Šajā amatā mēs uzzināsim termisko skeneru vai bezkontaktu IR termometru pamatdarbības koncepciju, kā arī uzzināsim, kā izveidot praktisku vienības DIY prototipu bez Arduino .

Pēc COVID-19 laikmetā bieži novērojama parādība, kā ārsti tur bezkontakta temperatūras ieroci un norāda uz COVID-19 aizdomās turētā pieri.

Ierīce faktiski ir bezkontakta termometra ierīce, kas nosaka aizdomās turētā ķermeņa virsmas momentāno temperatūru un ļauj ārstam uzzināt, vai persona ir normāla vai cieš no drudža?

Pārbaudes pamatmetode

Pārbaudes laikā mēs atrodam, ka pilnvarotā persona norāda uz lāzera staru no bezkontakta temperatūras lielgabala uz aizdomās turētā pieres un atzīmē temperatūru ierīces aizmugurējā LCD panelī.

Lāzera staram faktiski nav tieša sakara ar temperatūras mērīšanas procedūru. Tas tiek izmantots tikai, lai palīdzētu ārstam pārliecināties, ka infrasarkanais termometrs ir pareizi novirzīts uz ķermeņa ideālo vietu, lai noteiktu ķermeņa temperatūra galvenokārt precīzi.

Stefana – Boltmana likums

Kā norādīts Stefana – Boltmana likumā, ķermeņa M starojuma kopējā izstarošana_ir(T) ir proporcionāls tās temperatūras ceturtajai jaudai, kā parādīts nākamajā vienādojumā

M_ir(T) = εσT⁴

Šajā vienādojumā ε apzīmē izstarojamību.

σ apzīmē Stefana – Boltmana konstanti, kas ir ekvivalenta lielumam 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-diviTO^-4, kur burts K ir temperatūras vienība Kelvinos.

Iepriekšminētais vienādojums liek domāt, ka, paaugstinoties ķermeņa temperatūrai, proporcionāli palielinās arī tā infrasarkanais starojums. Šo infrasarkano starojumu varēja izmērīt no attāluma bez jebkāda fiziska kontakta. Lasījums var nodrošināt ķermeņa momentāno temperatūras līmeni.

Kurš sensors ir piemērojams

Sensors, kas vislabāk piemērots un tiek izmantots bezkontakta termometros, ir a termopāļu sensors .

Termopāļu sensors pārveido infrasarkano staru karstuma karti no tālu avota proporcionālā niecīga elektriskā sprieguma daudzumā.

Tas darbojas pēc termopāra principa, kurā dažādi metāli tiek savienoti virknē vai paralēli, lai izveidotu “karstos” un “aukstos” savienojumus. Kad infrasarkanā starojuma plūsma no avota nokrīt uz termopāļa, tas rada temperatūras starpību šajos krustojumos, attīstot līdzvērtīgu elektroenerģijas daudzumu pāri termopāra gala spailēm.

Šo elektrisko jaudu, kas proporcionāla siltuma avotam, var izmērīt, lai noteiktu ķermeņa līmeņa temperatūras līmeni.

Termopāra sensora iekšpusē esošais termoelements ir iestrādāts virs silīcija mikroshēmas, kas padara sistēmu ārkārtīgi jutīgu un precīzu.

Termopile sensora MLX90247 izmantošana

IC MLX90247 ir lielisks piemērs daudzpusīgai termopāļu sensoru ierīcei, kuru var ideāli izmantot termiskenera vai bezkontakta termometra ierīces izgatavošanai.

IC MLX90247 veido pāļu sakrauts termopāra tīkls virs membrānas virsmas.

Termoelementa siltumu uztverošie mezgli ir stratēģiski izvietoti netālu no pamatmembrānas centra, savukārt diferenciālie aukstuma mezgli ir novietoti ierīces malā, kas veido vienības silīcija tilpuma laukumu.

