В тази публикация ще научим основната работна концепция на термичните скенери или безконтактните IR термометри, а също така ще научим как да направим практически DIY прототип на устройството без Arduino .

В ерата след COVID-19 свидетелството на лекарите, които държат безконтактен температурен пистолет и сочат към челото на заподозрян за COVID-19, е често срещана гледка.

Устройството всъщност е термометър без контакт, който открива моментната температура на телесната повърхност на заподозрения и позволява на лекаря да разбере дали лицето е нормално или страда от треска?

Основен метод за изпитване

В процеса на тестване откриваме упълномощеното лице, което насочва лазерен лъч от безконтактния температурен пистолет на челото на заподозрения и отбелязва температурата на задния LCD панел на устройството.

Лазерният лъч всъщност няма пряка връзка с процедурата за измерване на температурата. Той се използва само за да помогне на лекаря да гарантира, че инфрачервеният термометър е насочен правилно към идеалното място на тялото за определяне на телесна температура най-вече точно.

Закон на Стефан – Болцман

Както е посочено от закона на Стефан – Болцман, общото излъчване на тяло M_е(T) е пропорционално на четвъртата степен на неговата температура, както е показано в следващото уравнение

М_е(T) = εσT⁴

В това уравнение ε означава емисионността.

σ означава константата на Стефан – Болцман, която е еквивалентна на величината 5.67032 x 10^-1212 Wcm^-двеДА СЕ^-4, където буквата К е единицата за температура в Келвин.

Горното уравнение предполага, че когато температурата на тялото се повиши, инфрачервеното му излъчване също се увеличава пропорционално. Това IR излъчване може да бъде измерено от разстояние, без да е необходим физически контакт. Отчитането може да ни осигури моментното температурно ниво на тялото.

Кой сензор е приложим

Сензорът, който е най-подходящ и се използва в безконтактни термометри е термопилосен сензор .

Термопилосен датчик преобразува падаща инфрачервена топлинна карта от отдалечен източник в пропорционално количество малко електрическо изходно напрежение.

Той работи на принципа на термодвойката, при която разнородните метали се свързват последователно или паралелно, за да създадат „горещи“ и „студени“ връзки. Когато инфрачервеният лъчист поток от източник попадне върху термопилата, той създава разлика в температурата в тези кръстовища, развивайки еквивалентно количество електричество през крайните клеми на термодвойката.

Тази електрическа мощност, пропорционална на източника на топлина, може да бъде измерена, за да се идентифицира нивото на температурата от източника на тялото.

Термодвойката вътре в термопилесен сензор е вградена върху силициев чип, което прави системата изключително чувствителна и точна.

Използване на MLX90247 термопилесен сензор

IC MLX90247 е отличен пример за универсално термочувствително сензорно устройство, което в идеалния случай може да се използва за направа на термично скенерно устройство или безконтактно термометрично устройство.

IC MLX90247 е изграден от натрупана мрежа от термодвойки по повърхността на мембраната.

Топлоприемните връзки на термодвойката са стратегически разположени близо до центъра на основната мембрана, докато диференциалните студени връзки са поставени в ръба на устройството, които образуват силициевата обемна площ на устройството.

Тъй като мембраната е проектирана да бъде лош проводник на топлина, откритата топлина от източника може да се издига бързо в близост до центъра на мембраната от общия ръб на устройството.

Поради това бързата разлика в топлината е в състояние да се развие през краищата на термичната връзка, причинявайки ефективен електрически потенциал да се развие през тези терминали чрез термоелектрически принцип.

Най-добрата част на термопилотния сензор е, че за разлика от стандартните интегрални схеми той не се нуждае от външно електрическо захранване, за да работи, а генерира собствен електрически потенциал за осигуряване на необходимите измервания.

Получавате два варианта на IC MLX90247, както е показано по-долу, при което единият вариант осигурява опция за заземяване Vss, а другият е без Vss щифт.

Горната опция позволява биполярно измерване на IR температурата. Това означава, че изходът може да показва температури, по-високи от околната температура, а също и по-ниски от околната температура.

