V tem prispevku bomo spoznali osnovni koncept delovanja termičnih skenerjev ali brezkontaktnih IR termometrov in se tudi naučili, kako narediti praktični prototip enote DIY brez Arduina .

V obdobju po COVID-19 je pogosto opazovanje zdravnikov, ki držijo brezkontaktno temperaturno pištolo in kažejo proti čelu osumljenca COVID-19.

Naprava je pravzaprav termometer brez kontakta, ki zazna takojšnjo temperaturo telesne površine osumljenca in omogoči zdravniku, da ugotovi, ali je oseba normalna ali zvišano telesno temperaturo?

Osnovna preskusna metoda

V postopku testiranja najdemo pooblaščeno osebo, ki usmerja laserski žarek iz brezkontaktne temperaturne pištole na čelo osumljenca in zaznava temperaturo na zadnji LCD plošči naprave.

Laserski žarek dejansko nima neposredne povezave s postopkom merjenja temperature. Služi le zdravniku pri zagotavljanju, da je infrardeči termometer pravilno usmerjen na idealno mesto telesa za določanje telesna temperatura večinoma natančno.

Štefan – Boltzmannovo pravo

Kot navaja Stefan – Boltzmannov zakon, celotni sevalni izhod telesa M_je(T) je sorazmeren s četrto stopnjo temperature, kot je prikazano v naslednji enačbi

M_je(T) = εσT^4.

V tej enačbi ε pomeni emisivnost.

σ pomeni Stefan-Boltzmannovo konstanto, ki je enaka količini 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-dveTO^-4, kjer je črka K enota temperature v Kelvinih.

Zgornja enačba kaže, da ko se temperatura telesa dvigne, se sorazmerno poveča tudi njegova infrardeča sevanje. To IR sevanje je mogoče izmeriti na daljavo brez kakršnega koli fizičnega stika. Odčitavanje nam lahko zagotovi trenutno temperaturo telesa.

Kateri senzor je uporaben

Senzor, ki je najbolj primeren in se uporablja v brezkontaktnih termometrih, je termopilotni senzor .

Termopilotni senzor pretvori padajoči infrardeči toplotni zemljevid iz oddaljenega vira v sorazmerno količino majhne izhodne električne napetosti.

Deluje po principu termočlena, pri katerem se različno kovine serijsko ali vzporedno spajajo, da tvorijo „vroče“ in „hladne“ spoje. Ko infrardeči sevalni tok iz vira pade na termopilo, ustvari temperaturno razliko med temi križišči in razvije enakovredno količino električne energije na končnih terminalih termočlena.

To električno moč, sorazmerno z virom toplote, je mogoče izmeriti, da se določi raven temperature iz telesa.

Termočlen znotraj senzorja termopilov je vdelan v silikonski čip, zaradi česar je sistem izjemno občutljiv in natančen.

Uporaba senzorja termopilot MLX90247

IC MLX90247 je odličen primer vsestranske termopilotne senzorske naprave, ki jo je idealno uporabiti za izdelavo termičnega skenerja ali brezkontaktne termometrske naprave.

IC MLX90247 je sestavljen iz nakopičene mreže termočlenov po površini membrane.

Toplotno sprejemljivi priključki termočlena so strateško nameščeni blizu središča osnovne membrane, medtem ko so diferencialni hladni priključki nameščeni na robu naprave, ki tvori silicijev razsuti del enote.

Ker je membrana zasnovana tako, da je slab prevodnik toplote, se zaznana toplota iz vira lahko hitro dvigne v bližini središča menbrane kot večji rob naprave.

Zaradi tega se lahko hitro razvije toplotna razlika v koncih spojev termopilov, kar povzroči, da se prek teh terminalov prek termoelektričnega principa razvije učinkovit električni potencial.

Najboljši del termopilotnega senzorja je, da v nasprotju s standardnimi IC-ji za delovanje ne potrebuje zunanjega električnega napajanja, temveč ustvarja lasten električni potencial za omogočanje zahtevanih meritev.

Dobite dve različici IC MLX90247, kot je prikazano spodaj, pri čemer ena varianta nudi ozemljitveno možnost Vss, druga pa brez Vss zatiča.

Zgornja možnost omogoča bipolarno merjenje IR temperature. To pomeni, da lahko izhod prikazuje temperature, višje od temperature okolice in tudi nižje od temperature okolice.

