V tomto príspevku sa dozvieme základný pracovný koncept tepelných skenerov alebo bezkontaktných IR teplomerov a tiež sa naučíme, ako vyrobiť praktický prototyp jednotky z vlastnej dielne bez Arduina .

V ére po COVID-19 je svedkom lekárov držiacich bezkontaktnú teplotnú pištoľ a smerujúcich na čelo podozrivého z COVID-19 bežný jav.

Prístroj je v skutočnosti bezdotykovým teplomerom, ktorý detekuje okamžitú teplotu povrchu tela podozrivého a umožňuje lekárovi zistiť, či je osoba normálna alebo či nemá horúčku?

Základná skúšobná metóda

V procese testovania nájdeme oprávnenú osobu, ktorá namierila laserový lúč z bezkontaktnej teplotnej pištole na čelo podozrivého a zaznamenala teplotu na zadný LCD panel zariadenia.

Laserový lúč v skutočnosti nemá priame spojenie s postupom merania teploty. Slúži iba na to, aby lekárovi pomohol zaistiť, aby bol infračervený teplomer správne nasmerovaný na ideálne miesto tela na určenie telesná teplota väčšinou presne.

Stefan – Boltzmann zákon

Ako uvádza zákon Stefan – Boltzmann, celková sálavá výstupnosť telesa M_je(T) je úmerný štvrtému výkonu jeho teploty, ako je znázornené v nasledujúcej rovnici

M_je(T) = εσT⁴

V tejto rovnici ε znamená emisivitu.

σ označuje Stefan – Boltzmannovu konštantu, ktorá je ekvivalentná s veličinou 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-2K^-4, kde písmeno K je jednotka teploty v Kelvinoch.

Vyššie uvedená rovnica naznačuje, že keď teplota tela stúpa, úmerne tomu stúpa aj jeho infračervené žiarenie. Toto IR žiarenie bolo možné merať na diaľku bez potreby fyzického kontaktu. Čítanie nám môže poskytnúť okamžitú úroveň teploty tela.

Ktorý senzor je použiteľný

Senzor, ktorý je najvhodnejší a používa sa v bezkontaktných teplomeroch, je a termopálový senzor .

Termopálový senzor prevádza dopadajúcu infračervenú tepelnú mapu zo vzdialeného zdroja na proporcionálne množstvo malého výstupu elektrického napätia.

Pracuje na princípe termočlánku, v ktorom sú rozdielne kovy spojené do série alebo paralelne, aby vytvorili „horúce“ a „studené“ spojenia. Keď infračervený sálavý tok zo zdroja dopadne na termočlánok, vytvára rozdiel v teplotách v týchto spojoch a vyvíja ekvivalentné množstvo elektriny cez koncové svorky termočlánku.

Tento elektrický výkon úmerný zdroju tepla sa môže merať na identifikáciu úrovne teploty zo zdroja tela.

Termočlánok vo vnútri snímača termočlánkov je zaliaty cez kremíkový čip, vďaka čomu je systém mimoriadne citlivý a presný.

Používanie senzora termopálok MLX90247

IC MLX90247 je vynikajúcim príkladom všestranného termopilárneho snímacieho zariadenia, ktoré je možné ideálne použiť na výrobu tepelného skenera alebo bezkontaktného teplomerového zariadenia.

IC MLX90247 je zložený z nahromadenej termočlánkovej siete na povrchu membrány.

Spoje prijímajúce teplo termočlánku sú strategicky umiestnené blízko stredu základnej membrány, zatiaľ čo rozdielne spojenia za studena sú umiestnené na okraji zariadenia, ktoré tvoria objemovú oblasť kremíka jednotky.

Pretože membrána je navrhnutá ako zlý vodič tepla, je detekované teplo zo zdroja schopné rýchlo stúpať v blízkosti stredu menbranu, ako je objemová hrana zariadenia.

Z tohto dôvodu sa môže rýchly rozdiel tepla vyvíjať cez konce termopilných spojov a spôsobiť tak efektívny elektrický potenciál cez tieto svorky prostredníctvom termoelektrického princípu.

Najlepšie na tom je, že na rozdiel od štandardných integrovaných obvodov nevyžaduje na prácu externé elektrické napájanie, skôr si vytvára vlastný elektrický potenciál na umožnenie požadovaného merania.

Získate dve varianty IC MLX90247, ako je uvedené nižšie, pričom jedna varianta poskytuje možnosť uzemnenia Vss a druhá je bez kolíka Vss.

Horná možnosť umožňuje bipolárne meranie IR teploty. To znamená, že výstup môže zobrazovať teploty vyššie ako je teplota okolia a tiež nižšie ako teploty okolia.

