Ebben a bejegyzésben megtanuljuk a termikus szkennerek vagy az érintés nélküli IR hőmérők alapvető működési koncepcióját, valamint megtanuljuk, hogyan készítsünk praktikus barkácsolási prototípust az egységről Arduino nélkül .

A COVID-19 utáni korszakban gyakori látvány, amikor az orvosok érintés nélküli hőmérsékleti fegyvert tartanak és a COVID-19 gyanúsítottja homlokára mutatnak.

Az eszköz valójában egy érintés nélküli hőmérő, amely érzékeli a gyanúsított testfelületének pillanatnyi hőmérsékletét, és lehetővé teszi az orvos számára, hogy megtudja, normális-e vagy lázban szenved-e?

Alapvető vizsgálati módszer

A tesztelési folyamat során megtaláljuk az arra jogosult személyt, aki a gyanúsított homlokán az érintés nélküli hőmérsékleti pisztolyból lézersugarat mutat, és megjegyzi a hőmérsékletet a készülék hátsó LCD paneljén.

A lézersugárnak valójában nincs közvetlen kapcsolata a hőmérsékletmérési eljárással. Csak arra szolgál, hogy segítse az orvost abban, hogy az infravörös hőmérő helyesen irányuljon a test ideális helyére a testhőmérséklet többnyire pontosan.

Stefan – Boltzmann-törvény

Amint azt Stefan – Boltzmann-törvény kimondja, az M test teljes sugárzó kilépése_van(T) arányos hőmérsékletének negyedik teljesítményével, amint azt a következő egyenlet mutatja

M_van(T) = εσT⁴

Ebben az egyenletben az ε az emissziós képességet jelenti.

σ a Stefan – Boltzmann-állandót jelöli, amely egyenértékű az 5,67032 x 10 mennyiséggel^-1212 Wcm^-2NAK NEK^-4, ahol a K betű a hőmérséklet mértékegysége Kelvinben.

A fenti egyenlet azt sugallja, hogy amikor egy test hőmérséklete emelkedik, annak infravörös sugárzása is arányosan növekszik. Ez az infravörös sugárzás távolról is mérhető volt, fizikai érintkezés nélkül. A leolvasás a test pillanatnyi hőmérsékleti szintjét adhatja meg számunkra.

Melyik érzékelő alkalmazható

A legmegfelelőbb és az érintés nélküli hőmérőkben használt érzékelő a termopile érzékelő .

A hőelemes szenzor egy távoli forrásból érkező infravörös hőtérképet átalakítja egy arányos mennyiségű apró elektromos feszültséggé.

A hőelem elvén működik, amikor a különböző fémeket sorba vagy párhuzamosan kapcsolják össze, mellyel „forró” és „hideg” csomópontokat hoznak létre. Amikor egy forrásból származó infravörös sugárzó fluxus a hőelemre esik, ez hőmérséklet-különbséget eredményez ezeken a csomópontokon, ekvivalens mennyiségű villamos energiát fejlesztve ki a hőelem végkapcsain.

Ez a hőforrással arányos elektromos teljesítmény mérhető a test forrásából származó hőmérsékleti szint azonosításához.

A hőelemes érzékelő belsejében lévő hőelem szilícium chip fölé van ágyazva, ami rendkívül érzékennyé és pontossá teszi a rendszert.

Az MLX90247 Thermopile Sensor használata

Az IC MLX90247 kiváló példa egy sokoldalú hőelemes érzékelő eszközre, amely ideálisan használható hőolvasó készülék vagy érintés nélküli hőmérő eszköz előállítására.

Az IC MLX90247 egy membrán felületén halmozott hőelem-hálózatból áll.

A hőelem hőfogadó csomópontjai stratégiailag az alapmembrán közepe közelében helyezkednek el, míg a differenciál hideg csomópontok az eszköz szélén helyezkednek el, amelyek alkotják az egység szilícium ömlesztett területét.

Mivel a membránt rossz hővezetőnek tervezték, a forrásból származó detektált hő képes gyorsan felemelkedni a menbrane központ közelében, mint a készülék ömlesztett éle.

Ennek köszönhetően gyors hőkülönbség képes kialakulni a termopile elágazások végén, ami a termoelektromos elv révén hatékony elektromos potenciál kialakulását eredményezi ezeken a terminálokon.

A hőelemes érzékelő legjobb része az, hogy a szokásos IC-ktől eltérően a működéséhez nincs szükség külső áramellátásra, inkább saját elektromos potenciált generál a szükséges mérés lehetővé tételéhez.

Az IC MLX90247 két változatát kapja, az alábbiak szerint, ahol az egyik változat földelt Vss opciót nyújt, a másik pedig Vss tű nélkül.

