În această postare vom învăța conceptul de bază de lucru al scanerelor termice sau al termometrelor IR fără contact și, de asemenea, vom învăța cum să realizăm un prototip practic DIY al unității fără Arduino .

În epoca post-COVID-19, asistarea la doctori ținând un pistol fără temperatură și arătând spre fruntea unui suspect de COVID-19 este o vedere obișnuită.

Dispozitivul este de fapt un dispozitiv termometru fără contact, care detectează temperatura instantanee a suprafeței corpului suspectului și permite medicului să știe dacă persoana este normală sau suferă de febră?

Metoda de testare de bază

În procesul de testare, găsim persoana autorizată care îndreaptă un fascicul laser de la pistolul de temperatură fără contact de pe fruntea suspectului și notează temperatura de pe panoul LCD din spate al dispozitivului.

Raza laser nu are, de fapt, nicio legătură directă cu procedura de măsurare a temperaturii. Se folosește doar pentru a ajuta medicul să se asigure că termometrul cu infraroșu este orientat corect către locul ideal al corpului pentru determinarea temperatura corpului mai ales cu precizie.

Legea Stefan – Boltzmann

După cum afirmă legea Stefan – Boltzmann, ieșirea totală radiantă a unui corp M_este(T) este proporțional cu puterea a patra a temperaturii sale, așa cum se arată în următoarea ecuație

M_este(T) = εσT⁴

În această ecuație ε semnifică emisivitatea.

σ reprezintă constanta Stefan – Boltzmann care este echivalentă cu cantitatea 5.67032 x 10^-1212 Wcm^-DouăLA^-4, unde litera K este unitatea de temperatură în Kelvin.

Ecuația de mai sus sugerează că atunci când temperatura unui corp crește, strălucirea sa în infraroșu crește, de asemenea, proporțional. Această strălucire IR poate fi măsurată de la distanță fără a fi nevoie de niciun contact fizic. Citirea ne poate oferi nivelul instantaneu de temperatură al corpului.

Care senzor este aplicabil

Senzorul cel mai potrivit și utilizat în termometre fără contact este un senzor termopil .

Un senzor termopil convertește o hartă de căldură infraroșie incidentă dintr-o sursă îndepărtată într-o cantitate proporțională de tensiune electrică mică.

Funcționează pe principiul termocuplului, în care metalele diferite sunt unite în serie sau paralel pentru a crea joncțiuni „calde” și „reci”. Atunci când fluxul radiant în infraroșu dintr-o sursă cade pe termopil, acesta creează o diferență de temperatură între aceste joncțiuni, dezvoltând o cantitate echivalentă de energie electrică prin capetele terminale ale termocuplului.

Această putere electrică proporțională cu sursa de căldură poate fi măsurată pentru a identifica nivelul de temperatură din sursa corpului.

Termocuplul din interiorul unui senzor de termopile este încorporat peste un cip de siliciu, ceea ce face sistemul extrem de sensibil și precis.

Utilizarea senzorului termopil MLX90247

IC MLX90247 este un exemplu excelent de dispozitiv versatil cu senzor termopil, care poate fi utilizat în mod ideal pentru realizarea unui dispozitiv de scanare termică sau a unui dispozitiv termometru fără contact.

IC MLX90247 este alcătuit dintr-o rețea de termocupluri pe suprafața unei membrane.

Joncțiunile receptive la căldură ale termocuplului sunt poziționate strategic în apropierea centrului membranei de bază, în timp ce joncțiunile reci diferențiale sunt plasate la marginea dispozitivului care formează zona în vrac a siliciului unității.

Deoarece membrana este concepută pentru a fi un conductor rău de căldură, căldura detectată de la sursă poate crește rapid în apropierea centrului menbrane decât marginea vrac a dispozitivului.

Datorită acestui fapt, o diferență rapidă de căldură se poate dezvolta peste capetele joncțiunii termopile, provocând un potențial electric eficient să se dezvolte peste aceste terminale prin principiul termo-electric.

Cea mai bună parte a senzorului termopil este că, spre deosebire de circuite integrate standard, nu necesită o sursă electrică externă pentru a funcționa, ci mai degrabă își generează propriul potențial electric pentru a permite măsurarea necesară.

Veți obține două variante ale IC MLX90247 așa cum se arată mai jos, în care o variantă oferă o opțiune Vss la sol, iar cealaltă este fără un pin Vss.

Opțiunea superioară permite o măsurare bipolară a temperaturii IR. Adică ieșirea poate afișa temperaturi mai mari decât temperatura ambiantă și, de asemenea, mai mici decât temperaturile ambiante.

