I dette innlegget vil vi lære det grunnleggende arbeidskonseptet med termiske skannere eller kontaktløse IR-termometre, og også lære å lage en praktisk DIY-prototype av enheten uten Arduino .

I posten COVID-19 er det vanlig å være vitne til at leger holder en kontaktløs temperaturpistol og peker mot pannen til en COVID-19-mistenkt.

Enheten er faktisk en kontaktfri termometerenhet, som oppdager den øyeblikkelige temperaturen på den mistenkte kroppsoverflaten og lar legen vite om personen er normal eller lider av feber?

Grunnleggende testmetode

I testprosessen finner vi den autoriserte personen som peker en laserstråle fra den kontaktløse temperaturpistolen på den mistenkte pannen, og noterer seg temperaturen på enhetens baksiden av LCD-panelet.

Laserstrålen har faktisk ingen direkte forbindelse med temperaturmålingsprosedyren. Den brukes bare for å hjelpe legen til å sikre at det infrarøde termometeret er riktig rettet mot det ideelle stedet for kroppen for å bestemme kroppstemperatur mest nøyaktig.

Stefan – Boltzmann-loven

Som det fremgår av Stefan – Boltzmann-loven, er den totale utstrålingen til et legeme M_er(T) er proporsjonal med den fjerde effekten av temperaturen, som vist i følgende ligning

M_er(T) = εσT⁴

I denne ligningen betyr ε emissiviteten.

σ betegner Stefan-Boltzmann-konstanten som tilsvarer mengden 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-toTIL^-4, der bokstaven K er temperaturenheten i Kelvin.

Ovennevnte ligning antyder at når temperaturen i en kropp stiger, øker dens infrarøde utstråling også proporsjonalt. Denne IR-utstrålingen kan måles på avstand uten behov for fysisk kontakt. Lesingen kan gi oss øyeblikkelig temperaturnivå i kroppen.

Hvilken sensor som kan brukes

Sensoren som er best egnet, og brukes i kontaktløse termometre, er en termopil sensor .

En termopilesensor konverterer et infrarødt varmekart fra en fjern kilde til en proporsjonal mengde liten elektrisk spenningsutgang.

Det fungerer på prinsippet om termoelement, der forskjellige metaller blir sammenføyd i serie eller parallelt for å skape 'varme' og 'kalde' kryss. Når infrarød strålingsstrøm fra en kilde faller på termostabelen, skaper det en temperaturforskjell på tvers av disse kryssene, og utvikler en tilsvarende mengde strøm over termoelementets endeterminaler.

Denne elektriske effekten som er proporsjonal med varmekilden kan måles for å identifisere temperaturnivået fra kroppskilden.

Termoelementet inne i en termopilesensor er innebygd over en silisiumbrikke som gjør systemet ekstremt følsomt og nøyaktig.

Bruke MLX90247 termopil-sensor

IC MLX90247 er et utmerket eksempel på en allsidig termopælesensorenhet som ideelt kan brukes til å lage en termisk skannerenhet eller en kontaktløs termometerenhet.

IC MLX90247 består av stablet termoelement nettverk over overflaten av en membran.

De varmemottakelige kryssene til termoelementet er strategisk plassert nær sentrum av basismembranen, mens de differensielle kalde kryssene er plassert ved kanten av enheten som danner silisiummasseområdet til enheten.

Siden membranen er utformet for å være en dårlig varmeleder, er den oppdagede varmen fra kilden i stand til å stige raskt nær menbransenteret enn enhetens hovedkant.

På grunn av dette er en rask forskjell i varme i stand til å utvikle seg over termopilens kryssender, og forårsake et effektivt elektrisk potensial for å utvikle seg over disse terminalene gjennom termoelektrisk prinsipp.

Den beste delen av termopilesensoren er at den, i motsetning til standard IC, ikke krever en ekstern strømforsyning for å fungere, men den genererer sitt eget elektriske potensial for å muliggjøre den nødvendige måling.

Du får to varianter av IC MLX90247 som vist nedenfor, hvor den ene varianten gir et bakken Vss-alternativ, og den andre er uten en Vss-pin.

Det øvre alternativet tillater en bipolar måling av IR-temperaturen. Betydningen at utgangen kan vise temperaturer høyere enn omgivelsestemperaturen og også lavere enn omgivelsestemperaturene.