Tā kā membrāna ir veidota kā slikts siltuma vadītājs, konstatētais avota siltums spēj strauji pieaugt tuvu menbrane centram nekā ierīces kopējā mala.

Sakarā ar to ātra siltuma starpība var attīstīties pāri termopāļu krustojuma galiem, izraisot efektīvu elektrisko potenciālu, kas caur šiem termoelektriskajiem principiem attīstās pāri šiem spailēm.

Termopile sensora labākā daļa ir tā, ka atšķirībā no standarta IC, lai darbotos, nav nepieciešama ārēja elektrības padeve, drīzāk tas rada pats savu elektrisko potenciālu nepieciešamo mērījumu veikšanai.

Jūs saņemat divus IC MLX90247 variantus, kā parādīts zemāk, kur viens variants nodrošina zemes Vss opciju, bet otrs ir bez Vss tapas.

Augšējā opcija ļauj bipolāri mērīt IR temperatūru. Tas nozīmē, ka izeja var uzrādīt augstāku temperatūru nekā apkārtējā temperatūra, kā arī zemāku par apkārtējās vides temperatūru.

Zemāko variantu var izmantot izmērīt temperatūru vai nu virs apkārtējā līmeņa, vai zem apkārtējā līmeņa, un tādējādi ļauj veikt vienpolāru mērījumu iespēju.

Kāpēc Thermopile tiek izmantots Thermistor

Iepriekš minētajā IC MLX90247 mēs varam redzēt a termistors tiek iekļauta ierīces paketē. Termistoram ir svarīga loma ārējā mērvienības pakāpes atsauces līmeņa izejas izveidošanā.

Termistors ir iestrādāts, lai noteiktu apkārtējās vides temperatūru vai ierīces ķermeņa temperatūru. Šis apkārtējās vides temperatūras līmenis kļūst par izejas op amp posma atskaites līmeni.

Kamēr IR temperatūra no mērķa ir zemāka vai vienāda ar šo atskaites līmeni, ārējā op amp pastiprinātāja pakāpe nereaģē, un tā izeja paliek 0 V.

Tomēr, tiklīdz ķermeņa infrasarkanais starojums pārsniedz apkārtējo temperatūru, op amp sāk reaģēt, lai iegūtu derīgu izmērāmu jaudu, kas lineāri atbilst ķermeņa augošās siltuma jaudas pieaugumam.

Bezkontakta termometra ķēde, izmantojot IC MLX90247 termopāļu sensoru

Iepriekš minētajā bezkontakta IR termometra ķēdes prototipa ķēdē bipolārā režīmā atrodam termopāra sensoru IC MLX90247, kas konfigurēts ar ārēju opampu, kas paredzēts, lai no termopāļa mazo elektrisko pastiprinātu mērāmā izvadē.

Augšējais op amp pastiprina termopāra izvadi no IC MLX90247, bet apakšējais op amp pastiprina IC apkārtējās vides temperatūru.

Vienkāršs diferenciālis VU skaitītāji ir piestiprināts pāri abu opu pastiprinātāju izvadiem. Kamēr termopoles priekšā nav siltumu izstarojoša ķermeņa, tā iekšējā termopāra temperatūra paliek vienāda ar blakus esošās termistora temperatūru. Tādēļ abi op amp izejas rada vienādu sprieguma daudzumu. Tādējādi transportlīdzekļa bloka mērinstrumenta centrā norāda 0 V.

Gadījumā, ja cilvēka ķermenis, kura temperatūra ir augstāka par apkārtējo, tiek nogādāts termopāra jutības diapazonā, tā termopāra izeja pāri pin2 un pin4 sāk pieaugt eksponenciāli un pārsniedz termistora izvadi pāri pin3 un pin1.

Tā rezultātā augšējais op amp palielina pozitīvu spriegumu nekā apakšējais op amp. VU mērītājs reaģē uz to, un tā adata sāk nobīdīties 0V kalibrēšanas labajā pusē. Rādījums tieši parāda termopile noteikto mērķa temperatūras līmeni.

