叶形开口辐射传感器的制造方法
【专利摘要】辐射传感器包括改进的开口，比如叶形开口，用于改善传感器对在其视场内的热源的响应，从而实现平均辐射温度测量。
【专利说明】叶形开口辐射传感器
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求2013年3月13日提交的题为LOBED RADIANT SENSOR的美国临时申请，序列号61/779，077 (分配的代理人案号BCS-022083US PRO)的优先权。上述临时申请在此整体引为参考。
【技术领域】
[0003]本发明涉及辐射传感器，更具体地，涉及在汽车座舱中使用的具有改进的开口的福射传感器(radiant sensor)。
【背景技术】
[0004]机动车中使用的暖通空调(HVAC)系统目前通常包括车辆内的温度的电子闭环控制。在一些系统中，温度控制被扩充以湿度控制，以及驾驶室内外的相对条件和热负荷的更复杂评估。在这种系统中，代替更传统的“温度水平”控制，可以提供统一的“舒适水平”控制。车辆的乘客仅仅把“舒适水平”控制调整到期望的设定，系统不断调整温度和其它环境因素，以实现和维持该期望的舒适水平。
[0005]电子闭环控制包括监测车辆内的条件的传感器，来自传感器的传感器读数被反馈到控制过程中，在所述控制过程中，根据传感器测量结果计算“舒适水平”。在这种系统中，包括至少一个温度传感器。
[0006]温度传感器是通常适合于此用途的市售温度传感器，例如包括Melexis MLX90615红外温度传感器。Melexis传感器包括集成在相同的T0-46管壳封装中的红外(IR)敏感热电堆检测器芯片和信号调节芯片。T0-46管壳(can)具有低矮的圆柱形形状，所述圆柱形形状具有平直顶部和底部。信号引线从底部伸出。在顶部形成中央的圆形开口，以把热电堆传感器元件暴露于从在所述开口限定的视场内的物体发出的红外辐射之下。在开口和热电堆传感器元件之间包括滤光器，以阻挡可见光谱内的光，从而使传感器对可见光不敏感。在传感器的输出端提供的温度读数是反映在传感器的整个视场内获得的红外辐射的组合或积累量的单个随时间变化的值。
[0007]最好使传感器位于这样的位置并指向这样的方向，以致传感器提供的温度读数精确地反映车辆的乘客感受的平均温度。一个位置可以是顶置控制台，尽管不是顶篷，所述顶置控制台可俯视车辆驾驶室内部的宽视野。不幸的是，置顶控制台位置不方便地远离集成在车辆的仪表板中的HVAC控制模块。于是，把温度传感器安装在顶置控制台会产生两个安装位置，从而需要在它们之间布线。
[0008]热传感器可被并且已被集成到HVAC控制�？橹�。在这种安装中，传感器通过覆盖该�？榈恼娴囊潜砬案�(bezel)中的孔洞面向外。然而，该位置提供的视场不理想。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种具有把传感器的灵敏性分布在汽车座舱内的数目更多的表面间的叶形视场的辐射传感器。
[0010]按照本发明的例证实施例，提供一种辐射传感器，所述辐射传感器包括限制传感器视场，以实现平均的辐射温度测量的叶形开口(lobed aperture)0所述辐射传感器具有开口，并且提供表示所述辐射传感器通过所述开口检测到的辐射能的量的输出信号。所述传感器具有限制传感器视�。佣ゼ醵栽诖衅魇映〉闹醒氩糠帜诘娜仍吹拇衅飨煊Φ囊缎慰�。
[0011]按照本发明的另一个方面，描述一种为具有座舱的车辆提供辐射传感器的过程。所述过程包括在座舱内选择安装辐射传感器的位置的步骤。表征当被安装在所选位置时，辐射传感器将看到的视场。识别视场的将不成比例地影响辐射传感器提供的传感器读数的区域。随后修改传感器对从识别的区域发出的红外能量的响应，以致所述辐射传感器提供的传感器读数更接近地反映所述座舱内的辐射能。传感器被安装在车辆中的所选位置以及安装成相对于视场使得修改的传感器的响应与识别的区域相一致的取向。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]当参考附图阅读以下说明时，对本发明所属领域的技术人员来说，本发明的前述和其它特征和优点将变得明显，附图中:
