一种温度传感器结构及其测温方法

技术领域

本发明涉及测温技术领域，尤其涉及一种温度传感器结构及其测温方法。

背景技术

温度传感器是一种用于测量环境或物体温度的重要设备，为各种应用提供必要的温度数据，广泛应用于工业控制、电子设备、医疗仪器、汽车、航空航天等领域。随着技术的进步和应用的不断扩展，对温度传感器的要求也越来越高，需要具备高精度、高稳定性和高可靠性的特点。

温度传感器的基础原理是利用物质的温度特性来测量温度。常见的原理包括热电效应、热敏效应和红外线辐射效应。热电效应是指当两种不同金属或半导体材料的接触点处于不同温度时，会产生电势差。这种电势差与温度之间存在一定的关系，通过测量电势差的变化可以得到温度值。热敏效应是指某些材料在温度变化下会发生电阻变化。常见的热敏材料有热敏电阻和热敏电容，通过测量电阻或电容的变化，可以得到温度值。红外线辐射效应是指物体在一定温度下会发射红外线辐射，其辐射强度与温度成正比。通过测量红外线辐射的强度，可以推算出物体的温度。

目前温度传感器从材料、算法、新原理等方面仍在不断进行改进和创新。首先，传统的热电阻和热敏电阻温度传感器仍然是主流，但它们在高温和极低温环境下的性能受到限制，可能会失去精度，导致数据不准确。因此，需要寻求新材料和结构设计，以提高传感器的稳定性和精度。

目前市场上主流的温度传感器是热敏电阻和热电偶传感器。热敏电阻利用材料的温度敏感性，通过测量电阻值的变化来获取温度信息。热电偶传感器是基于两种不同金属接触的热电效应进行工作，通过测量电势差来反映温度变化。该类传感器测温时需要紧贴待测物体，待测物体温度通过热传导传递到温度传感器上进行测温。然而，当环境温度与待测物体温度不同时，待测物体与环境存在温度梯度，装贴在待测物体表面的温度传感器与待测物体实际温度也存在差异，因此造成目前测温不准确。

因此，亟需提供一种更为可靠的温度传感器结构以及对应的测温方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温度传感器结构及其测温方法，用于解决现有技术中测温不准确的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种温度传感器结构，温度传感器结构至少包括：

基板、加热元件、热通量感测元件以及测温元件；

所述基板设置在所述热通量感测元件的两侧，所述加热元件和所述测温元件分别设置在所述热通量感测元件两侧的基板上；

所述测温元件一侧紧贴待测物体，另一侧的加热元件施加功率进行加热；所述热通量感测元件用于监测待测物体端温度以及加热元件端温度；当所述待测物体端温度以及加热元件端温度相等时，将所述测温元件测试得到的温度确定为所述待测物体的实际温度。

与现有技术相比，本发明提供的温度传感器结构至少包括：基板、加热元件、热通量感测元件以及测温元件；基板设置在热通量感测元件的两侧，加热元件和测温元件分别设置在热通量感测元件两侧的基板上；测温元件一侧紧贴待测物体，另一侧的加热元件施加功率进行加热；热通量感测元件用于监测待测物体端温度以及加热元件端温度；当待测物体端温度以及加热元件端温度相等时，将所述测温元件测试得到的温度确定为所述待测物体的实际温度。本发明提供的技术方案，将加热元件、热通量感测元件以及测温元件进行一体化集成，通过热通量感测元件监测两侧的温度差，从而保证测温元件测量得到的温度不受外界环境的影响，且该温度传感器可以直接装贴到待测物体表面即可实现高精度测温，不受环境温度影响，从而提高测温精度。

第二方面，本发明提供一种测温方法，所述测温方法应用于权利要求1-8任一项所述的温度传感器结构，方法包括：

对加热元件施加功率进行加热，得到所述加热元件施加功率引起的温度；

采用热通量感测元件监测基板两侧的待测物体端温度和加热元件端温度；所述基板设置在所述热通量感测元件的两侧，所述加热元件和所述测温元件分别设置在所述热通量感测元件两侧的基板上；所述测温元件一侧紧贴待测物体；

当所述加热元件施加功率引起的温度与测温元件端温度相同时，所述热通量感测元件输出电压为零，此时保持施加功率恒定不变，并将所述测温元件测试得到的温度确定为所述待测物体的实际温度。