Spodnja možnost se lahko uporabi za izmerite temperaturo bodisi nad nivojem okolice bodisi pod nivojem okolja in tako omogoča enopolarno merilno napravo.

Zakaj se Thermistor uporablja v termopilih

V zgornjem IC MLX90247 lahko vidimo a termistor vključeni v paket naprave. Termistor igra pomembno vlogo pri ustvarjanju izhoda referenčne ravni za stopnjo zunanje merilne enote.

Termistor je vgrajen za zaznavanje temperature okolice ali telesne temperature naprave. Ta raven temperature okolice postane referenčna raven za izhodno stopnjo ojačevalnika.

Dokler je temperatura IR od cilja nižja ali enaka tej referenčni ravni, se stopnja zunanjega ojačevalnika opcijskega ojačevalnika ne odziva in njegov izhod ostane 0 V.

Takoj, ko IR-sevanje telesa preseže temperaturo okolice, se opcijski ojačevalec začne odzivati, da ustvari veljavno merljivo moč, ki linearno ustreza naraščajoči toplotni moči telesa.

Brezkontaktno vezje termometra s pomočjo senzorja termopile IC MLX90247

V zgornjem prototipnem vezju brezkontaktnega vezja IR termometra najdemo senzor termopile IC MLX90247 v bipolarnem načinu, konfiguriran z zunanjim opcijskim ojačevalnikom, namenjenim ojačitvi drobnega električnega toka iz termopile v merljiv izhod.

Zgornji opcijski ojačevalnik ojača izhod termoelementa IC IC MLX90247, spodnji opcijski ojačevalnik pa ojača temperaturo okolja IC.

Preprost diferencial VU števci je pritrjen na izhodih dveh opcijskih ojačevalnikov. Dokler pred termopilom ni telesa, ki oddaja toploto, ostane njegova notranja temperatura termočlena enaka sosednji temperaturi termistorja. Zaradi tega dva izhoda op amp ustvarjata enako količino napetosti. Merilnik VU tako kaže 0 V na sredini številčnice.

V primeru, da je človeško telo z višjo temperaturo od okolice v območju zaznavanja termopile, se njegov izhod termočlena čez pin2 in pin4 začne eksponentno povečevati in presega moč termistorja na pin3 in pin1.

Posledica tega je, da zgornji opcijski ojačevalnik ustvari pozitivnejšo napetost kot spodnji opcijski ojačevalnik. Merilnik VU se na to odzove in njegova igla se začne premikati na desni strani 0V kalibracije. Odčitki neposredno kažejo raven temperature tarče, ki jo zazna termopilot.

Kateri opcijski ojačevalnik ustreza aplikaciji

Ker naj bi bil izhod iz termopile v mikrovoltih, mora biti opcijski ojačevalnik, ki se uporablja za ojačanje te izjemno majhne napetosti, zelo občutljiv in dovršen ter z zelo nizko specifikacijo vhodnega odmika. Da bi zadostili pogojem, se zdi, da je instrumentalni opcijski ojačevalnik najboljša izbira za to aplikacijo.

Čeprav lahko v spletu najdete veliko dobrih ojačevalnikov za instrumentacijo, se zdi, da je najprimernejši ojačevalnik INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, ojačevalnik merilnih instrumentov Rail-to-Rail Out.

Obstaja veliko odličnih lastnosti, zaradi katerih je ta IC najbolj primeren za ojačanje napetosti termočlenov v merljive velikosti. Osnovno vezje instrumentacijskega ojačevalnika IC INA333 si lahko ogledate spodaj in to zasnovo lahko uporabite za ojačanje zgoraj pojasnjenega termopilovnega vezja.

V tem opcijskem ojačevalnem vezju INA333 je upor R_G določa dobiček vezja in ga je mogoče izračunati po formuli:

Dobiček = 1 + 100 / R_G

Rezultat bo v kilo Ohmih.

S to formulo lahko nastavimo skupni dobiček vezja, odvisno od stopnje mikrovolta, ki ga dobimo iz termopile.

Dobiček je mogoče prilagoditi od 0 do 10.000, kar operacijskemu ojačevalniku zagotavlja izjemno raven ojačevalne zmogljivosti za mikrovoltne vhode.