Det nederste alternativet kan brukes til måle temperatur enten over det omgivende nivået eller under det omgivende nivået, og tillater dermed et unipolært måleanlegg.

Hvorfor termistor brukes i termopilen

I IC MLX90247 ovenfor kan vi se a termistor blir inkludert i enhetspakken. Termistoren spiller en viktig rolle i å skape et referansenivåutgang for det eksterne måleenhetstrinnet.

Termistoren er innarbeidet for å oppdage omgivelsestemperaturen eller kroppstemperaturen til enheten. Dette omgivelsestemperaturnivået blir referansenivået for utgangsforsterkerstadiet.

Så lenge IR-temperaturen fra målet er under eller lik dette referansenivået, reagerer ikke det eksterne forsterkertrinnet, og utgangen forblir 0 V.

Imidlertid, så snart IR-utstrålingen fra kroppen går forbi omgivelsestemperaturen, begynner op-forsterkeren å svare for å produsere en gyldig målbar utgang som lineært tilsvarer den økende varmeeffekten til kroppen.

Kontaktløs termometerkrets ved bruk av IC MLX90247 termopilesensor

I den ovennevnte prototype-kretsen til en kontaktløs IR-termometerkrets, finner vi termopilesensoren IC MLX90247 i bipolar modus, konfigurert med en ekstern op-amp designet for å forsterke liten elektrisk strøm fra termopilen til en målbar utgang.

Den øvre op-amp forsterker termoelementutgangen fra IC MLX90247, mens den nedre op-amp forsterker omgivelsestemperaturen til IC.

En enkel differensial VU meter er festet over utgangene til de to op-forsterkerne. Så lenge det ikke er noe varmeemitterende legeme foran termopilen, forblir dens indre termoelementtemperatur lik den tilstøtende termistortemperaturen. På grunn av dette genererer de to op-amp utgangene like mye spenning. VU-måleren indikerer altså en 0 V i midten av skiven.

I tilfelle en menneskekropp som har en høyere temperatur enn omgivelsene bringes innenfor termopilenes avkjenningsområde, begynner dens termoelementutgang over pin2 og pin4 å stige eksponentielt og overstiger termistorutgangen over pin3 og pin1.

Dette resulterer i at den øvre op-forsterkeren genererer mer positiv spenning enn den nedre op-forsterkeren. VU-måleren reagerer på dette, og nålen begynner å skifte på høyre side av 0V-kalibreringen. Avlesningen viser direkte temperaturnivået til målet oppdaget av termopilen.

Hvilken Op Amp passer til applikasjonen

Siden utgangen fra termopilen skal være i mikrovolt, må op-forsterkeren som skal brukes til å forsterke denne ekstremt lille spenningen være svært følsom og sofistikert, og med svært lav spesifikasjon for inngangsforskyvning. For å oppfylle betingelsene ser det ut til at en instrumenteringsforsterker er det beste valget for dette programmet.

Selv om du kanskje finner mange gode instrumentasjonsforsterkere online, ser INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Forsterker ut til å være den mest passende kandidaten.

Det er mange flotte funksjoner som gjør denne IC best egnet for å forsterke termoelementspenninger til målbare størrelser. En grunnleggende IC INA333 instrumentasjonsforsterkerkrets kan sees nedenfor, og denne utformingen kan brukes til å forsterke den ovenfor forklarte termopilekretsen.

I denne INA333 op amp kretsen motstanden R_G bestemmer kretsens forsterkning, og kan beregnes ved hjelp av formelen:

Forsterkning = 1 + 100 / R._G

Utgangsresultatet vil være i kilo ohm.

Gjennom denne formelen kan vi stille inn den totale forsterkningen av kretsen avhengig av nivået på mikrovolt mottatt fra termopilen.

Forsterkningen kan justeres rett fra 0 til 10.000, noe som gir op-forsterkeren et eksepsjonelt nivå av forsterkningsevne for mikrovolt-innganger.

For å kunne bruke denne instrumentasjonsforsterkeren uten termopil IC, trenger vi to av disse op amp modulene. Den ene vil bli brukt til å forsterke termoelementets signalutgang, og den andre vil bli brukt til å forsterke termistorens signalutgang, som vist nedenfor

Oppsettet kan brukes til å lage et kontaktfritt IR-termometer, som vil produsere en lineært økende analog utgang som svar på en lineært økende IR-varme, slik det oppdages av termopilen.