[0013]图1是用于感测车辆座舱内的温度的现有热传感器的剖视图；
[0014]图2是是可用在图1中图解所示的应用中的市售热传感器的透视图；
[0015]图3图解说明当安装在车辆的中央仪表板中时，图1的传感器的视�。�
[0016]图4是按照本发明的一个例证实施例的热传感器的透视图；
[0017]图5是图4的传感器的响应地图，表示传感器对位于传感器的半球视场内的IR(热)源的叶形响应；
[0018]图6表示上面加有从图5的响应地图得到的标线的图3的视�。�
[0019]图7图解说明当安装在车辆的顶篷中或附近时，图1的传感器的视�。�
[0020]图8是按照本发明的另一个例证实施例的可安装在车辆的顶篷中或附近的传感器的顶视图；和
[0021]图9表示图2的传感器和图8的传感器对布置在传感器的视场的水平分层内的热源的响应曲线。
【具体实施方式】
[0022]车辆气候控制系统可以利用辐射传感器测量车辆座舱内的温度。图1和2表示可用于此用途的例证辐射传感器10。传感器可以是Melexis MLX90615IR温度传感器。传感器通常为圆柱形。在传感器的顶部的圆形开口 12把传感器的热电堆传感器元件暴露在通过开口的IR能量之下，在传感器的底部的4个连接销14提供安装传感器，同时使传感器与其它车辆电子设备电连接的装置。
[0023]传感器10借助其连接销14被安装在位于未单独表示的HVAC控制头内的印刷电路板16上。连接销14被钎焊到印刷电路板上的电路迹线，从而连接到HVAC控制头内的微控制器和其它电子设备。未单独编号的滤光器包含在传感器内，以阻挡可见光谱光，从而传感器输出只反映入射福射的IR分量。滤光器被直接布置在传感器开口 12之后，并在热电堆传感器元件之上。包含传感器的主要换能器的热电堆传感器元件位于滤光器之后，从而使热电堆传感器元件与滤光器隔开较短的距离，并与开口隔开稍微更大的距离。热电堆传感器元件的IR敏感表面的横向空间范围比传感器开口的直径小不少，在Melexis传感器的情况下，具有菱形形状。
[0024]辐射传感器10的开口 12面对覆盖HVAC控制头的正面的仪表前盖18。在热电堆传感器元件的IR敏感表面的中心，辐射传感器10的光轴20在热电堆传感器元件的IR敏感表面的平面的法向。光轴20通过传感器开口 12的中心，还与仪表前盖18的开口 22对齐。辐射传感器测量它通过仪表前盖开口 22 “看到的”物体的辐射温度(“RT”)。仪表前盖开口 22大于传感器开口 12，从而仪表前盖不限制传感器开口 12的视场。
[0025]辐射传感器10对它在其整个暴露的敏感表面内接收的红外能量作出响应，并在其输出端提供表示在整个暴露敏感表面内的传感器的组合响应的单个随时间变化的值。换句话说，传感器10计算传感器在它通过仪表前盖开口 22看到的整个视场内接收的IR能量的平均值，并提供反映能量的平均值的输出。理想地，该值应是从车辆内的大多数或者所有表面发出的对乘客的温度感觉作出贡献的红外能量的平均值的精确度量。然而，对常规传感器来说，安装在中央仪表板区域中的传感器的输出不会紧密地跟踪该理想值。尽管传感器本身对视场中的各个物体的响应特性是绕光轴成比例并且圆形对称的，不过，透过仪表前盖开口看到的视场中的物体的实际排列既不成比例也不对称。
[0026]当被安装在HVAC控制头的中央仪表板位置中时，辐射传感器10的当它透过仪表前盖开口 22看到的视场包含或多或少沿着车辆的中心线，贯穿车辆驾驶舱的向后视野。图3中表示了所述视场的模型。在图3中，用相应的内侧手臂34和36以及内侧腿部38和40，表示了驾驶员30和乘客32。另外可见的是车辆的中央控制台42，变速器换档装置(PRNDL操纵杆)44从中央控制台42伸出。分别在46和48表示了驾驶员侧车门和乘客侧车门。顶篷50占据视场的上部。侧窗52和54也在视场内，后窗56同样如此。
[0027]如图3中所示，视场内的某些物体遍布整个视场的数量不成比例的空间。在视场的下部中央的物体，比如车辆乘客的内侧手臂34、36和腿部38、40，中央控制台42和变速器换档装置44在视场内不成比例地大。就这些物体具有比其它座舱表面的平均温度高或低的温度来说，它们将不成比例地影响辐射传感器10为车辆座舱提供的温度读数。
