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熱傳感器的校正的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了能夠校正在熱傳感器(200)的熱電堆(235)的熱結(jié)(205)的溫度改變期間所引入的誤差的熱傳感器(200)。例如，對(duì)于在相對(duì)于冷結(jié)(220)的熱傳感器(200)的熱結(jié)(205)處的溫度改變的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，使得有關(guān)熱電堆(235)、其電輸出以及冷結(jié)(220)的溫度歷史和當(dāng)前溫度的給定信息，可以校正對(duì)溫度測(cè)定的影響。通過考慮這些因素，處理器件(230)在校正由數(shù)學(xué)模型測(cè)定的熱結(jié)處的溫度改變所引入的誤差的同時(shí)，可以修改熱傳感器(200)的溫度測(cè)定輸出。
【專利說(shuō)明】
熱傳感器的校正

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及熱傳感器，并且特別涉及校正熱傳感器溫度測(cè)定，以考慮由外部影響所引入的誤差。

【背景技術(shù)】
[0002]各種電子器件是眾所周知的。此外，這些電子器件的每一個(gè)包括隨時(shí)間的使用易于升溫的元件。例如，計(jì)算器件包括處理器電路，由于在計(jì)算器件運(yùn)行期間流過電路的電流量，隨時(shí)間以及處理器件增加的使用，該處理器電路將變熱。處理器件的發(fā)熱在計(jì)算領(lǐng)域中是已知的人工因素。例如，某種計(jì)算設(shè)備諸如大型桌面計(jì)算機(jī)包括溫度保護(hù)機(jī)制，使得處理器件或者系統(tǒng)的其他部件不會(huì)過熱和癱瘓。
[0003]因此，在某些應(yīng)用中，溫度傳感器被嵌入到計(jì)算器件，用來(lái)感知由于過熱而易于癱瘓或者失效的某些部件的溫度。例如，可以設(shè)置一種紅外熱探測(cè)器，用來(lái)收集由器件的加熱部分所放出的紅外能量。紅外傳感器收集紅外輻射，并且將其轉(zhuǎn)換成電壓，通過該電壓，計(jì)算器件能夠確定熱傳感器從其所收集的紅外輻射的材料的溫度。在一個(gè)示例中，熱傳感器包括當(dāng)穿過部件的溫度變化率改變時(shí)，其電屬性(例如，電壓)改變的熱電堆或者部件。所以被配置地，熱電堆的一端被配置為由接收來(lái)自溫度被感知的材料的紅外輻射加熱。這邊被稱作熱電堆的“熱結(jié)”(hot junct1n)。熱電堆的另一邊被稱作“冷結(jié)”，并且被保持在相對(duì)穩(wěn)定的溫度，使得熱電堆的第一邊或者“熱結(jié)”的溫度改變將引起能夠被跟蹤并且與目標(biāo)材料的溫度相關(guān)聯(lián)的熱電堆的電屬性的改變。
[0004]然而，已知的是，在熱電堆的熱結(jié)溫度改變期間，目標(biāo)材料的溫度測(cè)定將是不精確的。這是因?yàn)闊犭姸训臒峤Y(jié)上的熱流的一部分被用于改變熱結(jié)的溫度，而不是產(chǎn)生信號(hào)。一旦溫度穩(wěn)定，那么該誤差消失。在紅外傳感器中的熱結(jié)的溫度改變的主要源是通過熱轉(zhuǎn)移到冷結(jié)及熱來(lái)自冷結(jié)。結(jié)果，被設(shè)計(jì)成放置到計(jì)算器件的紅外傳感器例如被設(shè)計(jì)，使得傳感器自身或者至少冷結(jié)盡可能地?zé)岣綦x于剩余系統(tǒng)和計(jì)算器件，以便減小可能導(dǎo)致溫度傳感誤差的溫度改變。通過以這種方式配置紅外傳感器，紅外傳感器自身具有相對(duì)龐大的尺寸并且占據(jù)相對(duì)大的空間量，當(dāng)紅外傳感器在計(jì)算機(jī)或者其他移動(dòng)電子設(shè)備中被實(shí)現(xiàn)，或者尺寸和便攜性設(shè)備可以是高優(yōu)先級(jí)或者考慮時(shí)，這可能是不利的。此外，熱隔離僅部分地緩解在溫度變化期間所引入的誤差，因?yàn)闊岣綦x不是完美的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一般而言，根據(jù)這些各種實(shí)施例，將描述能夠校正在熱傳感器的熱電堆的溫度改變期間所引入的誤差的熱傳感器。