Tässä viestissä opitaan lämpöskannereiden tai kontaktittomien infrapunalämpömittareiden peruskäsite ja opitaan myös tekemään käytännöllinen DIY-prototyyppi laitteesta ilman Arduinoa .

COVID-19-aikakauden jälkeen todistaminen lääkäreille, joilla on kosketusvapaa lämpötilapyssy ja jotka osoittavat kohti COVID-19-epäiltyä otsaa, on yleinen näky.

Laite on itse asiassa kontaktittoman lämpömittari, joka havaitsee epäillyn ruumiinpinnan hetkellisen lämpötilan ja antaa lääkärille mahdollisuuden tietää, onko henkilö normaali vai kärsii kuume?

Perustestausmenetelmä

Testausprosessissa löydämme valtuutetun henkilön osoittavan lasersäteen kosketuksettomasta lämpötilapistoolista epäillyn otsaan ja huomauttavan lämpötilan laitteen takana olevasta LCD-paneelista.

Lasersäteellä ei todellakaan ole suoraa yhteyttä lämpötilan mittausmenetelmään. Sitä käytetään vain auttamaan lääkäriä varmistamaan, että infrapunalämpömittari on suunnattu oikein kehon ihanteelliseen paikkaan ruumiinlämpö enimmäkseen tarkasti.

Stefan – Boltzmannin laki

Kuten Stefan – Boltzmannin laissa todetaan, ruumiin M kokonaissäteilevä ulostuloaika_On(T) on verrannollinen lämpötilan neljänteen tehoon seuraavan yhtälön mukaisesti

M_On(T) = εσT⁴

Tässä yhtälössä ε merkitsee emissiivisyyttä.

σ tarkoittaa Stefan – Boltzmann-vakiota, joka vastaa määrää 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-kaksiTO^-4, jossa kirjain K on lämpötilan yksikkö Kelvineinä.

Yllä oleva yhtälö viittaa siihen, että kun ruumiin lämpötila nousee, myös sen infrapunasäteily kasvaa suhteellisesti. Tämä infrapunasäteily voidaan mitata etäisyydeltä ilman fyysistä kosketusta. Luku voi antaa meille kehon hetkellisen lämpötilan.

Mikä anturi on sovellettavissa

Anturi, joka soveltuu parhaiten ja jota käytetään kontaktittomissa lämpömittareissa, on a termopiilianturi .

Lämpösäteilykennoanturi muuntaa kaukaisesta lähteestä tulevan infrapuna-lämpökartan suhteellisen määrän pieneksi sähköjännitelähdöksi.

Se toimii termoparin periaatteella, jossa erilaiset metallit liitetään sarjaan tai rinnakkain 'kuumien' ja 'kylmien' liitosten luomiseksi. Kun lähteestä tuleva infrapunasäteilyvirta putoaa lämpöparille, se luo lämpötilaeron näiden liitosten yli kehittäen vastaavan määrän sähköä lämpöparin päätelaitteiden yli.

Tämä lämmönlähteeseen verrannollinen sähköteho voidaan mitata ruumiinlähteen lämpötilan tason tunnistamiseksi.

Termopari anturin sisällä oleva termoelementti on upotettu piisirun päälle, mikä tekee järjestelmästä erittäin herkän ja tarkan.

MLX90247-lämpöpaalianturin käyttäminen

IC MLX90247 on erinomainen esimerkki monipuolisesta lämpöpaalianturilaitteesta, jota voidaan käyttää ihanteellisesti lämpöskannerilaitteen tai kontaktittoman lämpömittarilaitteen valmistamiseen.

IC MLX90247 koostuu paalutetusta termopariverkosta kalvon pinnan päällä.

Lämpöparin lämpöä vastaanottavat liitokset on sijoitettu strategisesti lähellä pohjakalvon keskustaa, kun taas differentiaaliset kylmäliitokset on sijoitettu laitteen reunaan, jotka muodostavat yksikön pii-bulkkialueen.

