葉形開口輻射傳感器的制造方法
【專利摘要】輻射傳感器包括改進的開口，比如葉形開口，用于改善傳感器對在其視場內的熱源的響應，從而實現平均輻射溫度測量。
【專利說明】葉形開口輻射傳感器
[0001]相關申請的引用
[0002]本申請要求2013年3月13日提交的題為LOBED RADIANT SENSOR的美國臨時申請，序列號61/779，077 (分配的代理人案號BCS-022083US PRO)的優先權。上述臨時申請在此整體引為參考。
【技術領域】
[0003]本發明涉及輻射傳感器，更具體地，涉及在汽車座艙中使用的具有改進的開口的福射傳感器(radiant sensor)。
【背景技術】
[0004]機動車中使用的暖通空調(HVAC)系統目前通常包括車輛內的溫度的電子閉環控制。在一些系統中，溫度控制被擴充以濕度控制，以及駕駛室內外的相對條件和熱負荷的更復雜評估。在這種系統中，代替更傳統的“溫度水平”控制，可以提供統一的“舒適水平”控制。車輛的乘客僅僅把“舒適水平”控制調整到期望的設定，系統不斷調整溫度和其它環境因素，以實現和維持該期望的舒適水平。
[0005]電子閉環控制包括監測車輛內的條件的傳感器，來自傳感器的傳感器讀數被反饋到控制過程中，在所述控制過程中，根據傳感器測量結果計算“舒適水平”。在這種系統中，包括至少一個溫度傳感器。
[0006]溫度傳感器是通常適合于此用途的市售溫度傳感器，例如包括Melexis MLX90615紅外溫度傳感器。Melexis傳感器包括集成在相同的T0-46管殼封裝中的紅外(IR)敏感熱電堆檢測器芯片和信號調節芯片。T0-46管殼(can)具有低矮的圓柱形形狀，所述圓柱形形狀具有平直頂部和底部。信號引線從底部伸出。在頂部形成中央的圓形開口，以把熱電堆傳感器元件暴露于從在所述開口限定的視場內的物體發出的紅外輻射之下。在開口和熱電堆傳感器元件之間包括濾光器，以阻擋可見光譜內的光，從而使傳感器對可見光不敏感。在傳感器的輸出端提供的溫度讀數是反映在傳感器的整個視場內獲得的紅外輻射的組合或積累量的單個隨時間變化的值。
[0007]最好使傳感器位于這樣的位置并指向這樣的方向，以致傳感器提供的溫度讀數精確地反映車輛的乘客感受的平均溫度。一個位置可以是頂置控制臺，盡管不是頂篷，所述頂置控制臺可俯視車輛駕駛室內部的寬視野。不幸的是，置頂控制臺位置不方便地遠離集成在車輛的儀表板中的HVAC控制模塊。于是，把溫度傳感器安裝在頂置控制臺會產生兩個安裝位置，從而需要在它們之間布線。
[0008]熱傳感器可被并且已被集成到HVAC控制模塊中。在這種安裝中，傳感器通過覆蓋該模塊的正面的儀表前蓋(bezel)中的孔洞面向外。然而，該位置提供的視場不理想。
【發明內容】
[0009]本發明提供一種具有把傳感器的靈敏性分布在汽車座艙內的數目更多的表面間的葉形視場的輻射傳感器。
[0010]按照本發明的例證實施例，提供一種輻射傳感器，所述輻射傳感器包括限制傳感器視場，以實現平均的輻射溫度測量的葉形開口(lobed aperture)0所述輻射傳感器具有開口，并且提供表示所述輻射傳感器通過所述開口檢測到的輻射能的量的輸出信號。所述傳感器具有限制傳感器視場，從而衰減對在傳感器視場的中央部分內的熱源的傳感器響應的葉形開口。