Opțiunea inferioară poate fi utilizată pentru măsurați temperatura fie deasupra nivelului ambiant, fie sub nivelul ambiant, permițând astfel o instalație de măsurare unipolară.

De ce se folosește termistorul în termopil

În IC MLX90247 de mai sus, putem vedea un termistor fiind inclus în pachetul dispozitivului. Termistorul joacă un rol important în crearea unei ieșiri de nivel de referință pentru stadiul unității de măsurare externe.

Termistorul este încorporat pentru a detecta temperatura ambiantă sau temperatura corpului dispozitivului. Acest nivel de temperatură ambientală devine nivelul de referință pentru etapa de ieșire a amplificatorului operațional.

Atâta timp cât temperatura IR de la țintă este sub sau egală cu acest nivel de referință, stadiul amplificatorului amplificatorului op extern nu răspunde, iar ieșirea sa rămâne 0 V.

Cu toate acestea, de îndată ce strălucirea IR din corp trece de temperatura ambiantă, amplificatorul operațional începe să răspundă pentru a produce o ieșire măsurabilă validă care corespunde liniar cu ieșirea termică în creștere a corpului.

Circuit termometru fără contact folosind IC MLX90247 senzor termopil

În circuitul prototip de mai sus al unui circuit termometru IR fără contact, găsim senzorul de termopil IC MLX90247 în modul bipolar, configurat cu un amplificator op extern conceput pentru a amplifica mici electrice din termopile într-o ieșire măsurabilă.

Amplificatorul op superior amplifică ieșirea termocuplului de la IC MLX90247, în timp ce amplificatorul op inferior amplifică temperatura mediului IC.

Un diferențial simplu VU metri este atașat la ieșirile celor două amplificatoare op. Atâta timp cât nu există corp care emite căldură în fața termopilului, temperatura sa internă a termocuplului rămâne egală cu temperatura termistorului adiacent. Datorită acestui fapt, cele două ieșiri amplificator op generează cantități egale de tensiuni. Contorul VU indică astfel un 0 V în centrul cadranului său.

În cazul în care un corp uman cu o temperatură mai ridicată decât înconjurător este introdus în intervalul de detectare al termopilei, ieșirea termocuplului său pe pin2 și pin4 începe să crească exponențial și depășește ieșirea termistorului pe pin3 și pin1.

Acest lucru are ca rezultat amplificatorul op superior generând mai multă tensiune pozitivă decât amplificatorul op inferior. Contorul VU răspunde la acest lucru și acul său începe să se deplaseze pe partea dreaptă a calibrării 0V. Citirea arată direct nivelul de temperatură al țintei detectate de termopil.

Care amplificator opțional se potrivește aplicației

Deoarece ieșirea din termopile se presupune că este în microvolți, amplificatorul op care urmează să fie utilizat pentru amplificarea acestei tensiuni extrem de mici trebuie să fie extrem de sensibil și sofisticat și cu specificații de compensare de intrare foarte reduse. Pentru a satisface condițiile, un amplificator operațional de instrumentare pare a fi cea mai bună alegere pentru această aplicație.

Deși este posibil să găsiți multe amplificatoare de instrumente bune online, amplificatorul de instrumentație INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier pare să fie cel mai potrivit candidat.

Există multe caracteristici excelente care fac ca acest CI să fie cel mai potrivit pentru amplificarea tensiunilor termocuplului într-o magnitudine măsurabilă. Un circuit amplificator de instrumentare IC INA333 de bază poate fi văzut mai jos, iar acest design poate fi utilizat pentru amplificarea circuitului termopil explicat mai sus.

În acest circuit INA333 op amp, rezistența R_G determină câștigul circuitului și poate fi calculat folosind formula:

Câștig = 1 + 100 / R_G

Rezultatul de ieșire va fi în kilo de ohmi.

Prin această formulă putem seta câștigul general al circuitului în funcție de nivelul de microvolt primit de la termopil.

Câștigul poate fi ajustat chiar de la 0 la 10.000, ceea ce oferă amplificatorului operațional un nivel excepțional de capacitate de amplificare pentru intrările de microvolți.

Pentru a putea folosi acest amplificator de instrumentație fără circuit termic IC, vom avea nevoie de două dintre aceste module amplificator op. Una va fi utilizată pentru amplificarea ieșirii semnalului termocuplului, iar cealaltă va fi utilizată pentru amplificarea ieșirii semnalului termistorului, așa cum se arată mai jos

Setarea poate fi utilizată pentru realizarea unui termometru IR fără contact, care va produce o ieșire analogică în creștere liniară ca răspuns la o căldură IR în creștere liniară, așa cum este detectat de termopil.