Долната опция може да се използва за измерете температурата или над нивото на околната среда, или под нивото на околната среда и по този начин позволява еднополюсно измервателно съоръжение.

Защо Thermistor се използва в Thermopile

В горния IC MLX90247 можем да видим a термистор включени в пакета на устройството. Термисторът играе важна роля при създаването на изход за референтно ниво за степента на външната мерна единица.

Термисторът е вграден за откриване на околната температура или телесната температура на устройството. Това ниво на околната температура става референтно ниво за изходния усилвател.

Докато температурата на IR от целта е под или равна на това референтно ниво, външният усилвател на операционния усилвател не реагира и изходът му остава 0 V.

Въпреки това, веднага щом IR излъчването от тялото премине околната температура, операционният усилвател започва да реагира, за да произведе валиден измерим изход, който линейно съответства на нарастващата топлинна мощност на тялото.

Безконтактна схема на термометър с помощта на термопилесен сензор IC MLX90247

В горната прототипна схема на безконтактна IR термометрова верига откриваме термопилосния сензор IC MLX90247 в биполярен режим, конфигуриран с външен операционен усилвател, предназначен за усилване на малки електрически от термопилата в измерим изход.

Горният операционен усилвател усилва изхода на термодвойката от IC MLX90247, докато долният операционен усилвател усилва околната температура на IC.

Прост диференциал VU метри е прикрепен към изходите на двата операционни усилвателя. Докато няма термоизлъчващо тяло пред термопилата, неговата вътрешна температура на термодвойката остава равна на температурата на съседния термистор. Поради това двата операционни изхода генерират еднакво напрежение. По този начин VU метърът показва 0 V в центъра на циферблата.

В случай, че човешко тяло с по-висока температура от околната среда е поставено в диапазона на чувствителност на термопилата, изходът на неговата термодвойка през pin2 и pin4 започва да се покачва експоненциално и надвишава изхода на термистора през pin3 и pin1.

Това води до това, че горният операционен усилвател генерира по-положително напрежение от долния операционен усилвател. VU метърът реагира на това и иглата му започва да се измества от дясната страна на 0V калибрирането. Отчитането директно показва нивото на температурата на целта, открита от термопилата.

Кой Op Amp отговаря на приложението

Тъй като изходът от термопила трябва да бъде в микроволта, операционният усилвател, който ще се използва за усилване на това изключително малко напрежение, трябва да бъде силно чувствителен и сложен и с много ниска спецификация на изместване на входа. За да задоволи условията, инструменталният операционен усилвател изглежда най-добрият избор за това приложение.

Въпреки че може да намерите много добри усилватели на измервателни уреди онлайн, INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, усилвател за измерване на релса към релса изглежда е най-подходящият кандидат.

Има много чудесни характеристики, които правят този IC най-подходящ за усилване на напреженията на термодвойките в измерими величини. Основна схема на усилвател на усилвател IC INA333 може да се види по-долу и този дизайн може да се използва за усилване на гореописаната обяснена схема на термопилата.

В тази INA333 операционна усилвателна верига резисторът R_G определя печалбата на веригата и може да се изчисли по формулата:

Печалба = 1 + 100 / R_G

Резултатът ще бъде в кило Ома.

Чрез тази формула можем да зададем общото усилване на веригата в зависимост от нивото на микроволта, получено от термопилата.

Коефициентът на усилване може да се регулира от 0 до 10 000, което осигурява на операционния усилвател изключително ниво на усилваща способност за микроволтови входове.

За да можем да използваме този инструментален усилвател без външна термоизолация, ще са ни необходими два от тези модули за усилвател. Единият ще бъде използван за усилване на изхода на сигнала на термодвойката, а другият ще бъде използван за усилване на изходния сигнал на термистора, както е показано по-долу

Настройката може да се използва за направата на безконтактен IR термометър, който ще произвежда линейно нарастващ аналогов изход в отговор на линейно нарастваща IR топлина, както се открива от термопилата.

