I dette indlæg lærer vi det grundlæggende arbejdskoncept for termiske scannere eller kontaktløse IR-termometre og også lære at lave en praktisk DIY-prototype af enheden uden Arduino .

I posten COVID-19 æra er vidne til at læger holder en kontaktløs temperaturpistol og peger mod panden på en COVID-19 mistænkt et almindeligt syn.

Enheden er faktisk en kontaktfri termometerindretning, der registrerer den øjeblikkelige temperatur på den mistænktes kropsoverflade og gør det muligt for lægen at vide, om personen er normal eller lider af feber?

Grundlæggende testmetode

I testprocessen finder vi den autoriserede person, der peger en laserstråle fra den kontaktløse temperaturpistol på den mistænktes pande og bemærker temperaturen på enhedens bageste LCD-panel.

Laserstrålen har faktisk ingen direkte forbindelse til temperaturmålingsproceduren. Det bruges kun til at hjælpe lægen med at sikre, at det infrarøde termometer er rettet korrekt mod det ideelle sted for kroppen til bestemmelse af kropstemperatur mest nøjagtigt.

Stefan – Boltzmann-loven

Som anført af Stefan – Boltzmann-loven er den samlede strålende udgang af et legeme M_er(T) er proportional med den fjerde effekt af dens temperatur, som vist i den følgende ligning

M_er(T) = εσT⁴

I denne ligning betyder ε emissivitet.

σ betegner Stefan – Boltzmann-konstanten, der svarer til størrelsen 5.67032 x 10^-1212 Wcm^-toTIL^-4, hvor bogstavet K er temperaturenheden i Kelvin.

Ovenstående ligning antyder, at når en krops temperatur stiger, øges dens infrarøde stråling også forholdsmæssigt. Denne IR-udstråling kunne måles fra afstand uden behov for fysisk kontakt. Aflæsningen kan give os det øjeblikkelige temperaturniveau i kroppen.

Hvilken sensor der kan anvendes

Den sensor, der er bedst egnet og anvendes i kontaktløse termometre, er en termopælesensor .

En termopælesensor konverterer et infrarødt varmekort fra en fjern kilde til en proportional mængde lille elektrisk spændingsudgang.

Det fungerer på termoelementprincippet, hvor forskellige metaller sammenføjes i serie eller parallelt for at skabe 'varme' og 'kolde' kryds. Når infrarød strålingsstrøm fra en kilde falder på termopolen, skaber det en temperaturforskel på tværs af disse kryds, der udvikler en ækvivalent mængde elektricitet på tværs af termoelementets endeterminaler.

Denne elektriske ydelse, der er proportional med varmekilden, kan måles for at identificere temperaturniveauet fra legemskilden.

Termoelementet inde i en termopil-sensor er indlejret over en siliciumchip, hvilket gør systemet ekstremt følsomt og nøjagtigt.

Brug af MLX90247 termopælesensor

IC MLX90247 er et glimrende eksempel på en alsidig termopælesensorenhed, som ideelt kan bruges til at fremstille en termisk scannerenhed eller en kontaktløs termometeranordning.

IC MLX90247 består af stablet termoelementnetværk over overfladen af en membran.

Varmemodtagelige forbindelser af termoelementet er strategisk placeret nær centrum af basismembranen, mens de differentielle kolde forbindelser er anbragt ved kanten af enheden, der danner enhedens siliciummasseområde.

Da membranen er designet til at være en dårlig leder af varme, er den detekterede varme fra kilden i stand til hurtigt at stige nær menbran-centret end enhedens bulkkant.

På grund af dette er en hurtig varmeforskel i stand til at udvikle sig på tværs af termopilens overgangsender, der forårsager et effektivt elektrisk potentiale til at udvikle sig over disse terminaler gennem termoelektrisk princip.

Den bedste del af termopilesensoren er, at den i modsætning til standard-IC'er ikke kræver en ekstern strømforsyning for at fungere, men genererer sit eget elektriske potentiale for at muliggøre den nødvendige måling.

Du får to varianter af IC MLX90247 som vist nedenfor, hvor den ene variant giver en jord-Vss-mulighed, og den anden er uden en Vss-pin.