Kurš Op Amp piemērots lietojumprogrammai

Tā kā domājams, ka termopāļa izeja ir mikrovolti, šī ārkārtīgi mazā sprieguma pastiprināšanai izmantojamajam opampam jābūt ļoti jutīgam un izsmalcinātam, un ar ļoti zemu ieejas nobīdes specifikāciju. Lai izpildītu nosacījumus, instrumentu op amp šķiet labākā izvēle šai lietojumprogrammai.

Lai gan tiešsaistē var atrast daudz labu instrumentu pastiprinātāju, šķiet, ka vispiemērotākais kandidāts ir INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier.

Ir daudz lielisku iespēju, kas padara šo IC vispiemērotāko termopāra spriegumu pastiprināšanai izmērāmos lielumos. Pamata IC INA333 instrumentu pastiprinātāja shēmu var redzēt zemāk, un šo konstrukciju var izmantot, lai pastiprinātu iepriekš izskaidroto termopāļu ķēdi.

Šajā INA333 op amp ķēdē rezistors R_G nosaka ķēdes pastiprinājumu, un to var aprēķināt, izmantojot formulu:

Peļņa = 1 + 100 / R_G

Rezultāts būs kilogramos omu.

Izmantojot šo formulu, mēs varam iestatīt ķēdes kopējo pieaugumu atkarībā no mikroprieguma līmeņa, ko saņem no termopāļa.

Palielinājumu var noregulēt tieši no 0 līdz 10 000, kas nodrošina op ampam ārkārtas līmeņa pastiprināšanas spēju mikrovoltu ieejām.

Lai varētu izmantot šo instrumentu pastiprinātāju bez termopile IC, mums būs nepieciešami divi no šiem op amp moduļiem. Vienu izmantos termopāra signāla izejas pastiprināšanai, bet otru - termistora signāla izejas pastiprināšanai, kā parādīts zemāk

Uzstādījumu var izmantot bezkontakta IR termometra izgatavošanai, kas radīs lineāri augošu analogo izeju, reaģējot uz lineāri augošu IR siltumu, ko nosaka termopile.

Analogo izeju var piestiprināt vai nu milivoltu VU skaitītājam, vai a digitālais mV skaitītājs lai iegūtu tūlītēju ķermeņa temperatūras līmeņa interpretāciju.

Rezultāts V_vai varētu arī aprēķināt, izmantojot šādu vienādojumu:

V_vai = G ( V_{iekš +} - V_iekš )

Detaļu saraksts

Lai izveidotu iepriekš izskaidroto bezkontakta termometra ķēdi, būs nepieciešamas šādas daļas:

Termopile sensora IC MLX90247 - 1nr
Instrumenti Op amp INA333 - 2nos
Voltmetrs ar diapazonu no 0 līdz 1V FSD - 1no
1,2 V AAA Ni-Cd šūnas INA333 - 2nos barošanai

Voltmetra rādījums būs jākalibrē pēc Celsija, ko var izdarīt ar dažiem eksperimentiem un izmēģinājumiem un kļūdām.

Izmantojot PIR

Normāli PIR sensors darbojas arī lieliski un nodrošina lētu alternatīvu šāda veida lietojumiem.

PIR ietver piroelektriskā materiāla sensoru, piemēram, TGS, BaTiO3 un tā tālāk, kas iziet spontānu polarizāciju, kad tā uztver temperatūras izmaiņas tā noteikšanas diapazonā.

Polirizācijas lādiņš PIR ierīcē, kas radies, mainoties tās temperatūrai, ir atkarīgs no apstarošanas jaudas Phi_ir ko ķermenis pārraida uz PIR sensora. Tas izraisa PIR izejas ģenerētu strāvu Es_d ωpA_d( Δ T) .

