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附录A 译文
移动设备红外温度传感系统的改进
摘要：
红外（IR）温度测量系统不仅由传感器模块和电子元件组成，还包括一个将红外辐射引导到传感器上的光机系统。如果探测器不仅能看到目标，而且能看到测量系统本身的一部分，那么零件的几何形状和发射率会影响读数。在正常的工业应用中，光学元件的设计使表面稳定到与传感器相同的温度。这使得由设备温度引起的误差可以很容易地校准掉。校正在静止条件下有效，通常接近校准温度，通常在室温下。然而，我们发现，如果传感器被嵌入一个有热源的移动（手持式）设备中，例如电力电子设备，则正常条件不再有效，校准失败。为了提高移动设备的红外测温性能，研究了红外测温的光学原理，并进行了详细的设计。此外，利用测量传感器样机对其光学性能进行了建模和验证。采用了一种注意工作温度变化的校准程序。在 12.6至 49.3度 的工作温度范围和 10至 90度的目标温度范围内，使用正确的传递校准曲线实现的红外温度传感器的重复性优于plusmn;0.5度 。
介绍:
温度可能是世界上测量最多的环境参数。全球变暖极大地增加了对环境温度精确测量的需求。在许多工业和家庭应用中也需要温度测量。一个重要的例子是PC机中微处理器的温度控制[1]。基于热敏电阻产生的温度信息，微处理器和冷却系统的运行都可以得到最佳控制。家用电器，如冰箱、咖啡机和电烤箱，通常也需要温度控制[2]。此外，过热保护应用于一些设备，如电机[3]和电池[4]。在消费类电子产品中，主要应用是体温计，通常从耳朵的鼓膜开始测量[5]。
人们很自然地会考虑是否可以在移动手持设备（如手机）中实现具有如此普遍应用和普遍兴趣的温度传感。热敏电阻温度传感器存在于各种产品中，包括手表和一些手机。然而，由于一个简单的物理原因，它们的性能非常有限。如果我们在移动设备内放置一个热敏电阻，我们就能够测量设备外壳内局部体积的温度。然而，由于两个主要原因，这并不一定与实际环境温度相关。从环境到热敏电阻的热接触很弱，但从器件本身到热敏电阻的热接触很强。此外，移动设备可以包含热源，如电力电子设备，这很容易提高设备内的温度。当然，靠近热源的加热效果更大，但整个装置的热传导影响装置内的所有位置。将传感器放置在外罩外并将其与设备的其余部分隔离将改善传感器与环境的接触，但完全隔离实际上是不可能实现的。此外，位于外盖的传感器仍然容易受到用户手加热的影响。
在移动设备应用中实现良好环境温度测量的另一种原理是红外（IR）温度传感。红外传感提供了一种非接触的方法来测量目标的温度，因为温度高于绝对零度的所有物体都会发射红外辐射[6]。目标温度传感是基于对物体发出的红外辐射的测量。与基于热敏电阻的测量相比，其主要优点如下。来自目标的热信号可以通过光学放大，来自器件本身的热信号可以通过有利的光学设计和实现来衰减。
红外温度传感:
红外传感是基于这样一个事实，即表面发射的红外辐射强度取决于其温度，一级近似遵循玻耳兹曼定律。由于传感器的视野在实际移动应用中必须受到限制，因此传感器还可以看到通常与待测量表面温度不同的表面。在理想条件下，这种水仙效应[7]可以通过测量传感器元件本身温度的内部补偿电路进行校准。传统的红外传感光机设计，显示了水仙效应，如图一所示。
图1.传统的红外传感光机设计，显示了水仙效应
从图I可以看出，如果将管作为商业组件排除在外，则管在检测器看到的光信号值中占主导地位。同样重要的是要注意，测量系统中使用的透镜产生的光信号的阶数与测量目标本身的阶数相同。这是因为透镜材料不是完全透明的，但它在测量波段有吸收，这与透镜在相同波段的发射度相对应。
传统的方法基于两个基本假设。在实践中，假设测量装置是稳定的（在室温下），并且假设没有内部热源。然而，当设备的工作温度由于环境温度变化和/或内部加热而剧烈波动时，情况就大不相同了。
在用辐射红外功率测量目标温度的一级近似法中，物体的总辐射取决于其发射率和温度
(1)
其中
L=物体的总辐射度（）
发射率
Stefan-Bolzmann常数
T=物体的绝对温度
红外温度计通常使用以下公式来确定目标温度[8]，
（2） 其中
=从目标接收的总热功率
=目标发射率
=目标绝对温度
传感器发射率
-环境绝对温度
含斯忒藩-玻尔兹曼常数的因子
入射功率由红外探测器测量。如果目标的发射率已知，测量应该相当准确。大多数自然物体的发射率接近0.95，在所有已知的商业设备中，该值似乎被设置为默认发射率。
需要注意的是，从等式2中可以看出，传感器温度通常假定为环境温度或至少接近环境温度。然而，在典型的移动应用程序中，这种假设是无效的。系数包括热电堆仪表的视角或视野（FOV）。为了提高目标的空间分辨率，必须限制热电堆探测器的视场。传统上，这是用一个被漆成黑色的金属管来完成的。这种金属导热很快，在正常情况下，整个装置很快就会达到恒温。
红外温度传感器应具有一个内部补偿电路，该电路测量传感器元件本身的温度，并使用该信息通过[8]确定目标温度Ts
（3）
当Ts已知时，可通过校准确定目标温度。在大多数情况下，Ts是在传感器元件处测量的，假设传感器元件与整个光学系统的温度很好地对应。在平衡条件下，目标温度可以通过测量传感器温度进行补偿来计算。
传统光学测量与建模
我们在实际用例中测试了一些商用红外温度传感器。特别是我们想看看传感器在动态工作温度下的性能。在表1中，传统的加热光学红外温度传感器的性能是