[0011]按照本發明的另一個方面，描述一種為具有座艙的車輛提供輻射傳感器的過程。所述過程包括在座艙內選擇安裝輻射傳感器的位置的步驟。表征當被安裝在所選位置時，輻射傳感器將看到的視場。識別視場的將不成比例地影響輻射傳感器提供的傳感器讀數的區域。隨后修改傳感器對從識別的區域發出的紅外能量的響應，以致所述輻射傳感器提供的傳感器讀數更接近地反映所述座艙內的輻射能。傳感器被安裝在車輛中的所選位置以及安裝成相對于視場使得修改的傳感器的響應與識別的區域相一致的取向。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]當參考附圖閱讀以下說明時，對本發明所屬領域的技術人員來說，本發明的前述和其它特征和優點將變得明顯，附圖中:
[0013]圖1是用于感測車輛座艙內的溫度的現有熱傳感器的剖視圖；
[0014]圖2是是可用在圖1中圖解所示的應用中的市售熱傳感器的透視圖；
[0015]圖3圖解說明當安裝在車輛的中央儀表板中時，圖1的傳感器的視場；
[0016]圖4是按照本發明的一個例證實施例的熱傳感器的透視圖；
[0017]圖5是圖4的傳感器的響應地圖，表示傳感器對位于傳感器的半球視場內的IR(熱)源的葉形響應；
[0018]圖6表示上面加有從圖5的響應地圖得到的標線的圖3的視場；
[0019]圖7圖解說明當安裝在車輛的頂篷中或附近時，圖1的傳感器的視場；
[0020]圖8是按照本發明的另一個例證實施例的可安裝在車輛的頂篷中或附近的傳感器的頂視圖；和
[0021]圖9表示圖2的傳感器和圖8的傳感器對布置在傳感器的視場的水平分層內的熱源的響應曲線。
【具體實施方式】
[0022]車輛氣候控制系統可以利用輻射傳感器測量車輛座艙內的溫度。圖1和2表示可用于此用途的例證輻射傳感器10。傳感器可以是Melexis MLX90615IR溫度傳感器。傳感器通常為圓柱形。在傳感器的頂部的圓形開口 12把傳感器的熱電堆傳感器元件暴露在通過開口的IR能量之下，在傳感器的底部的4個連接銷14提供安裝傳感器，同時使傳感器與其它車輛電子設備電連接的裝置。
[0023]傳感器10借助其連接銷14被安裝在位于未單獨表示的HVAC控制頭內的印刷電路板16上。連接銷14被釬焊到印刷電路板上的電路跡線，從而連接到HVAC控制頭內的微控制器和其它電子設備。未單獨編號的濾光器包含在傳感器內，以阻擋可見光譜光，從而傳感器輸出只反映入射福射的IR分量。濾光器被直接布置在傳感器開口 12之后，并在熱電堆傳感器元件之上。包含傳感器的主要換能器的熱電堆傳感器元件位于濾光器之后，從而使熱電堆傳感器元件與濾光器隔開較短的距離，并與開口隔開稍微更大的距離。熱電堆傳感器元件的IR敏感表面的橫向空間范圍比傳感器開口的直徑小不少，在Melexis傳感器的情況下，具有菱形形狀。
[0024]輻射傳感器10的開口 12面對覆蓋HVAC控制頭的正面的儀表前蓋18。在熱電堆傳感器元件的IR敏感表面的中心，輻射傳感器10的光軸20在熱電堆傳感器元件的IR敏感表面的平面的法向。光軸20通過傳感器開口 12的中心，還與儀表前蓋18的開口 22對齊。輻射傳感器測量它通過儀表前蓋開口 22 “看到的”物體的輻射溫度(“RT”)。儀表前蓋開口 22大于傳感器開口 12，從而儀表前蓋不限制傳感器開口 12的視場。
[0025]輻射傳感器10對它在其整個暴露的敏感表面內接收的紅外能量作出響應，并在其輸出端提供表示在整個暴露敏感表面內的傳感器的組合響應的單個隨時間變化的值。換句話說，傳感器10計算傳感器在它通過儀表前蓋開口 22看到的整個視場內接收的IR能量的平均值，并提供反映能量的平均值的輸出。理想地，該值應是從車輛內的大多數或者所有表面發出的對乘客的溫度感覺作出貢獻的紅外能量的平均值的精確度量。然而，對常規傳感器來說，安裝在中央儀表板區域中的傳感器的輸出不會緊密地跟蹤該理想值。盡管傳感器本身對視場中的各個物體的響應特性是繞光軸成比例并且圓形對稱的，不過，透過儀表前蓋開口看到的視場中的物體的實際排列既不成比例也不對稱。
