，更具体地，涉及一种红外温度传感器及包括其的探头、红外体温计。
背景技术
红外测温技术由于使用方便快捷，受到越来越普遍的使用，例如耳温计通过插入待测人体耳朵内使其探头靠近鼓膜来探测人体的体温。红外温度传感器是一种将接收物体发射出的热辐射转化为电压信号，在通过一系列处理和计算，从而可以测到物体的温度的探测装置。
图1示出了现有技术中的第一种红外温度传感器，该红外温度传感器采用TO-46，TO-5等标准封装，石塚，海曼，GE等市场上能购买到的绝大多数传感器均为此种结构。因其为标准封装，原始设计主要用于工业红外测温，对温度测量值的准确性要求不高，未考虑人体红外测温，特别是耳腔温度测量时的特点，容易产生偏差。
此种偏差产生的原因有：
1、金属封装壳体较薄，容易受外界影响，导致封装壳体内部面温度与热电堆探测器温度不一致，从而影响测温的准确性。
2、红外透镜与壳体采用高分子有机胶水粘接，高分子有机胶水的导热系数、发射率等物理特点与金属封装壳体的大不相同，导致红外温度传感器内部稳定的热流场与辐射场很难建立，进而影响了测温精度。
3、金属封装底座为了向外输出相关信号，需要将其开孔，埋入金属引脚，再使用有机胶水密封和绝缘。此举也会导致热流场与辐射场的稳定性，在变温情况下导致红外温度传感器输出错误信号，进而造成测温偏差。
图2至图4示出了现有技术中的第二种红外温度传感器，该红外温度传感器根据现有技术中第一种红外温度传感器产生偏差的原因中的第1和第2点，埃塞力达等公司做如下改进：将红外透镜的粘接面放置在金属壳体外部，适当增厚金属封装座的厚度。该红外温度传感器的缺点为：金属封装底座为了向外输出相关信号，需要将其开孔，埋入金属引脚，再使用有机胶水密封和绝缘。此举也会导致热流场与辐射场的稳定性，在变温情况下导致红外温度传感器输出错误信号，进而造成测温偏差。
图5示出了现有技术中的第三种红外温度传感器，该红外温度传感器公开在公开号为CN107389206A的专利文件中，其描述了一种针对现有技术中的第一种红外温度传感器的改良方案。在传统TO-46，TO-5的封装底座上增加加热器，其目的是探测时提高红外传感器温度，减少传感器外部温度对其影响。该种方案的缺点为：加热器通电加热，使传感器升温，只能减少传感器外部热量对传感器的影响，不能从根本上解决红外传感器内部结构带来的缺点。
另外，现有技术中的红外温度传感器，其内设有热电堆探测器，热电堆探测器工作原理：热电堆探测器工作原理为塞贝克效应。如果两种不同的材料或者材料相同逸出功不同的物体a和b，在热结端相连，热结与冷区存在一定温度差ΔT，那么冷区两个梁之间就会产生一个开路电势ΔV，这就是塞贝克效应，亦称为温差电效应。物体a和b就构成了一个热电偶。若干个热电偶串联起来就形成了热电堆。热电堆探测器准确探测的条件：
热电堆冷结区与热结区在未接受红外线照射时，两者的温度差ΔT必须足够小，封装壳体、底座的温度与热电堆冷结区的温差也必须足够小，否则会引起测量误差。现有的红外温度传感器，具体可为装设有该现有的红外温度传感器的红外体温计，在变化环境条件下，需要较长时间的适应环境过程，否则，极易出现测量漂移的情况，从而大大降低测量的准确性和可靠性。例如，从25℃的环境温度下变化到15℃的环境温度下时(例如从有空调的屋里拿到没有空调的屋里，或者从室内拿到室外)需要在测量环境中，即变化后的环境中放置一段时间，该适应时间大概需要20分钟，甚至30分钟以上，直至红外温度传感器中的热电堆探测器能够处于稳定接收红外辐射的状态。如此，使得红外体温计的使用极其不便，并且，极易出现测量偏差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测量精度高，能够有效避免在变化的环境温度下测量漂移情况的出现，从而实现对待测对象的精准温度测量的红外温度传感器及包括其的探头、红外体温计，以解决现有技术中存在的问题。
根据本发明的第一方面，提供一种红外温度传感器，该红外温度传感器包括：
外壳，包括外周壁和底壁，所述外周壁设于所述底壁上；
红外透镜，设于所述外周壁的顶部；
柔性导电加热板，设于所述底壁上；
热电堆探测器，设于所述外壳内，并对应所述红外透镜设置；