展示。传统的传感器光学结构是由发黑的金属管和位于管头的红外聚合物菲涅耳透镜组成。菲涅耳透镜收集目标的红外光，并将其对准位于管端的热电堆探测器。
表1.传统红外温度传感器的性能
|
透镜 |
环境 |
目标参考 |
传感器读数 |
|
25 |
25 |
0 |
-2 |
|
50 |
25 |
0 |
8 |
|
0 |
0 |
0 |
-3 |
|
43 |
0 |
0 |
18 |
从表一可以看出，当透镜加热到系统的工作温度以上时，测量读数和目标参考值之间存在很大差异。当系统工作温度为OOC时，也注意到较小的误差，OOC比系统规定的标称工作温度低25度。系统工作温度等于测量中的环境温度。测量中使用的目标是一块涂成黑色的铝板，位于珀耳帖元件的顶部。参考温度是用一个热敏电阻测量的，热敏电阻用硅树脂固定在靶板上。
商用温度传感器中的水仙效应被怀疑是造成测量误差较大的主要原因。利用ASAP光学仿真软件模拟了商业系统中的水仙效应。模拟的目的是找出与测量系统的光学和机械结构相比，实际有多少光信号来自目标。为了估算商业测量装置中使用的关键光学和光机结构的实际发射率值，利用Biorad傅里叶变换红外光谱仪在宽波段测量了这些结构的反射率（在某些情况下还测量了透过率）。平均反射率（和透射率）在光学模拟中，采用14gm波段来推导发射率。
改进系统性能的设计
水仙效应显然是限制红外温度传感器测量性能的一个非常关键的特性。为了提高性能，必须通过增加光学的透射率和减少光力学中的光信号的相对数量来最小化水仙效应。例如，Perkin Elmer热电堆探测器型号TPS 333的视场（FOV）在50%相对响应点处定义为100度。宽视场使得探测器可以很容易地看到测量系统的光机特性。使用反射光学代替折射光学可以通过非常高的反射率表面提供更高的光透射。此外，反射光学系统的设计可以使探测器视场内只有高反射率的光学表面。表面的高反射率对应于低发射率，这意味着低相对光信号源自高反射率表面。在实际应用中，通过8～14gm波段的反射光学比折射光学更容易获得高的透光率。金和铝的反射率很高，从8到14gm波段。铝是比黄金更具成本效益的材料，因此在移动应用中使用铝是有利的。在8～14pm范围内，铝的平均反射率大于97%
反射镜系统的初步规格如下。与商用传感器中使用的类似红外探测器兼容的光学系统，可收集物体直径与距离之比约为1的光，整个光学结构的最大高度为10 mm。红外温度传感器的标称视场被指定为10度，由50%的相对强度点定义。在TPS 333热电堆探测器的顶部设计了抛物面反射器，以满足FOV要求。之所以选择抛物线形状，是因为该形状能够将传感器的视野限制在足够窄的接受锥上。复合抛物面聚光器（CPC）和圆锥面也被考虑在内，但它们不能充分限制视场。设计的抛物面反射器及其尺寸如图2所示。
图2设计了光学系统及其尺寸
抛物面反射面长9mm。输入孔径为4.9mm，输出孔径为1.56mm。输出光圈的设计方式使其不会遮挡来自视场内部的任何光线。
罗茨
图3传感器视野。
与裸探测器相比，反射器在0度视角下将探测器信号放大约34倍。传感器视场约为10度（FWHM）。当使用理想的反射器表面时，反射器拒绝视野外的光线，并且它们从集中器输入光圈离开系统。
然而，在移动应用中使用露天系统被认为是不太实际的。光学表面会被划伤和污染，这会降低系统性能。通过仿真研究了光学系统对反射镜污染和划痕的敏感性。模拟系统包含一个100摄氏度的目标（信号）源在以前的模拟。在模拟中，只使用裸反射镜作为光学元件，将集光器/噪声源的温度设置为20℃，反射镜的发射率由0变为I，同时反射率由100%变为0%。因此，来自目标的信号随着来自噪声源的信号同时增加而减弱。模拟信号偏差如图4所示。
检测到的光信号偏差与反射器发射率
反射器发射率
图4反射比降低导致的信号偏差。
仿真结果表明，系统的最大信号偏差为45%。正常工作条件下反射器发射率变化的实际值可能在0.05到0.25之间，对应于最坏情况下反射率从最初的95%到75%的变化。这种变化可使检测信号产生约8%的误差。
因此，光学保护的概念被创建和评估。概念包括盖窗，铝网，和完全环氧树脂填充反射管，见图5。
图5光学保护概念。
实现了概念的Flotherm模型，并对结构的热性能进行了评估。在图6中，显示了使用聚合物窗口系统的Flotherm模型模拟热平衡条件的示例。
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图6。聚合物窗口系统中Flotherm模型模拟热平衡的一个实例。
在图7中，热系统模拟固有速度，以实现100℃目标（信号）源和剩余最大温差的温度平衡。
图7。热力系统固有速度达到温度平衡，剩余最大温差。
从图7可以清楚地看出。露天系统的速度最快，温差最小。铝网系统的热性能次之。聚红外窗口系统的热性能最低。
灵敏度仿真结果表明，系统性能与污染防护之间存在着一种折衷的关系。作为已执行模拟的结论，我们看到用保护元件覆盖反射器提高了集光器的鲁棒性，但同时它将新的热噪声源引入测量系统。
实验系统及特点
在介绍光学设计的基础上，实现了红外测温传感器。传感器光学元件的表面轮廓是通过5轴数控加工实现的。这种材料是铸铝，其中含有少量的几种成分，如硅和镁。为了
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