Bagaimana Termometer Inframerah Tanpa Sentuhan Berfungsi - Cara Membuatnya

Cuba Instrumen Kami Untuk Menghapuskan Masalah





Dalam posting ini kita akan mempelajari konsep asas pengimbas terma atau termometer IR tanpa sentuh, dan juga belajar bagaimana membuat prototaip DIY praktikal unit tanpa Arduino .

Pada era pasca COVID-19, menyaksikan doktor memegang pistol suhu tanpa sentuh dan menunjuk ke arah dahi suspek COVID-19 adalah pemandangan biasa.



Peranti ini sebenarnya adalah alat termometer tanpa sentuhan, yang mengesan suhu seketika permukaan badan suspek dan membolehkan doktor mengetahui sama ada orang itu normal atau menderita demam?

Kaedah Ujian Asas

Dalam proses ujian, kami mendapati orang yang diberi kuasa menunjukkan sinar laser dari pistol suhu tanpa sentuhan di dahi suspek, dan mencatat suhu pada panel LCD belakang peranti.



Sinar laser sebenarnya tidak mempunyai kaitan langsung dengan prosedur pengukuran suhu. Ia digunakan hanya untuk menolong doktor memastikan termometer inframerah ditujukan dengan betul ke tempat yang sesuai dengan badan untuk menentukan suhu badan kebanyakannya tepat.

Undang-undang Stefan – Boltzmann

Seperti yang dinyatakan oleh undang-undang Stefan – Boltzmann, jumlah keluar keluar seluruh badan Madalah(T) sebanding dengan kekuatan keempat suhunya, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan berikut

Madalah(T) = εσT4

Dalam persamaan ini ε menandakan emisiviti.

σ menandakan pemalar Stefan – Boltzmann yang setara dengan kuantiti 5.67032 x 10-1212 Wcm-duaKE-4, di mana huruf K adalah unit suhu di Kelvin.

Persamaan di atas menunjukkan bahawa apabila suhu badan meningkat, sinar inframerahnya juga meningkat secara berkadar. Sinaran IR ini dapat diukur dari jarak jauh tanpa memerlukan kontak fizikal. Pembacaan dapat memberi kita tahap suhu seketika badan.

Sensor mana yang berkenaan

Sensor yang paling sesuai, dan digunakan dalam termometer tanpa sentuhan adalah sensor termopile .

Sensor termopile menukar peta haba inframerah insiden dari sumber yang jauh menjadi sebilangan kecil output voltan elektrik.

Ia berfungsi berdasarkan prinsip termokopel, di mana logam yang berbeza digabungkan secara bersiri atau selari untuk mewujudkan persimpangan 'panas' dan 'sejuk'. Apabila fluks berseri inframerah dari sumber jatuh pada termopile, ia mewujudkan perbezaan suhu di persimpangan ini, mengembangkan jumlah elektrik yang setara di terminal akhir termokopel.

Output elektrik ini berkadar dengan sumber haba dapat diukur untuk mengenal pasti tahap suhu dari sumber badan.

Termokopel di dalam sensor termopile tertanam di atas cip silikon yang menjadikan sistem sangat sensitif dan tepat.

Menggunakan Sensor Thermopile MLX90247

IC MLX90247 adalah contoh terbaik dari alat sensor termopile serba boleh yang boleh digunakan dengan ideal untuk membuat alat pengimbas termal atau peranti termometer tanpa sentuh.

IC MLX90247 terdiri dari rangkaian termokopel bertumpuk di atas permukaan membran.

Persimpangan haba termokopel diletakkan secara strategik berhampiran pusat membran asas, sementara persimpangan sejuk pembezaan diletakkan di tepi peranti yang membentuk kawasan pukal silikon unit.

Oleh kerana selaput ini dirancang untuk menjadi konduktor panas yang buruk, haba yang dikesan dari sumbernya dapat naik dengan cepat berhampiran pusat lelaki daripada pinggir pukal peranti.

Oleh kerana itu, perbezaan haba yang cepat dapat berkembang di hujung simpang termopile menyebabkan potensi elektrik yang berkesan berkembang di seberang terminal ini melalui prinsip termo-elektrik.

Bahagian terbaik dari sensor termopile adalah bahawa, tidak seperti IC standard, ia tidak memerlukan bekalan elektrik luaran untuk berfungsi, malah menghasilkan potensi elektrik sendiri untuk membolehkan pengukuran yang diperlukan.

Anda mendapat dua varian IC MLX90247 seperti yang ditunjukkan di bawah, di mana satu varian menyediakan pilihan ground Vss, dan yang lain tanpa pin Vss.

Pilihan atas membolehkan pengukuran bipolar suhu IR. Maksudnya output dapat menunjukkan suhu lebih tinggi daripada suhu persekitaran dan juga lebih rendah daripada suhu persekitaran.

