В этом посте мы познакомимся с основной концепцией работы тепловизионных сканеров или бесконтактных ИК-термометров, а также узнаем, как сделать практический прототип прибора своими руками. без Ардуино .

В эпоху, наступившую после COVID-19, часто можно было наблюдать, как врачи держат бесконтактный температурный пистолет и направляют в сторону подозреваемого в COVID-19.

Устройство на самом деле является бесконтактным термометром, который определяет мгновенную температуру поверхности тела подозреваемого и позволяет врачу узнать, в норме ли человек или у него лихорадка?

Основной метод тестирования

В процессе тестирования мы обнаруживаем, что уполномоченное лицо направляет лазерный луч из бесконтактного температурного пистолета на лоб подозреваемого и отмечает температуру на задней ЖК-панели устройства.

Лазерный луч фактически не имеет прямого отношения к процедуре измерения температуры. Он используется только для того, чтобы помочь врачу убедиться, что инфракрасный термометр правильно наведен на идеальное место тела для определения температура тела в основном точно.

Закон Стефана – Больцмана.

Согласно закону Стефана – Больцмана, полное излучение тела M_{является}(T) пропорциональна четвертой степени его температуры, как показано в следующем уравнении

M_{является}(T) = εσT⁴

В этом уравнении ε означает коэффициент излучения.

σ обозначает постоянную Стефана – Больцмана, которая эквивалентна величине 5,67032 x 10^-1212 Втсм^-2К^-4, где буква K - единица измерения температуры в Кельвинах.

Приведенное выше уравнение предполагает, что при повышении температуры тела его инфракрасное излучение также пропорционально увеличивается. Это инфракрасное излучение можно было измерить на расстоянии без какого-либо физического контакта. Показания могут предоставить нам мгновенный уровень температуры тела.

Какой датчик применим

Датчик, который лучше всего подходит и используется в бесконтактных термометрах, - это датчик датчик термобатареи .

Датчик термобатареи преобразует тепловую карту падающего инфракрасного излучения от удаленного источника в пропорциональную величину крошечного выходного электрического напряжения.

Он работает по принципу термопары, в которой разнородные металлы соединяются последовательно или параллельно для создания «горячих» и «холодных» спаев. Когда поток инфракрасного излучения от источника падает на термобатарею, он создает разницу температур на этих переходах, создавая эквивалентное количество электричества на концевых выводах термопары.

Эту электрическую мощность, пропорциональную источнику тепла, можно измерить, чтобы определить уровень температуры источника тепла.

Термопара внутри датчика термобатареи встроена в кремниевый чип, что делает систему чрезвычайно чувствительной и точной.

Использование датчика термобатареи MLX90247

IC MLX90247 - отличный пример универсального сенсорного устройства на термобатареи, который может быть идеально использован для создания устройства теплового сканирования или устройства бесконтактного термометра.

IC MLX90247 состоит из сети термопар, наложенных на поверхность мембраны.

Тепловые спаи термопары стратегически расположены рядом с центром базовой мембраны, в то время как дифференциальные холодные спаи расположены на краю устройства, которые образуют основную кремниевую область устройства.

Поскольку мембрана сконструирована так, чтобы быть плохим проводником тепла, обнаруженное тепло от источника может быстрее подниматься ближе к центру менбраны, чем к основной кромке устройства.

Благодаря этому на концах спая термобатареи может развиваться быстрая разница тепла, что приводит к возникновению эффективного электрического потенциала на этих выводах по термоэлектрическому принципу.

Лучшая часть датчика термобатареи заключается в том, что, в отличие от стандартных ИС, он не требует внешнего источника питания для работы, а, скорее, генерирует свой собственный электрический потенциал для выполнения необходимых измерений.

Вы получаете два варианта микросхемы MLX90247, как показано ниже, при этом один вариант обеспечивает возможность заземления Vss, а другой - без вывода Vss.

Верхний вариант позволяет проводить биполярное измерение ИК-температуры. Это означает, что выходной сигнал может показывать температуры выше, чем температура окружающей среды, а также ниже, чем температуры окружающей среды.

