I det här inlägget kommer vi att lära oss det grundläggande arbetskonceptet för termiska skannrar eller kontaktlösa IR-termometrar, och också lära oss hur man gör en praktisk DIY-prototyp av enheten utan Arduino .

Under COVID-19-eran är det en vanlig syn att bevittna läkare som håller en kontaktlös temperaturpistol och pekar mot pannan på en COVID-19-misstänkt.

Enheten är i själva verket en kontaktfri termometeranordning som upptäcker den ögonblickliga temperaturen på den misstänktes kroppsyta och gör det möjligt för läkaren att veta om personen är normal eller har feber?

Grundläggande testmetod

I testprocessen hittar vi den auktoriserade personen som pekar en laserstråle från den kontaktlösa temperaturpistolen på den misstänktes panna och noterar temperaturen på enhetens bakre LCD-panel.

Laserstrålen har faktiskt ingen direkt koppling till temperaturmätningsproceduren. Den används bara för att hjälpa läkaren att se till att den infraröda termometern riktas korrekt mot kroppens idealiska plats för att bestämma kroppstemperatur mestadels exakt.

Stefan – Boltzmann Law

Som framgår av Stefan – Boltzmann-lagstiftningen den totala strålningsutgången för en kropp M_är(T) är proportionell mot den fjärde effekten av dess temperatur, såsom visas i följande ekvation

M_är(T) = εσT⁴

I denna ekvation betyder ε emissivitet.

σ betecknar Stefan – Boltzmann-konstanten som motsvarar kvantiteten 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-2TILL^-4, där bokstaven K är temperaturenheten i Kelvin.

Ovanstående ekvation antyder att när kroppens temperatur stiger, ökar dess infraröda utstrålning också proportionellt. Denna IR-strålning kan mätas från avstånd utan att det behövs någon fysisk kontakt. Avläsningen kan ge oss den omedelbara temperaturnivån i kroppen.

Vilken sensor som är tillämplig

Sensorn som är bäst lämpad och används i kontaktlösa termometrar är en termopålssensor .

En termopilssensor omvandlar en infraröd värmekarta från en avlägsen källa till en proportionell mängd liten elektrisk spänningsutgång.

Det fungerar på termoelementets princip, där olika metaller förenas i serie eller parallellt för att skapa 'heta' och 'kalla' korsningar. När infrarött strålningsflöde från en källa faller på termopolen skapar det en temperaturskillnad över dessa korsningar och utvecklar en motsvarande mängd elektricitet över termoelementets ändanslutningar.

Denna elektriska effekt som är proportionell mot värmekällan kan mätas för att identifiera temperaturnivån från kroppskällan.

Termoelementet inuti en termopilssensor är inbäddat över ett kiselchip vilket gör systemet extremt känsligt och exakt.

Använda MLX90247 termopilssensor

IC MLX90247 är ett utmärkt exempel på en mångsidig termopilenhetsanordning som idealiskt kan användas för att tillverka en termisk skannerenhet eller en kontaktlös termometeranordning.

IC MLX90247 består av staplade termoelement nätverk över ytan av ett membran.

De värmemottagande korsningarna av termoelementet är strategiskt placerade nära centrum av basmembranet, medan de differentiella kalla korsningarna är placerade vid anordningens kant som bildar enhetens kiselbulkområde.

Eftersom membranet är utformat för att vara en dålig värmeledare, kan den detekterade värmen från källan stiga snabbt nära männens centrum än enhetens bulkkant.

På grund av detta kan en snabb skillnad i värme utvecklas över termopilens övergångsändar som orsakar en effektiv elektrisk potential att utvecklas över dessa terminaler genom termoelektrisk princip.

Den bästa delen av termopilssensorn är att den, till skillnad från standard-IC, inte kräver en extern elförsörjning för att fungera, utan genererar sin egen elektriska potential för att möjliggöra den nödvändiga mätningen.

Du får två varianter av IC MLX90247 som visas nedan, varvid en variant ger ett markerat Vss-alternativ, och det andra är utan en Vss-stift.