Pilihan yang lebih rendah boleh digunakan untuk ukur suhu sama ada di atas tahap ambien atau di bawah tahap ambien, dan dengan itu membenarkan kemudahan pengukuran unipolar.

Mengapa Thermistor digunakan dalam Thermopile

Dalam IC MLX90247 di atas, kita dapat melihat a termistor dimasukkan ke dalam pakej peranti. Thermistor memainkan peranan penting dalam membuat output tahap rujukan untuk tahap unit pengukuran luaran.

Thermistor digabungkan untuk mengesan suhu persekitaran atau suhu badan peranti. Tahap suhu persekitaran ini menjadi tahap rujukan untuk tahap output amp.

Selagi suhu IR dari sasaran berada di bawah atau sama dengan tahap rujukan ini, tahap penguat op amp luaran tidak bertindak balas, dan outputnya tetap 0 V.

Namun, sebaik sahaja sinar IR dari badan melepasi suhu persekitaran, op amp mula bertindak balas untuk menghasilkan output yang dapat diukur yang sah yang secara linear sesuai dengan output haba badan yang meningkat.

Litar Termometer tanpa sentuh menggunakan Sensor Thermopile IC MLX90247

Dalam rangkaian prototaip litar termometer IR tanpa sentuh di atas, kita dapati sensor termopile IC MLX90247 dalam mod bipolar, dikonfigurasi dengan op amp luaran yang dirancang untuk menguatkan elektrik kecil dari termopile menjadi output yang dapat diukur.

Op amp atas menguatkan output termokopel dari IC MLX90247, sementara op amp bawah menguatkan suhu persekitaran IC.

Pembezaan sederhana Meter VU dilampirkan pada output kedua amp. Selagi tidak ada badan pemancar panas di depan termopile, suhu termokopel dalamannya tetap sama dengan suhu termistor bersebelahan. Oleh kerana itu, output dua op amp menghasilkan jumlah voltan yang sama. Oleh itu, meter VU menunjukkan 0 V di tengah dailnya.

Sekiranya badan manusia yang mempunyai suhu yang lebih tinggi daripada sekitarnya dibawa dalam jarak penginderaan termopile, output termokopelnya melintasi pin2 dan pin4 mula meningkat secara eksponensial, dan melebihi output termistor melintasi pin3 dan pin1.

Ini menghasilkan op op bahagian atas menghasilkan voltan lebih positif daripada op amp bawah. Meter VU bertindak balas terhadap ini dan jarumnya mula bergeser di sebelah kanan penentukuran 0V. Pembacaan secara langsung menunjukkan tahap suhu sasaran yang dikesan oleh termopile.

Op Amp mana yang sesuai dengan Permohonan

Oleh kerana output dari termopile sepatutnya berada dalam voltan mikro, op yang akan digunakan untuk menguatkan voltan yang sangat kecil ini mestilah sangat sensitif dan canggih, dan dengan spesifikasi ofset input yang sangat rendah. Untuk memenuhi syarat, op instrumentasi nampaknya merupakan pilihan terbaik untuk aplikasi ini.

Walaupun anda mungkin menemui banyak penguat instrumen yang baik dalam talian, INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier nampaknya merupakan calon yang paling sesuai.

Terdapat banyak ciri hebat yang menjadikan IC ini paling sesuai untuk memperkuat voltan termokopel menjadi besar yang dapat diukur. Litar penguat instrumen IC INA333 asas dapat dilihat di bawah, dan reka bentuk ini dapat digunakan untuk memperkuat litar termopile yang dijelaskan di atas.

Dalam litar op INA333 ini litar perintang RG menentukan keuntungan litar, dan dapat dikira menggunakan formula:

Keuntungan = 1 + 100 / RG

Hasil output akan dalam kilo Ohms.

Melalui formula ini kita dapat menetapkan keuntungan keseluruhan litar bergantung pada tahap mikro voltan yang diterima dari termopile.

Keuntungan dapat diselaraskan dari 0 hingga 10.000 yang memberikan op amp dengan kemampuan menguat yang luar biasa untuk input mikrovolt.

Untuk dapat menggunakan penguat instrumentasi ini tanpa IC termopile, kita memerlukan dua modul op amp ini. Satu akan digunakan untuk memperkuat output isyarat termokopel, dan yang lain akan digunakan untuk memperkuat output isyarat termistor, seperti yang ditunjukkan di bawah

Pengaturan ini dapat digunakan untuk membuat termometer IR tanpa kontak, yang akan menghasilkan output analog yang meningkat secara linear sebagai tindak balas terhadap peningkatan panas IR secara linear, seperti yang dikesan oleh termopile.