[0026]當被安裝在HVAC控制頭的中央儀表板位置中時，輻射傳感器10的當它透過儀表前蓋開口 22看到的視場包含或多或少沿著車輛的中心線，貫穿車輛駕駛艙的向后視野。圖3中表示了所述視場的模型。在圖3中，用相應的內側手臂34和36以及內側腿部38和40，表示了駕駛員30和乘客32。另外可見的是車輛的中央控制臺42，變速器換檔裝置(PRNDL操縱桿)44從中央控制臺42伸出。分別在46和48表示了駕駛員側車門和乘客側車門。頂篷50占據視場的上部。側窗52和54也在視場內，后窗56同樣如此。
[0027]如圖3中所示，視場內的某些物體遍布整個視場的數量不成比例的空間。在視場的下部中央的物體，比如車輛乘客的內側手臂34、36和腿部38、40，中央控制臺42和變速器換檔裝置44在視場內不成比例地大。就這些物體具有比其它座艙表面的平均溫度高或低的溫度來說，它們將不成比例地影響輻射傳感器10為車輛座艙提供的溫度讀數。
[0028]本發明提供一種更精確地產生整個座艙環境內的平均輻射溫度(“MRT”)的傳感器的葉形開口。圖4表示按照本發明的例證實施例制造的具有葉形開口的傳感器。在大多數方面，傳感器60類似于傳感器10，事實上可以是Melexis MLX90615傳感器的改進版。從而，傳感器60包含安裝在T0-46管殼中的熱電堆傳感器兀件和濾光器,并且具有圓形傳感器開口 62。然而，傳感器60還包含楔形障板64，以衰減傳感器對否則圓形對稱的傳感器視場的某些部分的響應。
[0029]如圖4的例證實施例中所示，障板64為楔形，具有通常三角形的結構，包括寬的底邊66，和尖角的頂端或頂點68。頂點68對著近似45度(45° )的角度。底邊66附著在傳感器60的T0-40外殼的頂部,從而障板64的平面通常平行于包含在傳感器60內的熱電堆傳感器元件的IR敏感表面的平面。障板64的頂點68越過敞開的傳感器開口 62，朝著傳感器的光學中心徑向向內伸出，同時頂端68的頂點位于或者可能稍微越過傳感器60的光軸。從而，如圖4中所示，障板64遮蓋開口 62的扇形面，延伸越過可能整個開口的1/8 (45/360)，從而把圓形開口轉換成葉形開口。由于障板64安裝在傳感器之上，因此障板在軸向與熱電堆傳感器元件的IR敏感表面隔開較短的距離，從而產生方向敏感的遮蔽效果。即，對于在視場的下部中央的IR源，熱電堆傳感器元件的IR敏感表面將在障板的陰影內，不過對于位于向左、向右或向上偏離軸線之處的IR源，熱電堆傳感器元件的IR敏感表面將不在障板的陰影內。
[0030]障板64可由任何便利的材料構成。在例證實施例中，障板64是鋁，從而障板64反射紅外波長的輻射。由于障板是IR反射的，因此障板不吸收而是再輻射入射的IR能量。在例證實施例中，通過釬焊(soldering),把障板64固定在傳感器60的上表面,然而,可改為利用焊接(welding)、銅焊、膠粘，或者利用某種其它適當的工藝，附著障板64。此外，通過與傳感器的外殼一體地形成傳感器開口 62，可避免對這種附著的需要。可以利用成型模沖壓出所述開口，所述成型模是這樣構成的，以致當切掉和除去開口的剩余部分時，留下蓋子的障板形狀的部分。
