Kaip veikia bekontakčiai infraraudonųjų spindulių termometrai - kaip jį sukurti

Išbandykite Mūsų Instrumentą, Kaip Pašalinti Problemas





Šiame įraše sužinosime pagrindinę terminių skaitytuvų ar bekontakčių IR termometrų darbo koncepciją, taip pat sužinosime, kaip pagaminti praktišką įrenginio „pasidaryk pats“ prototipą. be Arduino .

Po COVID-19 eros liudininkai, matydami, kaip gydytojai laiko bekontaktį temperatūros pistoletą ir rodo į įtariamojo COVID-19 kaktą, yra įprastas vaizdas.



Prietaisas iš tikrųjų yra kontakto neturintis termometras, kuris nustato momentinę įtariamojo kūno paviršiaus temperatūrą ir leidžia gydytojui sužinoti, ar asmuo yra normalus, ar kenčia nuo karščiavimo?

Pagrindinis testavimo metodas

Bandymo metu randame, kad įgaliotas asmuo nukreipia lazerio spindulį iš bekontakčio temperatūros pistoleto ant įtariamojo kaktos ir pažymi temperatūrą prietaiso galiniame LCD skydelyje.



Lazerio spindulys neturi tiesioginio ryšio su temperatūros matavimo procedūra. Jis skirtas tik padėti gydytojui užtikrinti, kad infraraudonųjų spindulių termometras būtų teisingai nukreiptas į idealią kūno vietą nustatant kūno temperatūra dažniausiai tiksliai.

Stefano – Boltzmanno įstatymas

Kaip teigiama Stefano – Boltzmanno įstatyme, bendras kūno spinduliuojantis išėjimas Myra(T) yra proporcinga ketvirtai jo temperatūros galiai, kaip parodyta šioje lygtyje

Myra(T) = εσT4

Šioje lygtyje ε reiškia spinduliavimą.

σ žymi Stefano – Boltzmanno konstantą, kuri lygi 5,67032 x 10 dydžiui-1212 Wcm-2Į-4, kur raidė K yra temperatūros vienetas Kelvine.

Pirmiau pateikta lygtis rodo, kad pakilus kūno temperatūrai proporcingai didėja ir jo infraraudonųjų spindulių spinduliavimas. Šį IR spindulį galima išmatuoti iš tolo be jokio fizinio kontakto. Skaitant galima gauti momentinį kūno temperatūros lygį.

Kuris jutiklis yra taikomas

Jutiklis, kuris geriausiai tinka ir naudojamas bekontakčiuose termometruose, yra a termopilių jutiklis .

Termopilies jutiklis paverčia infraraudonųjų spindulių šilumos žemėlapį iš tolimo šaltinio į proporcingą mažos elektros įtampos kiekį.

Jis veikia termoporos principu, kai skirtingi metalai sujungiami nuosekliai arba lygiagrečiai, kad būtų sukurtos „karštosios“ ir „šaltosios“ sankryžos. Kai infraraudonųjų spindulių srautas iš šaltinio patenka į termopilį, tai sukuria temperatūros skirtumą visose šiose sankryžose ir sukuria ekvivalentišką elektros energijos kiekį per galinius termoporos gnybtus.

Ši elektros energija, proporcinga šilumos šaltiniui, gali būti išmatuota, norint nustatyti temperatūros lygį iš kūno šaltinio.

Termoporos jutiklio viduje esanti termoelementas yra įmontuotas per silicio mikroschemą, todėl sistema tampa itin jautri ir tiksli.

Termopilių jutiklio MLX90247 naudojimas

„IC MLX90247“ yra puikus universalaus termopilies jutiklio įtaiso pavyzdys, kurį galima idealiai naudoti terminio skaitytuvo arba bekontakčio termometro įtaisui gaminti.

IC MLX90247 susideda iš poliarinio termoporos tinklo, esančio virš membranos paviršiaus.

Termoelemento šilumą imančios jungtys yra strategiškai išdėstytos šalia pagrindinės membranos centro, o diferencialinės šaltos jungtys yra įrenginio krašte, kuris sudaro vieneto silicio tūrinį plotą.