温度传感器，设于所述外壳内，用于测量所述外壳内的环境温度；
其中，所述外壳由导热材料制成，所述柔性导电加热板用于对所述热电堆探测器所处的内部环境进行加热，从而使得所述热电堆探测器快速的适应变化的环境温度。
优选地，所述柔性导电加热板设于所述外周壁和底壁之间，所述外周壁和底壁经所述柔性导电加热板连接；
所述柔性导电加热板上设有加热线圈以及与外部电路连接的导线组，所述加热线圈与所述导线组电性连接，所述热电堆探测器和所述温度传感器分别与所述导线组电性连接。
优选地，所述柔性导电加热板上开设有镂空部，所述镂空部位于所述外壳的内部，所述热电堆探测器和温度传感器分别设于所述底壁上，并位于所述镂空部内。
优选地，所述柔性导电加热板包括圆环部以及条形部，所述条形部的第一端连接于所述圆环部上，第二端外伸出所述外壳；
其中，所述圆环部围成的空腔部分形成所述镂空部，所述镂空部用于容纳所述热电堆探测器和温度传感器。
优选地，所述加热线圈穿设于所述圆环部内，所述导线组穿设于所述条形部内。
优选地，所述外周壁和底壁经所述圆环部连接。
优选地，所述柔性导电加热板的第一侧面经导电银浆粘接于所述底壁上，第二侧面经导电银浆连接于所述外周壁的底部端面上，从而将所述外周壁和底壁连接形成所述外壳；
所述热电堆探测器和温度传感器经导电银浆粘接于所述底壁上。
优选地，所述热电堆探测器和温度传感器分别设于所述柔性导电加热板上，所述加热线圈位于所述外周壁的底部端面与所述底壁之间。
优选地，所述柔性导电加热板的第一侧面经导电银浆粘接于所述底壁上，第二侧面经导电银浆连接于所述外周壁的底部端面上，从而将所述外周壁和底壁连接形成所述外壳；
所述热电堆探测器和温度传感器分别经导电银浆粘接于所述柔性导电加热板上。
优选地，所述柔性导电加热板上设有加热线圈以及与外部电路连接的导线组，所述加热线圈与所述导线组电性连接，所述热电堆探测器和所述温度传感器分别与所述导线组电性连接；
其中，所述柔性导电加热板包括圆形部以及条形部，所述圆形部位于所述外壳内，所述条形部的第一端连接于所述圆形部上，第二端外伸出所述外壳，所述加热线圈设于所述圆形部内，所述导线组穿设于所述条形部内。
优选地，所述外周壁与底壁之间经导电银浆粘接，所述热电堆探测器和温度传感器分别经导电银浆粘接于所述柔性导电加热板上。
优选地，所述外周壁包括筒形部和盖板部，所述盖板部盖合并连接于所述筒形部的顶部开口处；
其中，所述红外透镜设于所述盖板部上，所述盖板部上开设有透射孔，所述投射孔用于经所述红外透镜过滤后的辐射波射入所述外壳内。
优选地，所述温度传感器选为负温度系数热敏电阻器；
所述外壳的材料选为铜，或者铝，或者铜合金，或者铝合金。
根据本发明的第二方面，提供一种探头，该探头包括所述的红外温度传感器。
根据本发明的第三方面，提供一种红外体温计，该红外体温计包括所述的红外温度传感器。
本发明中的红外温度传感器，能够较好的避免测量时外部热冲击的影响，快速的为热电堆探测器形成一个均衡的温度环境，从而使得热电堆探测器接收到的红外辐射快速趋于稳定状态。该红外温度传感器的测量精度高，能够有效避免在变化的环境温度下测量漂移情况的出现，从而实现对待测对象的精准温度测量。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了现有技术中的第一种红外温度传感器。
图2示出了现有技术中的第二种红外温度传感器的主视图。
图3示出了现有技术中的第二种红外温度传感器的右视图。
图4示出了现有技术中的第二种红外温度传感器的左视图。
图5示出了现有技术中的第三种红外温度传感器的结构示意图。
图6示出了根据本发明红外温度传感器的实施例一的红外温度传感器的主视图(以剖视状态示出)。
图7示出了根据本发明红外温度传感器的实施例一的柔性导电加热板的结构示意图。
图8示出了根据本发明红外温度传感器的实施例二的红外温度传感器的主视图(以剖视状态示出)。
图9示出了根据本发明红外温度传感器的实施例二的柔性导电加热板的结构示意图。
图10示出了根据本发明红外温度传感器的实施例三的红外温度传感器的主视图(以剖视状态示出)。
