专利名称：红外线温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的温度传感器，更具体来说涉及一种适于恶劣环境的红外线 传感器。
背景技术：
热电堆红外线传感器通常具有由于与进入热辐射对应的检测器元件的非常小的 热质量所致的约几十毫秒的响应时间。但是，由于具有任何光学传感器，在存在窗口材料可 能因其中温度可能达到1000°c并且含有如盐酸和硫酸的苛性材料的恶劣环境中的污染物 (例如燃烧尾气流)而被弄模糊或受到化学腐蚀的可能性的情况中，检测器可能无法工作。 相对较少有良好的IR窗口材料适于1-14 μ m波长带，所以难以将有限的参考材料选择与抗 污垢和化学腐蚀所需的耐用性进行组合。虽然由于无需与被测物件物理接触来使用而非常 适于以高速测量高温中使用，但是对恒定的光路的依赖性阻止了 IR传感器被用于许多恶 劣或具有侵蚀性的环境中。目前的解决方案通常使用热电偶、RTD或热敏电阻单元，它们会因电特性的改变而 产生所测电压或电流中的改变。此类单元的时间常量由热敏电阻/热电偶/RTD的质量以 及保护性端梢设计的灌封和其他部分确定，这通常导致对外部温度变化有约10秒的时间 响应。在高温下这些装置的稳定工作仍可能产生一些问题。
发明内容
根据本发明改进的红外线温度传感器对恶劣和侵蚀性环境是具耐用性的，具有快 速响应时间，对于尾气监测等的容积应用是具有成本效率的。可在恶劣环境中工作还具有快速响应时间的改进的红外线温度传感器可以利用 如下布置的隔膜来实现该隔膜靠近外壳，并与热红外线传感器单元沿轴线间隔布置且在 热红外线传感器单元的视场中布置，以便在其外表面上吸收来自介质的热并在从其内表面 发射辐射到表示介质温度的热传感器单元。但是，在其他实施例中，本发明无需实现所有这些目的，以及其权利要求不应限于 能够实现这些目的的结构和方法。
从下文对优选实施例和附图的描述，本领域技术人员将设想到其他目的、特征和 优点，其中该附图是根据本发明的热红外线传感器的横截面示意图。
具体实施例方式除了下文公开的一个或多个优选实施例外，本发明能够实施其他实施例，并且能 够以多种方式实施或实现。因此，应该理解，本发明并不将其应用限于下文描述或附图中图示的所提到的构造细节和元件的布置。如果本文仅描述一个实施例，则其权利要求并应限 于该实施例。而且，本发明的权利要求不应以限制性方式来阅读，除非存在明确且令人信服 的依据列明某种排他性、限制性或弃权。本发明是一种用于在其中污染物可能含有例如盐酸、硫酸且温度可能达到1000 摄氏度或更高的恶劣或侵蚀性环境中快速测量尤其为气体或液体流的对象的温度的装置， 该恶劣或侵蚀性环境诸如燃烧尾气。本发明使用具有在封闭探针外壳中工作且具有窄视场 的红外线传感器单元。该传感器的视场以薄隔膜的背面填充，该薄隔膜可以是具有低热质 量和高热传导率的任何高温材料、金属或陶瓷，例如氧化铝、不锈钢、因科镍合金。其中一个 示例是不锈钢，其具有约千分之20-60英寸的厚度，这对于对抗环境的温度和化学腐蚀具 有耐用性。但是，由于其低热质量，该隔膜响应被测温度的介质的温度变化而快速地改变温 度。然后由封闭且被保护的红外线传感器单元测量隔膜温度的这些改变。该隔膜在其外表 面上吸收来自被测温度的介质的热并从其内表面将辐射发射到表示介质的温度的热传感 器单元。支承薄膜的探针或外壳可以是例如柱体的细长管，如由相对不导热的材料(如钢 或陶瓷)制成的正圆柱体，这使得位于管的一端的传感器单元在远比暴露于完全环境温度 的隔膜所在一端的温度低的周围温度下工作。附图中示出根据本发明的红外线温度传感器10，其包括在外壳中设置有热红外线 传感器单元14的探针或外壳12。热红外线传感器单元14可以包括热电堆，更具体来说可 以包括MEMS (微电子机械系统)热电堆。隔膜16沿着轴线18与热红外线传感器单元14 间隔布置，并且在热红外线传感器单元14的预定视场20内设置。虽然隔膜16示出在外壳 12的一端以及红外线单元14在另一端，但是这并非本发明的必须限制。即，它们都无需位 于外壳的端部。所示的外壳具有可以是圆柱形的细长形状，并且实际附图中示出为正圆柱体。外 壳12可以由低导热材料(如钢或陶瓷)制成，以便减少从隔膜端22到传感器单元端24的 热传递。或者或为了进一步减少该热传递，可以使用包括如鳍片或脉26的散热结构。外壳 12可以具有高抛光或亮光面以便更好地引导从隔膜16的内表面28发射红外线辐射。或 者，可以是高反射或光亮的涂层30可以由铝或金制成。金是优选，因为它很长时间不会氧 化且保持光亮或反射性。热红外线传感器单元14可以是常规装置，其包括外壳32、IR透明 窗口 34禾口 MEMS热电堆36。隔膜16沿着轴线18方向具有薄配置。通常，约为千分之20-60英寸。薄膜16优 选地由低热质量高导热性材料制成，例如不锈钢、因科镍合金或氧化铝。隔膜16具有从介 质40 (固体或流体)吸收热39的外表面38和从其内表面42发射红外线辐射44。内表面 42可以具有涂层46，涂层46具有非光亮黑体的特性以便增加辐射系数，通常为氧化材料， 如氧化铝。在例如使用螺纹50的应用中，可以采用安装法兰六角螺母48来安装传感器10。