Jak działają bezkontaktowe termometry na podczerwień - jak je wykonać

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





W tym poście poznamy podstawową koncepcję działania skanerów termicznych lub bezkontaktowych termometrów na podczerwień, a także dowiemy się, jak wykonać praktyczny prototyp urządzenia do samodzielnego wykonania. bez Arduino .

W erze po COVID-19 obserwowanie lekarzy trzymających bezdotykowy pistolet termiczny i skierowanych w stronę czoła podejrzanego o COVID-19 jest częstym widokiem.



Urządzenie to właściwie bezkontaktowy termometr, który wykrywa chwilową temperaturę powierzchni ciała podejrzanego i pozwala lekarzowi stwierdzić, czy osoba jest zdrowa, czy ma gorączkę?

Podstawowa metoda testowania

W trakcie badania znajdujemy upoważnioną osobę kierującą wiązkę lasera z bezdotykowego termostatu na czoło podejrzanego i odnotowującą temperaturę na tylnym panelu LCD urządzenia.



Wiązka laserowa w rzeczywistości nie ma bezpośredniego związku z procedurą pomiaru temperatury. Służy jedynie do pomocy lekarzowi w upewnieniu się, że termometr na podczerwień jest prawidłowo skierowany na idealne miejsce na ciele do określenia temperatura ciała przeważnie dokładnie.

Prawo Stefana – Boltzmanna

Zgodnie z prawem Stefana – Boltzmanna całkowite promieniowanie ciała Mjest(T) jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury, jak pokazano w poniższym równaniu

Mjest(T) = εσT4

W tym równaniu ε oznacza emisyjność.

σ oznacza stałą Stefana – Boltzmanna, która jest równoważna wielkości 5,67032 x 10-1212 Wcm-dwaDO-4, gdzie litera K jest jednostką temperatury w kelwinach.

Z powyższego równania wynika, że ​​wraz ze wzrostem temperatury ciała proporcjonalnie wzrasta również jego promieniowanie podczerwone. To promieniowanie podczerwone można było zmierzyć z pewnej odległości bez potrzeby jakiegokolwiek fizycznego kontaktu. Odczyt może dostarczyć nam chwilowego poziomu temperatury ciała.

Który czujnik jest odpowiedni

Czujnik, który jest najlepiej dopasowany i stosowany w termometrach bezkontaktowych to czujnik termopala .

Czujnik termoelektryczny przekształca padającą mapę ciepła w podczerwieni z odległego źródła na proporcjonalną ilość niewielkiego napięcia wyjściowego.

Działa na zasadzie termopary, w której różne metale są łączone szeregowo lub równolegle, tworząc „gorące” i „zimne” złącza. Kiedy strumień promieniowania podczerwonego ze źródła pada na stos termopary, tworzy różnicę temperatur na tych złączach, wytwarzając równoważną ilość energii elektrycznej na końcowych zaciskach termopary.

Ta moc elektryczna proporcjonalna do źródła ciepła może być mierzona w celu określenia poziomu temperatury pochodzącej ze źródła ciała.

Termopara wewnątrz czujnika termoelektrycznego jest osadzona na chipie krzemowym, co sprawia, że ​​system jest niezwykle czuły i dokładny.

Korzystanie z czujnika temperatury stosu MLX90247

IC MLX90247 jest doskonałym przykładem wszechstronnego czujnika termopala, który idealnie nadaje się do wykonania skanera termicznego lub termometru bezdotykowego.

IC MLX90247 składa się z ułożonej w stos sieci termopar na powierzchni membrany.

Złącza termoelektryczne odbierające ciepło są strategicznie rozmieszczone w pobliżu środka membrany podstawowej, podczas gdy różnicowe złącza zimne są umieszczone na krawędzi urządzenia, które tworzą masową powierzchnię krzemu jednostki.

Ponieważ membrana jest zaprojektowana tak, aby była złym przewodnikiem ciepła, wykryte ciepło ze źródła może szybko wzrosnąć w pobliżu środka menbrane niż większość krawędzi urządzenia.

