特許 7318049 感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-21

(45)【発行日】2023-07-31

(54)【発明の名称】感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 5/48 20220101AFI20230724BHJP

【ＦＩ】

G01J5/48 E

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022059822

(22)【出願日】2022-03-31

【審査請求日】2022-03-31

(73)【特許権者】

【識別番号】514173696

【氏名又は名称】國家中山科學研究院

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】湯相峰

(72)【発明者】

【氏名】顏順隆

(72)【発明者】

【氏名】張國仁

(72)【発明者】

【氏名】陳信彰

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１８０４８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２４３７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０３５８８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０９３４１８６４（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６３５２９８７（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６６７９８１７（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／０１５３８７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００６－０５３０２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ ５／００ － Ｇ０１Ｊ ５／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法であって、
熱探知カメラコアチップ（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ ｃｏｒｅ ｃｈｉｐ）の第１温度下で、黒体温度が生成する応答値を得るステップ（Ｓ１）と、
予備実験により高温黒体応答値と前記熱探知カメラコアチップとの温度関係の高温一階線形関数（ｆ_Ｈ）を得るステップ（Ｓ２）と、
予備実験により低温黒体応答値と前記熱探知カメラコアチップとの温度関係の低温一階線形関数（ｆ_Ｌ）を得るステップ（Ｓ３）と、
第１温度下の高温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｈ（Ｔ_１））、前記熱探知カメラコアチップの第２温度下の高温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｈ（Ｔ_２））、第１温度下の低温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｌ（Ｔ_１））、第２温度下の低温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｌ（Ｔ_２））及び黒体温度の応答値（ｘ）を得るとともに、上述した５つの値を修正応答値方程式に入力するステップ（Ｓ４）と、
黒体温度の応答値の即時修正値を得るステップ（Ｓ５）と、を含み、
本発明が提示する修正応答値の方程式は次式（１）で表され、

【数1】

前記式（１）において、ｄは即時修正値を表し、ｘは黒体温度の応答値を表し、ｆ _Ｈ （Ｔ _１ ）は第１温度下の高温一階線形関数の応答値を表し、ｆ _Ｈ （Ｔ _２ ）は第２温度下の高温一階線形関数の応答値を表し、ｆ _Ｌ （Ｔ _１ ）は第１温度下の低温一階線形関数の応答値を表し、ｆ _Ｌ （Ｔ _２ ）は第２温度下の低温一階線形関数の応答値を表すことを特徴とする、感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法。

【請求項2】

前記高温一階線形関数は、前記高温黒体応答値及び時間の関係と、前記熱探知カメラコアチップの温度及び時間の関係とから導き出されることを特徴とする請求項１に記載の感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法。

【請求項3】

前記低温一階線形関数は、前記低温黒体応答値及び時間の関係と、前記熱探知カメラコアチップの温度及び時間の関係とから導き出されることを特徴とする請求項１に記載の感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法。

【請求項4】

前記黒体温度を約１時間測定し、前記熱探知カメラコアチップの温度上昇の条件下で、前記黒体温度の応答値を即時修正値で修正した後、熱輻射変換公式により黒体温度値を得て、その標準偏差は０．０９℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の感温素子の温度変動下で黒体の温度測定を修正する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法に関し、特に、熱探知カメラのコア温度に伴わずに応答出力を変化させる補正方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に熱探知カメラを使用するとき、非均一性補正及びドット落ち補正を行わずに熱探知撮影を行うが、その温度応答曲線は、熱探知カメラ内の探知コア（ＦＰＡ：Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ）チップの温度に応じて変化する。図１に示すように、時間及び探知コア（ＦＰＡ）チップの温度が上昇するに伴い、その応答値（ｃｏｕｎｔｓ）が下がり、４０分間の時間内にそれぞれ４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の固定距離で離された標準黒体の計測を行う。探知コア（ＦＰＡ）チップは、動作時間が増えるに伴い、その操作温度が単調に上昇する傾向にあるが、もし一般の熱探知カメラを、ターゲット温度を測定する温度測定型熱探知カメラとして用いる場合、システムの動作時間が徐々に延びると、その出力応答値は次第に下がる傾向にある。このことから分かるように、一般の熱探知カメラでは、長時間ターゲットの温度を正確に測定することはできなかった。