[0031]如前所述，圖1和2的傳感器10具有圓形對稱響應特性。由于軸向分離的障板和作為結果的葉形開口的存在，圖4的傳感器60的情況則不是這樣。圖5中圖解說明了變更后的響應特性，該響應特性是表示對在傳感器的視場內的點熱源的傳感器響應的測量的傳感器響應地圖。圖5地圖中的每個點的地圖值代表當點熱源被置于視場內的該點時的傳感器的輸出，其中各個值被歸一化，以致最大響應具有為I的值。如圖5中所示，障板64的存在極大地衰減在視場的楔形區域70中的傳感器的IR響應，其中區域70與傳感器開口 62中的障板64的位置和大小一致，并由所述障板64的位置和大小限定。
[0032]可有益地利用傳感器62的非對稱葉形響應來改善車輛溫度感測應用中的傳感器讀數的精度。為此，在圖1的印刷電路板16上旋轉地確定傳感器60的方向，以阻擋座艙圖像的下部中央部分。為了獲得期望的遮蔽，在印刷電路板16上確定傳感器60的方向，以致當HVAC控制頭被安裝在車輛的儀表板中時，障板64的底邊66在開口 62的底部。當被這樣定向時，傳感器開口 62的被遮蔽的下部中央部分將與通過儀表前蓋開口的視場(如圖3中所示)的下部中央部分一致。從而，傳感器將對來自在視場的下部中央部分的物體，包括前排車輛乘客的內側手臂和腿部，以及中央控制臺和變速器換檔裝置的紅外輻射相對不敏感。從而，傳感器的熱測量輸出將更精確地反映從車輛內的大多數或者所有表面發出的，對乘客的溫度感知作出貢獻的紅外能量的平均值。
[0033]可以選擇障板64的大小、形狀和取向，以更好地使傳感器的響應適應于特定應用的要求。在每個這樣的應用中，將首先根據待衰減的圖像區域的先驗估計形成候選障板設計。作為結果的候選障板設計將被測試，從而產生圖5中所示的那種相關的響應地圖。隨后使該響應地圖與傳感器的已知視場關聯，以確定對候選障板設計的調整是否必需或者可取。
[0034]例如，可以提供標線，以更容易地比較實際和期望的響應。圖5中圖解說明了這種方法，其中響應地圖具有加在其上的標線。標線把響應地圖劃分成相鄰的彎曲分段的網狀物，每個彎曲分段具有相對于傳感器的光學中心的等角度(iso-angular)和等徑向(iso-radial)邊界。每個分段的邊界被延長和縮短，以致每個分段代表對傳感器的總響應作出等量貢獻的視場的一部分。通過考慮到在視場內的各個區域的非線性(球形)幾何形狀，和用每個區域中的實際傳感器響應使該區域的貢獻歸一化，可以利用各種數值法計算每個分段內的貢獻。例如，可以采用在人丨varo Gonz0lez的論文“Measuremen1: of Areason a Sphere Using Fibonacci and Latitude-Longitude Lattices，，(InternationalAssociation for Mathematical Geosciences, Math Geosci (2010) 42:49-64)中說明的Fibonacci 格子。
[0035]在圖5中的例證標線中，使每個分段具有對總的傳感器響應作出約1%的貢獻的大小，不過根據需要，可以應用更大或更小的粒度。圖5顯示總共89個分段，大致覆蓋傳感器的敏感面積的89%。在低傳感器響應的區域中，分段相對較大(例如，分段72);而在高傳感器響應的區域中，分段相對較小(例如，分段74)。
