专利名称：辐射温度计的温度计算方法
技术领域：
本发明涉及根据辐射温度传感器和环境温度传感器的信号计算物体辐射温度的方法及辐射温度计，特别是临床用辐射温度计。
作为例子，
图1所示为一个临床用辐射温度计的探头，该探头具有一个简单的红外线光学系统。该探头有一红外线透射窗口，设置在壳体的前端，从该壳体的后端一个红外线波导管伸入到探头的内部。该临床用辐射温度计还有一个传感器壳，该传感器壳内装有一个环境温度传感器和一个辐射传感器以及一个计算装置(图1未示出)。为了测定体温，将该光学系统的前端放到耳朵内。在该例子中，鼓膜和耳道发射的红外线辐射穿过所述红外线透射窗口、波导管和传感器窗口后进入传感器壳，在该传感器壳内，红外线照射到辐射传感器上，由此产生辐射传感器温度的部分上升，进而产生一输出电压。因为该输出电压的大小还取决于环境温度，或者说参考温度，所以用一相应的环境温度传感器来确定该参考温度。此外，传感器信号还取决于所用窗口和波导管以及可能使用的滤光器或者探头保护盖的光学特性。
众所周知，人体吸收或者发出的光谱辐射强度可以用普朗克(Planck)辐射定律来计算I(T,λ)=h1ϵ(λ)1λ51h2eλT-1----(1)]]>式中T－绝对温度h1、h2－常数λ－波长ε(λ)－人体的发射率或者吸收率清楚起见，设黑体的相对辐射强度为1，也就是ε(λ)=1，如图2所示，图中表示了不同的辐射温度(5、10、…45℃)下辐射强度与波长的函数关系。
为了确定辐射传感器所吸收的全部辐射通量，求方程式(1)在整个波长范围内的积分。这需要考虑光学元件的传输系数和传感器的吸收率。 式中ε(λ)－辐射物体的发射率τ(λ)－光学元件的传输系数s(λ)－传感器灵敏度取决于波长的分量为了求解上述积分，需要假定理想条件。在黑体(ε(λ)=1)以及理想光学元件(τ(λ)=1)和理想的传感器灵敏度(s(λ))条件下，计算上述方程式(2)的积分，就得出斯蒂芬玻尔兹曼(StefanBoltzmann)定律L(T)～T4…(3)但是在具体使用中，常常用滤光器来滤除不需要的波长范围，这时，玻尔兹曼定律就不再适用。人们频繁使用滤光器来过滤。图3举例表示了非理想传输情况下，标准化处理而设定L(T=0℃)=1时不同波长范围对应的积分L(T)。在这种情况下，当λ1＜λ＜λ2时，ε(λ)*τ(λ)*s(λ)=1，而当λ＜λ1或λ2＜λ时，ε(λ)*τ(λ)*s(λ)=0。这大致与使用各种滤光器相符。波长范围0～∞μm符合斯蒂芬玻尔兹曼定律L(T)～T4。
为了确定辐射传感器的输出信号，必须考虑光学元件(探头保护盖、窗口、波导管、滤光器…)的传输系数和传感器的灵敏度。此外，必须从传感器接收到的辐射通量量中减去发射的辐射通量。因此，传感器信号为U=S[L(Ts)－L(TU)]…(4)式中S－辐射传感器的灵敏度Tu－辐射传感器的温度(环境温度)Ts－被测物体的温度为了用从辐射传感器的输出信号确定辐射温度，除了L(T)外，还必须知道反函数T(L)。由方程式(4)可得L(Ts)=US+L(Tu)----(5)]]>在理想黑体、理想光学元件和理想传感器灵敏度，即ε(λ)=τ(λ)=s(λ)=1的特殊情况下，利用方程式(3)可以得到Ts=US+TU44----(6)]]>当该方程式用于非理想情况(即常见情况)时，将产生相应误差(见图3)。因此，人们常采用下述几种近似方法a)一种计算辐射温度的方法就是直接应用方程式(6)。例如，Fraden(US－A－4797840)就引用了这个方程式，用一个多项式代替了温度相关参数S。
如上所述，只有在光学元件相当接近于理想情况或者环境温度和辐射温度范围受到严格限制的情况下才能使用该方程式。否则，将产生相当大的温度误差。这个方程式的另外一个缺点是需要计算四次方根。因为在耳用温度计中使用的简单的微型电子计不能直接进行这种运算，所以，需要进行例如复杂的迭代算法。借助于列表和级数展开进行计算的近似算法虽较为简单但不够精确。