Den øverste mulighed tillader en bipolar måling af IR-temperaturen. Det betyder, at output kan vise temperaturer højere end omgivelsestemperaturen og også lavere end omgivelsestemperaturen.

Den nederste mulighed kan bruges til måle temperatur enten over det omgivende niveau eller under det omgivende niveau og muliggør således en unipolær målefacilitet.

Hvorfor bruges termistor i termostablen

I ovenstående IC MLX90247 kan vi se en termistor inkluderes i enhedspakken. Termistoren spiller en vigtig rolle i oprettelsen af et referenceniveau output til det eksterne måleenhedstrin.

Termistoren er indbygget til at detektere enhedens omgivelsestemperatur eller kropstemperatur. Dette omgivelsestemperaturniveau bliver referenceniveauet for output-op-amp-scenen.

Så længe IR-temperaturen fra målet er under eller lig med dette referenceniveau, reagerer det eksterne op-forstærker-trin ikke, og dets output forbliver 0 V.

Men så snart IR-udstrålingen fra kroppen går forbi omgivelsestemperaturen, begynder opforstærkeren at reagere for at producere et gyldigt målbart output, som lineært svarer til kroppens stigende termiske output.

Kontaktløst termometerkredsløb ved hjælp af IC MLX90247 termopælesensor

I ovenstående prototype-kredsløb af et kontaktløst IR-termometerkredsløb finder vi termopil-sensoren IC MLX90247 i bipolar tilstand, konfigureret med en ekstern op-forstærker designet til at forstærke lille elektrisk fra termopilen til et målbart output.

Den øverste op-forstærker forstærker termoelementoutputet fra IC MLX90247, mens den nedre op-forstærker forstærker IC's omgivelsestemperatur.

En simpel differentiering VU-målere er fastgjort på tværs af udgangene fra de to op-forstærkere. Så længe der ikke er noget varmeemitterende legeme foran termopolen, forbliver dets indre termoelementtemperatur lig med den tilstødende termistortemperatur. På grund af dette genererer de to op amp udgange lige store mængder spændinger. VU-måleren angiver således en 0 V i midten af dens drejeknap.

Hvis en menneskelig krop med en højere temperatur end den omgivende bringes inden for termopælens sensorområde, begynder dens termoelementudgang over pin2 og pin4 at stige eksponentielt og overstiger termistorudgangen over pin3 og pin1.

Dette resulterer i, at den øverste op-forstærker genererer mere positiv spænding end den nedre op-forstærker. VU-måleren reagerer på dette, og nålen begynder at skifte på højre side af 0V-kalibreringen. Aflæsningen viser direkte temperaturniveauet for det mål, der registreres af termostangen.

Hvilken op-forstærker passer til applikationen

Da output fra termopil formodes at være i mikrovolt, skal op-forstærkeren, der skal bruges til at forstærke denne ekstremt lille spænding, være meget følsom og sofistikeret og med meget lav input-offset-specifikation. For at opfylde betingelserne ser det ud til, at en instrumenteringsforstærker er det bedste valg til denne applikation.

Selvom du måske finder mange gode instrumenteringsforstærkere online, ser INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Forstærker ud til at være den mest passende kandidat.

Der er mange gode funktioner, der gør denne IC bedst egnet til at forstærke termoelementspændinger til en målbar størrelse. Et grundlæggende IC INA333 instrumentationsforstærkerkredsløb kan ses nedenfor, og dette design kan bruges til at forstærke det ovenfor forklarede termopilkredsløb.

I dette INA333 op amp kredsløb modstanden R_G bestemmer kredsløbets forstærkning og kan beregnes ved hjælp af formlen:

Forstærkning = 1 + 100 / R._G

Outputresultatet vil være i kilo ohm.

Gennem denne formel kan vi indstille den samlede forstærkning af kredsløbet afhængigt af niveauet for mikrovolt modtaget fra termopilen.

Forstærkningen kan justeres lige fra 0 til 10.000, hvilket giver op-forstærkeren en enestående forstærkning af mikrovolt-input.

For at kunne bruge denne instrumenteringsforstærker uden termopil IC, har vi brug for to af disse op amp-moduler. Den ene vil blive brugt til at forstærke termoelementets signaloutput, og den anden vil blive brugt til at forstærke termistorens signaloutput, som vist nedenfor

Opsætningen kan bruges til at fremstille et kontaktløst IR-termometer, som vil producere et lineært stigende analogt output som reaktion på en lineært stigende IR-varme som detekteret af termopilen.