Ierīce rada arī spriegumu V_vai kas var būt vienāds ar strāvas reizinājumu Es_d un ierīces pretestība. To var izteikt ar šādu vienādojumu:

V_vai= Es_dR_d/ √1 + ω^diviR^divi_dC^divi_d

Šo vienādojumu var vēl vairāk vienkāršot:

V_vai= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^diviR^divi_dC^divi_d

kur p norāda piroelektrisko koeficientu, ω apzīmē radiāna frekvenci un Δ T ir vienāda ar detektora temperatūras T starpību_d
un apkārtējā temperatūra T_uz.

Izmantojot siltuma bilances vienādojumu, mēs konstatējam, ka vērtība Δ T var atvasināt, izsakot šādā vienādojumā:

Δ T = R_TPhi_ir/ √ (1 + ω^diviτ^divi_T)

Ja mēs aizstājam šo vērtību Δ T iepriekšējā vienādojumā mēs iegūstam rezultātu, kas attēlo Vo ar joslas pārejas īpašībām, kā parādīts zemāk:

kur τ_IS attiecas uz elektrisko laika konstanti ( R_dC_d ), τ_T norāda
termiskā laika konstante ( R_TC_T ), un Phi_ir simbolizē starojumu
sensora konstatētā jauda no mērķa.

Iepriekš minētās diskusijas un vienādojumi pierāda, ka izejas spriegums Vo no PIR ir tieši proporcionāls no avota izstarotajai izstarojuma jaudai un tādējādi kļūst ideāli piemērots bezkontakta temperatūras mērīšanas lietojumiem.

Tomēr mēs zinām, ka PIR nevar reaģēt uz kancelejas infrasarkano staru avotu un prasa avota kustību, lai iespējotu lasāmu izvadi.

Tā kā kustības ātrums ietekmē arī izejas datus, mums ir jāpārliecinās, ka avots pārvietojas ar precīzu ātrumu - aspektu, kuru var būt neiespējami īstenot cilvēka mērķī.

Tāpēc vienkāršs veids, kā to novērst, ļaujot cilvēka mērķim būt kancelejas precei un atkārtot tā kustību, saskaroties ar mākslīgo motora smalcinātājs ar PIR objektīvu sistēmu.

Bezkontakta termometra prototips, izmantojot PIR

Turpmākajos punktos ir izskaidrota praktiskā siltuma skenera sistēmas testēšana, kuru var izmantot praktiska prototipa izveidošanai pēc rūpīgas dažādu iesaistīto parametru optimizācijas.

Kā uzzināts iepriekšējā sadaļā, PIR ir paredzēts starojuma emisijas noteikšanai temperatūras maiņas ātruma formā dT / dt un tādējādi reaģē tikai uz infrasarkano staru siltumu, kas tiek impulsēts ar attiecīgi aprēķinātu frekvenci.

Saskaņā ar eksperimentiem tiek atklāts, ka PIR darbojas vislabāk ar pulsa frekvenci aptuveni 8 Hz, kas tiek panākts, vienmērīgi sagriežot ienākošo signālu caur servomontētāju.

Būtībā signālu sasmalcināšana ļauj PIR sensoram novērtēt un izstarot ķermeņa izstaroto jaudu kā sprieguma svārstības. Ja smalcinātāja frekvence ir pareizi optimizēta, šo tapu vidējā vērtība būs tieši proporcionāla izstarotās temperatūras intensitātei.

Šajā attēlā parādīts tipisks tests, kas izveidots, lai izveidotu optimizētu mērvienību vai MU.

Lai nodrošinātu efektīvu sistēmas darbību, attālumam starp IR avotu un sensora redzes lauku (FOV) jābūt aptuveni 40 cm. Citiem vārdiem sakot, izstarojošajam korpusam un PIR objektīvam jābūt 40 cm attālumā viens no otra.

Mēs varam redzēt arī smalcinātāju sistēmu, kas sastāv no maza pakāpiena motora ar propelleru, kas uzstādīts starp fresnela lēcu un PIR piroelektrisko sensoru.