一種方法，已知涉及熱電堆的物理屬性、熱電堆的電輸出以及冷結(jié)的溫度歷史和當(dāng)前溫度的某些信息，將相對(duì)于冷結(jié)的熱傳感器的熱結(jié)的溫度改變的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，使得包含目標(biāo)材料的溫度測(cè)定的輸出上的影響能夠被校正。通過考慮這些因素，處理器件在校正由通過數(shù)學(xué)模型測(cè)定的溫度改變所引入的誤差的同時(shí)，可以修改熱傳感器的溫度測(cè)定輸出。如此配置，不僅溫度測(cè)定更加精確，而且傳感器自身不再需要像以前的紅外傳感器方法那樣熱隔離于剩余的環(huán)境區(qū)域或者計(jì)算器件。結(jié)果，紅外傳感器封裝自身可以大大減小尺寸，以便占據(jù)計(jì)算器件的較小的覆蓋區(qū)，并且潛在地相對(duì)于涉及溫度應(yīng)當(dāng)被監(jiān)測(cè)以避免失敗的目標(biāo)材料的布置具有更大的靈活性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例熱傳感器的操作的示例方法的流程圖。
[0007]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱傳感器的示例方法的框圖。
[0008]圖3-6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例包括實(shí)際的、感知的以及校正的溫度測(cè)定的溫度與時(shí)間的圖形。
[0009]圖7是示出現(xiàn)有技術(shù)紅外傳感器與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所制造的示例紅外傳感器的物理比較的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0010]圖1描述了一種示例方法，其中在熱傳感器的熱結(jié)100處接收熱，以測(cè)定器件的一部分的溫度。例如，溫度被正在監(jiān)測(cè)的器件部分發(fā)出由熱傳感器的材料接收的紅外輻射。熱傳感器的材料變熱，并且以這種方式，熱結(jié)(junct1n)接收來(lái)自器件部分的熱，器件部分完成溫度測(cè)定。該方法進(jìn)一步包括測(cè)定120熱傳感器的冷結(jié)的溫度。例如，可以在臨近冷結(jié)處設(shè)置分離的溫度傳感器，或者在另一種方法中，冷結(jié)可以被熱沉到器件的較大部分，在此器件上設(shè)置分離的溫度傳感器。該方法包括響應(yīng)于接收第一熱傳感器的熱結(jié)處的熱使用處理器器件調(diào)節(jié)130器件的一部分的溫度測(cè)定。該調(diào)節(jié)包括考慮在熱傳感器的熱結(jié)的溫度改變期間所引入的錯(cuò)誤。
[0011]可以以多種方法實(shí)現(xiàn)考慮在熱結(jié)處的溫度改變期間所引入的錯(cuò)誤。一種方法，考慮在熱傳感器的熱結(jié)的溫度改變期間所引入的錯(cuò)誤包括將對(duì)應(yīng)于熱結(jié)溫度和冷結(jié)溫度的熱傳感器的輸出調(diào)節(jié)一個(gè)量，該量至少部分地依賴于說(shuō)明材料屬性以及在冷結(jié)和熱結(jié)之間轉(zhuǎn)移的熱模型的常量，以及冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的測(cè)定。另一種方法，調(diào)節(jié)熱傳感器的輸出包括至少部分地依賴于在冷結(jié)和熱結(jié)之間的電勢(shì)隨時(shí)間改變的測(cè)定的量。
[0012]一個(gè)示例中，由熱傳感器的熱結(jié)處的瞬時(shí)溫度所引入的誤差可以被建模成延遲相對(duì)于冷結(jié)溫度的熱結(jié)的溫度改變的一階RC濾波器。在這個(gè)RC濾波器模型中，在熱傳感器的冷結(jié)和熱結(jié)之間的熱電堆的熱電阻代表RC濾波器的電阻項(xiàng)。熱電堆的熱結(jié)的熱容量代表RC濾波器模型的容量項(xiàng)。如此配置，可以根據(jù)以下的等式數(shù)學(xué)上表示出RC濾波器模型:
[0013]C ^i1i I TlJot - TCoM I ^X VHot ^Object / _ Q
/Λ dtRthSeebeck x Rlh
[0014]其中“Cth”是熱電堆的熱容量，“TH。/’是熱結(jié)的溫度，“TC()ld”是冷結(jié)的溫度，“ Sx[Tt -T^bject) ”相關(guān)于從溫度被感知的目標(biāo)轉(zhuǎn)移到熱結(jié)的紅外熱，“Seebeck”是考慮熱電堆的材料屬性的常量系數(shù)，并且“Rth”是熱電堆的熱電阻率。