Den analoge udgang kan enten tilsluttes en milivolt VU-meter eller en digital mV-meter for at få en øjeblikkelig fortolkning af kroppens temperatur.

Outputtet V_eller kunne også estimeres gennem følgende ligning:

V_eller = G ( V_{i +} - V_i- )

Liste over dele

Følgende dele er nødvendige for at opbygge det ovenfor forklarede conctless termometer kredsløb:

Termopælesensor IC MLX90247 - 1nr
Instrumentation Op amp INA333 - 2 nr
Voltmeter med et interval fra 0 til 1V FSD - 1 nr
1,2 V AAA Ni-Cd-celler til strømforsyning af INA333 - 2 nr

Voltmeteraflæsningen skal kalibreres i Celsius, hvilket kan gøres med nogle eksperimenter og prøving og fejl.

Brug af en PIR

Til normal PIR-sensor fungerer også pænt og giver et billigt alternativ til disse typer applikationer.

En PIR inkluderer en pyroelektrisk materialebaseret sensor såsom TGS, BaTiO3 og så videre, som gennemgår en spontan polarisering, når den registrerer en ændring i temperatur inden for detektionsområdet.

Polarisationsladningen i en PIR-enhed, der genereres på grund af ændringer i dens temperatur, afhænger af bestrålingseffekten Phi_er transmitteres af kroppen på PIR-sensoren. Dette får PIR-output til at generere en strøm jeg_d ωpA_d( Δ T) .

Enheden genererer også en spænding V_eller som kan være lig med strømproduktet jeg_d og enhedens impedans. Dette kan udtrykkes med følgende ligning:

V_eller= Jeg_dR_d/ √1 + ω^toR^to_dC^to_d

Denne ligning kan strømlines yderligere til:

V_eller= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^toR^to_dC^to_d

hvor p angiver den pyroelektriske koefficient, ω betegner radianfrekvensen og Δ T er lig med forskellen i detektortemperaturen T_d
og omgivelsestemperatur T_til.

Nu ved at anvende varmebalance ligning finder vi, at værdien af Δ T kan afledes som udtrykt i følgende ligning:

Δ T = R_TPhi_er/ √ (1 + ω^toτ^to_T)

Hvis vi erstatter denne værdi af Δ T i den forrige ligning får vi et resultat, der repræsenterer Vo med en båndpasegenskaber, som vist nedenfor:

hvor τ_ER henviser til den elektriske tidskonstant ( R_dC_d ), τ_T angiver
termisk tidskonstant ( R_TC_T ) og Phi_er symboliserer strålingen
strøm fra det mål, der registreres af sensoren.

Ovenstående diskussioner og ligninger beviser, at udgangsspændingen Vo fra en PIR er direkte proportional med den strålingseffekt, der udsendes fra kilden, og således bliver ideel egnet til kontaktløse temperaturmåling.

Vi ved dog, at en PIR ikke kan reagere på en stationær IR-kilde og kræver, at kilden er i bevægelse for at muliggøre et læsbart output.

Da bevægelseshastigheden også påvirker outputdataene, skal vi sørge for, at kilden bevæger sig med en præcis hastighed, et aspekt, der kan være umuligt at implementere på et menneskeligt mål.

Derfor er en nem måde at imødegå dette på at lade det menneskelige mål være papirvarer og replikere dets bevægelse ved at grænseflade mellem et kunstigt motorbaseret helikopter med PIR-linsesystemet.

Kontaktløs termometerprototype ved hjælp af PIR

De følgende afsnit forklarer testopsætningen af et praktisk termisk scannersystem, der kan anvendes til opbygning af en praktisk prototype efter en grundig optimering af de forskellige involverede parametre.

Som det blev lært i det foregående afsnit, er en PIR designet til at detektere strålingsemission i form af en temperaturændringshastighed dT / dt og reagerer derfor kun på en infrarød varme, der pulseres med en passende beregnet frekvens.

