Bu yazıda, termal tarayıcıların veya temassız kızılötesi termometrelerin temel çalışma konseptini öğreneceğiz ve ayrıca ünitenin pratik bir DIY prototipini nasıl yapacağımızı öğreneceğiz. Arduino olmadan .

COVID-19 sonrası dönemde, temassız bir ateş tabancası tutan ve bir COVID-19 şüphelisinin alnına işaret eden doktorlara tanık olmak yaygın bir görüş.

Cihaz aslında temassız bir termometre cihazıdır, şüphelinin vücut yüzeyinin anlık sıcaklığını tespit eder ve doktorun kişinin normal olup olmadığını veya ateşi olup olmadığını bilmesini sağlar.

Temel Test Yöntemi

Test sürecinde, yetkili kişinin şüphelinin alnına temassız sıcaklık tabancasından gelen bir lazer ışınını işaret ettiğini ve cihazın arka LCD panelindeki sıcaklığı not ettiğini görüyoruz.

Lazer ışınının aslında sıcaklık ölçüm prosedürü ile doğrudan bir bağlantısı yoktur. Sadece doktorun kızılötesi termometrenin, vücudun ideal yerine doğru şekilde hedeflenmesini sağlamasına yardımcı olmak için kullanılır. vücut ısısı çoğunlukla doğru.

Stefan – Boltzmann Yasası

Stefan-Boltzmann yasasında belirtildiği gibi, bir cismin toplam ışıma çıkışı M_dır-dir(T), aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi, sıcaklığının dördüncü kuvveti ile orantılıdır.

M_dır-dir(T) = εσT⁴

Bu denklemde ε, emisiviteyi belirtir.

σ, 5.67032 x 10 miktarına eşdeğer olan Stefan – Boltzmann sabitini gösterir.^-1212 Wcm^-2KİME^-4, burada K harfi Kelvin cinsinden sıcaklık birimidir.

Yukarıdaki denklem, bir cismin sıcaklığı yükseldiğinde, kızılötesi ışıltısının da orantılı olarak arttığını göstermektedir. Bu kızılötesi ışıma, herhangi bir fiziksel temas gerekmeksizin uzaktan ölçülebilir. Okuma bize vücudun anlık sıcaklık seviyesini sağlayabilir.

Hangi Sensör Uygulanabilir

En uygun ve temassız termometrelerde kullanılan sensör, bir termopil sensörü .

Bir termopil sensörü, uzak bir kaynaktan gelen bir kızılötesi ısı haritasını orantılı bir miktarda küçük elektrik voltajı çıkışına dönüştürür.

Farklı metallerin 'sıcak' ve 'soğuk' bağlantılar oluşturmak için seri veya paralel olarak birleştirildiği termokupl prensibine göre çalışır. Bir kaynaktan gelen kızılötesi radyant akısı termopile düştüğünde, bu bağlantılar arasındaki sıcaklıkta bir fark yaratır ve termokuplun uç terminalleri boyunca eşdeğer miktarda elektrik geliştirir.

Isı kaynağı ile orantılı olan bu elektriksel çıktı, vücut kaynağından gelen sıcaklık seviyesini belirlemek için ölçülebilir.

Bir termopil sensörün içindeki termokupl, sistemi son derece hassas ve doğru kılan bir silikon çipin üzerine yerleştirilmiştir.

MLX90247 Termopil Sensörünün Kullanılması

IC MLX90247, bir termal tarayıcı cihazı veya temassız bir termometre cihazı yapmak için ideal olarak kullanılabilen çok yönlü bir termopil sensör cihazının mükemmel bir örneğidir.

IC MLX90247, bir membran yüzeyi üzerindeki yığılmış termokupl ağından oluşur.

Termokuplun ısı alıcı bağlantıları stratejik olarak temel membranın merkezine yakın konumlandırılırken, farklı soğuk bağlantılar, ünitenin silikon yığın alanını oluşturan cihazın kenarına yerleştirilir.

Membran, kötü bir ısı iletkeni olacak şekilde tasarlandığından, kaynaktan tespit edilen ısı, menbran merkezinin yakınında, cihazın toplu kenarından daha hızlı bir şekilde yükselebilir.

Bu nedenle, termo-elektrik prensibi ile bu terminaller boyunca etkili bir elektrik potansiyeli gelişmesine neden olan termopil bağlantı uçları boyunca hızlı bir ısı farkı gelişebilir.

Termopil sensörün en iyi yanı, standart IC'lerin aksine çalışmak için harici bir elektrik kaynağı gerektirmemesi, bunun yerine gerekli ölçümü sağlamak için kendi elektrik potansiyelini üretmesidir.