与现有技术相比，本发明提供的测温方法为测温元件一侧紧贴待测物体，给另一侧的加热元件加热，热通量感测元件用于监控待测物体端温度和加热元件端温度的温差，待加热元件端温度与待测物体端温度相等时，加热元件保持该加热功率不变，此时测温元件测试得到的温度即为待测物体的准确温度，从而提高测温精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的温度传感器结构剖面图；

图2为本发明提供的温度传感器结构三维示意图；

图3为本发明提供的测温方法流程示意图。

附图标记：

1-基板，2-加热元件，3-热通量感测元件，4-测温元件，5-隔热结构，6-输出口。

具体实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

为了提高温度传感器的精度，目前的研究主要集中在以下几个方面：一是优化传感器的结构和材料，以提高传感器的灵敏度和稳定性。二是采用先进的信号处理算法，对传感器输出的信号进行滤波和校准，以提高测量的准确性；三是引入新的技术，如微纳加工技术、光纤传感技术等，以实现更高精度的温度测量。综上，新型高精度温度传感器的研发需要综合考虑传感器的结构设计、材料选择和信号处理算法等方面的因素，以实现更准确、稳定和可靠的温度测量。

本发明从结构设计以及材料选择方面对温度传感器进行改进，以提高测温精度。

接下来，结合附图对本说明书实施例提供的方案进行说明：

实施例1

本说明书实施例提供的一种温度传感器结构，如图1所示，温度传感器结构至少包括：

基板1、加热元件2、热通量感测元件3以及测温元件4；

所述基板1设置在所述热通量感测元件3的两侧，所述加热元件2和所述测温元件4分别设置在所述热通量感测元件3两侧的基板1上；

所述测温元件4一侧紧贴待测物体，另一侧的加热元件2施加功率进行加热；所述热通量感测元件3用于监测待测物体端温度以及加热元件端温度；当所述待测物体端温度以及加热元件端温度相等时，将所述测温元件4测试得到的温度确定为所述待测物体的实际温度。

其中，基板1在图1中分布在热通量感测元件3的两侧，两侧的基板1可以分别为热结端和冷结端，例如：可以将靠近加热元件侧的基板设置为冷结端，将靠近测温元件侧的基板设置为热结端。

其中，所述加热元件2可以为加热电阻，所述加热元件2的材料可以为Au、Pt、Al、Ti、Ni、Cr等金属中的任意一种金属或者Au、Pt、Al、Ti、Ni、Cr等金属中任意一种金属对应的合金。

基板1可以是陶瓷板，也可以是其他材料的基板，例如：聚酰亚胺或PCB材料。

测温元件4可以为热敏电阻、温敏二极管或热电偶。需要说明的是，这里作为测温元件4的热敏电阻与作为热通量感测元件3的热敏电阻不是同一个，同样的，作为测温元件4的热电偶与作为热通量感测元件3的热电偶也不是同一个。

图1的结构中，包括：基板1、加热元件2、热通量感测元件3以及测温元件4；基板1设置在热通量感测元件3的两侧，加热元件2和测温元件4分别设置在热通量感测元件3两侧的基板上；测温元件4一侧紧贴待测物体，另一侧的加热元件2施加功率进行加热；热通量感测元件3用于监测待测物体端温度以及加热元件端温度；当待测物体端温度以及加热元件端温度相等时，将所述测温元件4测试得到的温度确定为所述待测物体的实际温度。本发明提供的技术方案，将加热元件2、热通量感测元件3以及测温元件4进行一体化集成，通过热通量感测元件监测两侧的温度差，从而保证测温元件4测量得到的温度不受外界环境的影响，且该温度传感器可以直接装贴到待测物体表面即可实现高精度测温，不受环境温度影响，从而提高测温精度。

基于图1的结构，本说明书实施例还提供了该结构的一些具体设置，下面进行说明。

图1中的温度传感器结构还可以包括：

隔热结构5。该隔热结构5包裹在所述基板1、所述加热元件2、所述热通量感测元件3以及所述测温元件4的侧壁；所述隔热结构5用于测量环境对实测温度的影响；所述隔热结构5为绝缘隔热材料。