[0015]針對(duì)冷結(jié)溫度正在改變時(shí)在熱結(jié)和冷結(jié)之間的溫度差，對(duì)等式求解，該結(jié)果可以被用于預(yù)測(cè)由于冷結(jié)改變溫度弓I起的溫度測(cè)定的改變。
[0016]Tho -T " = -RthCth - SX ~T^

atSeebeck
[0017]在理想的熱隔離傳感器中，隨著來(lái)自器件部分的熱被熱傳感器收集并且加熱熱結(jié)，熱電堆的電壓還根據(jù)等式νυι =Sx(Hri)改變。這部分可以從數(shù)學(xué)上與其他因素分離，由此，上面等式的其他部分等同于由非來(lái)自被感知部分的熱的因素引起的電壓改變的部分，因此，這代表溫度測(cè)定中的誤差。這種數(shù)學(xué)過程可以表示如下:

PjrTY
[0018]Ti1t — Tcold = -RthCth

at Seebeck
[0019]O Seebeck x (THot - Tcoli) = -Seebeck x RlliC,,, + Vobj
[0020]o V0ut = Seebeck x {THot - Tcm ) = VEn, + Vobj[0021 ].= -Seebeck x RlliClh


dt
[0022]誤差電壓在以下的等式中被表示成VE?，并且依賴于相應(yīng)的常數(shù)項(xiàng)SeebeckXRthCth以及熱結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變。因?yàn)槔浣Y(jié)溫度可以使用獨(dú)立的溫度傳感器獨(dú)立地、精確地被監(jiān)測(cè)，并且熱電堆兩端的電壓是精確已知的，所以重寫關(guān)于冷結(jié)溫度和電壓輸出的誤差等式是有利的，如下:
[0023]SeebeckX (THot-TCold) = V0ut
[0024]Seebeck x (° ° ) = ° ^ 0,11
Dt dt ' dt
(I T (I TI(11/
[0025]O^^— +-X^—
at dt Seebeck at
f)TPT/?Τ
[0026]? -Seebeck x RlllCll, = —Seebeck x RlllClll — RihCll,
dtdtOt
[0027]? Verr = -Seebeck x RihClh — RlhClli
OtOt
[0028]根據(jù)此模型，電壓誤差依賴于已知常量、冷結(jié)溫度隨時(shí)間的改變以及電壓輸出隨時(shí)間的改變。通過使用在冷結(jié)和熱結(jié)之間轉(zhuǎn)移的熱模型，考慮在熱傳感器的冷結(jié)的溫度改變期間所引入的誤差包括根據(jù)冷結(jié)溫度將熱傳感器的輸出調(diào)節(jié)一個(gè)量，該量至少部分地依賴于說(shuō)明材料屬性(SeebeckXRthCth)的常量以及冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的測(cè)定(dTMd/dt)。電壓輸出隨時(shí)間的改變相關(guān)的項(xiàng)(dl^d/dt)與隨時(shí)間的冷結(jié)溫度有較小的相關(guān)性，并且在某些應(yīng)用中可以被忽略；然而，該項(xiàng)對(duì)更敏感的熱傳感器更加重要。
[0029]各種方法可以被用于考慮冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變。一種方法，通過確定冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的相對(duì)于隨時(shí)間已記錄的冷結(jié)的溫度集的估計(jì)直線擬合，來(lái)實(shí)現(xiàn)冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的測(cè)定。在這種方法中，圖1的方法包括記錄隨時(shí)間在規(guī)則的間隔處冷結(jié)的溫度，以及數(shù)學(xué)上確定在改變經(jīng)過冷結(jié)溫度的時(shí)間的線的擬合，以確定dl^/dt元素。