Аналоговият изход може да бъде прикрепен към миливолтов VU метър или a цифров mV метър за незабавна интерпретация на температурното ниво на тялото.

Резултатът V_или може да се изчисли и чрез следното уравнение:

V_или = G ( V_{в +} - V_в- )

Списък с части

Следните части ще са необходими, за да се изгради описаната по-горе безконтактна верига на термометъра:

Термопилесен сензор IC MLX90247 - 1но
Инструментариум Op усилвател INA333 - 2nos
Волтметър с обхват 0 до 1V FSD - 1но
1,2 V AAA Ni-Cd клетки за захранване на INA333 - 2nos

Отчитането на волтметъра ще трябва да бъде калибрирано в Целзий, което може да се направи с някои експерименти и проби и грешки.

Използване на PIR

До нормално PIR сензор също работи добре и предоставя евтина алтернатива за този тип приложения.

PIR включва сензор на основата на пироелектрически материал като TGS, BaTiO3 и т.н., който преминава през спонтанна поляризация, когато усети промяна в температурата в рамките на своя обхват на откриване.

Поляризационният заряд в PIR устройство, генериран поради промяна в неговата температура, зависи от мощността на облъчване Phi_е предавани от тялото на PIR сензора. Това кара PIR изхода да генерира ток Аз_д ωpA_д( Δ Т) .

Устройството генерира и напрежение V_или което може да е равно на произведението на тока Аз_д и импеданса на устройството. Това може да се изрази със следното уравнение:

V_или= Аз_дR_д/ √1 + ω^двеR^две_д° С^две_д

Това уравнение може да бъде допълнително рационализирано в:

V_или= ωpA_дR_д( Δ T) / √1 + ω^двеR^две_д° С^две_д

където p означава пироелектричния коефициент, ω означава радианната честота и Δ T е равно на разликата в температурата на детектора T_д
и околната температура T_{да се}.

Сега, като прилагаме уравнение на топлинния баланс, установяваме, че стойността на Δ T може да бъде получено, както е изразено в следното уравнение:

Δ Т = R_тPhi_е/ √ (1 + ω^двеτ^две_т)

Ако заменим тази стойност на Δ T в предишното уравнение получаваме резултат, който представлява Vo с лентови характеристики, както е показано по-долу:

където τ_Е се отнася до електрическата константа на времето ( R_д° С_д ), τ_т показва
термична постоянна време ( R_т° С_т ), и Phi_е символизира лъчистата
захранване от целта, засечена от сензора.

Горните дискусии и уравнения доказват, че изходното напрежение Vo от PIR е пряко пропорционално на лъчистата мощност, излъчвана от източника, и по този начин става идеално подходящо за безконтактни приложения за измерване на температурата.

Знаем обаче, че PIR не може да реагира на IR източник на канцеларски материали и изисква източникът да бъде в движение, за да даде възможност за четене на изхода.

Тъй като скоростта на движение също влияе на изходните данни, трябва да се уверим, че източникът се движи с точна скорост, аспект, който може да е невъзможно да се приложи върху човешка цел.

Следователно, лесен начин да се противопоставите на това, да оставите човешката цел да бъде канцеларски материали и да възпроизведе движението си, като свързва изкуствен моторен хеликоптер със системата за обективи PIR.

Прототип на безконтактен термометър, използващ PIR

Следващите параграфи обясняват тестовата настройка на практична система за термичен скенер, която може да се приложи за изграждане на практически прототип, след цялостна оптимизация на различните участващи параметри.

Както е научено в предишния раздел, PIR е предназначен да открива лъчиста емисия под формата на скорост на промяна на температурата dT / dt и следователно реагира само на инфрачервена топлина, която се импулсира с подходящо изчислена честота.

Според експериментите се установява, че PIR работи най-добре при импулсна честота около 8 Hz, което се постига чрез стабилно нарязване на входящия сигнал през сервокоптер

По принцип нарязването на сигналите позволява на PIR сензора да оцени и изведе лъчистата мощност на тялото като скокове на напрежението. Ако честотата на чопъра е оптимизирана правилно, тогава средната стойност на тези пикове ще бъде право пропорционална на интензивността на температурата на излъчване.

