在这篇文章中,我们将学习热扫描仪或非接触式红外温度计的基本工作概念,并学习如何制作一个实用的DIY单元原型没有Arduino。
后新冠肺炎时代,医生手持非接触式温度枪,指着新冠肺炎嫌疑人的额头是司空见惯的事情。
该装置实际上是一种非接触式温度计装置,它可以检测嫌疑人体表的瞬时温度,让医生知道这个人是正常还是发烧?
基本测试方法
在测试过程中,我们发现授权人员将非接触式温度枪的激光束对准嫌疑人的前额,并在设备背面的LCD面板上记录温度。
激光束实际上与温度测量过程没有直接联系。它只是用来帮助医生确保红外体温计正确地对准身体的理想位置,以确定体温主要是准确的。
斯蒂芬玻尔兹曼定律
根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律,一个物体的总辐射出度Me(T)与其温度的四次方成正比,如下式所示
米eT (T) =εσ4
在这个方程中,ε表示发射率。
σ表示Stefan-Boltzmann常数,相当于5.67032 × 10-1212 Wcm-2K-4字母K是温度的单位,单位是开尔文。
上述公式表明,当一个物体的温度上升时,它的红外辐射也成比例地增加。这种红外线辐射可以在不需要任何物理接触的情况下远距离测量。读数可以为我们提供身体的瞬时温度水平。
哪种传感器适用
最适合用于非接触式温度计的传感器是热电堆传感器。
热电堆传感器将来自遥远源的入射红外热图转换成成比例的微小电压输出。
它的工作原理是热电偶,其中不同的金属串联或并联,以创造“热”和“冷”结。当热源的红外辐射通量落在热电堆上时,就会在这些结之间产生温差,在热电偶的两端产生等量的电流。
这种与热源成比例的电输出可以被测量,以识别来自身体热源的温度水平。
热电堆传感器内的热电偶嵌入在硅芯片上,使系统极其敏感和准确。
使用MLX90247热电堆传感器
集成电路MLX90247是多功能热电堆传感器设备的一个很好的例子,它可以理想地用于制作热扫描设备或非接触式温度计设备。
集成电路MLX90247是由在薄膜表面上堆积的热电偶网络组成。
热电偶的热接收结策略性地放置在基膜的中心附近,而差动冷结放置在装置的边缘,形成单元的硅块区域。
由于薄膜被设计成热量的不良导体,从热源中检测到的热量能够在薄膜中心附近迅速上升,而不是在器件的本体边缘。
由于这个原因,热电堆结端产生的快速热差通过热电原理在这些端产生有效的电势。
与标准集成电路不同,热电堆传感器最好的地方在于,它不需要外部电源来工作,而是产生自己的电势来实现所需的测量。
你得到两种不同的IC MLX90247如下所示,其中一种变体提供了一个接地Vss选项,而另一种是没有Vss引脚。
上面的选项允许双极测量红外温度。这意味着输出可以显示温度高于环境温度,也低于环境温度。
较低的选项可用于测量温度或高于环境电平或低于环境电平,因此允许单极测量设备。
为什么在热电堆中使用热敏电阻
在上面的IC MLX90247中,我们可以看到一个热敏电阻被包含在设备包中。热敏电阻在创建外部测量单元级的参考电平输出中起着重要的作用。
该热敏电阻用于检测设备的环境温度或体温。这个环境温度水平成为输出运放级的参考水平。
只要来自目标的红外温度低于或等于这个参考水平,外部运放级不响应,其输出保持0v。
然而,一旦人体的红外辐射超过环境温度,运放就开始响应,产生有效的可测量输出,该输出与人体上升的热输出线性对应。
采用MLX90247热堆传感器的无触点温度计电路
在上述非接触红外温度计电路的原型电路中,我们发现热电堆传感器IC MLX90247处于双极模式,配置了一个外部运算放大器,用于将热电堆中的微小电流放大到可测量的输出。
上运放放大来自集成电路MLX90247的热电偶输出,而下运放放大集成电路的环境温度。