Z tego powodu szybka różnica ciepła jest w stanie rozwinąć się na końcach złącza termoelektrycznego, powodując powstanie efektywnego potencjału elektrycznego na tych zaciskach na zasadzie termoelektrycznej.

Najlepszą częścią czujnika termoelektrycznego jest to, że w przeciwieństwie do standardowych układów scalonych nie wymaga on zewnętrznego zasilania elektrycznego do pracy, a raczej generuje własny potencjał elektryczny umożliwiający wymagany pomiar.

Otrzymujesz dwa warianty IC MLX90247, jak pokazano poniżej, w którym jeden wariant zapewnia opcję uziemienia Vss, a drugi jest bez pin Vss.

Górna opcja umożliwia bipolarny pomiar temperatury IR. Oznacza to, że wyjście może pokazywać temperatury wyższe niż temperatura otoczenia, a także niższe niż temperatury otoczenia.

Można użyć niższej opcji zmierzyć temperaturę albo powyżej poziomu otoczenia, albo poniżej poziomu otoczenia, co umożliwia jednobiegunowy pomiar.

Dlaczego Thermistor jest używany w Thermopile

W powyższym IC MLX90247 widzimy plik termistor zawarte w pakiecie urządzenia. Termistor odgrywa ważną rolę w tworzeniu wyjściowego poziomu odniesienia dla stopnia zewnętrznej jednostki pomiarowej.

Termistor jest wbudowany w celu wykrywania temperatury otoczenia lub temperatury ciała urządzenia. Ten poziom temperatury otoczenia staje się poziomem odniesienia dla wyjściowego stopnia wzmacniacza operacyjnego.

Dopóki temperatura podczerwieni obiektu docelowego jest niższa lub równa temu poziomowi odniesienia, stopień zewnętrznego wzmacniacza operacyjnego nie reaguje, a jego wyjście pozostaje na poziomie 0 V.

Jednak gdy tylko promieniowanie podczerwone ciała przekroczy temperaturę otoczenia, wzmacniacz operacyjny zaczyna reagować, wytwarzając prawidłową mierzalną moc wyjściową, która liniowo odpowiada rosnącej mocy cieplnej ciała.

Obwód termometru bezkontaktowego wykorzystujący czujnik termoelektryczny IC MLX90247

W powyższym prototypowym obwodzie bezkontaktowego termometru na podczerwień znajdujemy czujnik termoelektryczny IC MLX90247 w trybie bipolarnym, skonfigurowany z zewnętrznym wzmacniaczem operacyjnym zaprojektowanym do wzmacniania niewielkich ilości energii elektrycznej z termopala do mierzalnego wyjścia.

Górny wzmacniacz operacyjny wzmacnia wyjście termopary z IC MLX90247, podczas gdy dolny wzmacniacz operacyjny wzmacnia temperaturę otoczenia układu scalonego.

Prosta różnica Miernik VU jest podłączony na wyjściach dwóch wzmacniaczy operacyjnych. Dopóki nie ma elementu emitującego ciepło przed termoparem, jego wewnętrzna temperatura termopary pozostaje równa temperaturze sąsiedniego termistora. Z tego powodu dwa wyjścia wzmacniacza operacyjnego generują jednakową ilość napięć. Miernik VU wskazuje zatem 0 V na środku tarczy.

W przypadku, gdy ciało ludzkie o temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia znajdzie się w zakresie wykrywania stosu termoelektrycznego, jego sygnał wyjściowy termopary na wtyku 2 i wtyku 4 zaczyna rosnąć wykładniczo i przekracza wartość wyjściową termistora na wtyku 3 i wtyku 1.

Powoduje to, że górny wzmacniacz operacyjny generuje więcej dodatniego napięcia niż dolny wzmacniacz operacyjny. Miernik VU reaguje na to i jego wskazówka zaczyna przesuwać się po prawej stronie kalibracji 0V. Odczyt bezpośrednio pokazuje poziom temperatury celu wykrytego przez stos termiczny.