b)为了避免计算方程式(6)中的四次方根，可以使用环境温度和辐射温度为不同次幂的方程式进行计算。例如，Goldberg(US－A－5150969)引用了下列方程式 方程式中所用的参数c、K0、K1、G0、G1、G2、Ai和Bi必须在校正过程中进行确定(或者设定为常数)。在最简单的情况下，设方程式(7－1)中的n=1，因此在方程式中只存在一次项。
因为在这些方程中没有混合项Ui·Tk，所以用该方程式不可能很好地近似于方程式(5)和方程式(6)。方程式中所使用的多个参数的效果不显著，而且因为对于每一个温度计都需要对这些参数进行确定，还增加了标定的复杂性。
c)另外一种方法是由O’Hara等人(US－A－5293877)在题为“标定图(Calibration Mapping)”的专利申请中提出。在该方法中，分别乘以一个参数ai的13个项加在一起。与方程式(7－1)和(7－2)相反，该方法中还包括U和Tu同时出现的混合项，而且还考虑到了波导管的温度。
这种辐射温度的计算相当复杂。其复杂性还体现在对于每个温度计都需要对各个参数进行确定。
d)Egawa等人(EP－A－0337724)提出了使用滤光器时较好的方法。在该方法中，函数L(T)近似为(见方程式(3))L(T)=a(T－b)4+c…(7－3)从该方程式可以得到辐射温度Ts=US+(TU-b)4+b4----(7-4)]]>和方程式(6)相比，该方程式中增加了参数b；该参数b可以根据所使用的滤光器进行调节。
尽管该参数使得计算的精度得到提高，但是由于使用了不怎么精确的方程式(6)并且只是使用一个参数进行校正，因此其精度的提高是有限的。此外，还需要计算四次方根。
本发明的目的是提供一种精确而简单的辐射温度的计算方法。该方法还考虑到辐射温度计在有相关波长范围内的光学特性。
在本发明的方法中，温度不用方程式(3，而是用一个多项式，最好为三次多项式进行计算，其参数根据有关波长范围内温度计的辐射光学特性进行调节。方程式(5)中，辐射传感器灵敏度的倒数最好也用一个多项式来表达。通过这种方式，避免了计算四次方根和除法，使得例如利用一个四位微处理器就能够进行高速的必要运算。而且运算速度可以通过使用计算多项式的“查表法”来得到进一步的提高。
在本发明的方法中，热辐射物体温度的计算包括下列步骤；1．确定环境温度Tu常规温度传感器测量的温度值的关系式可以用下述简单方程式来表示R=R0[1+α(TU－T0)+β(TU－T0)]2…(8)其中的参数R0、α、β由由传感器制造商提供或者在辐射温度计标定过程中进行确定。也可以假定β为常数，而且还可以假定α为常数。在本发明的方法中，环境温度Tu最好用下述方程式进行计算Tu=Σi=0ka;Ri----(9)]]>式中R为转换成数值的环境温度传感器的信号。使用一个三次多项式，用一般的传感器就能达到1／1000的精度。多项式系数ai在标定时确定。
2．确定环境温度为Tu时中间函数(L)代替方程式(3)，本发明用一个三次多项式来计算中间函数L(TU)=b3TU3+b2TU2+b1TU+b0…(10)多项式系数bi可以在标定过程中确定，使得L(T)在有关的温度范围(对于临床用温度计，该范围例如为0＜T＜50℃)内尽可能近似于图3中的积分值。
3．考虑与辐射传感器灵敏度有关的温度影响为了修正辐射传感器灵敏度与温度的关系，并避免被S除，根据本发明方法的一个优选的方式，代换方程式(5)中的S，可得下列方程式1S=Σi=01di(TU-TO)i----(11)]]>多项式系数di在标定过程中进行确定。对于常规的辐射传感器，用一次多项式来考虑温度与灵敏度的关系就足够了。如果温度关系是已知的，参数di可以为常数。为了标定传感器灵敏度，这时就只需要确定d0。