Aşağıda gösterildiği gibi IC MLX90247'nin iki çeşidini elde edersiniz, burada bir varyant bir toprak Vss seçeneği sağlar ve diğeri bir Vss pimi yoktur.

Üst seçenek, IR sıcaklığının iki kutuplu ölçümüne izin verir. Yani çıktı, ortam sıcaklığından daha yüksek ve ayrıca ortam sıcaklıklarından daha düşük sıcaklıklar gösterebilir.

Alt seçenek şu amaçla kullanılabilir: sıcaklığı ölçmek ya ortam seviyesinin üstünde ya da ortam seviyesinin altında ve böylece tek kutuplu bir ölçüm olanağı sağlar.

Thermopile'de neden Termistör kullanılır?

Yukarıdaki IC MLX90247'de, bir termistör cihaz paketine dahildir. Termistör, harici ölçüm birimi aşaması için bir referans seviyesi çıkışı oluşturmada önemli bir rol oynar.

Termistör, ortam sıcaklığını veya cihazın vücut sıcaklığını tespit etmek için dahil edilmiştir. Bu ortam sıcaklığı seviyesi, çıkış op amp aşaması için referans seviyesi haline gelir.

Hedeften gelen IR sıcaklığı bu referans seviyesinin altında veya ona eşit olduğu sürece, harici op amp amplifikatör aşaması yanıt vermez ve çıkışı 0 V olarak kalır.

Bununla birlikte, vücuttan gelen kızılötesi ışıma ortam sıcaklığını geçer geçmez, op amp, vücudun yükselen termal çıktısına doğrusal olarak karşılık gelen geçerli bir ölçülebilir çıktı üretmeye başlar.

IC MLX90247 Termopil Sensörü kullanan Temassız Termometre Devresi

Temassız bir kızılötesi termometre devresinin yukarıdaki prototip devresinde, termopilden küçük elektriği ölçülebilir bir çıkışa yükseltmek için tasarlanmış harici bir op amp ile yapılandırılmış, bipolar modda IC MLX90247 termopil sensörünü bulduk.

Üst op amp, IC MLX90247'den termokupl çıkışını yükseltirken, alt op amp, IC'nin ortam sıcaklığını yükseltir.

Basit bir diferansiyel VU ölçer iki op amplifikatörün çıkışlarına eklenir. Termopilin önünde ısı yayan gövde olmadığı sürece, dahili termokupl sıcaklığı, bitişik termistör sıcaklığına eşit kalır. Bundan dolayı, iki op amp çıkışı eşit miktarda voltaj üretir. VU ölçer böylece kadranının merkezinde 0 V olduğunu gösterir.

Çevresinden daha yüksek bir sıcaklığa sahip bir insan vücudunun termopilin algılama aralığına getirilmesi durumunda, pin2 ve pin4 boyunca termokupl çıkışı üssel olarak yükselmeye başlar ve pin3 ve pin1 boyunca termistör çıkışını aşar.

Bu, üst op ampin, düşük op amp'den daha fazla pozitif voltaj oluşturmasıyla sonuçlanır. VU ölçer buna yanıt verir ve iğnesi 0V kalibrasyonunun sağ tarafında kaymaya başlar. Okuma, termopil tarafından tespit edilen hedefin sıcaklık seviyesini doğrudan gösterir.

Hangi Op Amp Uygulamaya Uygun?

Termopilin çıktısının mikrovolt cinsinden olması gerektiğinden, bu son derece küçük voltajı yükseltmek için kullanılacak op amp, son derece hassas ve sofistike ve çok düşük giriş ofset spesifikasyonuna sahip olmalıdır. Koşulları karşılamak için bir enstrümantasyon op amp, bu uygulama için en iyi seçim gibi görünmektedir.

Çevrimiçi olarak birçok iyi enstrümantasyon amplifikatörü bulsanız da, INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Raydan Raylı Çıkış Enstrümantasyon Amplifikatörü en uygun aday gibi görünmektedir.

Bu IC'yi termokupl voltajlarını ölçülebilir büyüklüklere yükseltmek için en uygun yapan birçok harika özellik vardır. Temel bir IC INA333 enstrümantasyon amplifikatör devresi aşağıda görülebilir ve bu tasarım, yukarıda açıklanan termopil devresini güçlendirmek için kullanılabilir.

Bu INA333 op amp devresinde direnç R_G devrenin kazancını belirler ve aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

Kazanç = 1 + 100 / R_G

Çıktı sonucu kilo Ohm cinsinden olacaktır.

Bu formül sayesinde, termopilden alınan mikrovolt seviyesine bağlı olarak devrenin genel kazancını ayarlayabiliriz.

Kazanç, 0'dan 10.000'e kadar ayarlanabilir, bu da op amplifikatörüne mikrovolt girişleri için olağanüstü bir amplifikasyon kapasitesi sağlar.