Ieșirea analogică poate fi atașată fie la un contor VU milivolt, fie la contor digital mV pentru a obține o interpretare instantanee a nivelului de temperatură al corpului.

Ieșirea V_sau ar putea fi, de asemenea, estimată prin următoarea ecuație:

V_sau = G ( V_{în +} - V_în- )

Lista de componente

Următoarele părți vor fi necesare pentru a construi circuitul termometrului fără racord explicat mai sus:

IC senzor termopil MLX90247 - 1 nr
Instrumentare Amplificator op INA333 - 2nos
Voltmetru cu o gamă de la 0 la 1V FSD - 1 nr
Celule Ni-Cd de 1,2 V AAA pentru alimentarea INA333 - 2nos

Citirea voltmetrului va trebui calibrată în grade Celsius, ceea ce se poate face cu o anumită experimentare și încercare și eroare.

Folosind un PIR

La normal Senzor PIR De asemenea, funcționează frumos și oferă o alternativă ieftină pentru aceste tipuri de aplicații.

Un PIR include un senzor pe bază de material piroelectric, cum ar fi TGS, BaTiO3 și așa mai departe, care trece printr-o polarizare spontană atunci când simte o schimbare de temperatură în intervalul său de detectare.

Sarcina de polarizare dintr-un dispozitiv PIR generată din cauza schimbării temperaturii sale depinde de puterea de iradiere Phi_este transmisă de corp pe senzorul PIR. Acest lucru face ca ieșirea PIR să genereze un curent Eu_d ωpA_d( Δ T) .

Dispozitivul generează, de asemenea, o tensiune V_sau care poate fi egal cu produsul curentului Eu_d și impedanța dispozitivului. Acest lucru poate fi exprimat cu următoarea ecuație:

V_sau= Eu_dR_d/ √1 + ω^DouăR^Două_dC^Două_d

Această ecuație poate fi simplificată în continuare în:

V_sau= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^DouăR^Două_dC^Două_d

unde p indică coeficientul piroelectric, ω denotă frecvența radiană și Δ T este egal cu diferența de temperatură a detectorului T_d
și temperatura ambiantă T_la.

Acum, prin aplicarea ecuației echilibrului termic, constatăm că valoarea lui Δ T poate fi derivat așa cum este exprimat în următoarea ecuație:

Δ T = R_TPhi_este/ √ (1 + ω^Douăτ^Două_T)

Dacă înlocuim această valoare a Δ T în ecuația anterioară, obținem un rezultat care reprezintă Vo cu caracteristici de trecere în bandă, așa cum se arată mai jos:

Unde τ_ESTE se referă la constanta electrică de timp ( R_dC_d ), τ_T indică
constanta de timp termica ( R_TC_T ), și Phi_este simbolizează radiantul
putere de la ținta detectată de senzor.

Discuțiile și ecuațiile de mai sus demonstrează că tensiunea de ieșire Vo de la un PIR este direct proporțională cu puterea radiantă emisă de la sursă și astfel devine ideală pentru aplicații de măsurare a temperaturii fără contact.

Cu toate acestea, știm că un PIR nu poate răspunde la o sursă IR de papetărie și necesită ca sursa să fie în mișcare pentru a permite o ieșire lizibilă.

Deoarece viteza mișcării afectează și datele de ieșire, trebuie să ne asigurăm că sursa se mișcă cu o viteză precisă, aspect care poate fi imposibil de implementat pe o țintă umană.

Prin urmare, o modalitate ușoară de a contracara acest lucru pentru a lăsa ținta umană să fie papetărie și să-și replice mișcarea prin interfața unui artificial tocător pe bază de motor cu sistemul de lentile PIR.

Prototip de termometru fără contact folosind PIR

Următoarele paragrafe explică configurarea testului unui sistem practic de scanare termică, care poate fi aplicat pentru construirea unui prototip practic, după o optimizare aprofundată a diferiților parametri implicați.

După cum s-a învățat în secțiunea anterioară, un PIR este conceput pentru a detecta emisiile radiante sub forma unei rate de schimbare a temperaturii dT / dt și, prin urmare, răspunde doar la o căldură în infraroșu care este pulsată cu o frecvență calculată corespunzător.

Conform experimentelor, s-a constatat că PIR funcționează cel mai bine la o frecvență de impuls de aproximativ 8 Hz, care se realizează printr-o tocare constantă a semnalului de intrare printr-un servo elicopter.