【0003】

温度測定機によりターゲット温度を測定するとき、温度測定の安定性を長期間維持するために、従来の主要な処理方式には以下（１）～（３）があった。
（１）一定の操作環境を温度測定器に提供する。例えば、外付け熱電冷却器により温度測定器を一定の温度にするか、温度測定システム全体を断熱した環境にして操作温度を一定に保つ。
（２）ターゲット温度と等距離の外部の黒体標準温度源を提供し、測定ターゲット温度の参考基準として用いる。例えば、内部補正回帰パラメータが逆算した温度値と、外部の標準温度源の差値とを組み合わせ、温度補差値を補正し、正確な温度を得る。
（３）温度測定センサーの前に１組の画像単点補正黒体面シャッターを設置し、黒体面シャッターの隣り合う箇所に１組の接触式温度センサーを取付け、一定の時間周期で温度測定センサーが測定した温度対照の出力応答値（もしデジタル量化値である場合、応答値で表す）を確認し、次回の時間周期で外部の測定ターゲット物の出力応答値を推算し、現在の実際に測定した温度値に変換するが、この方式は環境温度が劇的に変化したときに、補正黒体面シャッター温度もそれに伴って変化し、補正黒体面が常に閉じるようにし、参考温度補差を直ちに行い、測定した温度の安定度及び精度を確認する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

温度測定の安定性を長期間維持するには、従来の方法では複雑なハードウェア設計又は演算工程により達成していたが、従来の熱探知カメラによりターゲットを長時間温度測定する方式には依然として欠点があった。そこで、本発明の主な課題は、感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法を提示し、測定するターゲット温度範囲と、測定するときの熱探知カメラ内の探知コア（Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ：ＦＰＡ）の操作温度が時間に伴って変化する関係図を先ず探し出し、その期間の一般線形補正数学法則を見つけ出し、コアイメージ演算チップ又はコンピュータＣＰＵ／ＧＰＵにおいて、定値正規化補正計算を行い、補正後の出力応答度強度値を得て、この計算方式により即時、測定温度の応答値を補正し、正確かつ安定した温度値を得る。そのため、熱探知カメラシステムハードウェアの断熱及び放熱設計の複雑度、システム体積及び消費電力を減らすことができる。即ち、システムハードウェアアーキテクチャを変えずに、製造開発コストを直接減らすことができる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法であって、熱探知カメラコアチップ（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ ｃｏｒｅ ｃｈｉｐ）の第１温度下で、黒体温度が生成する応答値を得るステップ（Ｓ１）と、予備実験により高温黒体応答値と前記熱探知カメラコアチップとの温度関係の高温一階線形関数（ｆ_Ｈ）を得るステップ（Ｓ２）と、予備実験により低温黒体応答値と前記熱探知カメラコアチップとの温度関係の低温一階線形関数（ｆ_Ｌ）を得るステップ（Ｓ３）と、第１温度下の高温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｈ（Ｔ_１））、前記熱探知カメラコアチップの第２温度下の高温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｈ（Ｔ_２））、第１温度下の低温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｌ（Ｔ_１））、第２温度下の低温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｌ（Ｔ_２））及び黒体温度の応答値（ｘ）を得るとともに、上述した５つの値を修正応答値方程式に入力するステップ（Ｓ４）と、黒体温度の応答値の即時修正値を得るステップ（Ｓ５）と、を含むことを特徴とする、感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法を提供する。

【0006】

本発明が提示する修正応答値の方程式は次式（１）で表され、

【0007】

【数1】

【0008】

前記式（１）において、ｄは即時修正値を表し、ｘは黒体温度の応答値を表し、ｆ_Ｈ（Ｔ_１）は第１温度下の高温一階線形関数の応答値を表し、ｆ_Ｈ（Ｔ_２）は第２温度下の高温一階線形関数の応答値を表し、ｆ_Ｌ（Ｔ_１）は第１温度下の低温一階線形関数の応答値を表し、ｆ_Ｌ（Ｔ_２）は第２温度下の低温一階線形関数の応答値を表すことが好ましい。