Det övre alternativet tillåter en bipolär mätning av IR-temperaturen. Det betyder att utgången kan visa temperaturer högre än omgivningstemperaturen och även lägre än omgivningstemperaturerna.

Det lägre alternativet kan användas för att mäta temperaturen antingen över omgivningsnivån eller under omgivningsnivån och möjliggör således en unipolär mätanläggning.

Varför Thermistor används i termopilen

I IC MLX90247 ovan kan vi se a termistor ingår i enhetspaketet. Termistorn spelar en viktig roll för att skapa en referensnivåutgång för det externa mätenhetssteget.

Termistorn är inkorporerad för att detektera enhetens omgivningstemperatur eller kroppstemperatur. Denna omgivande temperaturnivå blir referensnivån för utgångsförstärkarsteget.

Så länge IR-temperaturen från målet är under eller lika med denna referensnivå svarar inte det externa förstärkningssteget på förstärkaren och dess utgång förblir 0 V.

Men så snart IR-strålningen från kroppen går förbi omgivningstemperaturen börjar op-förstärkaren att svara för att producera en giltig mätbar utgång som linjärt motsvarar kroppens stigande termiska effekt.

Kontaktlös termometerkrets med IC MLX90247 termopilssensor

I ovanstående prototypkrets för en kontaktlös IR-termometerkrets hittar vi termopilesensorn IC MLX90247 i bipolärt läge, konfigurerad med en extern op amp som är utformad för att förstärka liten elektrisk från termopilen till en mätbar utgång.

Den övre förstärkaren förstärker termoelementets utgång från IC MLX90247, medan den nedre förstärkaren förstärker omgivningstemperaturen för IC.

En enkel differentiering VU-mätare är ansluten över utgångarna på de två op-förstärkarna. Så länge det inte finns någon värmeemitterande kropp framför termopolen förblir dess inre termoelementstemperatur lika med den angränsande termistortemperaturen. På grund av detta genererar de två op-amp-utgångarna lika mycket spänningar. VU-mätaren indikerar således en 0 V i mitten av ratten.

Om en människokropp som har en högre temperatur än omgivningen bringas inom avkänningsområdet för termopilen, börjar dess termoelementutgång över pin2 och pin4 att stiga exponentiellt och överstiger termistorutmatningen över pin3 och pin1.

Detta resulterar i att den övre op-förstärkaren genererar mer positiv spänning än den nedre op-förstärkaren. VU-mätaren svarar på detta och nålen börjar växla på höger sida av 0V-kalibreringen. Avläsningen visar direkt temperaturnivån för målet som detekteras av termopilen.

Vilken Op Amp passar applikationen

Eftersom utgången från termopilen är tänkt att vara i mikrovolt, måste den förstärkare som ska användas för att förstärka denna extremt lilla spänning vara mycket känslig och sofistikerad och med mycket låg ingångsspecifikation. För att uppfylla villkoren verkar en instrumentförstärkare vara det bästa valet för denna applikation.

Även om du kanske hittar många bra instrumentförstärkare online verkar INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier vara den mest lämpliga kandidaten.

Det finns många fantastiska funktioner som gör denna IC bäst lämpad för att förstärka termoelementspänningar till en mätbar storlek. En grundläggande IC INA333-instrumentförstärkarkrets kan ses nedan, och denna design kan användas för att förstärka den ovan förklarade termopilkretsen.

I denna INA333 op amp-krets motståndet R_G bestämmer kretsens förstärkning och kan beräknas med formeln:

Förstärkning = 1 + 100 / R_G

Resultatet kommer att vara i kilo ohm.

Genom denna formel kan vi ställa in den totala förstärkningen av kretsen beroende på nivån på mikrovolt som tas emot från termopilen.

Förstärkningen kan justeras från 0 till 10 000, vilket ger förstärkaren en exceptionell förstärkningsförmåga för mikrovoltingångar.

För att kunna använda den här instrumentförstärkaren utan IC-uttag, behöver vi två av dessa op-amp-moduler. En kommer att användas för att förstärka termoelementets utsignal, och den andra kommer att användas för att förstärka termistorns signalutgång, som visas nedan

Uppsättningen kan användas för att göra en kontaktlös IR-termometer, som producerar en linjärt ökande analog utgång som svar på en linjärt ökande IR-värme, såsom detekteras av termopilen.