一个简单的微分音量单位表连接在两个运放的输出端。只要在热电堆前面没有发热体,其内部的热电偶温度就等于相邻的热敏电阻温度。因此,两个运放输出产生相等的电压。VU仪表因此在其刻度盘的中心指示一个0 V。
如果人体的温度高于周围环境的温度被引入到热电堆的传感范围内,其穿过pin2和pin4的热电偶输出开始呈指数上升,并超过pin3和pin1的热敏电阻输出。
这导致上运放产生比下运放更多的正电压。VU表响应这一点,它的指针开始在0V校准的右侧移动。读数直接显示热电堆检测到的目标温度水平。
哪个运算放大器适合应用
由于热电堆的输出应该是微伏的,用于放大这个极小电压的运放必须是高度敏感和精密的,并且具有非常低的输入偏置规格。为了满足这些条件,仪表运放似乎是这种应用的最佳选择。
尽管你可以在网上找到许多好的仪表放大器,INA333微功率(50μA),零漂移,轨到轨出仪表放大器似乎是最合适的候选人。
有许多伟大的特点,使该集成电路最适合将热电偶电压放大到可测量的幅度。基本IC INA333仪表放大电路如下图所示,该设计可用于放大上述热电堆电路。
在这个INA333运算放大器电路电阻RG确定了电路的增益,可以用公式计算:
收益= 1 + 100 / RG
输出结果的单位为千欧姆。
通过这个公式,我们可以根据从热电堆接收到的微伏水平来设置电路的总增益。
增益可以从0到10,000进行调整,这为微伏输入的运放提供了异常水平的放大能力。
为了能够在没有热电堆集成电路的情况下使用仪表放大器,我们需要两个这样的运放模块。一个用于放大热电偶信号输出,另一个用于放大热敏电阻信号输出,如下图所示;
该装置可用于制作非接触式红外温度计,当热电堆检测到线性增加的红外热时,该温度计将产生线性增加的模拟输出。
模拟输出可以连接到一个毫伏VU表或一个数字式mV计以获得对人体温度水平的即时解释。
输出Vo也可以通过下式估计:
Vo= G (V在+-V在- - - - - -)
零件清单
以下部分将需要建立上述介绍的非接触式温度计电路:
- 热堆传感器IC MLX90247
- 仪表操作放大器INA333 - 2nos
- 电压表,量程0至1V FSD - 1no
- 1.2 V AAA镍镉电池,为INA333 - 2nos供电
电压表的读数需要用摄氏度来校准,这可以通过一些实验和试错来完成。
使用PIR
一个正常的PIR传感器也很好地工作,并为这些类型的应用程序提供了一个廉价的替代方案。
PIR包括基于热释电材料的传感器,如TGS、BaTiO3等,当它在其检测范围内感知温度变化时,就会发生自发极化。
PIR器件中由于温度变化而产生的极化电荷与辐照功率有关φe由PIR传感器上的身体传输。这将导致PIR输出产生电流我dωpAd(ΔT)。
该装置也产生电压Vo哪个可能等于电流的乘积我d以及设备的阻抗。可以用下面的方程表示:
Vo=我dRd/√1 + ω2R2dC2d
这个等式可以进一步简化为:
Vo=ωpAdRd(ΔT) /√1 + ω2R2dC2d
式中p为热释电系数,ω为弧度频率,ΔT等于探测器温度的差d
和环境温度T一个。
现在,通过应用热平衡方程,我们发现ΔT可推导为:
ΔT = RTφe/√(1 + ω2τ2T)
如果我们替换这个值Δ将上式中的T表示为带通特性的Vo,如下图所示:
在哪里τE为电时间常数(RdCd),τT表示
热时间常数(RTCT),φe象征着辐射
来自传感器检测到的目标的能量。
上述讨论和方程证明了PIR的输出电压Vo与光源发射的辐射功率成正比,因此非常适合于非接触式温度测量应用。
然而,我们知道PIR不能响应一个固定的IR源,并且要求源处于运动状态以启用可读输出。