Practic, tăierea semnalelor permite senzorului PIR să evalueze și să emită puterea radiantă a corpului ca vârfuri de tensiune. Dacă frecvența elicopterului este corect optimizată, atunci valoarea medie a acestor vârfuri va fi direct proporțională cu intensitatea temperaturii radiante.

Următoarea imagine prezintă un test tipic configurat pentru crearea unei unități de măsurare optimizate sau a UM.

Pentru a asigura o funcționare eficientă a sistemului, distanța dintre sursa IR și câmpul vizual al senzorului (FOV) trebuie să fie de aproximativ 40 cm. Cu alte cuvinte, corpul radiant și obiectivul PIR trebuie să fie la o distanță de 40 cm unul de celălalt.

Putem vedea, de asemenea, un sistem de tăiere care constă dintr-un mic motor pas cu pas cu o elice instalată între lentila fresnel și senzorul piroelectric PIR.

Cum functioneaza

Radiația IR din corp trece prin lentila Fresnel, apoi este tăiată la frecvența de 8 Hz de către motorul elicopter, iar radiația IR pulsată rezultată este detectată de senzorul PIR.

Ieșirea AC echivalentă cu acest IR detectat este apoi aplicată la stadiul „condiționator de semnal” realizat cu multe trepte de amplificator op.

Ieșirea finală amplificată și condiționată de la condiționatorul de semnal este analizată pe un osciloscop pentru a verifica răspunsul circuitului la o ieșire radiantă diferită a unui corp.

Optimizarea PIR și Chopper

Pentru a obține cele mai bune rezultate posibile, trebuie asigurate următoarele criterii pentru PIR și asocierea elicopterului.

Discul de tăiere sau lamele ar trebui să fie poziționate pentru a se roti între lentila fresnel și senzorul intern PIR.

Diametrul lentilei Fresnel nu trebuie să depășească 10 mm.

Distanța focală a obiectivului trebuie să fie de aproximativ 20 mm.

Având în vedere faptul că zona de detectare tipică a LA_d 1,6 mm Phi și este instalat aproape de distanța focală a obiectivului, câmpul vizual sau FOV este de 4,58^saufolosind următoarea formulă:

FOV_{(jumătate de unghi)}≈ | deci^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^sau

În această ecuație d_s reprezintă diametrul detectabil al senzorului și f este distanța focală a obiectivului.

Specificații ale lamei de tăiere

Eficiența de lucru a termometrului fără contact depinde în mare măsură de modul în care infraroșul incident este pulsat prin sistemul de elicopter și

În acest tocător trebuie utilizate următoarele dimensiuni:

Elicopterul trebuie să aibă 4 lame și un diametru Dc să fie de aproximativ 80 mm. Ar trebui să fie condus printr-un motor pas cu pas sau printr-un circuit controlat PWM.

Frecvența de rotație aproximativă ar trebui să scadă între 5 Hz și 8 Hz pentru performanțe optime.

Obiectivul PIR fresnel trebuie să fie poziționat la 16 mm în spatele senzorului piroelectric, astfel încât diametrul semnalului IR care intră pe obiectiv să fie de aproximativ 4 mm, iar acest diametru ar trebui să fie mult mai mic decât TW cu „lățimea dinților” a elicopterului. disc.

Concluzie

Un scaner termic fără contact sau un termometru IR este un dispozitiv foarte util care permite măsurarea temperaturii corpului uman de la distanță fără niciun contact fizic.

Inima acestui dispozitiv este un senzor cu infraroșu care detectează nivelul de căldură sub formă de flux radiant al unui corp și îl transformă într-un nivel echivalent de potențial electric.

Cele două tipuri de senzori care pot fi utilizați în acest scop sunt senzorul termopil și senzorul piroelectric.

Deși fizic, ambele par similare, există o diferență uriașă în principiul de funcționare.

Un termopil funcționează cu principiul de bază al unui termocuplu și generează un potențial electric proporțional cu diferența de temperatură între joncțiunile sale de termocuplu.

Un senzor piroelectric care este utilizat în mod normal în senzorii PIR, funcționează prin detectarea modificării temperaturii unui corp atunci când corpul cu o temperatură mai mare decât temperatura mediului ambiant traversează câmpul vizual al senzorului. Această modificare a nivelului de temperatură este transformată într-o cantitate proporțională de potențial electric la ieșirea sa

Termopilul fiind un dispozitiv liniar este mult mai ușor de configurat și implementat în toate formele de aplicații de scanare termică.