在工作中，来自介质40的热39被隔膜16的外表面38吸收，然后被内表面42或 涂层46作为红外线辐射在窄视场20内发射，该窄视场20为例如传感器单元14的士8度。 优选地，隔膜16基本填充传感器单元14的整个视场20。虽然本发明的特定特征在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但是这仅是出 于方便的原因，因为根据本发明，每个特征可以与任一个或所有其他特征组合。如本文使用的词汇“包括”、“包含”、“具有”和“含有”应广义且全面地来解释，而不应限于任何物理的 互连。而且，本申请中公开的任何实施例不应视为唯一可能的实施例。此外，本专利的专利申请审查期间呈交的任何修改并非对于如提交的申请中所呈 交的任何权利要求单元的弃权不能合理地期望本领域技术人员撰写字面上涵盖所有可能 等效物的权利要求，在修改时许多等效物将是不可预测的并且超出所呈现(如果有的话) 的公平解释范围，修改基于的原理可能仅承载与许多等效物的有形关系，和/或存在许多 其他原因而不能期望申请人描述修改的任何权利要求单元的某些非具体性替代。本领域技术人员将设想到其他实施例，并这些实施例属于所附权利要求的范围 内。
权利要求
一种用于感测介质温度的红外线温度传感器，包括外壳；具有预定视场且设置在所述外壳中的热红外线传感器单元；以及隔膜，所述隔膜封闭所述外壳且沿着轴线与所述热传感器单元间隔布置且处于所述热传感器单元的视场中，以用于在所述隔膜的外表面上吸收来自所述介质的热并从所述隔膜的内表面发射辐射到表示所述介质温度的所述热传感器单元。
2.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述热传感器单元位于所述外壳的一 端，而所述隔膜在另一端。
3.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述外壳是细长圆柱体的形状。
4.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述外壳是正圆柱体的形状。
5.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述外壳由低导热材料制成。
6.如权利要求5所述的红外线温度传感器，其中所述外壳由钢制成。
7.如权利要求5所述的红外线温度传感器，其中所述外壳由陶瓷制成。
8.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述涂层是光亮材料。
9.如权利要求8所述的红外线温度传感器，其中所述涂层包含金、钼或铝。
10.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述热传感器单元包括热电堆。
11.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述热电堆包含MEMS热电堆。
12.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述隔膜沿着所述轴线方向具有薄 配置。
13.如权利要求12所述的红外线温度传感器，其中所述隔膜沿着所述轴线约为千分之 20-60 厚。
14.如权利要求12所述的红外线温度传感器，其中所述隔膜由低热质量、高导热性材 料制成。
15.如权利要求14所述的红外线温度传感器，其中所述低热质量高导热性材料包括不 锈钢、因科镍合金或氧化铝。
16.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述隔膜在其内表面上具有高热辐 射系数。
17.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述隔膜在其内表面上被涂覆以高 热辐射系数材料。
18.如权利要求17所述的红外线温度传感器，其中所述高热辐射系数材料包括氧化材料。
19.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述外壳包括安装螺纹和安装构件。
20.如权利要求19所述的红外线温度传感器，其中所述安装构件包括六角配置。
21.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述外壳包括外部散热鳍片。
22.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其中所述介质是流体。
全文摘要
一种用于感测介质温度的红外线温度传感器，其包括外壳；具有预定视场且设置在外壳中的热红外线传感器单元；以及隔膜，该隔膜封闭外壳且沿着轴线与热红外线传感器单元间隔布置且在热红外线传感器单元的视场中，以用于在隔膜的外表面上吸收来自介质的热并从隔膜的内表面发射辐射到表示介质温度的热传感器单元。
文档编号G01J5/04GK101946166SQ200980105738
公开日2011年1月12日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年2月14日
发明者P·J·斯特劳布, R·C·崔尼, T·J·克雷尔纳 申请人:通用电气公司