具体地，本发明提供的温度传感器结构实施例如图1、图2所示，热通量感测元件3可以由两端的基板1内侧夹持多个热电偶所构成，或由两个垂直堆叠的高精度热敏电阻组成。其中，多个P、N半导体材料热电偶通过两端基板内侧的布线实现串联，基板材料优选陶瓷、聚酰亚胺、PCB等材料；两端基板的外侧分别集成加热元件和测温元件。测温元件4优选热敏电阻、温敏二极管、热电偶等，加热元件2优选Au、Pt、Al、Ti、Ni、Cr等金属及其合金，测温元件4与加热元件2与基板1的集成方法优选直接内嵌集成到基板1中，或通过贴装工艺贴装到基板1上，两侧的基板1可以分别作为热结端和冷结端，图2的结构图中还包括输出口6，用于输出测量得到的温度值。并且，在所有元件外部包裹高热阻的隔热材料，以减小环境温度对测温准确度的影响，提高测温精度。

所述测温元件4与所述加热元件2与基板1的集成方法为：

所述测温元件4与所述加热元件2内嵌集成到基板1中；

或者，所述测温元件4与所述加热元件2通过贴装工艺贴装到所述基板1表面。也就是说，测温元件4和加热元件2既可以设置在基板1表面，也可以设置在基板1内部，例如：测温元件设置在上基板的上表面或者上基板内部，加热元件设置在下基板的下表面或者下基板内部。

上述实施例1中的技术方案，传感器结构主要由加热元件2、热通量感测元件3、测温元件4，以及隔热结构5构成，加热元件2和测温元件4分别位于热通量感测元件3两侧，隔热结构5包裹在各元件侧壁，以减小测温环境对实测温度的影响。测温元件一侧紧贴待测物体，同时给另一侧的加热元件加热，热通量感测元件3用于监控待测物体端温度和加热元件端温度的温差，待加热元件端温度与待测物体端温度相等时，加热元件2保持该加热功率不变，此时测温元件4测试得到的温度即为待测物体的准确温度，本发明提供的技术方案减小了环境温度对测温的影响，测温精度高。

实施例2

本发明还提供了一种采用实施例1中的温度传感器结构进行测温的方法，如图3所示，该流程可以包括以下步骤：

步骤310：对加热元件施加功率进行加热，得到所述加热元件施加功率引起的温度；

加热元件在进行加热时，可以对加热元件施加功率。加热元件本身的温度会上升，从而产生温度值。例如：加热电阻。

步骤320：采用热通量感测元件监测基板两侧的待测物体端温度和加热元件端温度；所述基板设置在所述热通量感测元件的两侧，所述加热元件和所述测温元件分别设置在所述热通量感测元件两侧的基板上；所述测温元件一侧紧贴待测物体；

加热元件和测温元件分别位于热通量感测元件两侧，测温元件一侧紧贴待测物体，测量待测物体的第一温度值，然后给另一侧的加热元件加热，得到加热元件的第二温度值，热通量感测元件监测第一温度值与第二温度值，若第一温度值与第二温度值不同，则需要继续调整加热功率，若第一温度值与第二温度值相同，则加热元件保持该加热功率不变，此时测温元件测试得到的温度即为待测物体的准确温度。

步骤330：当所述加热元件施加功率引起的温度与测温元件端温度相同时，所述热通量感测元件输出电压为零，此时保持施加功率恒定不变，并将所述测温元件测试得到的温度确定为所述待测物体的实际温度

所述加热元件施加功率引起的温度与测温元件端温度相同，即是待测物体端温度以及加热元件端温度的温差为0，表示加热元件端的温度与待测物体温度相同，此时测温元件测量的温度不受外界环境的影响，即测温元件此时测量得到的温度为待测问题的准确温度。例如：所述热通量感测元件还用于监测待测物体端温度以及加热元件端温度的温差；若所述温差为0，则将所述测温元件测试得到的温度确定为所述待测物体的实际温度；若所述温差不为0，则继续调整加热元件的施加功率，直至所述温差为0为止。

图3中的方法，将传感器集成有测温元件的一侧装贴到待测物体上，另一侧的加热元件施加功率进行加热，热通量感测元件用于监测基板两侧的温度差，待加热元件施加功率引起的温度与测温元件端温度相同时，热通量感测元件输出电压为零，此时保持施加功率恒定不变，基板另一侧的测温元件测试得到的温度即为待测物体的温度，提高了测温精度。

上述实施例1和2中的方案，温度传感器测温精度高，直接装贴在待测物体表面即可实现高精度测温，不受环境温度影响，可应用于科学研究、人体温度等高精度测温领域。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。