Za uporabo tega instrumentacijskega ojačevalnika z zunanjim termopilom IC potrebujemo dva od teh modulov ojačevalnika. Eden bo uporabljen za ojačanje izhodnega signala termočlena, drugi pa za ojačanje izhodnega signala termistorja, kot je prikazano spodaj

Nastavitev je mogoče uporabiti za izdelavo brezkontaktnega IR termometra, ki bo proizvedel linearno naraščajoč analogni izhod kot odziv na linearno naraščajočo IR toploto, kot jo zazna termopilot.

Analogni izhod je lahko pritrjen na milivolt VU merilnik ali a digitalni mV števec za takojšnjo interpretacijo temperature telesa.

Izhod V_ali lahko ocenili tudi z naslednjo enačbo:

V_ali = G ( V_{v +} - V_v- )

Seznam delov

Naslednji deli bodo potrebni za izdelavo zgoraj pojasnjenega brezkonkretnega vezja termometra:

Termopilotni senzor IC MLX90247 - 1 št
Instrumentacijski opcijski ojačevalnik INA333 - 2nos
Voltmeter z območjem od 0 do 1V FSD - 1no
1,2 V AAA Ni-Cd celice za napajanje INA333 - 2nos

Odčitavanje voltmetra bo treba umeriti v Celziju, kar lahko naredite z nekaj eksperimentiranja in poskusov in napak.

Uporaba PIR

V normalno stanje PIR senzor tudi lepo deluje in ponuja poceni alternativo za te vrste aplikacij.

PIR vključuje senzor na osnovi piroelektričnega materiala, kot so TGS, BaTiO3 itd., Ki gre skozi spontano polarizacijo, ko zazna spremembo temperature v svojem območju zaznavanja.

Polarizacijski naboj v napravi PIR, ki nastane zaradi spremembe temperature, je odvisen od obsevalne moči Phi_je prenaša telo na PIR senzorju. To povzroči, da izhod PIR generira tok jaz_d ωpA_d( Δ T) .

Naprava ustvarja tudi napetost V_ali ki je lahko enak zmnožku toka jaz_d in impedanco naprave. To lahko izrazimo z naslednjo enačbo:

V_ali= Jaz_dR_d/ √1 + ω^dvaR^dva_dC^dva_d

To enačbo lahko nadalje usmerimo v:

V_ali= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^dvaR^dva_dC^dva_d

kjer p označuje piroelektrični koeficient, ω pomeni radianovo frekvenco in Δ T je enaka razliki v temperaturi detektorja T_d
in temperatura okolice T_do.

Zdaj z uporabo enačbe toplotne bilance ugotovimo, da je vrednost Δ T lahko dobimo, kot je izraženo v naslednji enačbi:

Δ T = R_TPhi_je/ √ (1 + ω^dvaτ^dva_T)

Če nadomestimo to vrednost Δ T v prejšnji enačbi dobimo rezultat, ki predstavlja Vo z pasovnimi značilnostmi, kot je prikazano spodaj:

kje τ_JE se nanaša na električno časovno konstanto ( R_dC_d ), τ_T označuje
toplotna časovna konstanta ( R_TC_T ) in Phi_je simbolizira žarek
moč iz cilja, ki ga zazna senzor.

Zgornje razprave in enačbe dokazujejo, da je izhodna napetost Vo iz PIR neposredno sorazmerna s sevalno močjo, ki jo oddaja vir, in tako postane idealna za aplikacije brezkontaktnega merjenja temperature.

Vemo pa, da se PIR ne more odzvati na tiskan vir IR in zahteva, da je vir v gibanju, da omogoči berljiv izhod.

Ker hitrost gibanja vpliva tudi na izhodne podatke, moramo poskrbeti, da se vir premika z natančno hitrostjo, vidik, ki ga je nemogoče uresničiti na človeški tarči.

Zato je enostaven način za boj proti temu, da človeški cilj postane pisarniški material, in njegovo gibanje ponovi tako, da poveže umetno motorni sekalnik s sistemom objektivov PIR.

Prototip brezkontaktnega termometra z uporabo PIR

Naslednji odstavki pojasnjujejo testno postavitev praktičnega sistema termičnega skenerja, ki ga je mogoče uporabiti za izdelavo praktičnega prototipa po temeljiti optimizaciji različnih vključenih parametrov.

Kot smo izvedeli v prejšnjem poglavju, je PIR zasnovan tako, da zazna emisije sevanja v obliki hitrosti spremembe temperature dT / dt in se tako odzove le na infrardečo toploto, ki je impulzna z ustrezno izračunano frekvenco.