Нижний вариант можно использовать для измерить температуру либо выше уровня окружающей среды, либо ниже уровня окружающей среды, и, таким образом, обеспечивает возможность униполярного измерения.

Почему термистор используется в термоэлементе

В приведенной выше микросхеме MLX90247 мы видим термистор входит в комплект устройства. Термистора играет важную роль в создании выходного опорного уровня для внешнего измерительного блока ступени.

Термистор встроен для определения температуры окружающей среды или температуры тела устройства. Этот уровень температуры окружающей среды становится опорным уровнем для выходного каскада операционного усилителя.

До тех пор, пока температура ИК от мишени ниже или равно этого опорного уровня, внешние ОУ усилителем этапа не отвечают, а его выход остается 0 В.

Однако, как только ИК-излучение от тела превышает температуру окружающей среды, операционный усилитель начинает реагировать, выдавая действительный измеримый выходной сигнал, который линейно соответствует увеличению теплового излучения тела.

Схема бесконтактного термометра с использованием термобатареи IC MLX90247

В приведенном выше прототипе схемы бесконтактного ИК-термометра мы находим датчик термобатареи IC MLX90247 в биполярном режиме, сконфигурированный с внешним операционным усилителем, предназначенным для усиления крошечного электричества от термобатареи до измеримого выхода.

Верхний ОУ усиливает выходной сигнал термопары ИС MLX90247, а нижний ОУ усиливает температуру окружающей среды ИС.

Простой дифференциал VU метры подключается к выходам двух операционных усилителей. Пока перед термобатареей нет излучающего тепло тела, температура ее внутренней термопары остается равной температуре соседнего термистора. Благодаря этому два выхода операционного усилителя генерируют одинаковое количество напряжений. Таким образом, VU-метр показывает 0 В в центре циферблата.

В случае, если человеческое тело, имеющее более высокую температуру, чем окружающая среда, попадает в диапазон чувствительности термобатареи, его выход термопары на контактах 2 и 4 начинает экспоненциально расти и превышает выходной сигнал термистора на контактах 3 и 1.

Это приводит к тому, что верхний операционный усилитель генерирует более положительное напряжение, чем нижний операционный усилитель. Измеритель уровня громкости реагирует на это, и его стрелка начинает смещаться вправо от калибровки 0 В. Показания напрямую показывают уровень температуры мишени, обнаруженный термобатареей.

Какой операционный усилитель подходит для приложения

Поскольку предполагается, что выходной сигнал термобатареи будет в микровольтах, операционный усилитель, который будет использоваться для усиления этого чрезвычайно малого напряжения, должен быть высокочувствительным и сложным, а также с очень низкими характеристиками входного смещения. Чтобы удовлетворить эти условия, инструментальный операционный усилитель представляется лучшим выбором для этого приложения.

Хотя вы можете найти в Интернете много хороших инструментальных усилителей, инструментальный усилитель INA333 Micro-Power (50 мкА) с нулевым дрейфом и выходом Rail-to-Rail Out представляется наиболее подходящим кандидатом.

Есть много замечательных особенностей, которые делают эту ИС наиболее подходящей для усиления напряжений термопар до измеримых величин. Базовую схему инструментального усилителя IC INA333 можно увидеть ниже, и эту конструкцию можно использовать для усиления описанной выше схемы термобатареи.

В этой схеме операционного усилителя INA333 резистор р_грамм определяет коэффициент усиления схемы и может быть рассчитан по формуле:

Прирост = 1 + 100 / R_грамм

Результат на выходе будет в килоомах.

С помощью этой формулы мы можем установить общий коэффициент усиления схемы в зависимости от уровня микровольт, получаемого от термобатареи.

Коэффициент усиления можно регулировать от 0 до 10 000, что обеспечивает операционному усилителю исключительный уровень усилительной способности для микровольтных входов.

Чтобы использовать этот инструментальный усилитель без ИС с термобатареей, нам понадобятся два таких модуля операционных усилителей. Один будет использоваться для усиления выходного сигнала термопары, а другой - для усиления выходного сигнала термистора, как показано ниже.