由于移动的速度也会影响输出数据,所以我们必须确保源以精确的速度移动,而这一点在人类目标上可能是不可能实现的。
因此,一个简单的方法是让人类目标是静止的,并通过与人工界面复制它的运动基于电动机斩波器使用PIR镜头系统。
使用PIR的非接触式温度计原型
下面的段落解释了一个实际的热扫描仪系统的测试设置,在对涉及的各种参数进行彻底优化后,该系统可用于构建实际的原型。
正如在前一节中所了解的,PIR被设计用来检测以温度变化率形式出现的辐射发射dT / dT,因此只对以适当计算频率脉冲的红外热有响应。
通过实验发现,PIR在脉冲频率为8 Hz左右时效果最好,这是通过伺服斩波器对输入信号进行稳定斩波实现的
基本上,信号的截断允许PIR传感器评估并输出身体的辐射功率作为电压峰值。如果斩波频率被正确地优化,那么这些尖峰的平均值将直接与辐射温度的强度成正比。
下图显示了一个用于创建优化测量单元或MU的典型测试设置。
为了确保系统的有效工作,红外源和传感器的视场(FOV)之间的距离必须在40厘米左右。换句话说,辐射体和PIR透镜之间必须保持40厘米的距离。
我们还可以看到一个由小步进电机和安装在菲涅耳透镜和PIR热释电传感器之间的螺旋桨组成的chopper系统。
它是如何工作的
来自人体的红外辐射通过菲涅耳透镜,然后斩波电机将其以8hz的频率斩波,所产生的脉冲红外辐射由PIR传感器检测。
输出的交流等效到这个检测到的红外然后应用到“信号调节器”级由许多运放级。
信号调节器的最终放大和条件输出在示波器上进行分析,以检查电路对物体的不同辐射强度的响应。
优化PIR和Chopper
为了获得可能的最佳结果,必须确保PIR和chopper组合的以下标准。
斩波片或叶片应放置在菲涅耳透镜和PIR内部传感器之间旋转。
菲涅耳透镜直径不应超过10毫米。
镜头的焦距应该在20毫米左右。
考虑到的典型传感区域一个d1.6毫米φ并且安装在透镜的焦距附近,视场或FOV为4.58o使用以下公式:
视场(半角)≈|谭-1[(d年代/ 2) / f]| = 2.29o
在这个方程式中d年代为传感器可探测直径,为f是透镜的焦距。
直升机桨叶的规范
非接触式温度计的工作效率很大程度上取决于入射红外脉冲如何通过斩波系统
在这种斩波器中必须采用以下尺寸:
斩波器应该有4个叶片,直径Dc应该在80毫米左右。它应该通过步进电机或PWM控制电路驱动。
为了达到最佳性能,近似的旋转频率应该在5hz到8hz之间。
PIR菲涅尔透镜必须放置在热释电传感器后面16毫米,这样入射的红外信号直径落在透镜上大约4毫米,这个直径应该比斩波盘的“齿宽”TW小得多。
结论
非接触式热扫描仪或红外温度计是一种非常有用的设备,它可以在没有任何物理接触的情况下远距离测量人体温度。
该装置的核心是一个红外传感器,它可以检测人体辐射通量的热量水平,并将其转换为等效的电势。
可用于此目的的两种类型的传感器是热电堆传感器和热释电传感器。
虽然它们在物理上看起来很相似,但在工作原理上有很大的不同。
热电堆的工作原理与热电偶的基本原理相同,并产生与热电偶结的温差成比例的电势。
热释电传感器通常用于PIR传感器,其工作原理是当物体的温度高于环境温度时,通过传感器的视场检测物体的温度变化。这种温度水平的变化在其输出处转换成成比例的电势
热电堆是一种线性设备,更容易配置和实现到所有形式的热扫描应用程序。
引用:
仪表放大器热电堆传感器melexis
红外体温测量仪
罗伯特施贵宝制药说
你好,参考你的文章“家庭»红外»非接触式红外温度计如何工作-如何制作一个”。这是一篇非常棒且信息量很大的文章,我现在已经做了一篇(热电堆版本)。谢谢你!
Swagatam说
谢谢,很高兴你喜欢!
门将说
斯瓦塔姆先生万岁,为了让人们生活得更好……
Swagatam说
谢谢你门将!