Dolnú možnosť je možné použiť na merať teplotu buď nad úrovňou prostredia, alebo pod úrovňou prostredia, a umožňuje tak unipolárne meracie zariadenie.

Prečo sa v termopile používa termistor

Vo vyššie uvedenom IC MLX90247 môžeme vidieť a termistor sú súčasťou balenia prístroja. Termistor hrá dôležitú úlohu pri vytváraní výstupu referenčnej úrovne pre stupeň externej meracej jednotky.

Termistor je zabudovaný na detekciu teploty okolia alebo teploty tela prístroja. Táto úroveň okolitej teploty sa stáva referenčnou úrovňou pre výstupný operačný stupeň zosilňovača.

Pokiaľ je infračervená teplota z cieľa nižšia alebo rovnaká ako táto referenčná úroveň, externý zosilňovač operačného stupňa nereaguje a jeho výstup zostáva 0 V.

Len čo však infračervené žiarenie z tela prekročí teplotu okolia, operačný zosilňovač začne reagovať a vytvorí platný merateľný výstup, ktorý lineárne korešponduje so stúpajúcim tepelným výkonom tela.

Bezkontaktný obvod teplomera využívajúci termočlánkový senzor IC MLX90247

Vo vyššie uvedenom prototype obvodu bezkontaktného obvodu infračerveného teplomeru nájdeme termopilný snímač IC MLX90247 v bipolárnom režime, nakonfigurovaný s externým operačným zosilňovačom navrhnutým na zosilnenie drobnej elektrickej energie z termočlánku na merateľný výstup.

Horný operačný zosilňovač zosilňuje výstup termočlánku z IC MLX90247, zatiaľ čo dolný operačný zosilňovač zosilňuje okolitú teplotu integrovaného obvodu.

Jednoduchý diferenciál Merač VU je pripojený cez výstupy dvoch operačných zosilňovačov. Pokiaľ pred termopólom nie je žiadne teleso emitujúce teplo, jeho vnútorná teplota termočlánku zostáva rovnaká ako teplota susedného termistora. Z tohto dôvodu dva výstupy operačného zosilňovača generujú rovnaké množstvo napätia. Merač VU tak indikuje 0 V v strede svojho číselníka.

V prípade, že sa ľudské telo s vyššou teplotou ako okolité prostredie dostane do snímacieho rozsahu termočlánku, jeho výstup termočlánku cez pin2 a pin4 začne exponenciálne stúpať a presahuje výstup termistora cez pin3 a pin1.

To vedie k tomu, že horný operačný zosilňovač generuje pozitívnejšie napätie ako dolný operačný zosilňovač. Merač VU na to reaguje a jeho ihla sa začne posúvať na pravej strane kalibrácie 0V. Nameraná hodnota priamo zobrazuje teplotnú hladinu terča zistenú termočlánkom.

Ktorý operačný zosilňovač vyhovuje aplikácii

Pretože výstup z termočlánku má byť v mikrovoltoch, operačný zosilňovač, ktorý sa má použiť na zosilnenie tohto extrémne malého napätia, musí byť vysoko citlivý a sofistikovaný a s veľmi nízkou špecifikáciou vstupného offsetu. Na splnenie podmienok sa operačný zosilňovač javí ako najlepšia voľba pre túto aplikáciu.

Aj keď online môžete nájsť veľa dobrých prístrojových zosilňovačov, inštrumentálny zosilňovač INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out sa javí ako najvhodnejší kandidát.

Existuje mnoho skvelých funkcií, vďaka ktorým je tento IC najvhodnejší na zosilňovanie napätia termočlánkov na merateľné hodnoty. Ďalej je vidieť základný obvod prístrojového zosilňovača IC INA333 a tento dizajn je možné použiť na zosilnenie vyššie vysvetleného termočlánkového obvodu.

V tomto obvode zosilňovača INA333 op je rezistor R_G určuje zisk obvodu a možno ho vypočítať pomocou vzorca:

Zisk = 1 + 100 / R_G

Výsledný výstup bude v kiloohmoch.

Prostredníctvom tohto vzorca môžeme nastaviť celkový zisk obvodu v závislosti od úrovne mikrovoltu prijatého z termopágu.

Zisk je možné upraviť priamo od 0 do 10 000, čo poskytuje operačnému zosilňovaču výnimočnú úroveň schopnosti zosilnenia pre vstupy mikroovoľníka.

Aby sme mohli používať tento prístrojový zosilňovač bez termopilného IC, budeme potrebovať dva z týchto modulov operačného zosilňovača. Jeden sa použije na zosilnenie výstupu signálu termočlánku a druhý na zosilnenie výstupu signálu termistora, ako je uvedené nižšie.