Den analoga utgången kan antingen anslutas till en milivolt VU-mätare eller en digital mV-mätare för att få en omedelbar tolkning av kroppens temperatur.

Utgången V_eller kan också uppskattas genom följande ekvation:

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

Dellista

Följande delar kommer att behövas för att bygga den ovan förklarade oändliga termometerkretsen:

Termopilsensor IC MLX90247 - 1nr
Instrumentation Op amp INA333 - 2 nr
Voltmeter med ett område 0 till 1V FSD - 1nr
1,2 V AAA Ni-Cd-celler för att driva INA333 - 2 nr

Voltmeteravläsningen måste kalibreras i Celsius, vilket kan göras med lite experiment och försök och fel.

Använda en PIR

Till det normala PIR-sensor fungerar också snyggt och ger ett billigt alternativ för dessa typer av applikationer.

En PIR inkluderar en pyroelektrisk materialbaserad sensor som TGS, BaTiO3 och så vidare, som går igenom en spontan polarisering när den känner av en temperaturförändring inom dess detektionsområde.

Polarisationsladdningen i en PIR-enhet som genereras på grund av förändring i dess temperatur beror på bestrålningseffekten Phi_är överförs av kroppen på PIR-sensorn. Detta gör att PIR-utgången genererar en ström Jag_d ωpA_d( Δ T) .

Enheten genererar också en spänning V_eller som kan vara lika med strömmen Jag_d och enhetens impedans. Detta kan uttryckas med följande ekvation:

V_eller= Jag_dR_d/ √1 + ω^tvåR^två_dC^två_d

Denna ekvation kan strömlinjeformas ytterligare till:

V_eller= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^tvåR^två_dC^två_d

där p indikerar den pyroelektriska koefficienten, ω betecknar radianfrekvensen och Δ T är lika med skillnaden i detektortemperaturen T_d
och omgivningstemperatur T_till.

Nu, genom att tillämpa värmebalansekvationen, finner vi att värdet av Δ T kan härledas som uttryckt i följande ekvation:

Δ T = R_TPhi_är/ √ (1 + ω^tvåτ^två_T)

Om vi ersätter detta värde av Δ T i föregående ekvation får vi ett resultat som representerar Vo med en bandpassegenskaper, som visas nedan:

var τ_ÄR hänvisar till den elektriska tidskonstanten ( R_dC_d ), τ_T indikerar
termisk tidskonstant ( R_TC_T ) och Phi_är symboliserar strålningen
ström från målet som detekteras av sensorn.

Ovanstående diskussioner och ekvationer bevisar att utspänningen Vo från en PIR är direkt proportionell mot strålningseffekten som emitteras från källan och blir därför idealisk för kontaktlösa temperaturmätningsapplikationer.

Vi vet dock att en PIR inte kan svara på en stationär IR-källa och kräver att källan är i rörelse för att möjliggöra en läsbar utgång.

Eftersom rörelsens hastighet också påverkar utdata, måste vi se till att källan rör sig med en exakt hastighet, en aspekt som kan vara omöjlig att implementera på ett mänskligt mål.

Därför ett enkelt sätt att motverka detta för att låta det mänskliga målet vara brevpapper och replikera dess rörelse genom att koppla ihop ett konstgjort motorbaserad hackare med PIR-linssystemet.

Kontaktlös termometerprototyp med PIR

Följande stycken förklarar testuppsättningen av ett praktiskt termiskt scannersystem, som kan användas för att bygga en praktisk prototyp, efter en noggrann optimering av de olika inblandade parametrarna.

Som lärt sig i föregående avsnitt är en PIR utformad för att detektera strålningsemission i form av en temperaturförändringshastighet dT / dt och svarar därför endast på ett infrarött värme som pulseras med en lämpligt beräknad frekvens.

