U ovom ćemo postu naučiti osnovni radni koncept termičkih skenera ili beskontaktnih IC termometara, a također ćemo naučiti kako izraditi praktični DIY prototip jedinice bez Arduina .

U eri nakon COVID-19 uobičajeno je svjedočenje liječnika koji drže bezkontaktni temperaturni pištolj i pokazuju prstom prema čelu osumnjičenika za COVID-19.

Uređaj je zapravo termometar bez kontakta, koji otkriva trenutnu temperaturu površine tijela osumnjičenika i omogućuje liječniku da zna je li osoba normalna ili pati od vrućice?

Osnovna metoda ispitivanja

U postupku ispitivanja pronalazimo ovlaštenu osobu koja usmjerava lasersku zraku iz beskontaktne temperaturne puške na čelo osumnjičenika i bilježi temperaturu na stražnjoj LCD ploči uređaja.

Laserska zraka zapravo nema izravne veze s postupkom mjerenja temperature. Služi samo kao pomoć liječniku kako bi osigurao da je infracrveni termometar pravilno usmjeren na idealno mjesto tijela za određivanje tjelesna temperatura uglavnom točno.

Zakon Stefan-Boltzmann

Kao što navodi Stefan – Boltzmannov zakon, ukupni sjajni izlazak tijela M_je(T) je proporcionalan četvrtoj moći njegove temperature, kao što je prikazano u sljedećoj jednadžbi

M_je(T) = εσT⁴

U ovoj jednadžbi ε označava emisivnost.

σ označava Stefan-Boltzmannovu konstantu koja je ekvivalentna veličini 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-dvaDO^-4, gdje je slovo K jedinica temperature u Kelvinima.

Gornja jednadžba sugerira da kada temperatura tijela poraste, proporcionalno se povećava i njegova infracrvena zračenja. Ovo IR zračenje moglo bi se izmjeriti iz daljine bez potrebe za bilo kakvim fizičkim kontaktom. Očitanje nam može pružiti trenutnu razinu temperature tijela.

Koji je senzor primjenjiv

Senzor koji je najprikladniji i koristi se u beskontaktnim termometrima je senzor termopile .

Termopile senzor pretvara upadnu infracrvenu mapu topline iz udaljenog izvora u proporcionalnu količinu malog izlaznog električnog napona.

Radi na principu termoelementa, u kojem se različiti metali spajaju serijski ili paralelno kako bi se stvorili 'vrući' i 'hladni' spojevi. Kad infracrveni zračeni tok iz izvora padne na termopilot, stvara razliku u temperaturi na tim spojevima, razvijajući ekvivalentnu količinu električne energije na krajnjim stezaljkama termoelementa.

Ova električna snaga proporcionalna izvoru topline može se izmjeriti kako bi se utvrdila razina temperature iz tijela.

Termoelement unutar senzora termopile ugrađen je u silicijski čip što sustav čini izuzetno osjetljivim i preciznim.

Korištenje MLX90247 senzora termopile

IC MLX90247 izvrstan je primjer svestranog uređaja s termopilom koji se idealno može koristiti za izradu uređaja za termički skener ili beskontaktnog termometra.

IC MLX90247 sastoji se od nagomilane mreže termoelemenata preko površine membrane.

Spojevi termoelementa koji prihvaćaju toplinu strateški su smješteni blizu središta osnovne membrane, dok su diferencijalni hladni spojevi postavljeni na rubu uređaja koji čine silicijumsku površinu jedinice.

Budući da je membrana dizajnirana da bude loši vodič topline, otkrivena toplina iz izvora može se brzo povećati u blizini središta menbrane od masovnog ruba uređaja.

Zahvaljujući tome, brza razlika u toplini može se razviti preko krajeva spoja termopile uzrokujući učinkoviti električni potencijal koji se razvija preko ovih terminala pomoću termoelektričnog principa.

Najbolji dio senzora termopile je taj što, za razliku od standardnih IC-a, za rad ne treba vanjsko napajanje, već generira vlastiti električni potencijal za omogućavanje potrebnih mjerenja.

Dobivate dvije varijante IC MLX90247, kao što je prikazano dolje, pri čemu jedna varijanta nudi opciju uzemljenja Vss, a druga nema Vss iglu.

Gornja opcija omogućuje bipolarno mjerenje IR temperature. Što znači da izlaz može pokazivati temperature više od temperature okoline i također niže od temperatura okoline.