Toto nastavenie je možné použiť na výrobu bezkontaktného infračerveného teplomeru, ktorý bude produkovať lineárne sa zvyšujúci analógový výstup v reakcii na lineárne sa zvyšujúce infračervené teplo, ako to zistí termočlánok.

Analógový výstup môže byť pripojený k milivoltovému VU meraču alebo a digitálny mV meter na získanie okamžitej interpretácie teplotnej úrovne tela.

Výstup V._alebo možno odhadnúť aj pomocou nasledujúcej rovnice:

V._alebo = G ( V._{v +} - V._v- )

Zoznam položiek

Nasledujúce časti budú potrebné na zostavenie vyššie vysvetleného bezkonkurenčného obvodu teplomera:

IC termočlánkového senzora MLX90247 - 1č
Prístrojový operačný zosilňovač INA333 - 2nos
Voltmeter s rozsahom 0 až 1V FSD - 1č
1,2 V AAA Ni-Cd články na napájanie INA333 - 2nos

Čítanie voltmetra bude potrebné kalibrovať v stupňoch Celzia, čo je možné vykonať pomocou experimentov a pokusov a omylov.

Pomocou PIR

Do normálu PIR senzor tiež funguje pekne a poskytuje lacnú alternatívu pre tieto typy aplikácií.

PIR obsahuje senzor na báze pyroelektrického materiálu, ako je TGS, BaTiO3 a tak ďalej, ktorý prechádza spontánnou polarizáciou, keď sníma zmenu teploty v jeho detekčnom rozsahu.

Polarizačný náboj v PIR zariadení generovaný v dôsledku zmeny jeho teploty závisí od ožarovacej sily Phi_je prenášané telom na snímač PIR. To spôsobí, že výstup PIR generuje prúd Ja_d ωpA_d( Δ T) .

Zariadenie tiež generuje napätie V._alebo ktorá sa môže rovnať súčinu prúdu Ja_d a impedancia zariadenia. To je možné vyjadriť nasledujúcou rovnicou:

V._alebo= Ja_dR_d/ √1 + ω^dvaR^dva_dC.^dva_d

Túto rovnicu možno ďalej zjednodušiť na:

V._alebo= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^dvaR^dva_dC.^dva_d

kde p označuje pyroelektrický koeficient, ω označuje radiánovú frekvenciu a Δ T sa rovná rozdielu v teplote detektora T_d
a teplota okolia T_do.

Teraz použitím rovnice tepelnej bilancie zistíme, že hodnota Δ T možno odvodiť, ako je vyjadrené v nasledujúcej rovnici:

Δ T = R_TPhi_je/ √ (1 + ω^dvaτ^dva_T)

Ak nahradíme túto hodnotu Δ T v predchádzajúcej rovnici dostaneme výsledok, ktorý predstavuje Vo s charakteristikou pásmového priechodu, ako je uvedené nižšie:

kde τ_JE označuje elektrickú časovú konštantu ( R_dC._d ), τ_T označuje
tepelná časová konštanta ( R_TC._T ) a Phi_je symbolizuje žiarivý
energia z cieľa detegovaná snímačom.

Vyššie uvedené diskusie a rovnice dokazujú, že výstupné napätie Vo z PIR je priamo úmerné vyžarovanému výkonu emitovanému zo zdroja, a stáva sa tak ideálne vhodným pre bezkontaktné aplikácie merania teploty.

Vieme však, že PIR nedokáže reagovať na stacionárny IR zdroj a vyžaduje, aby bol zdroj v pohybe, aby umožnil čitateľný výstup.

Pretože rýchlosť pohybu ovplyvňuje aj výstupné údaje, musíme sa ubezpečiť, že zdroj sa pohybuje presnou rýchlosťou, čo je aspekt, ktorý je nemožné na ľudský cieľ implementovať.

Preto je ľahký spôsob, ako tomu čeliť, nechať ľudský cieľ stáť a replikovať jeho pohyb prepojením umelého motorový sekáčik so systémom šošoviek PIR.

Prototyp bezkontaktného teplomeru využívajúci PIR

V nasledujúcich odsekoch je vysvetlené testovacie nastavenie praktického systému tepelných skenerov, ktoré je možné použiť na vytvorenie praktického prototypu po dôkladnej optimalizácii rôznych zahrnutých parametrov.

Ako sme sa dozvedeli v predchádzajúcej časti, PIR je navrhnutý tak, aby detegoval žiarivé emisie vo forme rýchlosti zmeny teploty dT / dt , a teda reaguje iba na infračervené teplo, ktoré pulzuje s príslušne vypočítanou frekvenciou.