图11示出了根据本发明红外温度传感器的实施例三的柔性导电加热板的结构示意图。
图12示出了设有本发明中的红外温度传感器的红外体温计的结构框图。
图中：红外温度传感器100、外壳1、外周壁11、筒形部111、盖板部112、透射孔1121、底壁12、红外透镜2、柔性导电加热板3、圆环部31、条形部32、镂空部33、D字形部34、加热线圈35、导线组36、圆形部37、热电堆探测器4、温度传感器5、电源200、控制装置300。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
红外温度传感器实施例一：
如图6至图7所示，本发明提供一种红外温度传感器100，同时参考图8，该红外温度传感器100包括外壳1、红外透镜2、柔性导电加热板3、热电堆探测器4和温度传感器5。红外透镜2，设于所述外周壁11的顶部；柔性导电加热板3，设于所述外周壁11和底壁12之间，所述外周壁11和底壁12经该柔性导电加热板3连接，该柔性导电加热板3上开设有镂空部33，所述镂空部33位于所述外壳1的内部；热电堆探测器4，设于所述底壁12上并位于所述镂空部33内，其对应所述红外透镜2设置；温度传感器5，设于所述底壁12上，并位于所述镂空部33内，用于测量所述外壳1内的环境温度。其中，所述外壳1由导热材料制成，所述柔性导电加热板上设有加热线圈35以及与外部电路连接的导线组36，所述加热线圈35与所述导线组36电性连接，所述热电堆探测器4和所述温度传感器5分别与所述导线组36电性连接。
需要指出的是该处所指的外部电路，是指设于红外温度传感器100的壳外壳1外部，并与柔性导电加热板3、热电堆探测器4以及温度传感器5经导线组36实现电性连接关系的电路。
外壳1，包括外周壁11和底壁12，所述外周壁11设于所述底壁12上方。所述外周壁11包括筒形部111和盖板部112，所述盖板部112盖合并连接于所述筒形部111的顶部开口处。其中，所述红外透镜2设于所述盖板部112上，具体为所述红外透镜2经高导热率环氧树脂粘接于所述外周壁11上，红外透镜2用于衰减非预期波长的热辐射波，从而过滤掉非预期波长的热辐射波而仅允许预期波长的热辐射波透过红外透镜2进入外壳1内。所述盖板部112上开设有透射孔1121，透射孔1121可正对热电堆探测器4设置，从而使得经过红外透镜2后的预期波长的热辐射波辐射至对热电堆探测器4。
该实施例中，外周壁11和底壁12由导热材料制成，导热材料可具体优选为铜，或者铝，或者铜合金，或者铝合金。当然，该导热材料也可为其他具有导热材料。
所述柔性导电加热板3包括圆环部31以及条形部32，所述条形部32的第一端连接于所述圆环部31上，第二端外伸出所述外壳1，温度传感器5位于条形部32和热电堆探测器4之间，并且热电堆探测器4对应透射孔1121，温度传感器5偏离透射孔1121，从而使得仅热电堆传感器来接收透过红外透镜2的辐射波，而使得温度传感器5偏离透过透镜的辐射波的辐射范围。其中，所述圆环部31围成的空腔部分形成所述镂空部33，所述镂空部33用于容纳所述热电堆探测器4和温度传感器5，热电堆探测器4和温度传感器5均位于镂空部33内，即被围设于镂空部33内。该实施例中，圆环部31的内侧靠近条形部32的一侧设有D字形部34，D字形部34与条形部32相邻设置。所述外周壁11的底部端面和底壁12经所述圆环部31连接。具体地，所述柔性导电加热板3的第一侧面经高导热率环氧树脂粘接于所述底壁12上，所述柔性导电加热板3的第二侧面经高导热率环氧树脂粘接于所述外周壁11的底部端面上。
该实施例中，热电堆探测器4的高度高于柔性导电加热板3的高度，即热电堆探测器4的上端伸入外周壁11内，温度传感器5的高度低于柔性导电加热板4的高度。
该实施例中，由于热电堆探测器4和温度传感器5均位于外壳1内，可视为处于相同的温度场环境中，因此，温度传感器5测量的温度值T1可视为热电堆探测器4所处的环境的温度值。