Donja opcija se može koristiti za izmjeriti temperaturu bilo iznad razine okoline ili ispod razine okoliša, i tako omogućava jednopolarno mjerno sredstvo.

Zašto se Termistor koristi u termopili

U gore navedenom IC MLX90247 možemo vidjeti a termistor biti uključeni u paket uređaja. Termistor igra važnu ulogu u stvaranju izlaza referentne razine za stupanj vanjske mjerne jedinice.

Termistor je ugrađen za detekciju temperature okoline ili tjelesne temperature uređaja. Ova razina temperature okoline postaje referentna razina za izlazni opcijski stupanj.

Sve dok je IR temperatura od cilja niža ili jednaka ovoj referentnoj razini, stupanj vanjskog opcijskog pojačala ne reagira i njegov izlaz ostaje 0 V.

Međutim, čim IR zračenje iz tijela prijeđe temperaturu okoline, opcijsko pojačalo počinje reagirati dajući valjani mjerljivi izlaz koji linearno odgovara rastućoj toplinskoj snazi tijela.

Krug beskontaktnog termometra koji koristi IC MLX90247 senzor termopile

U gornjem prototipu kruga beskontaktnog IR termometra nalazimo senzor termopile IC MLX90247 u bipolarnom načinu, konfiguriran s vanjskim opcijskim pojačalom dizajniranim da pojača malenu električnu energiju iz termopile u mjerljivi izlaz.

Gornje opcijsko pojačalo pojačava izlaz termoelementa iz IC MLX90247, dok donje opcijsko pojačalo pojačava temperaturu okoline IC.

Jednostavan diferencijal VU brojila je pričvršćen na izlazima dvaju opcijskih pojačala. Sve dok ispred termopila nema tijela koje emitira toplinu, njegova unutarnja temperatura termoelementa ostaje jednaka susjednoj temperaturi termistora. Zbog toga dva optička izlaza generiraju jednaku količinu napona. VU-mjerač tako pokazuje 0 V u središtu brojčanika.

U slučaju da se ljudsko tijelo s višom temperaturom od okolne unese u opseg osjetljivosti termopile, njegov izlaz termoelementa preko pin2 i pin4 počinje eksponencijalno rasti i premašuje izlaz termistora na pin3 i pin1.

To rezultira time da gornje opcijsko pojačalo generira pozitivniji napon od donjeg opcijskog pojačala. VU-mjerač reagira na to i njegova igla počinje se pomicati s desne strane 0V kalibracije. Očitanje izravno pokazuje razinu temperature cilja koji je detektiran termopilom.

Koje opcijsko pojačalo odgovara aplikaciji

Budući da bi izlaz iz termopile trebao biti u mikrovoltama, opcijsko pojačalo koje se koristi za pojačavanje ovog izuzetno malog napona mora biti vrlo osjetljivo i sofisticirano te s vrlo malom specifikacijom ulaznog odstupanja. Da bi se udovoljilo uvjetima, čini se da je opcijsko pojačalo za instrumente najbolji izbor za ovu aplikaciju.

Iako na mreži možete pronaći mnoštvo dobrih pojačala za instrumentaciju, čini se da je najprikladniji kandidat INA333 mikro-napajanje (50μA), Zerø-Drift, pojačalo instrumentacije od željeznice do šine.

Mnogo je sjajnih značajki koje ovu IC čine najprikladnijom za pojačavanje napona termoelemenata u mjerljive veličine. Osnovni sklop IC instrumentacijskog pojačala IC može se vidjeti dolje, a ovaj dizajn može se koristiti za pojačanje gore objašnjenog kruga termopile.

U ovom optičkom krugu optičkog pojačala INA333 otpornik R_G određuje pojačanje kruga i može se izračunati pomoću formule:

Dobitak = 1 + 100 / R_G

Izlazni rezultat bit će u kilo ohima.

Pomoću ove formule možemo postaviti ukupni dobitak kruga ovisno o razini mikrovolta primljenog iz termopile.

Pojačanje se može prilagoditi od 0 do 10 000, što opcijskom pojačalu pruža iznimnu razinu pojačanja za mikrovoltne ulaze.

Da bismo mogli koristiti ovo instrumentacijsko pojačalo s vanjskom termopilnom IC-om, trebat će nam dva od ovih opcijskih modula. Jedan će se koristiti za pojačavanje izlaza signala termoelementa, a drugi za pojačavanje izlaza signala termistora, kao što je prikazano dolje

Postava se može koristiti za izradu beskontaktnog IR termometra, koji će proizvesti linearno rastući analogni izlaz kao odgovor na linearno rastuću IR toplinu, kako je otkrivena termopilom.