Podľa experimentov sa zistilo, že PIR pracuje najlepšie pri pulznej frekvencii okolo 8 Hz, ktorá sa dosahuje stabilným sekaním prichádzajúceho signálu cez servopohon

Sekvencia signálov v zásade umožňuje, aby PIR senzor vyhodnotil a vydal vyžarujúci výkon tela ako napäťové špičky. Ak je frekvencia choppera správne optimalizovaná, potom bude priemerná hodnota týchto hrotov priamo úmerná intenzite sálavej teploty.

Nasledujúci obrázok zobrazuje typické nastavenie testu pre vytvorenie optimalizovanej meracej jednotky alebo MU.

Na zabezpečenie efektívnej práce systému musí byť vzdialenosť medzi zdrojom infračerveného žiarenia a zorným poľom snímača (FOV) asi 40 cm. Inými slovami, vyžarujúce telo a šošovka PIR musia byť od seba vzdialené 40 cm.

Vidíme tiež chopper systém pozostávajúci z malého krokového motora s vrtuľou inštalovaného medzi fresnelovou šošovkou a PIR pyroelektrickým snímačom.

Ako to funguje

IR žiarenie z tela prechádza cez fresnelovu šošovku, potom je motorom choppera sekané na frekvencii 8 Hz a výsledné pulzné IR žiarenie je detegované snímačom PIR.

Výstupný AC ekvivalent k tomuto detekovanému IR sa potom použije na stupeň „kondicionéra signálu“ vyrobený s mnohými stupňami operačného zosilňovača.

Konečný zosilnený a upravený výstup z kondicionéra signálu sa analyzuje na osciloskope, aby sa skontrolovala reakcia obvodu na meniaci sa sálavý výstup tela.

Optimalizácia PIR a Chopperu

Aby ste dosiahli čo najlepšie výsledky, musíte pre PIR a združenie chopperov zabezpečiť nasledujúce kritériá.

Sekací kotúč alebo čepele by mali byť umiestnené tak, aby sa otáčali medzi fresnelovou šošovkou a vnútorným snímačom PIR.

Priemer fresnelovej šošovky by nemal byť väčší ako 10 mm.

Ohnisková vzdialenosť objektívu by mala byť približne 20 mm.

Berúc do úvahy skutočnosť, že typická snímacia oblasť TO_d 1,6 mm Phi a je nainštalovaný v blízkosti ohniskovej vzdialenosti objektívu, zistí sa, že zorné pole alebo FOV je 4,58^alebopomocou nasledujúceho vzorca:

FOV_{(polovičný uhol)}≈ | takže^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^alebo

V tejto rovnici d_s - označuje zistiteľný priemer snímača a - f je ohnisková vzdialenosť objektívu.

Špecifikácia čepele sekacieho noža

Účinnosť práce bezkontaktného teplomeru do značnej miery závisí od toho, ako je dopadajúce infračervené žiarenie pulzované cez sekací systém a

V tomto sekáči musia byť použité nasledujúce rozmery:

Sekačka by mala mať 4 nože a priemer Dc by mal byť okolo 80 mm. Mal by byť poháňaný krokovým motorom alebo obvodom riadeným PWM.

Približná rotačná frekvencia by mala dosiahnuť optimálny výkon okolo 5 Hz až 8 Hz.

Fresnelova šošovka PIR musí byť umiestnená 16 mm za pyroelektrickým snímačom tak, aby priemer prichádzajúceho infračerveného signálu dopadajúceho na šošovku bol okolo 4 mm a tento priemer by mal byť oveľa menší ako „TW“ šírky zuba sekačky disk.

Záver

Bezkontaktný termálny skener alebo IR teplomer je veľmi užitočné zariadenie, ktoré umožňuje meranie teploty ľudského tela na diaľku bez akéhokoľvek fyzického kontaktu.

Srdcom tohto zariadenia je infračervený senzor, ktorý detekuje hladinu tepla vo forme sálavého toku tela a prevádza ho na ekvivalentnú úroveň elektrického potenciálu.

Na tento účel je možné použiť dva typy snímačov: termočlánkový snímač a pyroelektrický snímač.

Aj keď fyzicky vyzerajú obaja podobne, v princípe fungovania je obrovský rozdiel.

Termočlánok pracuje so základným princípom termočlánku a vytvára elektrický potenciál úmerný rozdielu teplôt v jeho spojoch termočlánku.

Pyroelektrický snímač, ktorý sa bežne používa v snímačoch PIR, pracuje na základe detekcie zmeny teploty telesa, keď teleso s vyššou teplotou ako je teplota okolia, pretína zorné pole snímača. Táto zmena úrovne teploty sa prevádza proporcionálne množstvo elektrického potenciálu na jeho výstupe

Termočlánok ako lineárne zariadenie je oveľa jednoduchšie konfigurovať a implementovať do všetkých foriem aplikácií termálneho skenovania.