所述加热线圈35穿设于所述圆环部31内，所述导线组36穿设于所述条形部32内，该实施例中，加热线圈35位于外周壁的底部端面与外壳的底壁之间。具体地，导线组36包括三组导线，分别为第一组导线、第二组导线和第三组导线，该实施例中，三组导线共包括五根导线，其中第一组导线包括两根导线，加热线圈35沿着圆环部31的圆形轨迹穿设于圆环部31内，并且加热线圈35两端设于条形部32朝向镂空部33一端的端头处，即加热线圈35的两端不闭合从而在条形部32朝向镂空部33一端的端头处形成开口结构。第一组导线的两根导线的第一端与电源200连接，加热线圈35的第一端与第一组导线的第一导线的第二端连接，加热线圈35的第二端与第一组导线的第二导线的第二端连接，从而使得加热线圈35与电源200电性连接形成供电回路，电源200具体可为诸如锂离子电池等供电装置。供电回路由外部电路控制，例如诸如MCU等控制装置来实现供电的通断控制。
第二组导线和第三组导线这两组导线共包括三根导线，三根导线各自的第二端深入D形部内。三根导线中其中一根导线作为公共输入线或者公共输出线，该根导线的第二端分别与热电堆探测器4和温度传感器5各自的第一极性外接导线连接，另外的两根导线各自的第二端分别与热电堆探测器4和温度传感器5各自的第二极性外接线连接，三根导线各自的第一端分别与控制装置300，例如MCU电性连接，从而分别形成热电堆探测器4的电性连接回路和温度传感器5电性连接回路，来将热电堆探测器4和温度传感器5采集的信号传输至控制装置300。控制装置300用于接收热电堆探测器4和温度传感器5的信号并进行处理，并根据接收到的信号进行判定后发出控制指令，例如发出对加热线圈35是否启动加热的控制指令。
该实施例中，所述温度传感器5选为NTC热敏电阻，即负温度系数热敏电阻器。温度传感器5具体可选为DT104F3950AG型号，热电堆探测器4具体可选为TD14型号，当然关于温度传感器5和热电堆探测器4的具体选型不限于此，可根据实际情况来选择其他型号或者自行定制研发版本的温度传感器以及热电堆探测器。
该实施例中，一方面，由于柔性导电加热板3与外周壁11以及底壁12之间均采用高导热率环氧树脂粘接，使得柔性导电加热板3的加热线圈35产生的热量能够快速的传到至外周壁11和底壁12的各个部分，从而尽快的实现热电堆探测器4温度环境的均衡稳定。另一方面，由于外周壁11与红外透镜2之间采用高导热率环氧树脂粘接，由于高导热率环氧树脂的红外发生率交底，受温度冲击后，本身不易发热从而避免该粘结剂本身红外辐射的发射，因此，避免了对测量精度的影响。
需要说明的是，柔性导电加热板3可优选为柔性电路板，即FPC板；当然，也可为PI电热膜，PET电热膜等其他柔性电路板材。
该实施例中的红外温度传感器100工作步骤，可参考如下过程：
1、红外温度传感器100开始测量时，先对柔性导电加热板3中的加热线圈35通电产生热量；
2、产生的热量通过分别通过外周壁11和底壁12传导至外壳1的每个部位；
3、由于外周壁11和底壁12均为高导热率材料制成，而柔性导电加热板3的厚度小，热阻也很小，为热电堆探测器4构建了一个均衡稳定的温度环境，且该环境的温度接近目标环境温度；
4、通过连续测量热电堆探测器4和温度传感器5的信号，可以感知热电堆探测器4接收到的红外辐射是否稳定；
5、当控制装置300判断到热电堆探测器4接收到的红外辐射处于稳定状态时，可将此时热电堆探测器4与温度传感器5输出的信号转化为温度信息；
6、控制装置300将接收到的信号进行处理后，根据热电堆探测器4探测到温度值T2，以及温度传感器5的探测到的温度值T1，来计算得出该实施例中的红外温度传感器100探测到的检测对象的温度值T＝T2-T1。
该实施例中的红外温度传感器100，能够快速的适应变化的环境温度，例如在从25℃的环境温度下变化到15℃的环境温度下时(例如从有空调的屋里拿到没有空调的屋里，或者从室内拿到室外)，适应时间极短，可在几秒甚至更短的时间内快速实现热电堆探测器4对待测对象红外辐射信号的稳定接收，即快速实现该红外温度传感器的正常使用，从而对待测对象的温度进行快速准确的测量，避免了在环境温度存在较大变化的情况下仓促使用而造成的测量漂移情况的出现。
本实施例中的红外温度传感器100，能够较好的避免测量时外部热冲击的影响，快速的为热电堆探测器4形成一个均衡的温度环境，从而使得热电堆探测器4接收到的红外辐射快速趋于稳定状态。该红外温度传感器100的测量精度高，能够有效避免在变化的环境温度下测量漂移情况的出现，从而实现对待测对象的精准温度测量。