[0030]在另一方法中，通過應(yīng)用濾波器到隨時(shí)間存儲(chǔ)的冷結(jié)的溫度，進(jìn)行冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的測(cè)定。在這種方法中，通過應(yīng)用至少部分地基于冷結(jié)的當(dāng)前溫度、冷結(jié)的先前溫度以及先前熱轉(zhuǎn)移值的測(cè)定的函數(shù)，該方法可以進(jìn)一步包括確定作為冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的測(cè)定的一部分的熱轉(zhuǎn)移值。在一個(gè)示例中，冷結(jié)的溫度可以被描述為施加的RC濾波器的電壓信號(hào)。在這個(gè)不例中，

【權(quán)利要求】
1.一種熱傳感器裝置，其包括: 被配置為接收來(lái)自目標(biāo)材料的熱的熱結(jié)； 被配置為熱短路到基礎(chǔ)材料的冷結(jié)；以及 與所述熱結(jié)和所述冷結(jié)電通信的處理器器件，所述處理器器件被配置為響應(yīng)于接收來(lái)自所述目標(biāo)材料的熱，基于所述熱結(jié)和所述冷結(jié)之間的熱電堆的電屬性的變化來(lái)測(cè)定所述目標(biāo)材料的溫度，包括調(diào)節(jié)以便考慮在所述熱結(jié)的溫度改變期間所引入的誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過將所述溫度的測(cè)定調(diào)節(jié)一個(gè)量，來(lái)考慮在所述熱結(jié)的溫度改變期間所引入的誤差，所述量至少部分地依賴于: 考慮材料屬性以及在所述冷結(jié)和所述熱結(jié)之間的熱轉(zhuǎn)移模型的常量，以及 所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的測(cè)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過將所述溫度的測(cè)定調(diào)節(jié)一個(gè)量，來(lái)考慮在所述熱結(jié)的溫度改變期間所引入的誤差，所述量至少部分地依賴于: 所述冷結(jié)和所述熱結(jié)之間的電勢(shì)隨時(shí)間的改變的測(cè)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過確定所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變相對(duì)于隨著時(shí)間已記錄的所述冷結(jié)的溫度集的估計(jì)直線擬合，進(jìn)行所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過將濾波器應(yīng)用到隨著時(shí)間所存儲(chǔ)的所述冷結(jié)的溫度，進(jìn)行所述冷結(jié)的溫度的隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過應(yīng)用至少部分地基于所述冷結(jié)的當(dāng)前溫度、所述冷結(jié)的先前溫度以及所述濾波器輸出的先前測(cè)定的函數(shù)，確定所述濾波器輸出為所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定的一部分。
7.一種裝置，其包括: 主機(jī)器件； 設(shè)置在所述主機(jī)器件中以感知所述主機(jī)器件的第一部分的溫度的第一熱傳感器，所述第一熱傳感器包括: 熱短路到所述主機(jī)器件的第二部分的冷結(jié)，以及被配置為接收來(lái)自所述主機(jī)器件的所述第一部分的熱的熱結(jié)；以及被配置為測(cè)定所述主機(jī)器件的所述第二部分的溫度的第二熱傳感器；以及與所述熱傳感器和所述第二熱傳感器通信的處理器器件，所述處理器器件被配置為通過考慮所述主機(jī)器件的所述第二部分處的溫度改變期間所引入的誤差，基于所述熱傳感器的信號(hào)來(lái)誤差校正所述主機(jī)器件的所述第一部分的所述溫度的測(cè)定。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過將對(duì)應(yīng)于所述熱器件的所述第一部分的所述溫度的所述第一熱傳感器的輸出調(diào)節(jié)一個(gè)量，來(lái)考慮在所述主機(jī)器件的所述第二部分處的溫度改變期間所引入的誤差，所述量至少部分地依賴于: 考慮材料屬性以及在所述第一熱傳感器的所述冷結(jié)和所述熱結(jié)之間的熱轉(zhuǎn)移模型的常量，以及 所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的測(cè)定。