Output analog boleh dilekatkan pada meter milivolt VU atau a meter mV digital kerana mendapat tafsiran segera mengenai tahap suhu badan.

Keluarannya Vatau dapat juga dianggarkan melalui persamaan berikut:

Vatau = G ( Vdalam + - Vdalam- )

Senarai Bahagian

Bahagian-bahagian berikut akan diperlukan untuk membina litar termometer tanpa konkrit yang dijelaskan di atas:

  • Sensor Thermopile IC MLX90247 - 1no
  • Instrumentasi Op amp INA333 - 2nos
  • Voltmeter dengan julat 0 hingga 1V FSD - 1no
  • 1.2 V AAA Ni-Cd Sel untuk menghidupkan INA333 - 2nos

Bacaan voltmeter perlu dikalibrasi dalam Celsius, yang dapat dilakukan dengan beberapa eksperimen, dan percubaan dan ralat.

Menggunakan PIR

Ke normal Sensor PIR juga berfungsi dengan baik, dan menyediakan alternatif yang murah untuk jenis aplikasi ini.

PIR merangkumi sensor berasaskan bahan pirolistrik seperti TGS, BaTiO3 dan sebagainya, yang melalui polarisasi spontan ketika merasakan perubahan suhu dalam jarak pengesanannya.

Caj polarisasi dalam peranti PIR yang dihasilkan kerana perubahan suhunya bergantung pada daya penyinaran Phiadalah dihantar oleh badan pada sensor PIR. Ini menyebabkan output PIR menghasilkan arus Sayad ωpAd( . T) .

Peranti ini juga menghasilkan voltan Vatau yang mungkin sama dengan produk semasa Sayad dan impedans peranti. Ini dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

Vatau= SayadRd/ √1 + ωduaRduadCduad

Persamaan ini dapat diperkemaskan lagi menjadi:

Vatau= ωpAdRd( . T) / √1 + ωduaRduadCduad

di mana p menunjukkan pekali pirolistrik, ω menunjukkan frekuensi radian, dan . T sama dengan perbezaan suhu pengesan Td
dan suhu persekitaran Tke.

Sekarang, dengan menggunakan persamaan keseimbangan haba, kita dapati bahawa nilai . T dapat diturunkan seperti yang dinyatakan dalam persamaan berikut:

. T = RTPhiadalah/ √ (1 + ωduaτduaT)

Sekiranya kita menggantikan nilai ini . T dalam persamaan sebelumnya, kami mendapat hasil yang mewakili Vo dengan ciri jalur lebar, seperti yang ditunjukkan di bawah:

di mana τADALAH merujuk kepada pemalar masa elektrik ( RdCd ), τT menunjukkan
pemalar masa terma ( RTCT ), dan Phiadalah melambangkan berseri
daya dari sasaran yang dikesan oleh sensor.

Perbincangan dan persamaan di atas membuktikan bahawa voltan keluaran Vo dari PIR berkadar terus dengan kuasa berseri yang dipancarkan dari sumber, dan dengan demikian menjadi sangat sesuai untuk aplikasi pengukuran suhu tanpa sentuh.

Namun, kita tahu bahawa PIR tidak dapat menanggapi sumber IR alat tulis, dan mengharuskan sumber tersebut bergerak untuk memungkinkan output yang dapat dibaca.

Oleh kerana kelajuan pergerakan juga mempengaruhi data output, kita harus memastikan bahawa sumber bergerak dengan kecepatan yang tepat, suatu aspek yang mustahil untuk dilaksanakan pada sasaran manusia.

Oleh itu, cara mudah untuk mengatasi ini adalah membiarkan sasaran manusia menjadi alat tulis, dan meniru pergerakannya dengan mengaitkan buatan pencincang berasaskan motor dengan sistem lensa PIR.

Prototaip Termometer tanpa sentuhan menggunakan PIR

Perenggan berikut menjelaskan susunan ujian sistem pemindai terma praktikal, yang dapat diterapkan untuk membangun prototaip praktis, setelah pengoptimuman menyeluruh dari berbagai parameter yang terlibat.

Seperti yang dipelajari di bagian sebelumnya, PIR dirancang untuk mengesan pelepasan berseri dalam bentuk laju perubahan suhu dT / dt , dan karenanya bertindak balas hanya pada haba inframerah yang berdenyut dengan frekuensi yang dikira dengan tepat.

Seperti dalam eksperimen, didapati bahawa PIR berfungsi paling baik pada frekuensi nadi sekitar 8 Hz, yang dicapai melalui pemotongan isyarat masuk yang stabil melalui servo helikopter

Pada dasarnya, pemotongan isyarat membolehkan sensor PIR menilai dan mengeluarkan daya pancaran badan sebagai lonjakan voltan. Sekiranya frekuensi pencincang dioptimumkan dengan betul, maka nilai purata lonjakan ini akan berkadar terus dengan intensiti suhu berseri.