Który wzmacniacz operacyjny pasuje do aplikacji

Ponieważ sygnał wyjściowy z termopala ma być w mikrowoltach, wzmacniacz operacyjny, który ma być użyty do wzmocnienia tego niezwykle małego napięcia, musi być bardzo czuły i wyrafinowany oraz mieć bardzo niską specyfikację offsetu wejściowego. Aby spełnić te warunki, najlepszym wyborem do tego zastosowania jest oprzyrządowanie wzmacniacza operacyjnego.

Chociaż w Internecie można znaleźć wiele dobrych wzmacniaczy oprzyrządowania, najbardziej odpowiednim kandydatem wydaje się być wzmacniacz INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation.

Istnieje wiele wspaniałych cech, które sprawiają, że ten układ scalony najlepiej nadaje się do wzmacniania napięć termopar do mierzalnych wielkości. Podstawowy obwód wzmacniacza oprzyrządowania IC INA333 można zobaczyć poniżej i ten projekt może być użyty do wzmocnienia wyżej wyjaśnionego obwodu termopala.

W tym obwodzie wzmacniacza operacyjnego INA333 rezystor Rsol określa wzmocnienie obwodu i można je obliczyć ze wzoru:

Zysk = 1 + 100 / Rsol

Wynik wyjściowy będzie w kilo omach.

Za pomocą tego wzoru możemy ustawić całkowite wzmocnienie obwodu w zależności od poziomu mikrowoltów otrzymanych z termopala.

Wzmocnienie można regulować w zakresie od 0 do 10000, co zapewnia wzmacniaczowi operacyjnemu wyjątkowy poziom możliwości wzmocnienia dla wejść mikrowoltowych.

Aby móc używać tego wzmacniacza pomiarowego bez układu scalonego termoelektrycznego, będziemy potrzebować dwóch z tych modułów wzmacniacza operacyjnego. Jeden zostanie użyty do wzmocnienia sygnału wyjściowego termopary, a drugi do wzmocnienia wyjścia sygnału termistora, jak pokazano poniżej

Zestaw może być użyty do wykonania bezkontaktowego termometru na podczerwień, który będzie wytwarzał liniowo rosnące wyjście analogowe w odpowiedzi na liniowo rosnące ciepło IR, wykrywane przez stos termiczny.

Wyjście analogowe można podłączyć do miliwoltomierza VU lub do cyfrowy miernik mV za uzyskanie natychmiastowej interpretacji poziomu temperatury ciała.

Wyjście Vlub można również oszacować za pomocą następującego równania:

Vlub = G ( Vw + - Vw- )

Lista części

Do zbudowania opisanego powyżej obwodu bezkontaktowego termometru potrzebne będą następujące części:

  • Czujnik termopala IC MLX90247 - 1 nr
  • Oprzyrządowanie Wzmacniacz operacyjny INA333 - 2nos
  • Woltomierz o zakresie od 0 do 1 V FSD - 1 nr
  • Ogniwa 1,2 V AAA Ni-Cd do zasilania INA333 - 2nos

Odczyt woltomierza będzie musiał być skalibrowany w stopniach Celsjusza, co można zrobić po pewnym eksperymentowaniu i próbach i błędach.

Korzystanie z PIR

Do normalności Czujnik PIR działa również ładnie i stanowi tanią alternatywę dla tego typu aplikacji.

PIR zawiera czujnik piroelektryczny, taki jak TGS, BaTiO3 i tak dalej, który przechodzi spontaniczną polaryzację, gdy wykryje zmianę temperatury w swoim zakresie wykrywania.

Ładunek polaryzacyjny w urządzeniu PIR generowany w wyniku zmiany jego temperatury zależy od mocy promieniowania Phijest przesyłane przez ciało na czujnik PIR. Powoduje to, że wyjście PIR generuje prąd jare ωpAre( Δ T) .