[0028]本发明提供一种更精确地产生整个座舱环境内的平均辐射温度(“MRT”)的传感器的叶形开口。图4表示按照本发明的例证实施例制造的具有叶形开口的传感器。在大多数方面，传感器60类似于传感器10，事实上可以是Melexis MLX90615传感器的改进版。从而，传感器60包含安装在T0-46管壳中的热电堆传感器兀件和滤光器,并且具有圆形传感器开口 62。然而，传感器60还包含楔形障板64，以衰减传感器对否则圆形对称的传感器视场的某些部分的响应。
[0029]如图4的例证实施例中所示，障板64为楔形，具有通常三角形的结构，包括宽的底边66，和尖角的顶端或顶点68。顶点68对着近似45度(45° )的角度。底边66附着在传感器60的T0-40外壳的顶部,从而障板64的平面通常平行于包含在传感器60内的热电堆传感器元件的IR敏感表面的平面。障板64的顶点68越过敞开的传感器开口 62，朝着传感器的光学中心径向向内伸出，同时顶端68的顶点位于或者可能稍微越过传感器60的光轴。从而，如图4中所示，障板64遮盖开口 62的扇形面，延伸越过可能整个开口的1/8 (45/360)，从而把圆形开口转换成叶形开口。由于障板64安装在传感器之上，因此障板在轴向与热电堆传感器元件的IR敏感表面隔开较短的距离，从而产生方向敏感的遮蔽效果。即，对于在视场的下部中央的IR源，热电堆传感器元件的IR敏感表面将在障板的阴影内，不过对于位于向左、向右或向上偏离轴线之处的IR源，热电堆传感器元件的IR敏感表面将不在障板的阴影内。
[0030]障板64可由任何便利的材料构成。在例证实施例中，障板64是铝，从而障板64反射红外波长的辐射。由于障板是IR反射的，因此障板不吸收而是再辐射入射的IR能量。在例证实施例中，通过钎焊(soldering),把障板64固定在传感器60的上表面,然而,可改为利用焊接(welding)、铜焊、胶粘，或者利用某种其它适当的工艺，附着障板64。此外，通过与传感器的外壳一体地形成传感器开口 62，可避免对这种附着的需要。可以利用成型模冲压出所述开口，所述成型模是这样构成的，以致当切掉和除去开口的剩余部分时，留下盖子的障板形状的部分。
[0031]如前所述，图1和2的传感器10具有圆形对称响应特性。由于轴向分离的障板和作为结果的叶形开口的存在，图4的传感器60的情况则不是这样。图5中图解说明了变更后的响应特性，该响应特性是表示对在传感器的视场内的点热源的传感器响应的测量的传感器响应地图。图5地图中的每个点的地图值代表当点热源被置于视场内的该点时的传感器的输出，其中各个值被归一化，以致最大响应具有为I的值。如图5中所示，障板64的存在极大地衰减在视场的楔形区域70中的传感器的IR响应，其中区域70与传感器开口 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]可有益地利用传感器62的非对称叶形响应来改善车辆温度感测应用中的传感器读数的精度。为此，在图1的印刷电路板16上旋转地确定传感器60的方向，以阻挡座舱图像的下部中央部分。为了获得期望的遮蔽，在印刷电路板16上确定传感器60的方向，以致当HVAC控制头被安装在车辆的仪表板中时，障板64的底边66在开口 62的底部。当被这样定向时，传感器开口 62的被遮蔽的下部中央部分将与通过仪表前盖开口的视场(如图3中所示)的下部中央部分一致。从而，传感器将对来自在视场的下部中央部分的物体，包括前排车辆乘客的内侧手臂和腿部，以及中央控制台和变速器换档装置的红外辐射相对不敏感。从而，传感器的热测量输出将更精确地反映从车辆内的大多数或者所有表面发出的，对乘客的温度感知作出贡献的红外能量的平均值。
[0033]可以选择障板64的大小、形状和取向，以更好地使传感器的响应适应于特定应用的要求。在每个这样的应用中，将首先根据待衰减的图像区域的先验估计形成候选障板设计。作为结果的候选障板设计将被测试，从而产生图5中所示的那种相关的响应地图。随后使该响应地图与传感器的已知视场关联，以确定对候选障板设计的调整是否必需或者可取。