A felső opció lehetővé teszi az IR hőmérséklet bipoláris mérését. A kimenet azt jelenti, hogy a hőmérséklet magasabb, mint a környezeti hőmérséklet, és alacsonyabb is, mint a környezeti hőmérséklet.

Az alsó opció használható mérje meg a hőmérsékletet akár a környezeti szint felett, akár a környezeti szint alatt, és így lehetővé teszi az unipoláris mérési lehetőséget.

Miért használják a Thermistort a Thermopile-ban?

A fenti IC MLX90247 IC-ben láthatjuk a termisztor hogy szerepeljen az eszközcsomagban. A termisztor fontos szerepet játszik a külső mérőegység fokozatának referenciaszintű kimenetének létrehozásában.

A termisztor beépítve van a készülék környezeti hőmérsékletének vagy testhőmérsékletének kimutatására. Ez a környezeti hőmérsékleti szint lesz a kimeneti op amp fokozat referenciaszintje.

Amíg az IR hőmérséklete a célponttól alacsonyabb vagy egyenlő, mint a referenciaszint, a külső op erősítő fokozat nem reagál, és a kimenete 0 V marad.

Amint azonban a test IR-sugárzása meghaladja a környezeti hőmérsékletet, az op erősítő reagálni kezd, és érvényes mérhető kimenetet eredményez, amely lineárisan megegyezik a test növekvő hőteljesítményével.

Érintés nélküli hőmérő áramkör IC MLX90247 hőelem-érzékelővel

Az érintés nélküli IR hőmérő áramkörének fenti prototípus áramkörében az IC MLX90247 hőmérő szenzort találjuk meg bipoláris módban, egy külső op erősítővel konfigurálva, amely arra hivatott, hogy a hőmérőből az apró elektromos áramot mérhető kimenetre erősítse.

A felső op erősítő felerősíti a hőelem kimenetét az IC MLX90247-ből, míg az alsó op erősítő az IC környezeti hőmérsékletét.

Egyszerű differenciálmű JE mérő a két op erősítő kimenetein keresztül kapcsolódik. Amíg nincs hő kibocsátó test a termopile előtt, belső hőelem hőmérséklete megegyezik a szomszédos termisztor hőmérsékletével. Emiatt a két op amp kimenet azonos mennyiségű feszültséget generál. A JE mérője tehát 0 V-ot jelez a tárcsa közepén.

Abban az esetben, ha a környezõnél magasabb hõmérsékletû emberi testet a termopile érzékszervi tartományába viszik, akkor a termoelem kimenete a 2-es és a 4-es érintkezõn át exponenciálisan kezd emelkedni, és meghaladja a 3-as és 1-es érintkezõ termisztor-teljesítményét.

Ennek eredményeként a felső op erősítő több pozitív feszültséget generál, mint az alsó op erősítő. A JE mérője reagál erre, és a tűje elkezd mozogni a 0V kalibrálás jobb oldalán. A leolvasás közvetlenül mutatja a hőelem által észlelt cél hőmérsékleti szintjét.

Melyik Op erősítő felel meg az alkalmazásnak

Mivel a termopile kimenete állítólag mikrovoltokban van, ennek a rendkívül kicsi feszültségnek az erősítésére használandó op erősítőnek nagyon érzékenynek és kifinomultnak kell lennie, és nagyon alacsony bemeneti eltolási specifikációval kell rendelkeznie. A feltételek teljesítéséhez a műszeres erősítő tűnik a legjobb választás ehhez az alkalmazáshoz.

Bár sok jó műszererősítőt találhat online, az INA333 Micro-Power (50μA), a Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out műszeres erősítő tűnik a legmegfelelőbb jelöltnek.

Számos nagyszerű lehetőség van arra, hogy ez az IC a legalkalmasabb a hőelemek feszültségeinek mérhető nagyságúvá történő erősítésére. Az alábbiakban egy alapvető IC INA333 műszererősítő áramkör látható, és ez a kialakítás felhasználható a fent ismertetett hőelemes áramkör erősítésére.

Ebben az INA333 op erősítő áramkörben az ellenállás R_G meghatározza az áramkör erősítését, és kiszámítható a következő képlettel:

Nyereség = 1 + 100 / R_G

A kimenet eredménye kilo Ohm lesz.

Ezen a képleten keresztül állíthatjuk be az áramkör teljes erősítését, a hőelemtől kapott mikrovolt szintjétől függően.

Az erősítés közvetlenül 0 és 10 000 között állítható, ami az op erősítőnek kivételes erősítési képességet biztosít a mikrovolt bemenetekhez.