【0009】

前記高温一階線形関数は、前記高温黒体応答値及び時間の関係と、前記熱探知カメラコアチップの温度及び時間の関係とから導き出されることが好ましい。

【0010】

前記低温一階線形関数は、前記低温黒体応答値及び時間の関係と、前記熱探知カメラコアチップの温度及び時間の関係とから導き出されることが好ましい。
前記黒体温度を約１時間測定し、前記熱探知カメラコアチップの温度上昇の条件下で、前記黒体温度の応答値を即時修正値で修正した後、熱輻射変換公式により黒体温度値を得て、その標準偏差は０．０９℃以下であることが好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法は、線形回帰一階補正により修正応答値方程式を得て、ソフトウェア搭載演算チップモジュールを利用するか、コンピュータ又はマイクロプロセッサ方式を利用して即時演算し、正確かつ安定した温度値を得るため、システムの体積、消費電力及び複雑なハードウェア断熱装置は必要ない。また、本発明は、従来技術の問題点を改善し、探知コア（ＦＰＡ）チップを一定の操作温度に維持し、その放熱基板は特殊な設計が必要であり、探知コア（ＦＰＡ）チップの余熱を効率よく筐体まで伝達させるとともに、従来の熱探知カメラでは精密な温度制御システムが必要であった問題点を改善し、探知コア（ＦＰＡ）チップの周辺温度を長期間安定させ、長期間、正確かつ安定的に温度測定する。すなわち本発明は、システム設計の複雑度を大幅に下げるとともに、ハードウェアのコスト及び消費電力を減らすことができるとともに、温度測定を確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】従来の熱探知カメラにより４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の黒体をそれぞれ測定したときの個別の黒体の応答値及び探知コア（ＦＰＡ）チップの温度と時間との関係図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法を示す流れ図である。

【図3】従来の熱探知カメラ内の探知コアＦＰＡチップの操作温度と、測定出力応答値との関係図である。

【図4】本発明の方法により補正した後に温度測定した熱探知カメラの理想的な応答値出力曲線図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の目的、特徴及び効果をより分かりやすくするために、具体的な実施形態について図に基づいて詳しく説明する。
図２を参照する。図２は、本発明の一実施形態に係る感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法を示す流れ図である。図２に示すように、本発明の一実施形態に係る感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法は、以下のステップ（Ｓ１）～（Ｓ５）を含む。
ステップ（Ｓ１）：熱探知カメラコアチップの第１温度下で、黒体温度が生成する応答値を得る。
ステップ（Ｓ２）：予備実験により高温黒体応答値と熱探知カメラコアチップとの温度関係の高温一階線形関数（ｆ_Ｈ）を得る。
ステップ（Ｓ３）：予備実験により低温黒体応答値と熱探知カメラコアチップとの温度関係の低温一階線形関数（ｆ_Ｌ）を得る。
ステップ（Ｓ４）：第１温度下の高温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｈ（Ｔ_１））、熱探知カメラコアチップの第２温度下の高温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｈ（Ｔ_２））、第１温度下の低温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｌ（Ｔ_１））、第２温度下の低温一階線形関数の応答値（ｆ_Ｌ（Ｔ_２））及び黒体温度の応答値（ｘ）を得るとともに、上述した５つの値を修正応答値の方程式に入力する。
ステップ（Ｓ５）：黒体温度の応答値の即時修正値を得る。高温黒体と低温黒体とはそれぞれ一定温度の標準黒体であり、高温とは、熱探知カメラが測定する温度範囲の最高温度のことであり、低温とは、熱探知カメラが測定する温度範囲の最低温度のことである。