红外温度传感器实施例二：
如图8至图9，本实施例与实施例一所不同的是：该实施例中的红外温度传感器100的热电堆探测器4和温度传感器5分别设于柔性导电加热板3上。
具体地，该实施例相对实施例一，其柔性导电加热板3上没有开设镂空部33(参考图7)，该柔性导电加热板3包括圆形部37以及条形部32，外壳1的外周壁和底壁经圆形部37的周向上的边缘部分连接，所述条形部32的第一端连接于所述圆形部37上，第二端外伸出所述外壳1，所述加热线圈35设于所述圆形部37内，具体为加热线圈35位于外壳1的外周壁11的底部端面与底壁12之间；所述导线组36穿设于所述条形部32内；所述热电堆探测器4和温度传感器5分别经导电银浆粘接于所述柔性导电加热板3上。
该实施例中的红外温度传感器100，由于热电堆探测器4直接设于柔性导电加热板3上，热阻较大，达到热平衡的时间相对实施例一中的红外温度传感器100有所延长。该实施例中的红外温度传感器100，虽然相对实施例一中的红外温度传感器100快速适应环境的能力有所下降，但是由于柔性导电加热板3省去了镂空部33(参考图7)，使得柔性导电加热板3的制作工艺较为简单。
关于该实施例中的红外温度传感器100的其他具体结构、原理、使用方法以及所实现的技术效果，可参考实施例一中的具体介绍，此处不做赘述。
红外温度传感器实施例三：
如图10至图11，本实施例与实施例一所不同的是：所述柔性导电加热板3包括圆形部37以及条形部32，所述圆形部37位于所述外壳1内，所述条形部32的第一端连接于所述圆形部37上，第二端外伸出所述外壳1，所述加热线圈35设于所述圆形部37内，所述导线组36穿设于所述条形部32内；所述外周壁11与底壁12之间经导电银浆粘接，所述热电堆探测器4和温度传感器5分别经导电银浆粘接于所述柔性导电加热板3上。
该实施例中的红外温度传感器100，由于外周壁11与底壁12直接相连，外壳1的热阻较小，达到热平衡的时间接近实施例一中的红外温度传感器100甚至稍短。因此，相对实施例一中的红外温度传感器100，该实施例中的红外温度传感器100的柔性导电加热板3的制作难度降低，并且快速适应环境的能力较为接近。
本发明还涉及一种探头，该探头包括本发明中的红外温度传感器100。
另外，参考图12，本发明还涉及一种红外体温计，该红外体温计包括红外温度传感器100，红外温度传感器100首先装设于锥形外罩内形成探头，探头连接与红外体温计的手持壳上，该红外体温计还包括装设于手持壳内的控制装置300和电源200，关于控制装置300和电源200与红外温度传感器100之间的关系，具体可参考前述内容，此处不再赘述。
该红外体温计可为诸如耳温计以及皮肤温度计等能够通过人体红外辐射来测量人体体温的测量装置。现在以该红外体温计为耳温计来说明其使用方法：在使用时，将探头插入待测对象的耳道内，并使得探头的前面小端靠近耳内鼓膜，从而接收来自鼓膜的辐射波实现对人体温度的测量。当该红外体温计为皮肤温度计时，只是探头的靠近目标为人体皮肤，此处不做赘述。
设有本申请中的红外温度传感器的红外体温计，能够快速的适应变化的环境温度，例如在从25℃的环境温度下变化到15℃的环境温度下时(例如从有空调的屋里拿到没有空调的屋里，或者从室内拿到室外)，适应时间极短，可在几秒甚至更短的时间内快速实现热电堆探测器4对待测对象红外辐射信号的稳定接收，即快速实现该红外温度传感器的正常使用，从而对待测对象的温度进行快速准确的测量，避免了在环境温度存在较大变化的情况下仓促使用而造成的测量漂移情况的出现。本发明中的红外温度传感器100，能够较好的避免测量时外部热冲击的影响，快速的为热电堆探测器4形成一个均衡的温度环境，从而使得热电堆探测器4接收到的红外辐射快速趋于稳定状态。该红外温度传感器100的测量精度高，能够有效避免在变化的环境温度下测量漂移情况的出现，从而实现对待测对象的精准温度测量。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