Urządzenie generuje również napięcie Vlub który może być równy iloczynowi prądu jare i impedancja urządzenia. Można to wyrazić za pomocą następującego równania:

Vlub= JareRre/ √1 + ωdwaRdwaredodware

To równanie można dalej uprościć do:

Vlub= ωpAreRre( Δ T) / √1 + ωdwaRdwaredodware

gdzie p oznacza współczynnik piroelektryczny, ω oznacza częstotliwość radianową, a Δ T jest równe różnicy temperatury czujnika Tre
i temperatura otoczenia T.do.

Teraz, stosując równanie bilansu cieplnego, znajdujemy wartość Δ T można wyprowadzić jako wyrażone następującym równaniem:

Δ T = RTPhijest/ √ (1 + ωdwaτdwaT)

Jeśli zastąpimy tę wartość Δ T w poprzednim równaniu otrzymujemy wynik, który reprezentuje Vo o charakterystyce pasmowoprzepustowej, jak pokazano poniżej:

gdzie τJEST odnosi się do elektrycznej stałej czasowej ( Rredore ), τT wskazuje
termiczna stała czasowa ( RTdoT ), i Phijest symbolizuje promieniste
moc z celu wykrytego przez czujnik.

Powyższe dyskusje i równania dowodzą, że napięcie wyjściowe Vo z PIR jest wprost proporcjonalne do mocy promieniowania emitowanego ze źródła, dzięki czemu idealnie nadaje się do bezkontaktowych pomiarów temperatury.

Wiemy jednak, że czujnik PIR nie może reagować na stacjonarne źródło podczerwieni i wymaga, aby źródło było w ruchu, aby umożliwić czytelne wyjście.

Ponieważ prędkość ruchu wpływa również na dane wyjściowe, musimy upewnić się, że źródło porusza się z precyzyjną prędkością, co może być niemożliwe do zaimplementowania na ludzkim celu.

Dlatego w łatwy sposób można temu przeciwdziałać, aby ludzki cel był nieruchomy i powielał jego ruch przez połączenie sztucznego silnikowy chopper z systemem soczewek PIR.

Prototyp termometru bezdotykowego wykorzystujący PIR

Poniższe akapity wyjaśniają konfigurację testową praktycznego systemu skanera termicznego, który można zastosować do zbudowania praktycznego prototypu, po dokładnej optymalizacji różnych zaangażowanych parametrów.

Jak dowiedzieliśmy się w poprzedniej sekcji, czujnik PIR jest przeznaczony do wykrywania emisji promieniowania w postaci szybkości zmian temperatury dT / dt i dlatego reaguje tylko na ciepło podczerwone, które jest pulsowane z odpowiednio obliczoną częstotliwością.

Zgodnie z eksperymentami stwierdzono, że PIR działa najlepiej przy częstotliwości impulsów około 8 Hz, co jest osiągane poprzez stałe przerywanie przychodzącego sygnału przez przerywacz serwa

Zasadniczo przerywanie sygnałów umożliwia czujnikowi PIR ocenę i wysyłanie mocy promieniowania ciała w postaci skoków napięcia. Jeśli częstotliwość przerywacza jest prawidłowo zoptymalizowana, to średnia wartość tych skoków będzie wprost proporcjonalna do intensywności promieniowania temperatury.

Poniższy rysunek przedstawia typową konfigurację testową do tworzenia zoptymalizowanej jednostki pomiarowej lub MU.

Aby zapewnić wydajną pracę systemu, odległość między źródłem podczerwieni a polem widzenia czujnika (FOV) musi wynosić około 40 cm. Innymi słowy, korpus promieniujący i soczewka PIR muszą znajdować się w odległości 40 cm od siebie.

Widzimy również układ choppera składający się z małego silnika krokowego ze śmigłem zamontowanym pomiędzy soczewką Fresnela a piroelektrycznym czujnikiem PIR.

Jak to działa

Promieniowanie podczerwone z ciała przechodzi przez soczewkę Fresnela, następnie jest przerywane z częstotliwością 8 Hz przez silnik przerywacza, a powstałe pulsujące promieniowanie IR jest wykrywane przez czujnik PIR.