Pr. Eksperimenter viser det sig, at PIR fungerer bedst ved en pulsfrekvens på omkring 8 Hz, hvilket opnås ved en jævn hakning af det indgående signal gennem en servohakker

Grundlæggende giver hugning af signalerne PIR-sensoren mulighed for at vurdere og udsende kroppens strålende effekt som spændingsspidser. Hvis chopperfrekvensen er korrekt optimeret, vil gennemsnitsværdien af disse pigge være direkte proportional med intensiteten af strålingstemperaturen.

Det følgende billede viser en typisk testopsætning til oprettelse af en optimeret måleenhed eller MU.

For at sikre en effektiv brug af systemet skal afstanden mellem IR-kilden og sensorens synsfelt (FOV) være omkring 40 cm. Med andre ord skal det udstrålende legeme og PIR-objektivet være i en afstand på 40 cm fra hinanden.

Vi kan også se et haktersystem bestående af en lille trinmotor med en propel installeret mellem fresnel-linsen og den PIR-pyroelektriske sensor.

Hvordan det virker

IR-strålingen fra kroppen passerer gennem fresnel-linsen, derefter hugges den ved 8 Hz-frekvens af choppermotoren, og den resulterende pulserende IR-stråling detekteres af PIR-sensoren.

Udgangsstrømmen ækvivalent med denne detekterede IR påføres derefter til 'signalbalsam' -trinet lavet med mange op-amp-trin.

Det endelige forstærkede og konditionerede output fra signalbehandleren analyseres på et oscilloskop for at kontrollere kredsløbets reaktion på en varierende strålende udgang af et legeme.

Optimering af PIR og chopper

For at få de bedst mulige resultater skal følgende kriterier være sikret for PIR og chopperforeningen.

Chopper-skiven eller knivene skal placeres for at rotere mellem fresnel-linsen og den interne PIR-sensor.

Fresnel-linsediameteren må ikke være mere end 10 mm.

Brændvidden på linsen skal være omkring 20 mm.

I betragtning af det faktum, at det typiske sensorområde i TIL_d 1,6 mm Phi og er installeret tæt på objektivets brændvidde, synsfeltet eller FOV viser sig at være 4,58^ellerved hjælp af følgende formel:

FOV_{(halv vinkel)}≈ | så^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^eller

I denne ligning d_s betegner sensorens detekterbare diameter, og f er objektivets brændvidde.

Chopper Blade Specifikationer

Arbejdseffektiviteten af det berøringsløse termometer afhænger i høj grad af, hvordan den indfaldende infrarøde pulsering gennem chopper-systemet og

I denne helikopter skal følgende dimensioner anvendes:

Chopperen skal have 4 knive og en DC-diameter skal være omkring 80 mm. Den skal køres gennem en trinmotor eller et PWM-styret kredsløb.

Den omtrentlige rotationsfrekvens skal være omkring 5 Hz til 8 Hz for optimal ydeevne.

PIR-fresnel-linsen skal placeres 16 mm bag den pyroelektriske sensor, således at den indkommende IR-signaldiameter, der falder på linsen, er omkring 4 mm, og denne diameter formodes at være meget mindre end 'tandbredde' TW af chopper disk.

Konklusion

En kontaktløs termisk scanner eller et IR-termometer er en meget nyttig enhed, der gør det muligt at måle menneskets kropstemperatur fra afstand uden nogen fysisk kontakt.

Hjertet i denne enhed er en infrarød sensor, der registrerer varmeniveauet i form af et strålingsstrøm fra et legeme og omdanner det til et ækvivalent niveau af elektrisk potentiale.

De to typer sensorer, der kan bruges til dette formål, er termopælesensoren og den pyroelektriske sensor.

Selvom de begge fysisk ligner hinanden, er der en enorm forskel i funktionsprincippet.

En termopæle arbejder med det grundlæggende princip for et termoelement og genererer et elektrisk potentiale, der er proportionalt med temperaturforskellen over dets termoelementkryds.

En pyroelektrisk sensor, der normalt anvendes i PIR-sensorer, fungerer ved at detektere temperaturændringen i et legeme, når kroppen med en højere temperatur end den omgivende temperatur krydser sensorens synsfelt. Denne ændring af temperaturniveauet konverteres til en proportional mængde elektrisk potentiale ved dets output

Det er meget lettere at konfigurere og implementere termopæle som en lineær enhed i alle former for applikationer til termisk scanning.