Koska membraani on suunniteltu huonoksi lämmönjohtimeksi, lähteestä havaittu lämpö pystyy nousemaan nopeasti lähelle miesten keskusta kuin laitteen irtoreuna.

Tästä johtuen nopea lämpöero voi kehittyä termopiilisten liitoskohtien yli, mikä aiheuttaa tehokkaan sähköisen potentiaalin kehittymisen näiden liittimien läpi lämpösähköisen periaatteen avulla.

Paras osa termopiilisensorista on se, että toisin kuin tavallisissa piirikorteissa, se ei vaadi ulkoista virtalähdettä toimiakseen, vaan se luo oman sähköisen potentiaalin tarvittavan mittauksen mahdollistamiseksi.

Saat kaksi muunnosta IC MLX90247: stä alla esitetyllä tavalla, jolloin yksi muunnos tarjoaa maadoitetun Vss-vaihtoehdon ja toinen on ilman Vss-nastaa.

Ylempi vaihtoehto mahdollistaa IR-lämpötilan kaksisuuntaisen mittaamisen. Lähtö voi tarkoittaa sitä, että lämpötila on korkeampi kuin ympäristön lämpötila ja myös alempi kuin ympäristön lämpötila.

Alempaa vaihtoehtoa voidaan käyttää mittaa lämpötila joko ympäröivän tason yläpuolella tai sen alapuolella, ja mahdollistaa siten unipolaarisen mittauslaitteen.

Miksi termistoria käytetään termopiilissä

Yllä olevassa IC MLX90247: ssä voimme nähdä a termistori laitepakettiin. Termistorilla on tärkeä rooli referenssitason lähdön luomisessa ulkoiselle mittausyksikölle.

Termistori on integroitu laitteen ympäristön lämpötilan tai kehon lämpötilan havaitsemiseksi. Tästä ympäristön lämpötilasta tulee lähtötaso vahvistimen vaiheelle.

Niin kauan kuin kohteen IR-lämpötila on alle tai yhtä suuri kuin tämä vertailutaso, ulkoinen op-vahvistimen vaihe ei reagoi ja sen lähtö pysyy 0 V.

Kuitenkin heti, kun kehon infrapunasäteily ylittää ympäristön lämpötilan, op-vahvistin alkaa reagoida tuottamaan pätevä mitattava lähtö, joka lineaarisesti vastaa kehon nousevaa lämpötehoa.

Kosketukseton lämpömittaripiiri IC MLX90247 -lämpökalvoanturilla

Edellä olevassa kontaktittoman IR-lämpömittaripiirin prototyyppipiirissä löydämme kaksisuuntaisessa tilassa olevan termopiilisensorin IC MLX90247, joka on konfiguroitu ulkoisella op-vahvistimella, joka on suunniteltu vahvistamaan pieniä sähköisiä termopyllystä mitattavaksi ulostuloksi.

Ylempi op-vahvistin vahvistaa IC MLX90247: n lämpöparin ulostuloa, kun taas alempi op-vahvistin vahvistaa IC: n ympäristön lämpötilaa.

Yksinkertainen ero VU-mittarit on kiinnitetty kahden op-vahvistimen lähtöihin. Niin kauan kuin lämpöparin edessä ei ole lämpöä tuottavaa kappaletta, sen sisäinen lämpöparin lämpötila pysyy yhtä suurena kuin viereisen termistorin lämpötila. Tämän vuoksi kaksi op-vahvistimen lähtöä tuottavat saman määrän jännitteitä. Ajoneuvoyksikön mittari osoittaa siten 0 V: n sen keskellä.

Siinä tapauksessa, että ihmiskeho, jonka lämpötila on korkeampi kuin ympäröivä, viedään lämpöparin tunnistusalueelle, sen termoelementin ulostulo nastojen 2 ja nastojen 4 yli alkaa nousta eksponentiaalisesti ja ylittää termistorin ulostulon nastojen 3 ja 1 kautta.