Установку можно использовать для изготовления бесконтактного инфракрасного термометра, который будет производить линейно увеличивающийся аналоговый выходной сигнал в ответ на линейно увеличивающееся инфракрасное излучение, обнаруживаемое термобатареей.

Аналоговый выход может быть подключен к милливольтному измерителю уровня громкости или цифровой мВ метр для получения мгновенной интерпретации уровня температуры тела.

Выход V_{или же} можно также оценить с помощью следующего уравнения:

V_{или же} = G ( V_{в +} - V_в- )

Список деталей

Для построения схемы бесконтактного термометра, описанной выше, потребуются следующие детали:

Микросхема термобатареи MLX90247 - 1 шт.
Инструментальный операционный усилитель INA333 - 2nos
Вольтметр с диапазоном от 0 до 1 В FSD - 1no
Ni-Cd элементы AAA 1,2 В для питания INA333 - 2nos

Показания вольтметра необходимо откалибровать в градусах Цельсия, что можно сделать с помощью некоторых экспериментов, проб и ошибок.

Использование PIR

К нормальному Датчик PIR также прекрасно работает и представляет собой дешевую альтернативу для приложений такого типа.

PIR включает датчик на основе пироэлектрического материала, такого как TGS, BaTiO3 и т. Д., Который проходит самопроизвольную поляризацию, когда чувствует изменение температуры в пределах своего диапазона обнаружения.

Поляризационный заряд в PIR-устройстве, генерируемый из-за изменения его температуры, зависит от мощности излучения. Фи_{является} передается телом на датчик PIR. Это заставляет выход PIR генерировать ток я_d ωpA_d( Δ Т) .

Устройство также генерирует напряжение V_{или же} который может быть равен произведению текущего я_d и импеданс устройства. Это можно выразить следующим уравнением:

V_{или же}= Я_dр_d/ √1 + ω^двар^два_dC^два_d

Это уравнение можно упростить следующим образом:

V_{или же}= ωpA_dр_d( Δ T) / √1 + ω^двар^два_dC^два_d

где p обозначает пироэлектрический коэффициент, ω обозначает радианную частоту, а Δ T равна разнице температуры детектора T_d
и температура окружающей среды T_к.

Теперь, применяя уравнение теплового баланса, мы находим, что значение Δ T может быть получено, как выражено в следующем уравнении:

Δ Т = R_ТФи_{является}/ √ (1 + ω^дваτ^два_Т)

Если мы заменим это значение Δ T в предыдущем уравнении, мы получаем результат, который представляет Vo с характеристиками полосы пропускания, как показано ниже:

куда τ_{ЯВЛЯЕТСЯ} относится к электрической постоянной времени ( р_dC_d ), τ_Т указывает на
тепловая постоянная времени ( р_ТC_Т ), и Фи_{является} символизирует сияющий
мощность от цели, обнаруженной датчиком.

Приведенные выше обсуждения и уравнения доказывают, что выходное напряжение Vo от PIR прямо пропорционально мощности излучения, излучаемой источником, и, таким образом, становится идеально подходящим для приложений бесконтактного измерения температуры.

Однако мы знаем, что PIR не может реагировать на стационарный источник инфракрасного излучения и требует, чтобы источник находился в движении для обеспечения читаемого вывода.

Поскольку скорость движения также влияет на выходные данные, мы должны убедиться, что источник движется с точной скоростью - аспект, который может быть невозможно реализовать на человеческой цели.

Таким образом, простой способ противодействовать этому - позволить человеку быть неподвижным и воспроизвести его движение путем взаимодействия с искусственным моторный измельчитель с системой линз PIR.

Прототип бесконтактного термометра с использованием PIR

В следующих параграфах описывается испытательная установка практической системы теплового сканирования, которую можно применить для создания практического прототипа после тщательной оптимизации различных задействованных параметров.

Как было сказано в предыдущем разделе, ИК-датчик предназначен для обнаружения лучистого излучения в виде скорости изменения температуры. dT / dt , и, следовательно, реагирует только на инфракрасное излучение, которое пульсирует с правильно рассчитанной частотой.