Enligt experiment har det visat sig att PIR fungerar bäst vid en pulsfrekvens på cirka 8 Hz, vilket uppnås genom en stadig skärning av den inkommande signalen genom en servohackare

I grund och botten möjliggör kapning av signalerna att PIR-sensorn kan bedöma och mata ut kroppens strålningseffekt som spikar. Om hackarfrekvensen är optimerad korrekt kommer medelvärdet av dessa toppar att vara direkt proportionell mot intensiteten hos strålningstemperaturen.

Följande bild visar en typisk testuppsättning för att skapa en optimerad mätenhet eller MU.

För att säkerställa att systemet fungerar effektivt måste avståndet mellan IR-källan och sensorns synfält (FOV) vara cirka 40 cm. Med andra ord måste strålkroppen och PIR-linsen vara på 40 cm avstånd från varandra.

Vi kan också se ett choppersystem bestående av en liten stegmotor med en propeller installerad mellan fresnel-linsen och den PIR-pyroelektriska sensorn.

Hur det fungerar

IR-strålningen från kroppen passerar genom fresnel-linsen, sedan hackas den med 8 Hz-frekvensen av hackmotorn och den resulterande pulserade IR-strålningen detekteras av PIR-sensorn.

Utgången AC motsvarande denna detekterade IR appliceras sedan på 'signalbalsam' -steget tillverkat med många op-amp-steg.

Den slutliga förstärkta och konditionerade utsignalen från signalbehandlaren analyseras i ett oscilloskop för att kontrollera kretsens svar på en varierande strålningsutgång i en kropp.

Optimera PIR och Chopper

För att få bästa möjliga resultat måste följande kriterier säkerställas för PIR och chopperföreningen.

Chopper-skivan eller knivarna ska placeras så att de kan rotera mellan fresnel-linsen och den inre PIR-sensorn.

Fresnel-linsdiametern bör inte vara mer än 10 mm.

Linsens brännvidd bör vara cirka 20 mm.

Med tanke på att det typiska avkänningsområdet för TILL_d 1,6 mm Phi och är installerad nära objektivets brännvidd, synsfältet eller FOV visar sig vara 4,58^ellermed följande formel:

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

I denna ekvation d_s betecknar sensorns detekterbara diameter och f är linsens brännvidd.

Chopper Blade Specifikationer

Arbetseffektiviteten hos den kontaktlösa termometern beror till stor del på hur den infraröda infallningen pulsas genom hackarsystemet

I denna hackare måste följande dimensioner användas:

Hackaren bör ha 4 blad och en DC-diameter bör vara cirka 80 mm. Den ska köras via en stegmotor eller en PWM-styrd krets.

Den ungefärliga rotationsfrekvensen bör vara ca 5 Hz till 8 Hz för optimal prestanda.

PIR-fresnel-linsen måste placeras 16 mm bakom den pyroelektriska sensorn, så att den inkommande IR-signaldiametern som faller på linsen är cirka 4 mm, och denna diameter antas vara mycket mindre än hackarens 'tandbredd' TW disk.

Slutsats

En kontaktlös termisk scanner eller en IR-termometer är en mycket användbar anordning som gör det möjligt att mäta människokroppstemperaturen på avstånd utan någon fysisk kontakt.

Hjärtat i denna enhet är en infraröd sensor som detekterar värmenivån i form av en kropps strålningsflöde och omvandlar den till en ekvivalent nivå av elektrisk potential.

De två typerna av sensorer som kan användas för detta ändamål är termopilesensorn och den pyroelektriska sensorn.

Även om de båda ser fysiskt lika ut, är det en stor skillnad i arbetsprincipen.

En termostapel arbetar med ett termoelements grundprincip och genererar en elektrisk potential som är proportionell mot temperaturskillnaden över dess termoelementkorsningar.

En pyroelektrisk sensor som normalt används i PIR-sensorer, fungerar genom att detektera temperaturförändringen hos en kropp när kroppen med en högre temperatur än omgivningstemperaturen passerar sensorns synfält. Denna ändring av temperaturnivån omvandlas till en proportionell mängd elektrisk potential vid dess utgång

Det är mycket lättare att konfigurera och implementera termopil som en linjär enhet i alla former av applikationer för termisk avsökning.