Tämän seurauksena ylempi op-vahvistin tuottaa enemmän positiivista jännitettä kuin alempi op-vahvistin. Ajoneuvoyksikön mittari reagoi tähän ja sen neula alkaa liikkua 0 V -kalibroinnin oikealla puolella. Luku näyttää suoraan lämpöpaalilla havaitun kohteen lämpötilan.

Mikä op-vahvistin sopii sovellukseen

Koska lämpöparin ulostulon oletetaan olevan mikrovoltteina, tämän erittäin pienen jännitteen vahvistamiseen käytettävän op-vahvistimen on oltava erittäin herkkä ja hienostunut, ja siinä on oltava hyvin pieni tuloerotusspesifikaatio. Ehtojen täyttämiseksi instrumentoinnin op-vahvistin näyttää olevan paras valinta tälle sovellukselle.

Vaikka verkosta saattaa löytyä monia hyviä instrumenttivahvistimia, INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier näyttää olevan sopivin ehdokas.

On monia hienoja ominaisuuksia, joiden ansiosta tämä IC soveltuu parhaiten lämpöparin jännitteiden vahvistamiseen mitattaviksi suuruuksiksi. IC-INA333-perusinstrumentointivahvistinpiiri voidaan nähdä alla, ja tätä rakennetta voidaan käyttää yllä selitetyn lämpöpaalipiirin vahvistamiseen.

Tässä INA333-op-virtapiirissä vastus R_G määrittää piirin vahvistuksen ja voidaan laskea kaavalla:

Vahvistus = 1 + 100 / R_G

Tulos on kilo Ohm.

Tämän kaavan avulla voimme asettaa piirin kokonaisvahvistuksen lämpöpaalilta vastaanotetun mikrojännitteen tason mukaan.

Vahvistusta voidaan säätää välillä 0-10 000, mikä antaa op-vahvistimelle poikkeuksellisen vahvan vahvistuskyvyn mikrojännitetuloille.

Tarvitsemme kaksi näistä op-vahvistinmoduuleista voidaksemme käyttää tätä instrumentointivahvistinta ilman termopile IC: tä. Toista käytetään termoelementtisignaalin ulostulon vahvistamiseen ja toista käytetään termistorisignaalin ulostulon vahvistamiseen, kuten alla on esitetty

Asennusta voidaan käyttää kosketuksettoman IR-lämpömittarin valmistamiseen, joka tuottaa lineaarisesti kasvavan analogisen lähdön vasteena lineaarisesti kasvavalle IR-lämpölle, kuten lämpöpaali havaitsee.

Analogialähtö voidaan liittää joko milivoltin VU-mittariin tai a digitaalinen mV-mittari kehon lämpötilan välittömän tulkinnan saamiseksi.

Tuotos V_tai voidaan arvioida myös seuraavalla yhtälöllä:

V_tai = G ( V_{+: ssa} - V_sisään- )

Osaluettelo

Seuraavia osia tarvitaan yllä selitetyn kytkemättömän lämpömittaripiirin rakentamiseen:

Lämpöpaalianturi IC MLX90247 - 1 nro
Instrumentointi Op amp INA333 - 2nos
Jännitemittari, jonka alue on 0 - 1 V FSD - 1 ei
1,2 V AAA Ni-Cd-solut INA333 - 2nos -laitteen virtalähteeseen

Voltimittarin lukema on kalibroitava celsiusasteina, mikä voidaan tehdä joillakin kokeilla ja kokeilemalla.

PIR: n käyttö

Normaaliksi PIR-anturi toimii myös hienosti ja tarjoaa halvan vaihtoehdon tämän tyyppisille sovelluksille.

PIR sisältää pyroelektriseen materiaaliin perustuvan anturin, kuten TGS, BaTiO3 ja niin edelleen, joka käy läpi spontaanin polarisaation, kun se havaitsee lämpötilan muutoksen ilmaisualueensa sisällä.

Polarisaatiovaraus PIR-laitteessa, joka syntyy lämpötilan muutoksen vuoksi, riippuu säteilytystehosta Phi_On kehon välittämä PIR-anturilla. Tämä saa PIR-lähdön tuottamaan virtaa Minä_d ωpA_d( Δ T) .