Analogni izlaz može se priključiti na milivolt VU mjerač ili a digitalni mV mjerač za trenutnu interpretaciju razine temperature tijela.

Izlaz V_ili također se može procijeniti putem sljedeće jednadžbe:

V_ili = G ( V_{u +} - V_u- )

Popis dijelova

Sljedeći će dijelovi biti potrebni za izgradnju gore objašnjenog bežičnog kruga termometra:

IC senzor termopile MLX90247 - 1br
Instrumentacija Op amp INA333 - 2nos
Voltmetar s rasponom od 0 do 1V FSD - 1no
1,2-AAA Ni-Cd stanice za napajanje INA333 - 2nos

Očitavanje voltmetra trebat će kalibrirati u Celzijusu, što se može učiniti uz određena eksperimentiranja i pokušaje i pogreške.

Korištenje PIR-a

U normalu PIR senzor također lijepo funkcionira i pruža jeftinu alternativu za ove vrste aplikacija.

PIR uključuje senzor na osnovi piroelektričnog materijala kao što su TGS, BaTiO3 i tako dalje, koji prolazi kroz spontanu polarizaciju kad osjeti promjenu temperature unutar svog područja detekcije.

Polarizacijski naboj u PIR uređaju koji nastaje zbog promjene njegove temperature ovisi o snazi zračenja Phi_je prenosi tijelo na PIR senzoru. To uzrokuje da PIR izlaz generira struju Ja_d ωpA_d( Δ T) .

Uređaj također generira napon V_ili koji može biti jednak umnošku struje Ja_d i impedancija uređaja. To se može izraziti sljedećom jednadžbom:

V_ili= Ja_dR_d/ √1 + ω^dvaR^dva_dC^dva_d

Ova se jednadžba može dalje usmjeriti u:

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

gdje p označava piroelektrični koeficijent, ω označava radijansku frekvenciju, a Δ T je jednaka razlici u temperaturi detektora T_d
i temperature okoline T_do.

Sada, primjenom jednadžbe ravnoteže topline nalazimo da je vrijednost Δ T se može izvesti na način izražen u sljedećoj jednadžbi:

Δ T = R_TPhi_je/ √ (1 + ω^dvaτ^dva_T)

Ako zamijenimo ovu vrijednost od Δ T u prethodnoj jednadžbi dobivamo rezultat koji predstavlja Vo s opsežnim opsegom, kao što je prikazano dolje:

gdje τ_JE odnosi se na električnu vremensku konstantu ( R_dC_d ), τ_T označava
toplinska konstanta vremena ( R_TC_T ) i Phi_je simbolizira blistavu
napajanje od cilja koji je otkrio senzor.

Gornje rasprave i jednadžbe dokazuju da je izlazni napon Vo iz PIR-a izravno proporcionalan zračenju koju emitira izvor, te stoga postaje idealno pogodan za beskontaktne primjene mjerenja temperature.

Međutim, znamo da PIR ne može reagirati na dopisnički IR izvor i zahtijeva da izvor bude u pokretu radi omogućavanja čitljivog izlaza.

Budući da brzina kretanja također utječe na izlazne podatke, moramo osigurati da se izvor kreće preciznom brzinom, aspektom koji je možda nemoguće primijeniti na ljudskoj meti.

Stoga je jednostavan način da se tome suprotstavi dopustiti da ljudska meta bude dopisnica i replicirati njezino kretanje povezivanjem umjetnog helikopter na bazi motora s PIR sustavom leća.

Prototip beskontaktnog termometra koji koristi PIR

Sljedeći odlomci objašnjavaju testno postavljanje praktičnog sustava termičkog skenera, koji se može primijeniti za izradu praktičnog prototipa, nakon temeljite optimizacije različitih uključenih parametara.

Kao što smo naučili u prethodnom odjeljku, PIR je dizajniran za otkrivanje zračenja u obliku brzine promjene temperature dT / dt , i stoga reagira samo na infracrvenu toplinu koja impulsira s odgovarajuće izračunatom frekvencijom.