Den analoge utgangen kan enten festes til en milivolt VU-meter eller en digital mV-måler for å få en øyeblikkelig tolkning av kroppens temperaturnivå.

Utgangen V_eller kan også estimeres gjennom følgende ligning:

V_eller = G ( V_{i +} - V_i- )

Deleliste

Følgende deler vil være nødvendige for å bygge den ovenfor forklarte conctless termometer kretsen:

Thermopile Sensor IC MLX90247 - 1nr
Instrumentering Op amp INA333 - 2nr
Voltmeter med et område fra 0 til 1V FSD - 1nr
1,2 V AAA Ni-Cd-celler for å drive INA333 - 2 nr

Voltmeteravlesningen må kalibreres i Celsius, noe som kan gjøres med litt eksperimentering og prøving og feiling.

Bruke en PIR

Til vanlig PIR-sensor fungerer også fint, og gir et billig alternativ for denne typen applikasjoner.

En PIR inkluderer en pyroelektrisk materialbasert sensor som TGS, BaTiO3 og så videre, som går gjennom en spontan polarisering når den registrerer en temperaturendring innenfor deteksjonsområdet.

Polarisasjonsladningen i en PIR-enhet som genereres på grunn av endring i temperaturen er avhengig av bestrålingskraften Phi_er overføres av kroppen på PIR-sensoren. Dette fører til at PIR-utgangen genererer en strøm Jeg_d ωpA_d( Δ T) .

Enheten genererer også en spenning V_eller som kan være lik strømproduktet Jeg_d og impedansen til enheten. Dette kan uttrykkes med følgende ligning:

V_eller= Jeg_dR_d/ √1 + ω^toR^to_dC^to_d

Denne ligningen kan strømlinjeformes ytterligere til:

V_eller= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^toR^to_dC^to_d

der p indikerer den pyroelektriske koeffisienten, ω betegner radianfrekvensen, og Δ T er lik forskjellen i detektortemperaturen T_d
og omgivelsestemperatur T_til.

Nå, ved å bruke varmebalanseligning, finner vi at verdien av Δ T kan avledes som uttrykt i følgende ligning:

Δ T = R_TPhi_er/ √ (1 + ω^toτ^to_T)

Hvis vi erstatter denne verdien av Δ T i forrige ligning får vi et resultat som representerer Vo med en båndpassegenskaper, som vist nedenfor:

hvor τ_ER refererer til den elektriske tidskonstanten ( R_dC_d ), τ_T indikerer
termisk tidskonstant ( R_TC_T ), og Phi_er symboliserer strålingen
strøm fra målet oppdaget av sensoren.

Ovennevnte diskusjoner og ligninger viser at utgangsspenningen Vo fra en PIR er direkte proporsjonal med strålingseffekten som sendes ut fra kilden, og blir dermed ideell for applikasjoner uten kontaktløs temperaturmåling.

Vi vet imidlertid at en PIR ikke kan svare på en IR-kilde for papirvarer, og krever at kilden er i bevegelse for å muliggjøre en lesbar utgang.

Siden bevegelseshastigheten også påvirker utdataene, må vi sørge for at kilden beveger seg med en presis hastighet, et aspekt som kan være umulig å implementere på et menneskelig mål.

Derfor, en enkel måte å motvirke dette på, for å la det menneskelige målet være skrivesaker, og replikere bevegelsen ved å grense et kunstig motorbasert helikopter med PIR-linsesystemet.

Kontaktløs termometerprototype ved bruk av PIR

Følgende avsnitt forklarer testoppsettet av et praktisk termisk skannersystem, som kan brukes til å bygge en praktisk prototype, etter en grundig optimalisering av de forskjellige involverte parametrene.

Som lært i forrige avsnitt, er en PIR designet for å oppdage strålingsemisjon i form av en temperaturendringshastighet dT / dt og reagerer følgelig bare på en infrarød varme som pulseres med en passende beregnet frekvens.