Kadangi membrana suprojektuota kaip blogas šilumos laidininkas, aptikta šaltinio šiluma gali greitai pakilti šalia menbrano centro nei tūrinis prietaiso kraštas.

Dėl to greitas šilumos skirtumas gali išsivystyti per termopilinės sankryžos galus, todėl termoelektriniu principu per šiuos gnybtus gali atsirasti efektyvus elektrinis potencialas.

Geriausia termopiliaus jutiklio dalis yra ta, kad, skirtingai nuo standartinių IC, jam nereikia išorinio maitinimo šaltinio, o sukuria savo elektrinį potencialą, kad būtų galima atlikti reikiamą matavimą.

Gaunami du IC MLX90247 variantai, kaip parodyta žemiau, kur vienas variantas suteikia žemės Vss parinktį, o kitas yra be Vss kaiščio.

Viršutinė parinktis leidžia bipoliniu būdu matuoti IR temperatūrą. Tai reiškia, kad išvestis gali rodyti aukštesnę nei aplinkos temperatūra ir žemesnę nei aplinkos temperatūra.

Galima naudoti apatinį variantą matuoti temperatūrą arba virš aplinkos lygio, arba žemiau aplinkos lygio, todėl galima atlikti vienpolius matavimus.

Kodėl termistorius naudojamas termopile

Pirmiau pateiktame IC MLX90247 galime pamatyti a termistorius būti įtraukta į prietaiso paketą. Termistorius vaidina svarbų vaidmenį kuriant išorinio matavimo vieneto pakopos atskaitos lygio išėjimą.

Termistorius yra įmontuotas, kad būtų galima nustatyti prietaiso aplinkos temperatūrą arba kūno temperatūrą. Šis aplinkos temperatūros lygis tampa atskaitos lygiu išėjimo stiprintuvo pakopai.

Kol IR temperatūra nuo taikinio yra žemesnė arba lygi šiam atskaitos lygiui, išorinio op stiprintuvo pakopa nereaguoja, o jo išėjimas išlieka 0 V.

Tačiau kai tik kūno IR spinduliavimas praeina virš aplinkos temperatūros, op stiprintuvas pradeda reaguoti, kad gautų galiojančią išmatuojamą galią, kuri tiesiškai atitinka didėjančią kūno šiluminę galią.

Bekontaktė termometro grandinė naudojant IC MLX90247 termopiliaus jutiklį

Pirmiau pateiktoje bekontakčio IR termometro grandinės prototipo schemoje randame termopiliaus jutiklį IC MLX90247 bipoliniu režimu, sukonfigūruotą išoriniu op stiprintuvu, skirtu mažoms elektrinėms iš termopilių sustiprinti į išmatuojamą išėjimą.

Viršutinis op stiprintuvas sustiprina termoporos išėjimą iš IC MLX90247, o apatinis op amp stiprina IC aplinkos temperatūrą.

Paprastas diferencialas VU skaitiklis yra pritvirtintas abiejų opų stiprintuvų išėjimuose. Kol prieš termopilį nėra šilumą skleidžiančio kūno, jo vidinė termoporos temperatūra išlieka lygi gretimos termistoriaus temperatūrai. Dėl šios priežasties abu op stiprintuvo išėjimai sukuria vienodą įtampų kiekį. Taigi TPB matuoklis rodo 0 V, esantį jos ciferblate.

Jei žmogaus kūnas, kurio temperatūra yra aukštesnė už aplinką, patenka į termopolio jutimo diapazoną, jo termoporos išėjimas per pin2 ir pin4 pradeda eksponentiškai didėti ir viršija termistoriaus išėjimą per pin3 ir pin1.

Dėl to viršutinis op stiprintuvas sukuria daugiau teigiamos įtampos nei apatinis op amp. TPB skaitiklis reaguoja į tai ir jo adata pradeda judėti dešinėje 0 V kalibravimo pusėje. Rodmuo tiesiogiai parodo termopiliu nustatytą taikinio temperatūros lygį.