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過將對(duì)應(yīng)于所述熱器件的所述第一部分的所述溫度的所述第一熱傳感器的輸出調(diào)節(jié)一個(gè)量，來(lái)考慮在所述主機(jī)器件的所述第二部分處的溫度改變期間所引入的誤差，所述量至少部分地依賴于: 在所述冷結(jié)和所述熱結(jié)之間的電勢(shì)隨時(shí)間的改變的測(cè)定。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過確定所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變相對(duì)于隨時(shí)間已記錄的所述冷結(jié)的溫度集的估計(jì)直線擬合，來(lái)進(jìn)行所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述處理器器件被配置為通過將濾波器施加到隨時(shí)間存儲(chǔ)的所述冷結(jié)的溫度，進(jìn)行所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述處理器被配置為通過使用至少部分地基于所述冷結(jié)的當(dāng)前溫度、所述冷結(jié)的先前溫度以及所述濾波器輸出的先前測(cè)定的函數(shù)，確定所述濾波器的輸出為所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定的一部分。
13.—種方法,其包括: 接收在熱傳感器的熱結(jié)處的熱，以測(cè)定器件的一部分的溫度； 測(cè)定所述熱傳感器的冷結(jié)的溫度；以及 響應(yīng)于接收在所述熱傳感器的所述熱結(jié)處的熱，使用處理器器件調(diào)節(jié)所述器件的一部分的溫度的測(cè)定，所述調(diào)節(jié)包括考慮在所述熱傳感器的所述熱結(jié)的溫度改變期間所引入的誤差。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述考慮在所述熱傳感器的所述熱結(jié)的溫度改變期間所引入的誤差包括將對(duì)應(yīng)于所述熱結(jié)和所述冷結(jié)的溫度的所述熱傳感器的輸出調(diào)節(jié)一個(gè)量，所述量至少部分地依賴于: 考慮材料屬性以及在所述熱傳感器的所述冷結(jié)和所述熱結(jié)之間的熱轉(zhuǎn)移模型的常量，以及 所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的測(cè)定。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述考慮在所述熱傳感器的所述熱結(jié)的溫度改變期間所引入的誤差包括將對(duì)應(yīng)于所述熱結(jié)和所述冷結(jié)的溫度的所述熱傳感器的輸出調(diào)節(jié)一個(gè)量，所述量至少部分地依賴于: 在所述冷結(jié)和所述熱結(jié)之間的電勢(shì)隨時(shí)間的改變的測(cè)定。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其進(jìn)一步包括通過確定所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變相對(duì)于隨時(shí)間已記錄的所述冷結(jié)的溫度集的估計(jì)直線擬合，進(jìn)行所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其進(jìn)一步包括通過向隨時(shí)間存儲(chǔ)的所述冷結(jié)的溫度施加濾波器，進(jìn)行所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括通過應(yīng)用至少部分地基于所述冷結(jié)的當(dāng)前溫度、所述冷結(jié)的先前溫度以及所述濾波器輸出的先前測(cè)定的函數(shù)，確定所述濾波器的輸出為所述冷結(jié)的溫度隨時(shí)間的改變的所述測(cè)定的一部分。
【文檔編號(hào)】G01K7/13GK104204748SQ201380015788
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月22日
【發(fā)明者】H·S·卡拉基 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司