[0034]例如，可以提供标线，以更容易地比较实际和期望的响应。图5中图解说明了这种方法，其中响应地图具有加在其上的标线。标线把响应地图划分成相邻的弯曲分段的网状物，每个弯曲分段具有相对于传感器的光学中心的等角度(iso-angular)和等径向(iso-radial)边界。每个分段的边界被延长和缩短，以致每个分段代表对传感器的总响应作出等量贡献的视场的一部分。通过考虑到在视场内的各个区域的非线性(球形)几何形状，和用每个区域中的实际传感器响应使该区域的贡献归一化，可以利用各种数值法计算每个分段内的贡献。例如，可以采用在人丨varo Gonz0lez的论文“Measuremen1: of Areason a Sphere Using Fibonacci and Latitude-Longitude Lattices，，(InternationalAssociation for Mathematical Geosciences, Math Geosci (2010) 42:49-64)中说明的Fibonacci 格子。
[0035]在图5中的例证标线中，使每个分段具有对总的传感器响应作出约1%的贡献的大�。还菪枰梢杂τ酶蠡蚋〉牧６�。图5显示总共89个分段，大致覆盖传感器的敏感面积的89%。在低传感器响应的区域中，分段相对较大(例如，分段72);而在高传感器响应的区域中，分段相对较小(例如，分段74)。
[0036]当在预期应用中把这种标线叠加在传感器的实际视场上时，在关心的特定区域中可以简单地计数标线的各个分段，从而比较传感器的响应和期望的响应。例如，在图6中，从图5的响应地图得到的标线已被叠加在先前在图3中看到的传感器视场上。从图6可以看出，传感器响应将由大约23%(可能23个分段)的顶篷响应，24%(可能24个分段)的车辆前排乘客胸部区域响应，5%(可能5个分段)的前车门内衬响应等构成。热响应的这种组合是座舱的最佳热读数的良好近似，因而，障板64合适，从而设计被验证。如果期望不同的响应，那么可以迭代地产生、表征和分析不同的候选障板，以找到最佳设计。
[0037]例如，图7表示当把传感器安装于在车辆的顶篷中或者附近的开口之后时的传感器的视场。在图7的视场中，乘客和车辆组件的外观完全不同于图3的视场中的外观。从而，不同的车辆障板可能才合适，比如图8中图解所示的障板。图8中，传感器80具有传感器开口 82，并且障板84被布置在开口之上。图8中，障板84采用借助支承物88悬挂在开口 82上方的细的线状颠倒马蹄形86的形式。马蹄形障板86具有约为传感器开口 82的直径的1/3的高度和宽度。
[0038]图9图解说明传感器80的改进响应。不同于图5，图9不是在传感器的半球形视场内的传感器响应地图。相反，图9表示传感器80对在半球的所选分层(比如水平平面)内，并且位于成不同角度偏离传感器的光轴之处的热源的响应92。与图2的未改进的传感器的对称响应90相反，这里，传感器响应的叶形性质是明显的。在叶形响应92中，与未改进的传感器10的对称的未被衰减的响应90对比,传感器80对在轴(on-axis)热源的敏感性被显著衰减。叶形响应起因于改进的开口的叶形性质，而改进的开口的叶形性质又起因于遮蔽传感器开口的中心的一部分的障板。同样，这种障板和传感器的意图和目标是通过降低不成比例地影响总测量结果的单个物体的影响，改善传感器响应。
[0039]另外应注意，按照本发明的具有叶形开口的辐射传感器可被设计成从视场中隐藏预计是热噪声源的物体。
[0040]在上面说明的实施例中，障板是IR反射的，基本上在传感器之外，并且只覆盖传感器开口的一部分。在另一个实施例中，可以使用在一些区域中是IR透明的、在其它区域中是部分或完全IR反射或不透明的障板。实际上，预期在更大量的应用中，例如，通过在滤光器的表面的扇形上沉积铝或某种其它的IR不透明材料，可以使障板与滤光器结合。随后按已知的角度对准把滤光器安装在传感器的外壳内，以致仅仅通过在印刷电路板上传感器的连接销的适当旋转对齐，就可在视场中对准障板。通过使障板和滤光器结合，将使障板更接近(当沿着传感器的光轴测量时)热电堆传感器元件的IR敏感表面，从而降低障板提供的IR遮蔽的定向性。在特定应用中，这可能可取或者不可�。⑶以谔囟ㄓτ弥校峁┳愎坏闹嵯蚣涓簦蕴峁┦屎嫌诟糜τ玫恼习宥ㄏ蛐缘某潭�。
[0041]根据本发明的以上说明，本领域的技术人员会认识到改进、变化和修改。附加的权利要求覆盖在本领域的技能范围之内的这些改进、变化和修改。
