In dit bericht leren we het basiswerkconcept van thermische scanners of contactloze IR-thermometers, en leren we ook hoe we een praktisch DIY-prototype van de eenheid kunnen maken. zonder Arduino

In het tijdperk na COVID-19 is het een normaal verschijnsel om getuige te zijn van artsen die een contactloos temperatuurpistool vasthouden en naar het voorhoofd van een COVID-19-verdachte wijzen.

Het apparaat is eigenlijk een contactloos thermometerapparaat, dat de momentane temperatuur van het lichaamsoppervlak van de verdachte detecteert en de arts laat weten of de persoon normaal is of koorts heeft.

Basistestmethode

Tijdens het testproces zien we dat de bevoegde persoon een laserstraal van het contactloze temperatuurpistool op het voorhoofd van de verdachte richt en de temperatuur op het LCD-paneel aan de achterkant van het apparaat noteert.

De laserstraal heeft eigenlijk geen directe verbinding met de temperatuurmeetprocedure. Het wordt alleen gebruikt om de arts te helpen ervoor te zorgen dat de infraroodthermometer correct is gericht op de ideale plaats van het lichaam voor het bepalen van de lichaamstemperatuur meestal nauwkeurig.

Wet van Stefan-Boltzmann

Volgens de wet van Stefan-Boltzmann is de totale stralende exitance van een lichaam M_is(T) is evenredig met de vierde macht van zijn temperatuur, zoals weergegeven in de volgende vergelijking

M._is(T) = εσT⁴

In deze vergelijking geeft ε de emissiegraad aan.

σ staat voor de Stefan-Boltzmann-constante die gelijk is aan de grootheid 5.67032 x 10^-1212 Wcm^-2NAAR^-4, waarbij de letter K de temperatuureenheid in Kelvin is.

De bovenstaande vergelijking suggereert dat wanneer de temperatuur van een lichaam stijgt, de infraroodstraling ook proportioneel toeneemt. Deze IR-straling kan op afstand worden gemeten zonder dat er fysiek contact nodig is. De meting kan ons het momentane temperatuurniveau van het lichaam geven.

Welke sensor is van toepassing

De sensor die het meest geschikt is en die wordt gebruikt in contactloze thermometers is een thermozuil sensor

Een thermozuilsensor zet een invallende infrarood warmtekaart van een verre bron om in een evenredige hoeveelheid minuscule elektrische uitgangsspanning.

Het werkt volgens het principe van thermokoppel, waarbij ongelijke metalen in serie of parallel worden samengevoegd om 'hete' en 'koude' overgangen te creëren. Wanneer infraroodstralingsflux van een bron op de thermokoppel valt, ontstaat er een temperatuurverschil tussen deze knooppunten, waardoor een equivalente hoeveelheid elektriciteit over de eindaansluitingen van het thermokoppel wordt ontwikkeld.

Deze elektrische output evenredig met de warmtebron kan worden gemeten om het temperatuurniveau van de lichaamsbron te identificeren.

Het thermokoppel in een thermozuilsensor is ingebed over een siliciumchip waardoor het systeem extreem gevoelig en nauwkeurig is.

Met behulp van de MLX90247 thermozuilsensor

De IC MLX90247 is een uitstekend voorbeeld van een veelzijdige thermozuilsensor die ideaal kan worden gebruikt voor het maken van een thermische scanner of een contactloze thermometer.

De IC MLX90247 bestaat uit een opgestapeld thermokoppelnetwerk over het oppervlak van een membraan.

De warmtegevoelige overgangen van het thermokoppel zijn strategisch gepositioneerd nabij het midden van het basismembraan, terwijl de differentiële koude overgangen zijn geplaatst aan de rand van de inrichting die het silicium-bulkgebied van de eenheid vormen.

Omdat het membraan is ontworpen om een slechte warmtegeleider te zijn, kan de gedetecteerde warmte van de bron snel stijgen nabij het midden van de menbrane dan de bulkrand van het apparaat.

Hierdoor kan zich een snel verschil in warmte ontwikkelen over de uiteinden van de thermozuilverbindingen, waardoor een effectief elektrisch potentieel ontstaat over deze terminals door middel van het thermo-elektrische principe.

Het beste deel van de thermozuilsensor is dat deze, in tegenstelling tot standaard IC's, geen externe elektrische voeding nodig heeft om te werken, maar zijn eigen elektrische potentiaal genereert om de vereiste meting mogelijk te maken.

Je krijgt twee varianten van de IC MLX90247 zoals hieronder getoond, waarbij de ene variant een geaarde Vss-optie biedt en de andere geen Vss-pin heeft.

De bovenste optie maakt een bipolaire meting van de IR-temperatuur mogelijk. Dit betekent dat de output temperaturen kan vertonen die hoger zijn dan de omgevingstemperatuur en ook lager dan de omgevingstemperatuur.