Wyjściowy prąd przemienny odpowiadający tej wykrytej podczerwieni jest następnie doprowadzany do stopnia „kondycjonera sygnału”, wykonanego z wielu stopni wzmacniacza operacyjnego.

Końcowe wzmocnione i kondycjonowane wyjście z kondycjonera sygnału jest analizowane na oscyloskopie w celu sprawdzenia odpowiedzi obwodu na zmienne promieniowanie emitowane przez ciało.

Optymalizacja PIR i Choppera

Aby uzyskać najlepsze możliwe wyniki, należy zapewnić następujące kryteria dla PIR i skojarzenia przerywacza.

Tarcza siekacza lub ostrza powinny być ustawione tak, aby obracały się między soczewką Fresnela a wewnętrznym czujnikiem PIR.

Średnica soczewki Fresnela nie powinna przekraczać 10 mm.

Ogniskowa obiektywu powinna wynosić około 20 mm.

Biorąc pod uwagę fakt, że typowy obszar wykrywania DOre 1,6 mm Phi i jest zainstalowany blisko ogniskowej obiektywu, pole widzenia lub FOV wynosi 4,58lubza pomocą następującego wzoru:

FOV(półkąt)≈ | tak-1[(res/ 2) / f] | = 2,29lub

W tym równaniu res oznacza wykrywalną średnicę czujnika i fa to ogniskowa obiektywu.

Specyfikacje ostrza choppera

Wydajność robocza bezkontaktowego termometru w dużej mierze zależy od tego, jak padająca podczerwień jest pulsowana przez układ przerywacza i

W tym rozdrabniaczu należy zastosować następujące wymiary:

Siekacz powinien mieć 4 ostrza, a średnica Dc powinna wynosić około 80 mm. Powinien być napędzany silnikiem krokowym lub obwodem sterowanym PWM.

Przybliżona częstotliwość obrotowa powinna spaść około 5 Hz do 8 Hz dla optymalnej wydajności.

Soczewka fresnela PIR musi być umieszczona 16 mm za pyroelementem tak, aby średnica przychodzącego sygnału podczerwieni padającego na soczewkę wynosiła około 4 mm, a ta średnica ma być znacznie mniejsza niż `` szerokość zęba '' TW choppera dysk.

Wniosek

Bezdotykowy skaner termiczny lub termometr na podczerwień to bardzo przydatne urządzenie, które umożliwia pomiar temperatury ciała na odległość, bez fizycznego kontaktu.

Sercem tego urządzenia jest czujnik podczerwieni, który wykrywa poziom ciepła w postaci strumienia promieniowania ciała i przetwarza je na równoważny poziom potencjału elektrycznego.

Dwa rodzaje czujników, które można w tym celu zastosować, to czujnik termostopowy i czujnik piroelektryczny.

Chociaż fizycznie oba wyglądają podobnie, istnieje ogromna różnica w zasadzie działania.

Stos termoelektryczny działa zgodnie z podstawową zasadą termopary i generuje potencjał elektryczny proporcjonalny do różnicy temperatur na złączach termopar.

Piroelektryczny czujnik, który jest normalnie stosowany w czujnikach PIR, działa na zasadzie wykrywania zmiany temperatury ciała, gdy ciało o temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia przecina pole widzenia czujnika. Ta zmiana poziomu temperatury jest przekształcana proporcjonalnie do potencjału elektrycznego na jej wyjściu

Thermopile jako urządzenie liniowe jest znacznie łatwiejsze do skonfigurowania i wdrożenia we wszystkich formach zastosowań skanowania termicznego.

Bibliografia:

Wzmacniacz oprzyrządowania
Termopile czujnik meleksji
Termometr na podczerwień





Poprzedni: Obwód automatycznego odkażania rąk - w pełni bezkontaktowy Dalej: Obwody wtryskiwaczy sygnału do szybkiego rozwiązywania problemów ze wszystkimi urządzeniami audio