【权利要求】
1.一种辐射传感器，所述辐射传感器具有开口，并提供表示所述辐射传感器通过所述开口检测到的辐射能的量的输出信号，所述传感器具有限制传感器视场、从而衰减对在传感器视场的中央部分内的热源的传感器响应的叶形开口。
2.按照权利要求1所述的辐射传感器，包括具有对红外能量敏感的表面的传感器元件，和包住所述传感器元件的外壳，所述外壳具有准许红外能量到达所述传感器元件的所述表面的开口，其中所述开口具有叶形形状，所述开口与所述表面隔开，以提供所述表面的定向遮蔽。
3.按照权利要求2所述的辐射传感器，其中所述外壳中的所述开口具有受限制的中央部分，从而提供具有叶形形状的开口。
4.按照权利要求2所述的辐射传感器，其中所述传感器元件还包括滤光器，用于阻止通过所述外壳开口的可见光到达对红外能量敏感的所述表面，其中所述滤光器具有IR衰减部分，以产生所述叶形形状。
5.按照权利要求2所述的辐射传感器，其中所述外壳中的所述开口具有大体圆形形状，IR衰减障板朝着所述大体圆形形状的中心径向伸出。
6.按照权利要求5所述的辐射传感器，其中所述障板反射红外能量。
7.按照权利要求5所述的辐射传感器，其中所述IR衰减障板一般为楔形。
8.一种用于具有座舱的车辆的辐射传感器，包括红外传感器，所述红外传感器具有准许辐射能进入所述传感器的叶形形状的传感器开口 ；以使得所述传感器开口面向所述车辆的座舱并且所述叶形形 状的叶与关心的座舱区域一致的取向，把所述红外传感器保持在所述车辆内的安装面；和覆盖所述传感器和所述仪表板的仪表前盖，所述仪表前盖中具有与所述传感器开口对准的开口。
9.按照权利要求8所述的辐射传感器，其中所述安装面包含印刷电路板，所述红外传感器安装在所述印刷电路板上，所述印刷电路板具有用于连接所述红外传感器和其它设备的电路迹线，所述其它设备至少包括微控制器。
10.按照权利要求8所述的辐射传感器，其中所述红外传感器包括具有对红外能量敏感的表面的传感器元件，和包住所述传感器元件的外壳，所述外壳具有准许红外能量到达所述传感器元件的所述表面的开口，其中所述开口具有叶形形状，所述开口与所述表面隔开，以提供所述表面的定向遮蔽。
11.按照权利要求10所述的辐射传感器，其中所述外壳中的所述开口具有大体圆形形状，IR衰减障板朝着所述大体圆形形状的中心径向伸出，所述障板阻挡所述外壳中的所述开口的底部中央部分，从而所述障板有选择地阻挡来自车辆座舱的底部中央部分的红外能量。
12.按照权利要求11所述的辐射传感器，其中所述障板具有三角形形状，所述三角形形状具有位于所述大体圆形形状的边界附近的底边，和朝着所述圆形形状的中心伸出的顶点。
13.按照权利要求8所述的辐射传感器，其中所述所述红外传感器包括具有对红外能量敏感的表面的传感器元件，和阻挡可见光到达所述表面的滤光器，其中所述滤光器具有IR衰减部分，以产生所述叶形形状。
14.按照权利要求8所述的辐射传感器，所述传感器提供表示所述辐射传感器通过所述传感器开口检测到的辐射能的量的输出信号，其中座舱内的特定东西横跨通过所述仪表前盖开口的视场的不成比例区域，其中确定所述障板的大小和位置，以有选择地衰减来自至少一部分的所述不成比例的区域的红外辐射，使得所述辐射传感器提供的所述输出信号更接近地反映所述座舱内的平均辐射温度。
15.一种为具有座舱的车辆提供辐射传感器的方法，所述方法包括以下步骤: 选择在所述座舱内安装辐射传感器的位置； 表征当被安装在所选位置时，辐射传感器将看到的视�。� 识别视场的将不成比例地影响辐射传感器提供的传感器读数的区域； 修改传感器对从识别的区域发出的红外能量的响应，使得所述辐射传感器提供的传感器读数更接近地反映所述座舱内的平均辐射温度；和 把传感器安装在车辆中的所选位置以及安装成相对于视场使得修改的传感器的响应与识别的区域相 一致的取向。
【文档编号】G01J5/10GK104048763SQ201410091522
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】T·瑞特 申请人:凯尔西-海耶斯公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