[0036]當在預期應用中把這種標線疊加在傳感器的實際視場上時，在關心的特定區域中可以簡單地計數標線的各個分段，從而比較傳感器的響應和期望的響應。例如，在圖6中，從圖5的響應地圖得到的標線已被疊加在先前在圖3中看到的傳感器視場上。從圖6可以看出，傳感器響應將由大約23%(可能23個分段)的頂篷響應，24%(可能24個分段)的車輛前排乘客胸部區域響應，5%(可能5個分段)的前車門內襯響應等構成。熱響應的這種組合是座艙的最佳熱讀數的良好近似，因而，障板64合適，從而設計被驗證。如果期望不同的響應，那么可以迭代地產生、表征和分析不同的候選障板，以找到最佳設計。
[0037]例如，圖7表示當把傳感器安裝于在車輛的頂篷中或者附近的開口之后時的傳感器的視場。在圖7的視場中，乘客和車輛組件的外觀完全不同于圖3的視場中的外觀。從而，不同的車輛障板可能才合適，比如圖8中圖解所示的障板。圖8中，傳感器80具有傳感器開口 82，并且障板84被布置在開口之上。圖8中，障板84采用借助支承物88懸掛在開口 82上方的細的線狀顛倒馬蹄形86的形式。馬蹄形障板86具有約為傳感器開口 82的直徑的1/3的高度和寬度。
[0038]圖9圖解說明傳感器80的改進響應。不同于圖5，圖9不是在傳感器的半球形視場內的傳感器響應地圖。相反，圖9表示傳感器80對在半球的所選分層(比如水平平面)內，并且位于成不同角度偏離傳感器的光軸之處的熱源的響應92。與圖2的未改進的傳感器的對稱響應90相反，這里，傳感器響應的葉形性質是明顯的。在葉形響應92中，與未改進的傳感器10的對稱的未被衰減的響應90對比,傳感器80對在軸(on-axis)熱源的敏感性被顯著衰減。葉形響應起因于改進的開口的葉形性質，而改進的開口的葉形性質又起因于遮蔽傳感器開口的中心的一部分的障板。同樣，這種障板和傳感器的意圖和目標是通過降低不成比例地影響總測量結果的單個物體的影響，改善傳感器響應。
[0039]另外應注意，按照本發明的具有葉形開口的輻射傳感器可被設計成從視場中隱藏預計是熱噪聲源的物體。
[0040]在上面說明的實施例中，障板是IR反射的，基本上在傳感器之外，并且只覆蓋傳感器開口的一部分。在另一個實施例中，可以使用在一些區域中是IR透明的、在其它區域中是部分或完全IR反射或不透明的障板。實際上，預期在更大量的應用中，例如，通過在濾光器的表面的扇形上沉積鋁或某種其它的IR不透明材料，可以使障板與濾光器結合。隨后按已知的角度對準把濾光器安裝在傳感器的外殼內，以致僅僅通過在印刷電路板上傳感器的連接銷的適當旋轉對齊，就可在視場中對準障板。通過使障板和濾光器結合，將使障板更接近(當沿著傳感器的光軸測量時)熱電堆傳感器元件的IR敏感表面，從而降低障板提供的IR遮蔽的定向性。在特定應用中，這可能可取或者不可取，并且在特定應用中，要提供足夠的軸向間隔，以提供適合于該應用的障板定向性的程度。
[0041]根據本發明的以上說明，本領域的技術人員會認識到改進、變化和修改。附加的權利要求覆蓋在本領域的技能范圍之內的這些改進、變化和修改。
【權利要求】
1.一種輻射傳感器，所述輻射傳感器具有開口，并提供表示所述輻射傳感器通過所述開口檢測到的輻射能的量的輸出信號，所述傳感器具有限制傳感器視場、從而衰減對在傳感器視場的中央部分內的熱源的傳感器響應的葉形開口。
2.按照權利要求1所述的輻射傳感器，包括具有對紅外能量敏感的表面的傳感器元件，和包住所述傳感器元件的外殼，所述外殼具有準許紅外能量到達所述傳感器元件的所述表面的開口，其中所述開口具有葉形形狀，所述開口與所述表面隔開，以提供所述表面的定向遮蔽。
3.按照權利要求2所述的輻射傳感器，其中所述外殼中的所述開口具有受限制的中央部分，從而提供具有葉形形狀的開口。