Ahhoz, hogy ezt a műszeres erősítőt ne lehessen termopile IC-vel használni, ezekre kettőre lesz szükségünk. Az egyiket a hőelem kimenetének erősítésére, a másikat a termisztor kimenetének erősítésére használják, az alábbiak szerint

A beállítást fel lehet használni egy érintés nélküli IR hőmérő előállítására, amely lineárisan növekvő analóg kimenetet eredményez egy lineárisan növekvő IR hőre reagálva, amint azt a termopile detektálja.

Az analóg kimenet vagy egy milivoltos JE mérőhöz vagy a digitális mV mérő a test hőmérsékleti szintjének azonnali értelmezéséhez.

A kimenet V_vagy a következő egyenlet segítségével is megbecsülhető:

V_vagy = G ( V_{a + -ban} - V_{ban ben-} )

Alkatrész lista

A következő részekre lesz szükség a fentiekben ismertetett, érintés nélküli hőmérő áramkör kiépítéséhez:

Termopile Sensor IC MLX90247 - 1 sz
Hangszerelés Op amp INA333 - 2nos
Feszültségmérő 0 és 1 V közötti tartományban FSD - 1 no
1,2 V AAA Ni-Cd cellák az INA333 - 2nos táplálásához

A voltmérő leolvasását Celsius-ban kell kalibrálni, ami némi kísérletezéssel, próbával és hibával elvégezhető.

PIR használata

Normálisra PIR érzékelő szintén szépen működik, és olcsó alternatívát kínál az ilyen típusú alkalmazásokhoz.

A PIR tartalmaz piroelektromos anyag alapú szenzort, például TGS, BaTiO3 és így tovább, amely spontán polarizáción megy keresztül, amikor érzékeli a hőmérséklet változását a kimutatási tartományán belül.

A hőmérséklet-változás miatt keletkező PIR-eszköz polarizációs töltése a besugárzási teljesítménytől függ Phi_van amelyet a test továbbít a PIR érzékelőn. Ez azt eredményezi, hogy a PIR kimenet áramot generál én_d ωpA_d( Δ T) .

A készülék feszültséget is generál V_vagy amely egyenlő lehet az áram szorzatával én_d és a készülék impedanciája. Ez a következő egyenlettel fejezhető ki:

V_vagy= I_dR_d/ √1 + ω^kétR^két_dC^két_d

Ez az egyenlet tovább egyszerűsíthető:

V_vagy= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^kétR^két_dC^két_d

ahol p a piroelektromos együtthatót jelöli, ω a sugárfrekvenciát és Δ T megegyezik a detektor T hőmérsékletének különbségével_d
és a környezeti hőmérséklet T_{nak nek}.

Most a hőmérlegegyenlet alkalmazásával azt találjuk, hogy a Δ A T levezethető a következő egyenletben kifejezve:

Δ T = R_TPhi_van/ √ (1 + ω^kétτ^két_T)

Ha ezt az értéket kicseréljük Δ T az előző egyenletben olyan eredményt kapunk, amely a Vo sáváteresztő tulajdonságokkal rendelkezik, az alábbiak szerint:

hol τ_IS az elektromos időállandóra utal ( R_dC_d ), τ_T jelzi a
termikus időállandó ( R_TC_T ), és Phi_van a sugárzást szimbolizálja
az érzékelő által észlelt energia a céltól.

A fenti megbeszélések és egyenletek azt bizonyítják, hogy a PIR kimeneti Vo feszültsége egyenesen arányos a forrásból kibocsátott sugárzási teljesítménnyel, és így ideálissá válik érintés nélküli hőmérsékletmérési alkalmazásokhoz.

Tudjuk azonban, hogy a PIR nem tud válaszolni egy írószeres IR-forrásra, és az olvasható kimenet engedélyezéséhez a forrásnak mozgásban kell lennie.

Mivel a mozgás sebessége befolyásolja a kimeneti adatokat is, meg kell győződnünk arról, hogy a forrás pontos sebességgel mozog-e, ezt a szempontot lehetetlen lehet megvalósítani egy emberi célponton.

Ezért egy egyszerű módja ennek ellensúlyozására, hogy az emberi célpont írószer legyen, és megismételje mozgását egy mesterséges eszköz összekapcsolásával motoros aprító a PIR lencserendszerrel.

Érintés nélküli hőmérő prototípus PIR segítségével

A következő bekezdések elmagyarázzák egy praktikus hőszkenner-rendszer tesztelését, amely a gyakorlati prototípus felépítéséhez alkalmazható, a különböző paraméterek alapos optimalizálása után.

Amint azt az előző szakaszban megtudtuk, a PIR-t arra tervezték, hogy érzékelje a sugárzást a hőmérséklet változásának sebessége formájában dT / dt és ennélfogva csak egy infravörös hőre reagál, amelyet megfelelően kiszámított frekvenciával pulzálnak.