Gambar berikut menunjukkan susunan ujian khas untuk membuat unit pengukuran yang dioptimumkan atau MU.

Untuk memastikan sistem berfungsi dengan cekap, jarak antara sumber IR dan bidang pandangan sensor (FOV) mestilah sekitar 40 cm. Dengan kata lain badan yang memancar dan lensa PIR mesti berada pada jarak 40 cm antara satu sama lain.

Kita juga dapat melihat sistem pencincang yang terdiri daripada motor stepper kecil dengan baling-baling dipasang di antara lensa fresnel dan sensor pirolistrik PIR.

Bagaimana ia berfungsi

Sinaran IR dari badan melewati lensa fresnel, kemudian dicincang pada frekuensi 8 Hz oleh motor pencincang, dan radiasi IR berdenyut yang dihasilkan dikesan oleh sensor PIR.

Output AC yang setara dengan IR yang dikesan ini kemudian diterapkan ke tahap 'signal conditioner' yang dibuat dengan banyak tahap op amp.

Output terakhir yang dikuatkan dan dikondisikan dari kondisioner isyarat dianalisis pada osiloskop untuk memeriksa tindak balas litar terhadap keluarnya badan yang berseri-seri.

Mengoptimumkan PIR dan Chopper

Untuk mendapatkan hasil yang terbaik, kriteria berikut mesti dipastikan untuk PIR dan persatuan pencincang.

Cakera pencincang atau bilah harus diletakkan untuk memutar antara lensa fresnel dan sensor dalaman PIR.

Diameter lensa fresnel tidak boleh melebihi 10 mm.

Panjang fokus lensa hendaklah sekitar 20 mm.

Mengingat fakta bahawa kawasan penginderaan khas KEd 1.6 mm Phi dan dipasang hampir dengan panjang fokus lensa, bidang pandangan atau FOV didapati 4.58ataumenggunakan formula berikut:

FOV(sudut separuh)≈ | jadi-1[(ds/ 2) / f] | = 2.29atau

Dalam persamaan ini ds menunjukkan diameter sensor yang dapat dikesan, dan f ialah panjang fokus lensa.

Spesifikasi Bilah Chopper

Kecekapan kerja termometer tanpa sentuhan sangat bergantung pada bagaimana inframerah kejadian disalurkan melalui sistem pencincang dan

Dalam helikopter ini dimensi berikut mesti digunakan:

Pencincang harus mempunyai 4 bilah dan diameter Dc sekitar 80 mm. Ia harus dipacu melalui motor stepper atau litar terkawal PWM.

Kekerapan putaran anggaran hendaklah berkurang sekitar 5 Hz hingga 8 Hz untuk prestasi optimum.

Lensa PIR fresnel mesti diletakkan 16 mm di belakang sensor piroelektrik, sehingga diameter isyarat IR yang masuk pada lensa adalah sekitar 4 mm, dan diameter ini seharusnya jauh lebih kecil daripada 'lebar gigi' TW dari helikopter cakera.

Kesimpulannya

Pengimbas terma tanpa sentuh atau termometer IR adalah alat yang sangat berguna yang membolehkan mengukur suhu badan manusia dari jarak jauh tanpa sentuhan fizikal.

Inti peranti ini adalah sensor inframerah yang mengesan tahap panas dalam bentuk fluks berseri badan dan mengubahnya menjadi tahap potensi elektrik yang setara.

Dua jenis sensor yang dapat digunakan untuk tujuan ini adalah sensor termopile, dan sensor pirolistrik.

Walaupun secara fizikal mereka berdua kelihatan serupa, terdapat perbezaan besar dalam prinsip kerja.

Thermopile berfungsi dengan prinsip asas termokopel dan menghasilkan potensi elektrik yang sebanding dengan perbezaan suhu melintasi persimpangan termokopelnya.

Sensor pirolistrik yang biasanya digunakan dalam sensor PIR, beroperasi dengan mengesan perubahan suhu tubuh ketika tubuh dengan suhu yang lebih tinggi daripada suhu sekitar melintasi bidang pandangan sensor. Perubahan tahap suhu ini ditukar sebilangan besar potensi elektrik pada outputnya

Thermopile menjadi peranti linear jauh lebih mudah untuk dikonfigurasi dan dilaksanakan ke dalam semua bentuk aplikasi pengimbasan termal.

Rujukan:

Penguat instrumen
Melexis sensor termopile
Termometer inframerah





Sepasang: Litar Pembersih Tangan Automatik - Tanpa Kontak Seterusnya: Litar Penyuntik Isyarat untuk Penyelesaian Masalah Pantas semua Peralatan Audio