【0014】

詳細には、本実施形態において、図１は、従来の熱探知カメラ内の探知コア（ＦＰＡ）チップの動作時間と、その操作温度との間の線性関係と、測定した４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の黒体温度の応答値とにより作製され、従来の熱探知カメラ（非温度測定型熱探知カメラ）内の探知コア（ＦＰＡ）チップの操作温度と、測定した出力応答値（ｃｏｕｎｔｓで表す）を生成した関係図であり、図３に示すように、その測定した４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の黒体温度の応答値は、探知コア（ＦＰＡ）チップの温度上昇（３４℃から４４℃に上昇する）に伴い、単調な線性下降の傾向に一致する。図３に基づき、標準黒体温度を測定して計算すると、理論上、ｃｏｕｎｔｓ値が高いほど、換算して得られる測定温度も高くなり、それは主に探知コア（ＦＰＡ）チップの温度が高くなるに伴い、動作時間が長くなるため、測定温度の精度が徐々に失われる虞があった。そのため、従来技術では、システム断熱設計に熱電冷却器を組み合わせ、まず、熱探知カメラ内の探知コア（ＦＰＡ）チップの操作温度を一定にし、これにより測定する出力応答値を固定値に維持し、固定測定温度値（熱探知カメラ内の探知コア（ＦＰＡ）チップの動作時間の増加の影響を受けない）を推定して得られる。しかし、上述した技術には以下（１）及び（２）の欠点があった。
（１）断熱設計に熱電冷却器を別途加えなければならなかったため、システムに高精度な温調回路が設けなければならない上、その体積全体及び消費電力も大幅に増えた。
（２）余分な探知コア（ＦＰＡ）チップの熱エネルギーをシステムの筐体に向かって排出するために、探知コア（ＦＰＡ）チップの放熱エネルギー及びサイズの違いに応じてカスタマイズして設計し、これに伴って放熱ベース及び筐体の排熱高精度設計及び組立てにより、製造の複雑度が高まった。

【0015】

そのため図３に示すように、本発明は、予備実験により高温黒体及び低温黒体を測定する。測定した高温黒体応答値及び時間の関係と、熱探知カメラコアチップの温度及び時間の関係とにより、従来の熱探知カメラ内の探知コア（ＦＰＡ）チップの操作温度と、測定した高温黒体応答値との関係図を得るとともに、高温黒体応答値と探知コア（ＦＰＡ）チップの操作温度との関係の高温一階線形関数を導き出す。同様に、測定した低温黒体応答値及び時間の関係と、熱探知カメラコアチップの温度及び時間の関係とにより、従来の熱探知カメラ内の探知コア（ＦＰＡ）チップの操作温度及び測定した低温黒体応答値の関係図を得るとともに、低温黒体応答値と、探知コア（ＦＰＡ）チップの操作温度との関係の低温一階線形関数を導き出す。

【0016】

続いて、熱探知カメラコアチップの第１温度及び第２温度下での高温一階線形関数の応答値と、第１温度及び第２温度下での低温一階線形関数の応答値と、黒体温度の応答値とを、修正応答値の方程式に入力する。本発明が提示する修正応答値の方程式は次式（１）で表すことができる。

【0017】

【数2】

【0018】

上記式において、ｄは黒体温度の応答値の即時修正値を表し、ｘは黒体温度の応答値を表し、ｆ_Ｈ（Ｔ_１）は第１温度下の高温一階線形関数の応答値を表し、ｆ_Ｈ（Ｔ_２）は第２温度下の高温一階線形関数の応答値を表し、ｆ_Ｌ（Ｔ_１）は第１温度下の低温一階線形関数の応答値を表し、ｆ_Ｌ（Ｔ_２）は第２温度下の低温一階線形関数の応答値を表し、Ｔ_１は、探知コア（ＦＰＡ）チップの第１温度を表し、Ｔ_２は、探知コア（ＦＰＡ）チップの第２温度を表す。