De onderste optie kan worden gebruikt meet temperatuur ofwel boven het omgevingsniveau of onder het omgevingsniveau, en maakt zo een unipolaire meetfaciliteit mogelijk.

Waarom Thermistor wordt gebruikt in de Thermopile

In de bovenstaande IC MLX90247 zien we een thermistor wordt opgenomen in het apparaatpakket. De thermistor speelt een belangrijke rol bij het creëren van een referentieniveau-uitgang voor de externe meeteenheidstrap.

De thermistor is ingebouwd om de omgevingstemperatuur of de lichaamstemperatuur van het apparaat te detecteren. Dit omgevingstemperatuurniveau wordt het referentieniveau voor de output op amp-trap.

Zolang de IR-temperatuur van het doel onder of gelijk is aan dit referentieniveau, reageert de externe versterker-versterkertrap niet en blijft de output 0 V.

Zodra de IR-straling van het lichaam echter de omgevingstemperatuur overschrijdt, begint de opamp te reageren om een geldige meetbare output te produceren die lineair overeenkomt met de stijgende thermische output van het lichaam.

Contactloos thermometerschakeling met behulp van IC MLX90247 Thermopile-sensor

In het bovenstaande prototype-circuit van een contactloze IR-thermometercircuit, vinden we de thermozuilsensor IC MLX90247 in de bipolaire modus, geconfigureerd met een externe opamp die is ontworpen om kleine elektrische signalen van de thermozuil te versterken tot een meetbare output.

De bovenste opamp versterkt de thermokoppeluitvoer van de IC MLX90247, terwijl de onderste opamp de omgevingstemperatuur van de IC versterkt.

Een simpel differentieel VU meters is aangesloten over de uitgangen van de twee opamps. Zolang er zich geen warmteafgevend lichaam voor de thermozuil bevindt, blijft de interne thermokoppeltemperatuur gelijk aan de aangrenzende thermistortemperatuur. Hierdoor genereren de twee opamp-uitgangen een gelijk aantal spanningen. De VU-meter geeft dus een 0 V aan in het midden van zijn wijzerplaat.

In het geval dat een menselijk lichaam met een hogere temperatuur dan de omgeving binnen het detectiebereik van de thermozuil wordt gebracht, begint de thermokoppeluitgang over pin2 en pin4 exponentieel te stijgen en overschrijdt deze de thermistoruitgang over pin3 en pin1.

Dit resulteert in de bovenste opamp die meer positieve spanning genereert dan de onderste opamp. De VU-meter reageert hierop en de naald begint te verschuiven aan de rechterkant van de 0V-kalibratie. De aflezing toont direct het temperatuurniveau van het doel dat door de thermozuil is gedetecteerd.

Welke Op Amp past bij de toepassing

Aangezien de output van thermozuil in microvolt zou moeten zijn, moet de opamp die wordt gebruikt voor het versterken van deze extreem kleine spanning zeer gevoelig en geavanceerd zijn, en met een zeer lage specificatie voor input-offset. Om aan de voorwaarden te voldoen lijkt een instrumentatie-opamp de beste keuze voor deze toepassing.

Hoewel u online veel goede instrumentatieversterkers kunt vinden, lijkt de INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier de meest geschikte kandidaat.

Er zijn veel geweldige functies die dit IC het meest geschikt maken voor het versterken van thermokoppelspanningen tot een meetbare grootte. Een basis IC INA333 instrumentatieversterkercircuit is hieronder te zien, en dit ontwerp kan worden gebruikt voor het versterken van het hierboven toegelichte thermozuilcircuit.

In deze INA333 opamp schakeling de weerstand R_G bepaalt de versterking van het circuit en kan worden berekend met behulp van de formule:

Winst = 1 + 100 / R_G

Het outputresultaat is in kilo Ohm.

Via deze formule kunnen we de algehele versterking van het circuit instellen afhankelijk van het niveau van microvolt dat wordt ontvangen van de thermozuil.

De versterking kan worden aangepast van 0 tot 10.000, wat de opamp een uitzonderlijk niveau van versterkingsmogelijkheden voor microvolt-ingangen biedt.

Om deze instrumentatieversterker zonder thermozuil IC te kunnen gebruiken, hebben we twee van deze opamp-modules nodig. De ene wordt gebruikt voor het versterken van de thermokoppelsignaaluitvoer en de andere wordt gebruikt voor het versterken van de thermistorsignaaluitvoer, zoals hieronder weergegeven

De opstelling kan worden gebruikt voor het maken van een contactloze IR-thermometer, die een lineair toenemende analoge output zal produceren als reactie op een lineair toenemende IR-warmte, zoals gedetecteerd door de thermozuil.