4.按照權利要求2所述的輻射傳感器，其中所述傳感器元件還包括濾光器，用于阻止通過所述外殼開口的可見光到達對紅外能量敏感的所述表面，其中所述濾光器具有IR衰減部分，以產生所述葉形形狀。
5.按照權利要求2所述的輻射傳感器，其中所述外殼中的所述開口具有大體圓形形狀，IR衰減障板朝著所述大體圓形形狀的中心徑向伸出。
6.按照權利要求5所述的輻射傳感器，其中所述障板反射紅外能量。
7.按照權利要求5所述的輻射傳感器，其中所述IR衰減障板一般為楔形。
8.一種用于具有座艙的車輛的輻射傳感器，包括紅外傳感器，所述紅外傳感器具有準許輻射能進入所述傳感器的葉形形狀的傳感器開口 ；以使得所述傳感器開口面向所述車輛的座艙并且所述葉形形 狀的葉與關心的座艙區域一致的取向，把所述紅外傳感器保持在所述車輛內的安裝面；和覆蓋所述傳感器和所述儀表板的儀表前蓋，所述儀表前蓋中具有與所述傳感器開口對準的開口。
9.按照權利要求8所述的輻射傳感器，其中所述安裝面包含印刷電路板，所述紅外傳感器安裝在所述印刷電路板上，所述印刷電路板具有用于連接所述紅外傳感器和其它設備的電路跡線，所述其它設備至少包括微控制器。
10.按照權利要求8所述的輻射傳感器，其中所述紅外傳感器包括具有對紅外能量敏感的表面的傳感器元件，和包住所述傳感器元件的外殼，所述外殼具有準許紅外能量到達所述傳感器元件的所述表面的開口，其中所述開口具有葉形形狀，所述開口與所述表面隔開，以提供所述表面的定向遮蔽。
11.按照權利要求10所述的輻射傳感器，其中所述外殼中的所述開口具有大體圓形形狀，IR衰減障板朝著所述大體圓形形狀的中心徑向伸出，所述障板阻擋所述外殼中的所述開口的底部中央部分，從而所述障板有選擇地阻擋來自車輛座艙的底部中央部分的紅外能量。
12.按照權利要求11所述的輻射傳感器，其中所述障板具有三角形形狀，所述三角形形狀具有位于所述大體圓形形狀的邊界附近的底邊，和朝著所述圓形形狀的中心伸出的頂點。
13.按照權利要求8所述的輻射傳感器，其中所述所述紅外傳感器包括具有對紅外能量敏感的表面的傳感器元件，和阻擋可見光到達所述表面的濾光器，其中所述濾光器具有IR衰減部分，以產生所述葉形形狀。
14.按照權利要求8所述的輻射傳感器，所述傳感器提供表示所述輻射傳感器通過所述傳感器開口檢測到的輻射能的量的輸出信號，其中座艙內的特定東西橫跨通過所述儀表前蓋開口的視場的不成比例區域，其中確定所述障板的大小和位置，以有選擇地衰減來自至少一部分的所述不成比例的區域的紅外輻射，使得所述輻射傳感器提供的所述輸出信號更接近地反映所述座艙內的平均輻射溫度。
15.一種為具有座艙的車輛提供輻射傳感器的方法，所述方法包括以下步驟: 選擇在所述座艙內安裝輻射傳感器的位置； 表征當被安裝在所選位置時，輻射傳感器將看到的視場； 識別視場的將不成比例地影響輻射傳感器提供的傳感器讀數的區域； 修改傳感器對從識別的區域發出的紅外能量的響應，使得所述輻射傳感器提供的傳感器讀數更接近地反映所述座艙內的平均輻射溫度；和 把傳感器安裝在車輛中的所選位置以及安裝成相對于視場使得修改的傳感器的響應與識別的區域相 一致的取向。
【文檔編號】G01J5/10GK104048763SQ201410091522
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月13日 優先權日:2013年3月13日
【發明者】T·瑞特 申請人:凱爾西-海耶斯公司
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