Laite tuottaa myös jännitteen V_tai mikä voi olla yhtä suuri kuin virran tulo Minä_d ja laitteen impedanssi. Tämä voidaan ilmaista seuraavalla yhtälöllä:

V_tai= Minä_dR_d/ √1 + ω^kaksiR^kaksi_dC^kaksi_d

Tämä yhtälö voidaan virtaviivaistaa edelleen:

V_tai= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^kaksiR^kaksi_dC^kaksi_d

missä p tarkoittaa pyrosähköistä kerrointa, ω tarkoittaa radiaanitaajuutta ja Δ T on sama kuin ilmaisimen lämpötilan T ero_d
ja ympäristön lämpötila T_että.

Nyt soveltamalla lämpötaseyhtälöä löydämme, että Δ T voidaan johtaa ilmaistuna seuraavassa yhtälössä:

Δ T = R_TPhi_On/ √ (1 + ω^kaksiτ^kaksi_T)

Jos korvataan tämä arvo Δ T edellisessä yhtälössä saadaan tulos, joka edustaa Vo: ta kaistanpäästöominaisuuksilla, kuten alla on esitetty:

missä τ_ON viittaa sähköiseen aikavakioon ( R_dC_d ), τ_T ilmaisee
terminen aikavakio ( R_TC_T ) ja Phi_On symboloi säteilevää
anturin havaitsema kohde teho.

Edellä esitetyt keskustelut ja yhtälöt todistavat, että PIR: n lähtöjännite Vo on suoraan verrannollinen lähteestä lähtevään säteilytehoon ja tulee siten ihanteellisesti sopivaksi kosketuksettomille lämpötilan mittaussovelluksille.

Tiedämme kuitenkin, että PIR ei pysty vastaamaan paperitavaran infrapunalähteeseen ja vaatii lähteen olevan liikkeessä luettavan ulostulon mahdollistamiseksi.

Koska liikkeen nopeus vaikuttaa myös lähtödataan, meidän on varmistettava, että lähde liikkuu tarkalla nopeudella, joka voi olla mahdotonta toteuttaa ihmiskohteessa.

Siksi helppo tapa torjua tämä antaa ihmiskohteen olla paperitavarat ja toistaa sen liikkuminen kytkemällä keinotekoinen moottoripohjainen hakkurit PIR-linssijärjestelmän kanssa.

Kontaktiton lämpömittarin prototyyppi PIR: llä

Seuraavissa kappaleissa selitetään käytännön lämpöskannerijärjestelmän testaus, jota voidaan käyttää käytännön prototyypin rakentamiseen sen jälkeen, kun eri parametrit on optimoitu perusteellisesti.

Kuten edellisessä osassa todettiin, PIR on suunniteltu havaitsemaan säteilyemissio lämpötilan muutosnopeuden muodossa dT / dt , ja siten reagoi vain infrapunalämpöön, joka pulssitetaan asianmukaisesti lasketulla taajuudella.

Kokeiden mukaan havaitaan, että PIR toimii parhaiten noin 8 Hz: n pulssitaajuudella, joka saavutetaan saapuvan signaalin tasaisella katkaisulla servohakkurin kautta

Periaatteessa signaalien pilkkominen antaa PIR-anturin arvioida ja tuottaa kehon säteilytehoa jännitepiikeinä. Jos hakkurin taajuus on optimoitu oikein, näiden piikkien keskiarvo on suoraan verrannollinen säteilylämpötilan voimakkuuteen.

Seuraava kuva näyttää tyypillisen testin, joka on asetettu optimoidun mittausyksikön tai MU: n luomiseksi.

Järjestelmän tehokkaan toiminnan varmistamiseksi infrapunalähteen ja anturin näkökentän (FOV) välisen etäisyyden on oltava noin 40 cm. Toisin sanoen säteilevän rungon ja PIR-linssin on oltava 40 cm: n etäisyydellä toisistaan.

Voimme myös nähdä hakkurijärjestelmän, joka koostuu pienestä askelmoottorista, jossa potkuri on asennettu fresnel-linssin ja PIR-pyroelektrisen anturin väliin.