Согласно экспериментам, было обнаружено, что PIR лучше всего работает при частоте импульсов около 8 Гц, что достигается за счет постоянного прерывания входящего сигнала через сервомеханизм.

По сути, прерывание сигналов позволяет датчику PIR оценивать и выводить мощность излучения тела в виде скачков напряжения. Если частота прерывателя правильно оптимизирована, то среднее значение этих выбросов будет прямо пропорционально интенсивности излучаемой температуры.

На следующем рисунке показана типичная испытательная установка для создания оптимизированного измерительного блока или MU.

Для обеспечения эффективной работы системы расстояние между источником ИК-излучения и полем зрения датчика должно быть около 40 см. Другими словами, излучающее тело и линза PIR должны находиться на расстоянии 40 см друг от друга.

Мы также можем увидеть систему прерывателя, состоящую из небольшого шагового двигателя с пропеллером, установленным между линзой Френеля и пироэлектрическим датчиком PIR.

Как это устроено

ИК-излучение от тела проходит через линзу Френеля, затем прерывается двигателем прерывателя с частотой 8 Гц, и возникающее импульсное ИК-излучение регистрируется датчиком PIR.

Выходной переменный ток, эквивалентный этому обнаруженному IR, затем подается на каскад «формирователя сигнала», состоящий из множества каскадов операционного усилителя.

Окончательный усиленный и кондиционированный выходной сигнал формирователя сигнала анализируется на осциллографе, чтобы проверить реакцию схемы на изменяющуюся выходную мощность излучения тела.

Оптимизация PIR и чоппера

Чтобы получить наилучшие возможные результаты, необходимо обеспечить соблюдение следующих критериев для PIR и ассоциации измельчителя.

Диск измельчителя или лезвия должны быть расположены так, чтобы вращаться между линзой Френеля и внутренним ИК-датчиком.

Диаметр линзы Френеля не должен превышать 10 мм.

Фокусное расстояние объектива должно быть около 20 мм.

Учитывая тот факт, что типичная зона зондирования К_d 1,6 мм Фи и установлен близко к фокусному расстоянию объектива, поле зрения или FOV составляет 4,58^{или же}по следующей формуле:

FOV_{(половина угла)}≈ | так^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^{или же}

В этом уравнении d_s обозначает обнаруживаемый диаметр датчика, а ж - фокусное расстояние объектива.

Технические характеристики ножа измельчителя

Эффективность работы бесконтактного термометра во многом зависит от того, как падающее инфракрасное излучение проходит через систему прерывателя и

В этом измельчителе должны использоваться следующие размеры:

Измельчитель должен иметь 4 ножа, а диаметр Dc должен составлять около 80 мм. Он должен приводиться в действие шаговым двигателем или схемой с ШИМ-управлением.

Приблизительная частота вращения должна составлять от 5 Гц до 8 Гц для оптимальной производительности.

Линза Френеля PIR должна быть расположена на 16 мм позади пироэлектрического датчика, так, чтобы диаметр входящего ИК-сигнала, падающего на линзу, составлял около 4 мм, и этот диаметр должен быть намного меньше TW ширины зуба измельчителя. диск.

Вывод

Бесконтактный тепловизор или ИК-термометр - очень полезное устройство, которое позволяет измерять температуру человеческого тела на расстоянии без какого-либо физического контакта.

Сердцем этого устройства является инфракрасный датчик, который определяет уровень тепла в виде лучистого потока тела и преобразует его в эквивалентный уровень электрического потенциала.

Для этой цели можно использовать два типа датчиков: датчик термобатареи и пироэлектрический датчик.

Хотя физически они кажутся похожими, есть огромная разница в принципе работы.

Термобатарея работает по основному принципу термопары и генерирует электрический потенциал, пропорциональный разнице температур на ее спаях.

Пироэлектрический датчик, который обычно используется в датчиках PIR, работает, обнаруживая изменение температуры тела, когда тело с более высокой температурой, чем температура окружающей среды, пересекает поле зрения датчика. Это изменение уровня температуры преобразуется в пропорциональную величину электрического потенциала на его выходе.

Термобатарею, являющуюся линейным устройством, намного проще настроить и внедрить во все виды приложений для теплового сканирования.