De analoge uitgang kan worden aangesloten op een milivolt VU-meter of een digitale mV-meter voor een onmiddellijke interpretatie van het temperatuurniveau van het lichaam.

Het resultaat V._of kan ook worden geschat door de volgende vergelijking:

V._of = G ( V._{in +} V._in-

Onderdelen lijst

De volgende onderdelen zijn nodig om het hierboven toegelichte onafgebroken thermometerschakeling te bouwen:

Thermozuil Sensor IC MLX90247 - 1no
Instrumentation Op amp INA333 - 2nos
Voltmeter met een bereik van 0 tot 1V FSD - 1no
1,2 V AAA Ni-Cd-cellen voor het voeden van de INA333 - 2nos

De voltmeter moet worden gekalibreerd in graden Celsius, wat kan worden gedaan met wat experimenteren en vallen en opstaan.

Met behulp van een PIR

Naar normaal PIR-sensor werkt ook goed, en biedt een goedkoop alternatief voor dit soort toepassingen.

Een PIR omvat een op pyro-elektrisch materiaal gebaseerde sensor zoals TGS, BaTiO3 enzovoort, die een spontane polarisatie doorloopt wanneer hij een temperatuurverandering binnen zijn detectiebereik waarneemt.

De polarisatielading in een PIR-apparaat die wordt gegenereerd door verandering in de temperatuur, is afhankelijk van het bestralingsvermogen Phi_is verzonden door het lichaam op de PIR-sensor. Dit zorgt ervoor dat de PIR-uitgang een stroom genereert ik_d ωpA_d Δ T)

Het apparaat wekt ook spanning op V._of die gelijk kan zijn aan het product van stroom ik_d en de impedantie van het apparaat. Dit kan worden uitgedrukt met de volgende vergelijking:

V._of= Ik_dR_d/ √1 + ω^tweeR^twee_dC^twee_d

Deze vergelijking kan verder worden gestroomlijnd in:

V._of= ωpA_dR_d Δ T) / √1 + ω^tweeR^twee_dC^twee_d

waarbij p de pyro-elektrische coëfficiënt aangeeft, ω de radialenfrequentie aangeeft, en Δ T is gelijk aan het verschil in de detectortemperatuur T_d
en omgevingstemperatuur T_naar

Nu, door de warmtebalansvergelijking toe te passen, vinden we dat de waarde van Δ T kan worden afgeleid zoals uitgedrukt in de volgende vergelijking:

Δ T = R_TPhi_is/ √ (1 + ω^tweeτ^twee_T

Als we deze waarde van Δ T in de vorige vergelijking krijgen we een resultaat dat de Vo vertegenwoordigt met een banddoorlaatkarakteristiek, zoals hieronder weergegeven:

waar τ_IS verwijst naar de elektrische tijdconstante ( R_dC_d τ_T geeft de
thermische tijdconstante ( R_TC_T ), en Phi_is symboliseert het stralende
vermogen van het doel gedetecteerd door de sensor.

De bovenstaande discussies en vergelijkingen bewijzen dat de uitgangsspanning Vo van een PIR recht evenredig is met het stralingsvermogen dat wordt uitgezonden door de bron, en dus ideaal geschikt wordt voor contactloze temperatuurmeettoepassingen.

We weten echter dat een PIR niet kan reageren op een stationaire IR-bron, en vereist dat de bron in beweging is om een leesbare output mogelijk te maken.

Omdat de snelheid van de beweging ook van invloed is op de uitvoergegevens, moeten we ervoor zorgen dat de bron met een precieze snelheid beweegt, een aspect dat misschien onmogelijk te implementeren is op een menselijk doel.

Daarom is het een gemakkelijke manier om dit tegen te gaan door het menselijke doelwit stationair te laten zijn en zijn beweging te repliceren door een kunstmatige motorgebaseerde helikopter met het PIR-lenssysteem.

Prototype contactloze thermometer met PIR

In de volgende paragrafen wordt de testopstelling toegelicht van een praktisch thermisch scannersysteem, dat kan worden toegepast voor het bouwen van een praktisch prototype, na een grondige optimalisatie van de verschillende betrokken parameters.

Zoals in de vorige sectie is geleerd, is een PIR ontworpen om stralingsemissie te detecteren in de vorm van een snelheid waarmee de temperatuur verandert dT / dt , en reageert daarom alleen op een infrarode warmte die wordt gepulseerd met een geschikt berekende frequentie.

Uit experimenten blijkt dat de PIR het beste werkt bij een pulsfrequentie van ongeveer 8 Hz, wat wordt bereikt door het binnenkomende signaal gelijkmatig door een servochopper te hakken.