A kísérletek szerint azt tapasztaltuk, hogy a PIR működik a legjobban 8 Hz körüli impulzus frekvencián, amelyet a bejövő jel szervo chopperen keresztüli folyamatos felaprításával érünk el

Alapvetően a jelek szaggatása lehetővé teszi a PIR érzékelő számára, hogy a test sugárzási teljesítményét feszültségcsúcsként értékelje és adja ki. Ha a szecskázó frekvenciája megfelelően van optimalizálva, akkor e tüskék átlagos értéke egyenesen arányos lesz a sugárzó hőmérséklet intenzitásával.

Az alábbi kép egy tipikus tesztet mutat be, amely egy optimalizált mérőegység vagy az MU létrehozására szolgál.

A rendszer hatékony működésének biztosítása érdekében az infravörös forrás és az érzékelő látómezője (FOV) közötti távolságnak körülbelül 40 cm-nek kell lennie. Más szavakkal, a sugárzó testnek és a PIR lencsének 40 cm távolságra kell lennie egymástól.

Láthatunk egy aprító rendszert is, amely egy kis léptetőmotorból áll, és a fresnel lencse és a PIR piroelektromos érzékelő közé van felszerelve egy propeller.

Hogyan működik

A test IR-sugárzása áthalad a fresnel lencsén, majd a chopper motor 8 Hz-es frekvencián felaprítja, és a kapott impulzusos IR-sugárzást a PIR érzékelő érzékeli.

A detektált IR-nek megfelelő kimeneti váltakozó áramot ezután a „jel kondicionáló” fokozatra alkalmazzák, amely számos op amp fokozattal készült.

A jelerősítő végső erősített és kondicionált kimenetét oszcilloszkópon elemezzük, hogy ellenőrizzük az áramkör reakcióját a test változó sugárzó kilépésére.

A PIR és a Chopper optimalizálása

A lehető legjobb eredmény elérése érdekében a következő kritériumokat kell biztosítani a PIR és a szecskázó egyesület számára.

A szecskázótárcsát vagy a pengéket úgy kell elhelyezni, hogy forogjanak a fresnel lencse és a PIR belső érzékelő között.

A fresnel lencse átmérője nem lehet nagyobb 10 mm-nél.

A lencse gyújtótávolságának 20 mm körül kell lennie.

Figyelembe véve azt a tényt, hogy a NAK NEK_d 1,6 mm Phi és a lencse gyújtótávolságának közelében van felszerelve, a látómező vagy az FOV 4,58^vagya következő képlet segítségével:

FOV_(félszög)≈ | tehát^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^vagy

Ebben az egyenletben d_s - az érzékelő kimutatható átmérőjét jelöli, és f a lencse gyújtótávolsága.

Chopper Blade specifikációk

Az érintés nélküli hőmérő működési hatékonysága nagymértékben függ attól, hogy a beeső infravörös miként pulzálja a szaggatórendszert és

Ebben a szecskázóban a következő méreteket kell alkalmazni:

A szecskázónak 4 pengével kell rendelkeznie, és a Dc átmérője körülbelül 80 mm legyen. Léptetőmotoron vagy PWM által vezérelt áramkörön kell vezetni.

Az optimális teljesítmény érdekében a hozzávetőleges forgási frekvenciának 5 Hz és 8 Hz között kell lennie.

A PIR fresnel lencsét 16 mm-rel kell elhelyezni a piroelektromos érzékelő mögött, úgy, hogy a lencsére eső bejövő infravörös jel átmérője körülbelül 4 mm legyen, és ez az átmérő állítólag sokkal kisebb, mint a aprító 'fogszélességű' TW-je. korong.

Következtetés

Az érintés nélküli hőszkenner vagy az infravörös hőmérő nagyon hasznos eszköz, amely lehetővé teszi az emberi test hőmérsékletének mérését távolról, fizikai érintkezés nélkül.

Ennek az eszköznek a szíve egy infravörös érzékelő, amely érzékeli a hő szintjét egy test sugárzó fluxusa formájában, és ekvivalens szintű elektromos potenciálsá alakítja.

Az erre a célra használható két típusú érzékelő a hőelemes érzékelő és a piroelektromos érzékelő.

Bár fizikailag mindkettő hasonlónak tűnik, óriási különbség van a működési elvben.

A hőelem a hőelem alapelvével működik, és a hőelem-csomópontok közötti hőmérséklet-különbséggel arányos elektromos potenciált generál.

A PIR-érzékelőkben általában használt piroelektromos érzékelő egy test hőmérséklet-változásának észlelésével működik, amikor a környezeti hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletű test átlépi az érzékelő látómezőjét. Ez a hőmérsékleti változás a kimenetén arányos mennyiségű elektromos potenciált alakít át

A termopile, mivel lineáris eszköz, sokkal könnyebben konfigurálható és alkalmazható a hőszkennelési alkalmazások minden formájában.