I henhold til eksperimenter er det funnet at PIR fungerer best ved en pulsfrekvens på rundt 8 Hz, som oppnås ved jevn hugging av det innkommende signalet gjennom en servohakker

I utgangspunktet lar hakingen av signalene PIR-sensoren vurdere og sende ut kroppens strålende kraft som spenningsspisser. Hvis chopperfrekvensen er riktig optimalisert, vil gjennomsnittsverdien til disse piggene være direkte proporsjonal med intensiteten til strålingen.

Følgende bilde viser et typisk testoppsett for å lage en optimalisert måleenhet eller MU.

For å sikre effektiv bruk av systemet må avstanden mellom IR-kilden og sensorens synsfelt (FOV) være rundt 40 cm. Med andre ord må den utstrålende kroppen og PIR-linsen være i en avstand på 40 cm fra hverandre.

Vi kan også se et haktersystem bestående av en liten trinnmotor med en propell installert mellom fresnel-linsen og PIR-pyroelektrisk sensor.

Hvordan det fungerer

IR-strålingen fra kroppen passerer gjennom fresnel-linsen, deretter hakkes den ved 8 Hz-frekvens av helikoptermotoren, og den resulterende pulserende IR-strålingen oppdages av PIR-sensoren.

Utgangs-vekselstrømmen som tilsvarer denne detekterte IR-en blir deretter brukt til 'signalbalsam-trinnet' laget med mange op-amp-trinn.

Den endelige forsterkede og kondisjonerte utgangen fra signalbalsamet blir analysert på et oscilloskop for å kontrollere kretsens respons på en varierende stråleutgang av et legeme.

Optimalisering av PIR og Chopper

For å få best mulig resultater, må følgende kriterier være sikret for PIR og chopper-foreningen.

Hakkskiven eller knivene skal være plassert slik at de kan rotere mellom fresnel-linsen og den interne PIR-sensoren.

Fresnel-linsediameteren bør ikke være mer enn 10 mm.

Brennvidden på linsen skal være rundt 20 mm.

Tatt i betraktning det faktum at det typiske sanseområdet til TIL_d 1,6 mm Phi og er installert nær objektivets brennvidde, synsfeltet eller FOV er funnet å være 4,58^ellerved hjelp av følgende formel:

FOV_{(halv vinkel)}≈ | så^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^eller

I denne ligningen d_s betegner sensorens påvisbare diameter, og f er objektivets brennvidde.

Chopper Blade Spesifikasjoner

Arbeidseffektiviteten til det kontaktløse termometeret avhenger i stor grad av hvordan den infrarøde hendelsen pulseres gjennom hakksystemet og

I denne helikopteren må følgende dimensjoner brukes:

Hakkeren skal ha 4 kniver og en DC-diameter bør være rundt 80 mm. Den skal kjøres gjennom en trinnmotor eller en PWM-kontrollert krets.

Den omtrentlige rotasjonsfrekvensen skal være rundt 5 Hz til 8 Hz for optimal ytelse.

PIR-fresnel-linsen må være plassert 16 mm bak den pyroelektriske sensoren, slik at den innkommende IR-signaldiameteren som faller på linsen, er rundt 4 mm, og denne diameteren antas å være mye mindre enn 'tannbreddens' TW på hakket. disk.

Konklusjon

En kontaktløs termisk skanner eller et IR-termometer er en veldig nyttig enhet som gjør det mulig å måle menneskekroppstemperaturen på avstand uten fysisk kontakt.

Hjertet til denne enheten er en infrarød sensor som oppdager nivået på varme i form av en strålende strøm av et legeme og omdanner det til et tilsvarende nivå av elektrisk potensial.

De to typer sensorer som kan brukes til dette formålet er termopilesensoren og den pyroelektriske sensoren.

Selv om de begge fysisk ser like ut, er det en stor forskjell i arbeidsprinsippet.

En termopil fungerer med det grunnleggende prinsippet om et termoelement og genererer et elektrisk potensial proporsjonalt med forskjellen i temperatur over sine termoelementkryss.

En pyroelektrisk sensor som vanligvis brukes i PIR-sensorer, fungerer ved å oppdage temperaturendringen i et legeme når kroppen med en høyere temperatur enn omgivelsestemperaturen krysser synsfeltet til sensoren. Denne endringen av temperaturnivået konverteres til en proporsjonal mengde elektrisk potensial ved utgangen

Det er mye enklere å konfigurere og implementere termopile som en lineær enhet i alle former for applikasjoner for termisk skanning.