Kuris op stiprintuvas tinka programai

Kadangi termopiliaus išvestis turėtų būti mikrovoltai, šios labai mažos įtampos stiprinimui naudojamas op stiprintuvas turi būti labai jautrus ir rafinuotas bei turintis labai žemą įėjimo poslinkio specifikaciją. Atrodo, kad norint patenkinti sąlygas, geriausias pasirinkimas šiai programai yra prietaisų stiprintuvas.

Nors internete galite rasti daug gerų instrumentinių stiprintuvų, atrodo, kad tinkamiausias kandidatas yra INA333 „Micro-Power“ (50μA), „Zerø-Drift“, „Rail-to-Rail Out“ instrumentų stiprintuvas.

Yra daugybė puikių savybių, dėl kurių šis IC geriausiai tinka termoporos įtampoms sustiprinti iki išmatuojamų dydžių. Pagrindinę IC INA333 prietaisų stiprintuvo grandinę galima pamatyti žemiau, ir ši konstrukcija gali būti naudojama aukščiau paaiškintai termopilių grandinei sustiprinti.

Šioje INA333 op amp grandinėje rezistorius RG nustato grandinės stiprinimą ir gali būti apskaičiuojamas pagal formulę:

Pelnas = 1 + 100 / RG

Rezultatas bus pateiktas kilogramais omų.

Pagal šią formulę galime nustatyti bendrą grandinės stiprinimą, priklausomai nuo mikrovoltų, gaunamų iš termopilies, lygio.

Pelną galima reguliuoti nuo 0 iki 10 000, o tai suteikia opio stiprintuvui išskirtinį mikrovoltų įėjimų stiprinimo lygį.

Kad galėtume naudoti šį instrumentinį stiprintuvą be termopilinio IC, mums reikės dviejų iš šių op amp modulių. Vienas bus naudojamas termoporos signalo išėjimui stiprinti, o kitas - termistoriaus signalo išėjimui sustiprinti, kaip parodyta žemiau

Sąranka gali būti naudojama bekontakčiam IR termometrui gaminti, kuris gamins tiesiškai didėjančią analoginę išvestį, reaguodamas į tiesiškai didėjančią IR šilumą, kurią nustatė termopile.

Analoginė išvestis gali būti pritvirtinta prie milivoltinio TP matuoklio arba a skaitmeninis mV skaitiklis norint iš karto suprasti kūno temperatūros lygį.

Rezultatas Varba taip pat galima įvertinti pagal šią lygtį:

Varba = G ( V+ - Vin- )

Dalių sąrašas

Norint sukurti aukščiau paaiškintą bekonfektį termometro grandinę, reikės šių dalių:

  • Termopilių jutiklio IC MLX90247 - 1 Nr
  • Instrumentavimas Op amp INA333 - 2nos
  • Voltmetras, kurio diapazonas nuo 0 iki 1 V FSD - 1 Nr
  • 1,2 V AAA Ni-Cd elementai, skirti maitinti INA333 - 2nos

Voltmetro rodmenis reikės kalibruoti Celsijaus laipsniais, o tai galima padaryti atlikus tam tikrus bandymus ir bandant.

Naudojant PIR

Į normalią PIR jutiklis taip pat veikia gerai ir yra pigi alternatyva tokio tipo programoms.

PIR apima piroelektrinėmis medžiagomis pagrįstą jutiklį, pvz., TGS, BaTiO3 ir pan., Kuris patiria spontanišką poliarizaciją, kai pajunta temperatūros pokyčius savo aptikimo diapazone.

Poliarizacijos krūvis PIR įrenginyje, generuojamas keičiant jo temperatūrą, priklauso nuo švitinimo galios Phiyra perduodamas kūno per PIR jutiklį. Dėl to PIR išvestis sukuria srovę d ωpAd( Δ T) .