Prema eksperimentima, utvrđeno je da PIR najbolje djeluje pri frekvenciji impulsa od oko 8 Hz, što se postiže stalnim rezanjem dolaznog signala kroz servo sjeckalicu

U osnovi, sjeckanje signala omogućuje PIR senzoru da procijeni i izbaci zračenje tijela kao skokove napona. Ako je frekvencija sjeckalice ispravno optimizirana, tada će prosječna vrijednost ovih šiljaka biti izravno proporcionalna intenzitetu temperature zračenja.

Sljedeća slika prikazuje tipični test postavljen za stvaranje optimizirane mjerne jedinice ili MU.

Da bi se osigurao učinkovit rad sustava, udaljenost između IR izvora i vidnog polja senzora (FOV) mora biti oko 40 cm. Drugim riječima, tijelo koje zrači i PIR leća moraju biti međusobno udaljeni 40 cm.

Također možemo vidjeti sustav sjeckalice koji se sastoji od malog koračnog motora s propelerom ugrađenim između leće fresnel-a i PIR-piroelektričnog senzora.

Kako radi

IR zračenje iz tijela prolazi kroz fresnel leću, zatim ga motor usitnjavača usječe na frekvenciji 8 Hz, a rezultirajuće impulsno IR zračenje detektira PIR senzor.

Izlazni izmjenični napon ekvivalentan ovom otkrivenom IR-u zatim se primjenjuje na stupanj 'kondicionera signala' napravljen s mnogim stupnjevima opcijskog pojačala.

Konačni pojačani i uvjetovani izlaz iz uređaja za kondicioniranje signala analizira se na osciloskopu kako bi se provjerio odziv kruga na različito zračenje tijela koje izlazi.

Optimizacija PIR-a i helikoptera

Da bi se postigli najbolji mogući rezultati, moraju se osigurati sljedeći kriteriji za PIR i asocijaciju helikoptera.

Disk sjeckalice ili lopatice trebaju biti postavljeni tako da se okreću između leće fresnel i PIR unutarnjeg senzora.

Promjer fresnel leće ne smije biti veći od 10 mm.

Žarišna daljina leće trebala bi biti oko 20 mm.

Uzimajući u obzir činjenicu da je tipično područje očitavanja DO_d 1,6 mm Phi i instaliran je blizu žarišne duljine leće, utvrđeno je da je vidno polje ili FOV 4,58^ilikoristeći sljedeću formulu:

FOV_(polukut)≈ | tako^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^ili

U ovoj jednadžbi d_s označava uočljivi promjer senzora i f je žarišna daljina leće.

Specifikacije oštrice sjeckalice

Učinkovitost rada beskontaktnog termometra u velikoj mjeri ovisi o tome kako upadajući infracrveni zrak pulsira kroz sustav sjeckalice i

U ovom helikopteru moraju se koristiti sljedeće dimenzije:

Sjeckalica bi trebala imati 4 lopatice, a promjer Dc trebao bi biti oko 80 mm. Trebao bi se voziti kroz koračni motor ili PWM upravljani krug.

Približna frekvencija rotacije trebala bi se kretati oko 5 Hz do 8 Hz za optimalne performanse.

PIR fresnel leća mora biti postavljena 16 mm iza piroelektričnog senzora, tako da promjer dolaznog IR signala koji pada na leću iznosi oko 4 mm, a taj bi promjer trebao biti mnogo manji od TW-a širine zuba helikoptera. disk.

Zaključak

Beskontaktni termički skener ili IC termometar vrlo su korisni uređaji koji omogućuju mjerenje temperature ljudskog tijela iz daljine bez ikakvog fizičkog kontakta.

Srce ovog uređaja je infracrveni senzor koji otkriva razinu topline u obliku zračenja tijela i pretvara je u ekvivalentnu razinu električnog potencijala.

Dvije vrste senzora koje se mogu koristiti u tu svrhu su senzor termopile i piroelektrični senzor.

Iako se fizički oboje čine sličnima, postoji velika razlika u principu rada.

Termopila radi s osnovnim principom termoelementa i generira električni potencijal proporcionalan razlici temperature na svojim spojevima termoelementa.

Piroelektrični senzor koji se obično koristi u PIR senzorima djeluje otkrivanjem promjene temperature tijela kada tijelo s višom temperaturom od temperature okoline pređe vidno polje senzora. Ova promjena razine temperature pretvara se u proporcionalnu količinu električnog potencijala na njegovom izlazu

Termopilot kao linearni uređaj mnogo je lakše konfigurirati i ugraditi u sve oblike primjene termičkog skeniranja.