Kortom, door het afsnijden van de signalen kan de PIR-sensor het stralingsvermogen van het lichaam beoordelen en uitvoeren als spanningspieken. Als de chopperfrequentie correct is geoptimaliseerd, is de gemiddelde waarde van deze pieken recht evenredig met de intensiteit van de stralingstemperatuur.

De volgende afbeelding toont een typische testopstelling voor het maken van een geoptimaliseerde meeteenheid of de MU.

Om een efficiënte werking van het systeem te garanderen, moet de afstand tussen de IR-bron en het gezichtsveld (FOV) van de sensor ongeveer 40 cm bedragen. Met andere woorden: het stralende lichaam en de PIR-lens moeten op een afstand van 40 cm van elkaar staan.

We kunnen ook een helikoptersysteem zien dat bestaat uit een kleine stappenmotor met een propeller geïnstalleerd tussen de fresnel-lens en de pyro-elektrische PIR-sensor.

Hoe het werkt

De IR-straling van het lichaam passeert de Fresnel-lens en wordt vervolgens door de motor van de helikopter op 8 Hz gehakt en de resulterende gepulseerde IR-straling wordt gedetecteerd door de PIR-sensor.

De output AC equivalent aan deze gedetecteerde IR wordt vervolgens toegepast op de 'signaalconditioner'-trap gemaakt met veel opamp-trappen.

De uiteindelijke versterkte en geconditioneerde output van de signaalconditioner wordt geanalyseerd op een oscilloscoop om de reactie van het circuit op een variërende stralingsuitgang van een lichaam te controleren.

Optimalisatie van de PIR en de Chopper

Om de best mogelijke resultaten te krijgen, moeten de volgende criteria worden nageleefd voor de PIR en de helikoptervereniging.

De hakschijf of de messen moeten zo worden geplaatst dat ze tussen de fresnel-lens en de interne PIR-sensor draaien.

De diameter van de fresnel-lens mag niet meer zijn dan 10 mm.

De brandpuntsafstand van de lens moet ongeveer 20 mm zijn.

Gezien het feit dat het typische detectiegebied van NAAR_d 1,6 mm Phi en dicht bij de brandpuntsafstand van de lens is geïnstalleerd, blijkt het gezichtsveld of FOV 4,58 te zijn^ofmet behulp van de volgende formule:

FOV_{(halve hoek)}≈ | zo^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2,29^of

In deze vergelijking d_s geeft de detecteerbare diameter van de sensor aan, en f is de brandpuntsafstand van de lens.

Specificaties hakmes

De werkefficiëntie van de contactloze thermometer hangt grotendeels af van hoe het invallende infrarood wordt gepulseerd door het choppersysteem en

Bij deze hakmolen moeten de volgende afmetingen worden aangehouden:

De hakmolen moet 4 messen hebben en een diameter Dc moet ongeveer 80 mm zijn. Het moet worden aangedreven door een stappenmotor of een PWM-gestuurd circuit.

De geschatte rotatiefrequentie zou ongeveer 5 Hz tot 8 Hz moeten zijn voor optimale prestaties.

De PIR fresnel-lens moet 16 mm achter de pyro-elektrische sensor worden geplaatst, zodat de diameter van het inkomende IR-signaal dat op de lens valt ongeveer 4 mm is, en deze diameter zou veel kleiner moeten zijn dan de 'tandbreedte' TW van de helikopter schijf.

Gevolgtrekking

Een contactloze thermische scanner of een IR-thermometer is een zeer handig apparaat waarmee de lichaamstemperatuur van de mens op afstand kan worden gemeten zonder enig fysiek contact.

Het hart van dit apparaat is een infraroodsensor die het niveau van warmte detecteert in de vorm van stralingsflux van een lichaam en dit omzet in een gelijkwaardig elektrisch potentiaalniveau.

De twee soorten sensoren die hiervoor kunnen worden gebruikt, zijn de thermozuilsensor en de pyro-elektrische sensor.

Hoewel ze fysiek allebei op elkaar lijken, is er een enorm verschil in het werkingsprincipe.

Een thermozuil werkt met het basisprincipe van een thermokoppel en genereert een elektrisch potentieel dat evenredig is met het temperatuurverschil over de thermokoppelovergangen.

Een pyro-elektrische sensor die normaal in PIR-sensoren wordt gebruikt, werkt door de verandering in temperatuur van een lichaam te detecteren wanneer het lichaam met een hogere temperatuur dan de omgevingstemperatuur het gezichtsveld van de sensor kruist. Deze verandering van temperatuurniveau wordt omgezet in een evenredige hoeveelheid elektrisch potentieel aan zijn uitgang

Omdat Thermopile een lineair apparaat is, is het veel gemakkelijker te configureren en te implementeren in alle vormen van thermische scantoepassingen.