Po poskusih je bilo ugotovljeno, da PIR deluje najbolje pri impulzni frekvenci približno 8 Hz, kar dosežemo z enakomernim sekanjem dohodnega signala skozi servo sekalnik

V bistvu sekanje signalov omogoča senzorju PIR, da oceni in odda sevalno moč telesa kot napetostne konice. Če je frekvenca sekljalnika pravilno optimizirana, bo povprečna vrednost teh konic neposredno sorazmerna z intenzivnostjo sevalne temperature.

Naslednja slika prikazuje tipično preizkusno nastavitev za ustvarjanje optimizirane merilne enote ali MU.

Za učinkovito delovanje sistema mora biti razdalja med IR virom in vidnim poljem senzorja (FOV) približno 40 cm. Z drugimi besedami, sevalno telo in leča PIR morata biti med seboj oddaljena 40 cm.

Prav tako lahko vidimo sistem sekljalnika, sestavljen iz majhnega koračnega motorja s propelerjem, nameščenim med fresnel lečo in PIR piroelektričnim senzorjem.

Kako deluje

IR-sevanje telesa prehaja skozi fresnelovo lečo, nato ga motor sekljalnika seseka pri frekvenci 8 Hz, nastalo impulzno IR-sevanje pa zazna senzor PIR.

Izhodni izmenični tok, enakovreden temu zaznanemu IR, se nato uporabi na stopnji 'signalnega kondicionerja', izdelani z veliko stopnjami op amp.

Končni ojačani in kondicionirani izhod iz signalne naprave se analizira na osciloskopu, da se preveri odziv vezja na različen sevalni izhod telesa.

Optimizacija PIR in sekljalnika

Za najboljše možne rezultate je treba za PIR in združenje helikopterjev zagotoviti naslednja merila.

Sekalni disk ali rezila naj bodo nameščeni tako, da se lahko vrtijo med fresnel lečo in notranjim senzorjem PIR.

Premer fresnelove leče ne sme biti večji od 10 mm.

Goriščna razdalja leče naj bo približno 20 mm.

Upoštevajoč dejstvo, da je tipično območje zaznavanja TO_d 1,6 mm Phi in je nameščen blizu goriščne razdalje leče, je vidno polje ali FOV 4,58^aliz uporabo naslednje formule:

FOV_{(polovični kot)}≈ | torej^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^ali

V tej enačbi d_s označuje zaznavni premer senzorja in f je goriščna razdalja leče.

Specifikacije rezila za sekljanje

Učinkovitost delovanja brezkontaktnega termometra je v veliki meri odvisna od tega, kako infrardeči impulz impulzira skozi sistem sekljalnika in

V tem helikopterju morajo biti uporabljene naslednje mere:

Sekalnik mora imeti 4 rezila, premer DC pa mora biti približno 80 mm. Poganjati ga je treba skozi koračni motor ali PWM krmiljeno vezje.

Približna frekvenca vrtenja mora za približno optimalno delovanje znašati približno 5 Hz do 8 Hz.

Leča PIR fresnel mora biti nameščena 16 mm za piroelektričnim senzorjem, tako da je premer dohodnega IR signala, ki pada na lečo, približno 4 mm, ta premer pa naj bi bil veliko manjši od TW-ja širine zob sekljalnika diska.

Zaključek

Brezkontaktni termični skener ali IR termometer je zelo uporabna naprava, ki omogoča merjenje temperature človeškega telesa na daljavo brez fizičnega stika.

Srce te naprave je infrardeči senzor, ki zazna stopnjo toplote v obliki sevalnega toka telesa in jo pretvori v enakovredno stopnjo električnega potenciala.

Dve vrsti senzorjev, ki ju je mogoče uporabiti v ta namen, sta senzor termopile in piroelektrični senzor.

Čeprav sta si fizično podobna, obstaja velika razlika v principu dela.

Termopilot deluje z osnovnim principom termočlena in ustvarja električni potencial, sorazmeren z razliko temperature med njegovimi stiki termočlenov.

Piroelektrični senzor, ki se običajno uporablja v senzorjih PIR, deluje tako, da zazna spremembo temperature telesa, ko telo z višjo temperaturo od temperature okolice prečka vidno polje senzorja. Ta sprememba nivoja temperature pretvori sorazmerno količino električnega potenciala na izhodu

Termopilot kot linearno napravo je veliko lažje nastaviti in vgraditi v vse oblike aplikacij za termično skeniranje.