Įrenginys taip pat sukuria įtampą Varba kuris gali būti lygus srovės sandaugai d ir prietaiso varža. Tai galima išreikšti šia lygtimi:

Varba= AšdRd/ √1 + ωduRdudCdud

Ši lygtis gali būti dar labiau supaprastinta:

Varba= ωpAdRd( Δ T) / √1 + ωduRdudCdud

kur p rodo piroelektrinį koeficientą, ω žymi radijo dažnį ir Δ T yra lygus detektoriaus temperatūros T skirtumuid
ir aplinkos temperatūra Tį.

Taikant šilumos balanso lygtį, nustatome, kad Δ T gali būti išvestas, išreikštas šia lygtimi:

Δ T = RTPhiyra/ √ (1 + ωduτduT)

Jei pakeisime šią reikšmę Δ T ankstesnėje lygtyje gauname rezultatą, kuris atspindi Vo su juostos perdavimo charakteristikomis, kaip parodyta žemiau:

kur τIS nurodo elektros laiko konstantą ( RdCd ), τT rodo
šiluminė laiko konstanta ( RTCT ) ir Phiyra simbolizuoja spinduliavimą
jutiklio aptikta galia nuo taikinio.

Pirmiau pateiktos diskusijos ir lygtys įrodo, kad PIR išėjimo įtampa Vo yra tiesiogiai proporcinga šaltinio skleidžiamai spinduliuotės galiai ir todėl tampa idealiai tinkama bekontaktėms temperatūros matavimo programoms.

Tačiau mes žinome, kad PIR negali reaguoti į kanceliarinio IR šaltinį ir reikalauja, kad šaltinis judėtų, kad būtų galima skaityti išvestį.

Kadangi judėjimo greitis taip pat turi įtakos išvesties duomenims, turime įsitikinti, kad šaltinis juda tiksliu greičiu, o šio aspekto gali būti neįmanoma įgyvendinti taikinyje.

Todėl lengvas būdas tai įveikti, kad žmogaus taikinys būtų kanceliarinis prekės ženklas ir pakartotų jo judėjimą sąveikaujant dirbtiniam motorinis smulkintuvas su PIR objektyvo sistema.

Bekontaktis termometro prototipas naudojant PIR

Tolesniuose punktuose paaiškinamas praktinio terminio skaitytuvo sistemos bandymas, kurį galima pritaikyti kuriant praktinį prototipą, kruopščiai optimizavus įvairius parametrus.

Kaip sužinota ankstesniame skyriuje, PIR skirtas aptikti spinduliuotės emisiją temperatūros pokyčio greičio pavidalu dT / dt , taigi reaguoja tik į infraraudonųjų spindulių šilumą, kuri impulsuojama tinkamai apskaičiuotu dažniu.

Atliekant eksperimentus nustatyta, kad PIR geriausiai veikia esant maždaug 8 Hz pulso dažniui, kuris pasiekiamas tolygiai supjaustant gaunamą signalą per servo smulkintuvą.

Iš esmės, suskaidę signalus, PIR jutiklis gali įvertinti ir perduoti kūno spinduliavimo galią kaip įtampos šuolius. Jei smulkintuvo dažnis yra teisingai optimizuotas, vidutinė šių smaigalių vertė bus tiesiogiai proporcinga spinduliavimo temperatūros intensyvumui.

Šiame paveikslėlyje parodytas tipinis bandymas, sukurtas optimizuotam matavimo vienetui arba MU sukurti.

Kad sistema veiktų efektyviai, atstumas tarp IR šaltinio ir jutiklio regėjimo lauko (FOV) turi būti apie 40 cm. Kitaip tariant, spinduliuojantis kūnas ir PIR objektyvas turi būti 40 cm atstumu vienas nuo kito.

Taip pat galime pamatyti smulkintuvo sistemą, susidedančią iš mažo žingsninio variklio su sraigtu, sumontuotu tarp fresnelio lęšio ir PIR piroelektrinio jutiklio.

Kaip tai veikia

Kūno IR spinduliuotė praeina per fresnelio lęšį, tada smulkintuvo variklis ją suskaldo 8 Hz dažniu, o gautą impulsinę IR spinduliuotę nustato PIR jutiklis.