Kuinka se toimii

Rungon infrapunasäteily kulkee fresnel-linssin läpi, ja silppurimoottori katkaisee sen 8 Hz: n taajuudella, ja PIR-anturi havaitsee tuloksena olevan pulssin infrapunasäteilyn.

Tätä havaittua infrapunaa vastaava ulostulovirta AC syötetään sitten 'signaalinkäsittelylaitteen' vaiheeseen, joka on tehty monilla op-vahvistinvaiheilla.

Signaalihoitoaineen vahvistettu ja ehdollistettu lopullinen lähtö analysoidaan oskilloskoopilla piirin reaktion tarkistamiseksi kehon vaihtelevaan säteilevään ulostuloon.

PIR: n ja hakkurin optimointi

Parhaan mahdollisen tuloksen saavuttamiseksi PIR: lle ja hakkuriliitolle on varmistettava seuraavat kriteerit.

Hakkurilevy tai terät tulee sijoittaa pyörimään fresnel-linssin ja PIR-sisäisen anturin välillä.

Fresnel-linssin halkaisijan ei tulisi olla yli 10 mm.

Linssin polttovälin tulisi olla noin 20 mm.

Ottaen huomioon tosiasian, että TO_d 1,6 mm Phi ja se on asennettu lähelle linssin polttoväliä, näkökentän tai FOV: n todetaan olevan 4,58^taikäyttämällä seuraavaa kaavaa:

FOV_(puolikulma)≈ | niin^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^tai

Tässä yhtälössä d_s tarkoittaa anturin havaittavaa halkaisijaa ja f on objektiivin polttoväli.

Silppurin terän tekniset tiedot

Kontaktittoman lämpömittarin työskentelytehokkuus riippuu suurelta osin siitä, kuinka tulevaa infrapunaa pulssitetaan hakkurijärjestelmän läpi ja

Tässä hakkurissa on käytettävä seuraavia mittoja:

Hakkurissa tulisi olla 4 terää ja halkaisijan Dc tulisi olla noin 80 mm. Sitä tulisi ajaa askelmoottorin tai PWM-ohjatun piirin läpi.

Likimääräisen pyörimistaajuuden tulisi olla noin 5--8 Hz optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi.

PIR-fresnel-linssi on sijoitettava 16 mm pyrosähköisen anturin taakse siten, että tulevan infrapunasignaalin halkaisija linssiin on noin 4 mm, ja tämän halkaisijan oletetaan olevan paljon pienempi kuin hakkurin 'hampaan leveys' TW levy.

Johtopäätös

Kontaktiton lämpöskanneri tai infrapunalämpömittari on erittäin hyödyllinen laite, jonka avulla ihmiskehon lämpötila voidaan mitata etäisyydeltä ilman fyysistä kosketusta.

Tämän laitteen sydän on infrapuna-anturi, joka havaitsee lämmön tason kehon säteilyvuotona ja muuntaa sen vastaavaksi tasolle sähköpotentiaalia.

Kaksi anturityyppiä, joita voidaan käyttää tähän tarkoitukseen, ovat termopile-anturi ja pyroelektrinen anturi.

Vaikka fyysisesti molemmat näyttävät samanlaisilta, toimintaperiaatteessa on valtava ero.

Lämpökerros toimii termoparin perusperiaatteen mukaisesti ja tuottaa sähköpotentiaalin, joka on verrannollinen lämpötilaeroon termopariliitostensa välillä.

Pyrosähköinen anturi, jota normaalisti käytetään PIR-antureissa, toimii havaitsemalla ruumiin lämpötilan muutos, kun ruumiin, jonka lämpötila on korkeampi kuin ympäristön lämpötila, ylittää anturin näkökentän. Tämä lämpötilan muutos muuntaa suhteellisen määrän sähköpotentiaalia lähdössä

Termopile on lineaarinen laite, joka on paljon helpompi konfiguroida ja toteuttaa kaikentyyppisissä lämpöskannaussovelluksissa.