【0019】

図４を参照する。図４は、本発明の方法により補正した後に温度測定する熱探知カメラの理想的な応答値出力曲線図であり、探知コア（ＦＰＡ）チップの温度上方に伴って変化せず、応答値（ｃｏｕｎｔｓ）もほぼ固定されている。システムは、長時間の運転時間により、４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の標準黒体輻射温度を測定し続け、その出力する応答値が探知コア（ＦＰＡ）チップの温度上昇に伴わずに低下する。即ち、様々な探知コア（ＦＰＡ）チップの温度下で、同じ温度の黒体を測定するとき、その応答値は変化せず、応答値が熱輻射変換式により算出して得た温度値は、標準黒体輻射の等価温度に略等しい。修正方程式により修正した後の温度測定の精度表を以下表１に示す。

【0020】

【表1】

【0021】

４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の黒体温度を同時に約１時間測定するＦＰＡチップの温度上昇の条件下で、修正後の応答値を得て、熱輻射変換公式により、４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の黒体温度値を測定し、その精度を表１に示し、４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の３つの黒体温度を測定し、その標準偏差が０．０９℃以下であり、最高温度と最低温度との落差は、３７．５℃の黒体を測定するときに０．４７℃まで下げることができ、有効に非温度測定型熱探知カメラを温度測定型にアップグレードするとともに、非常に優れた温度測定精度を有する。ここで、本発明に係る感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法は、測定可能な温度範囲が０～１０００℃であるがこれだけに限定されない。当業者であれば分かるように、本発明の方法に外挿法を組み合わせるか、異なる温度測定単位に分け、本発明の実施形態の同じ方式により温度を補正することも本発明の範囲に含まれる。異なる温度測定単位に分ける概念は、マルチメータが異なる大きさの抵抗又は電圧に応じて異なる単位を使用する概念と同じであり、本発明の方法を利用して異なる温度範囲を測定するとき、本発明が提示する実施形態の方式で補正すると、正確に温度測定を行うことができる。

【0022】

上述したことから分かるように、本発明に係る感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法は、線形回帰一階補正により修正応答強度値の均一化方程式を得て、ソフトウェア搭載演算チップモジュールを利用するか、コンピュータ又はマイクロプロセッサ方式を利用して即時演算し、正確かつ安定した温度値が得られるため、本発明はシステムの体積、消費電力及び複雑なハードウェア断熱装置は必要ない。また、本発明は、従来技術の問題点を改善し、探知コア（ＦＰＡ）チップを一定の操作温度に維持し、その放熱基板は特殊な設計が必要であり、探知コア（ＦＰＡ）チップの余熱を効率よく筐体まで伝達させるとともに、従来技術では精密な温度制御システムが必要であった問題点を改善し、探知コア（ＦＰＡ）チップの周辺温度を長期間安定させ、長期的に正確かつ安定的に温度測定する。まとめると、本発明は、システム設計の複雑度を大幅に下げるとともに、ハードウェアのコスト及び消費電力を減らすことができる。本実施形態では、４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の黒体温度を約１時間同時に測定するＦＰＡチップの温度上昇条件下で、修正後の応答値を得て、熱輻射変換公式に基づき、４９．５℃、３７．５℃、２５．５℃の黒体温度値を測定し、その測定した温度値と、実際の黒体標準温度値とはほぼ同じである。

【0023】

当該分野の技術を熟知する者が理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

【符号の説明】

【0024】

Ｓ１～Ｓ５ ステップ

【要約】

【課題】ハードウェアのコスト及び消費電力を減らすことができるとともに、温度測定を確実に行う感温素子の温度変動下で温度測定を安定的に行う方法を提供する。
【解決手段】熱探知カメラコアチップの第１温度下で、黒体温度が生成する応答値を得るステップＳ１と、予備実験により高温黒体応答値と熱探知カメラコアチップとの温度関係の高温一階線形関数を得るステップＳ２と、予備実験により低温黒体応答値と熱探知カメラコアチップとの温度関係の低温一階線形関数を得るステップＳ３と、第１温度下の高温一階線形関数の応答値、熱探知カメラコアチップの第２温度下の高温一階線形関数の応答値、第１温度下の低温一階線形関数の応答値、第２温度下の低温一階線形関数の応答値及び黒体温度の応答値を得るとともに、上述した５つの値を修正応答値方程式に入力するステップＳ４と、黒体温度の応答値の即時修正値を得るステップＳ５とを含む。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】