Следващото изображение показва типичен тест, създаден за създаване на оптимизирана измервателна единица или MU.

За да се осигури ефективна работа на системата, разстоянието между IR източника и зрителното поле на сензора (FOV) трябва да бъде около 40 cm. С други думи, излъчващото тяло и PIR лещата трябва да са на разстояние 40 см един от друг.

Можем да видим и система с хеликоптер, състояща се от малък стъпков двигател с витло, монтирано между лещата на Френел и пироелектрическия сензор PIR.

Как работи

IR лъчението от тялото преминава през френеловата леща, след това се нарязва на честота 8 Hz от двигателя на хеликоптера и полученото импулсно IR лъчение се открива от PIR сензора.

След това изходният променлив ток, еквивалентен на този открит IR, се прилага към етапа на „сигнален климатик“, направен с много етапи на усилвателя.

Крайният усилен и кондициониран изход от сигналния балсам се анализира на осцилоскоп, за да се провери реакцията на веригата към различно излъчване на тяло.

Оптимизиране на PIR и чопъра

За да получите възможно най-добри резултати, трябва да се осигурят следните критерии за PIR и асоциацията на хеликоптера.

Дискът на хеликоптера или ножовете трябва да бъдат разположени така, че да се въртят между лещата на френела и вътрешния PIR сензор.

Диаметърът на лещата на Френел не трябва да бъде повече от 10 mm.

Фокусното разстояние на лещата трябва да бъде около 20 мм.

Като се има предвид факта, че типичната сензорна зона на ДА СЕ_д 1,6 мм Phi и е инсталиран близо до фокусното разстояние на лещата, се установява, че зрителното поле или FOV е 4,58^илиизползвайки следната формула:

FOV_{(половин ъгъл)}≈ | така^-1[(д_с/ 2) / е] | = 2,29^или

В това уравнение д_с обозначава откриваемия диаметър на сензора и е е фокусното разстояние на лещата.

Спецификации на острието на чопъра

Ефективността на работа на безконтактния термометър до голяма степен зависи от това как падащата инфрачервена светлина се импулсира през системата на хеликоптера и

В този хеликоптер трябва да се използват следните размери:

Хеликоптерът трябва да има 4 остриета и диаметър Dc трябва да бъде около 80 mm. Той трябва да се задвижва през стъпков двигател или ШИМ контролирана верига.

Приблизителната честота на въртене трябва да варира около 5 Hz до 8 Hz за оптимална производителност.

Френеловата леща PIR трябва да бъде разположена на 16 mm зад пироелектрическия сензор, така че диаметърът на входящия IR сигнал, падащ върху лещата, да е около 4 mm, а този диаметър се предполага, че е много по-малък от TW на ширината на зъба диск.

Заключение

Безконтактният термичен скенер или IR термометър е много полезно устройство, което позволява да се измерва температурата на човешкото тяло от разстояние, без никакъв физически контакт.

Сърцето на това устройство е инфрачервен сензор, който открива нивото на топлина под формата на лъчист поток на тялото и го преобразува в еквивалентно ниво на електрически потенциал.

Двата вида сензори, които могат да се използват за тази цел, са термопилосният сензор и пироелектричният сензор.

Въпреки че физически и двамата изглеждат сходни, има огромна разлика в принципа на работа.

Термопилата работи с основния принцип на термодвойката и генерира електрически потенциал, пропорционален на разликата в температурата в кръстовищата на термодвойките.

Пироелектричният сензор, който обикновено се използва в PIR сензорите, работи чрез откриване на промяната в температурата на тялото, когато тялото с по-висока температура от околната температура пресича зрителното поле на сензора. Тази промяна на нивото на температурата се преобразува пропорционално количество електрически потенциал на изхода му

Термопилата като линейно устройство е много по-лесна за конфигуриране и внедряване във всички форми на приложения за термично сканиране.