Tada išėjimo kintamosios srovės, ekvivalentiškos šiai aptiktai infraraudonajai spinduliuotei, padedamos „signalo kondicionieriaus“ pakopai, kuriai naudojama daugybė op amp stiprintuvų.

Galutinė sustiprinta ir sąlyginė signalo kondicionieriaus išvestis analizuojama osciloskopu, siekiant patikrinti grandinės reakciją į kintantį kūno spinduliavimą.

PIR ir smulkintuvo optimizavimas

Norint gauti kuo geresnius rezultatus, PIR ir smulkintuvų asociacijai reikia užtikrinti šiuos kriterijus.

Smulkintuvo diskas arba peiliai turi būti sukami tarp fresnelio lęšio ir PIR vidinio jutiklio.

Fresnelio lęšio skersmuo neturėtų būti didesnis kaip 10 mm.

Lęšio židinio nuotolis turėtų būti maždaug 20 mm.

Atsižvelgiant į tai, kad tipinė jutimo sritis Įd 1,6 mm Phi ir yra įrengtas arti objektyvo židinio nuotolio, matymo laukas arba FOV yra 4,58arbanaudojant šią formulę:

FOV(pusė kampo)≈ | taip-1[(ds/ 2) / f] | = 2,29arba

Šioje lygtyje ds žymi aptinkamą jutiklio skersmenį ir f yra objektyvo židinio nuotolis.

Smulkintuvo peilio specifikacijos

Bekontakčio termometro darbinis efektyvumas daugiausia priklauso nuo to, kaip krintančiosios sistemos impulsas yra impulsinis infraraudonasis spindulys ir

Šiame smulkintuve turi būti naudojami šie matmenys:

Smulkintuvas turi turėti 4 ašmenis, o Dc skersmuo turėtų būti apie 80 mm. Jis turėtų būti varomas per žingsninį variklį arba PWM valdomą grandinę.

Apytikslis sukimosi dažnis turėtų būti apie 5–8 Hz, kad būtų užtikrintas optimalus veikimas.

PIR fresnelio lęšis turi būti išdėstytas 16 mm už piroelektrinio jutiklio taip, kad į objektyvą patenkantis įeinančio IR signalo skersmuo būtų maždaug 4 mm, ir manoma, kad šis skersmuo yra daug mažesnis nei smulkintuvo „danties pločio“ TW diską.

Išvada

Bekontaktis terminis skaitytuvas arba IR termometras yra labai naudingas prietaisas, leidžiantis iš toli matuoti žmogaus kūno temperatūrą be jokio fizinio kontakto.

Šio prietaiso širdis yra infraraudonųjų spindulių jutiklis, kuris nustato šilumos lygį kūno spinduliavimo pavidalu ir paverčia jį lygiaverčiu elektros potencialo lygiu.

Šiam tikslui gali būti naudojami dviejų tipų jutikliai: termopilinis jutiklis ir piroelektrinis jutiklis.

Nors fiziškai jie abu atrodo panašūs, darbo principas labai skiriasi.

Termoelementas veikia pagal pagrindinį termoporos principą ir sukuria elektrinį potencialą, proporcingą temperatūros skirtumui visose jo termoporos jungtyse.

Piroelektrinis jutiklis, paprastai naudojamas PIR jutikliuose, veikia nustatydamas kūno temperatūros pokyčius, kai kūnas, kurio temperatūra yra aukštesnė nei aplinkos temperatūra, kerta jutiklio regėjimo lauką. Šis temperatūros lygio pokytis paverčia proporcingą elektros potencialo kiekį jo išėjime

Termopilį, kaip linijinį įtaisą, daug lengviau sukonfigūruoti ir pritaikyti visoms terminio nuskaitymo programoms.

Nuorodos:

Instrumentų stiprintuvas
Termopilinių jutiklių meleksika
Infraraudonųjų spindulių termometras





Pora: Automatinė rankų dezinfekavimo grandinė - visiškai bekontaktė Kitas: Signalo įpurškimo grandinės, skirtos greitai pašalinti visą garso įrangą