Kā tas strādā

Ķermeņa infrasarkanais starojums iet caur fresnela lēcu, pēc tam smalcinātāja motors to sasmalcina 8 Hz frekvencē, un iegūto impulsa infrasarkano starojumu nosaka PIR sensors.

Pēc tam izejas maiņstrāvas ekvivalents šim konstatētajam IR tiek piemērots signāla kondicionētāja pakāpei, kas izgatavota ar daudziem op amp posmiem.

Galīgā pastiprinātā un kondicionētā signāla kondicioniera izeja tiek analizēta osciloskopā, lai pārbaudītu ķēdes reakciju uz mainīgu ķermeņa izstarojošo izeju.

PIR un smalcinātāja optimizēšana

Lai iegūtu pēc iespējas labākus rezultātus, PIR un smalcinātāju asociācijai ir jānodrošina šādi kritēriji.

Smalcinātāja disks vai asmeņi jānovieto tā, lai tie pagrieztos starp fresnel lēcu un PIR iekšējo sensoru.

Fresnel lēcas diametrs nedrīkst būt lielāks par 10 mm.

Lēcas fokusa attālumam jābūt apmēram 20 mm.

Ņemot vērā faktu, ka tipiskais sensora apgabals TO_d 1,6 mm Phi un ir uzstādīts tuvu objektīva fokusa attālumam, tiek atklāts, ka redzes lauks jeb FOV ir 4,58^vaiizmantojot šādu formulu:

FOV_{(pusleņķis)}≈ | tā^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^vai

Šajā vienādojumā d_s apzīmē nosakāmo sensora diametru un f ir objektīva fokusa attālums.

Smalcinātāja asmeņa specifikācijas

Bezkontakta termometra darba efektivitāte lielā mērā ir atkarīga no tā, kā krītošā infrasarkanais pulss tiek impulsēts caur smalcinātāja sistēmu un

Šajā smalcinātājā jāizmanto šādi izmēri:

Smalcinātājam jābūt 4 asmeņiem, un Dc diametram jābūt apmēram 80 mm. To vajadzētu vadīt caur soļu motoru vai PWM vadītu ķēdi.

Aptuvenajai rotācijas frekvencei jābūt optimālai veiktspējai no 5 Hz līdz 8 Hz.

PIR fresnel objektīvs jānovieto 16 mm aiz piroelektriskā sensora tā, lai ienākošā infrasarkanā signāla diametrs, kas nokrīt uz objektīva, būtu aptuveni 4 mm, un šis diametrs ir daudz mazāks par smalcinātāja “zobu platuma” TW disks.

Secinājums

Bezkontakta termoskeneris vai IR termometrs ir ļoti noderīga ierīce, kas ļauj cilvēka ķermeņa temperatūru mērīt no attāluma bez jebkāda fiziska kontakta.

Šīs ierīces sirds ir infrasarkanais sensors, kas ķermeņa siltuma plūsmas veidā nosaka siltuma līmeni un pārveido to līdzvērtīgā elektriskā potenciāla līmenī.

Divi sensoru veidi, kurus var izmantot šim nolūkam, ir termopāļu sensors un piroelektriskais sensors.

Lai gan fiziski viņi abi izskatās līdzīgi, darba principā ir milzīgas atšķirības.

Termopile darbojas pēc termopāra pamatprincipa un ģenerē elektrisko potenciālu, kas proporcionāls temperatūras starpībai visā tā termopāra krustojumos.

Piroelektriskais sensors, ko parasti izmanto PIR sensoros, darbojas, nosakot ķermeņa temperatūras izmaiņas, kad ķermenis ar augstāku temperatūru nekā apkārtējā temperatūra šķērso sensora redzamības lauku. Šī temperatūras līmeņa maiņa tiek pārveidota par proporcionālu elektriskā potenciāla daudzumu pie tā izejas

Termopile ir lineāra ierīce, kuru ir daudz vieglāk konfigurēt un ieviest visos termiskās skenēšanas lietojumos.