4．计算辐射温度Ts利用方程式(5)和上述中间函数L，本发明对物体的辐射温度Ts计算如下L(Ts)=UΣi=01di(TU-TO)i+Σi=0mb1TUi----(12)]]>不仅中间函数L(T)用多项式表示，而且其反函数T(L)也用多项式表示，例如，用三次多项式表示为Ts=Σi=0mciLi----(13)]]>式中L－中间函数U－辐射传感器信号，转换为数值Tu－绝对环境温度，KTs－被测物体的温度，℃T0－参考温度bi，ci，di－多项式系数由于bi和ci都只取决于ε(λ)、τ(λ)和s(λ)，因此bi和ci可在已知光学特性时进行计算。或者，也可以进行试验确定。而且在使用截止滤波器或者带通滤波器时，三次多项式就足够了。三次多项式的近似积分如图3所示，其误差在2／1000℃范围内。
上述计算方法(方程式(10)～(13))具有下列优点取决于多项式的次数，辐射温度可以计算到任何所需精度，包括使用滤光器过滤不需要的波长范围或者需要选择传感器灵敏度的情况。
利用本发明的计算方法对温度计标定时只需要确定极少的参数。例如，标定辐射传感器的灵敏度时，只需要改变一个参数。
在使用其他滤光器或者其他传感器的情况下，只需要改变极少几个参数，其计算方法是一样的。
权利要求
1．根据辐射温度传感器和环境温度传感器的信号计算物体辐射温度的方法，特别适用于辐射温度计，尤其是临床用辐射温度计，该方法包括下列步骤利用环境温度传感器所提供的信号(R)确定环境温度(Tu)；计算在所确定的环境温度(Tu)下的中间函数(L(Tu))；利用辐射传感器所提供的信号(U)和所计算出的在环境温度(Tu)下的中间函数(L(Tu))来计算物体温度(Ts)的中间函数(L(Ts))；利用中间函数(L(Ts))的反函数计算物体温度(Ts)；其中，中间函数(L(Ts))及其反函数为多项式。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于中间函数(L)包括对应于辐射温度计的光学特性而进行调节的参数。
3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于中间函数(L)和／或其反函数为三次多项式。
4．根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于使与温度有关的辐射传感器灵敏度的倒数作为一个多项式来计算辐射温度(Ts)。
5．根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于环境温度(Tu)是通过把所述信号(R)和所用环境温度传感器与温度相关的参数代入一个多项式中进行计算而确定的。
6．一种辐射温度计，特别是临床用辐射温度计，该温度计具有一个环境温度传感器、一个辐射传感器及一个计算装置，其特征在于它按照前述任一权利要求所述的方法来计算热辐射物体的温度。
全文摘要
本发明涉及根据辐射温度传感器和环境温度传感器的信号计算物体辐射温度的方法以及辐射温度计,特别是临床用辐射温度计。根据本发明的方法,温度的计算不是使用斯蒂芬玻尔兹曼定律,而是使用一个多项式,最好是三次多项式,该多项式在有关的波长范围内与辐射光学特性相对应。辐射传感器灵敏度的倒数最好也用一个多项式来表示。通过这种方式,避免了通常的四次方根或除法运算,从而利用一个四位的微处理器就可以进行高速运算。
文档编号A61B5/01GK1279762SQ98811394
公开日2001年1月10日 申请日期1998年11月27日 优先权日1997年12月23日
发明者伯恩哈德·克劳斯, 曼弗雷德·凯泽 申请人:布劳恩有限公司