Bu enstrümantasyon amplifikatörünü termopile IC olmadan kullanabilmek için, bu op amp modüllerinden ikisine ihtiyacımız olacak. Biri termokupl sinyal çıkışını yükseltmek için kullanılacak, diğeri ise aşağıda gösterildiği gibi termistör sinyal çıkışını yükseltmek için kullanılacaktır.

Kurulum, termopil tarafından tespit edildiği gibi doğrusal olarak artan bir IR ısısına yanıt olarak doğrusal olarak artan bir analog çıktı üretecek olan temassız bir IR termometresi yapmak için kullanılabilir.

Analog çıkış, bir milivolt VU ölçere veya bir dijital mV metre vücudun sıcaklık seviyesinin anında yorumlanması için.

Çıktı V_veya aşağıdaki denklemle de tahmin edilebilir:

V_veya = G ( V₊ - V_içinde- )

Parça listesi

Yukarıda açıklanan temassız termometre devresini oluşturmak için aşağıdaki parçalara ihtiyaç duyulacaktır:

Termopil Sensör IC MLX90247 - 1no
Enstrümantasyon Op amp INA333 - 2nos
0 ila 1V FSD aralığına sahip voltmetre - 1no
INA333 - 2nos'a güç sağlamak için 1,2 V AAA Ni-Cd Hücreler

Voltmetre okumasının Santigrat cinsinden kalibre edilmesi gerekecektir, bu da bazı deneyler ve deneme yanılma ile yapılabilir.

PIR kullanma

Normal PIR sensörü ayrıca güzel çalışıyor ve bu tür uygulamalar için ucuz bir alternatif sunuyor.

Bir PIR, algılama aralığında sıcaklıkta bir değişiklik algıladığında kendiliğinden polarizasyondan geçen TGS, BaTiO3 ve benzeri gibi piroelektrik malzeme bazlı bir sensör içerir.

Bir PIR cihazında sıcaklığındaki değişiklik nedeniyle üretilen polarizasyon yükü, ışınlama gücüne bağlıdır. Phi_dır-dir vücut tarafından PIR sensöründe iletilir. Bu, PIR çıktısının bir akım oluşturmasına neden olur. ben_d ωpA_d( Δ T) .

Cihaz ayrıca bir voltaj üretir V_veya akımın ürününe eşit olabilir ben_d ve cihazın empedansı. Bu, aşağıdaki denklemle ifade edilebilir:

V_veya= I_dR_d/ √1 + ω^ikiR^iki_dC^iki_d

Bu denklem daha da basitleştirilebilir:

V_veya= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^ikiR^iki_dC^iki_d

p, piroelektrik katsayısını, ω radyan frekansını ve Δ T, dedektör sıcaklığındaki T farkına eşittir_d
ve ortam sıcaklığı T_-e.

Şimdi, ısı dengesi denklemini uygulayarak şunu buluyoruz: Δ T, aşağıdaki denklemde ifade edildiği gibi türetilebilir:

Δ T = R_TPhi_dır-dir/ √ (1 + ω^ikiτ^iki_T)

Bu değeri değiştirirsek Δ Önceki denklemde T, aşağıda gösterildiği gibi bir bant geçiş özelliği ile Vo'yu temsil eden bir sonuç elde ederiz:

nerede τ_DIR-DİR elektriksel zaman sabitini ifade eder ( R_dC_d ), τ_T gösterir
termal zaman sabiti ( R_TC_T ), ve Phi_dır-dir ışıltıyı simgeliyor
sensör tarafından tespit edilen hedeften gelen güç.

Yukarıdaki tartışmalar ve denklemler, bir PIR'den gelen çıkış voltajının Vo'nun kaynaktan yayılan radyant güç ile doğru orantılı olduğunu ve bu nedenle temassız sıcaklık ölçüm uygulamaları için ideal olarak uygun hale geldiğini kanıtlamaktadır.

Bununla birlikte, bir PIR'ın sabit bir IR kaynağına yanıt veremeyeceğini ve okunabilir bir çıktı sağlamak için kaynağın hareket halinde olmasını gerektirdiğini biliyoruz.

Hareketin hızı aynı zamanda çıktı verilerini de etkilediğinden, kaynağın kesin bir hızla hareket ettiğinden emin olmalıyız ki bu, insan hedefine uygulanması imkansız olabilecek bir özelliktir.

Bu nedenle, buna karşı koymanın kolay bir yolu, insan hedefinin sabit olmasına izin vermenin ve hareketini yapay bir arayüz oluşturarak çoğaltmanın motor tabanlı kıyıcı PIR lens sistemi ile.

PIR kullanarak Temassız Termometre Prototipi

Aşağıdaki paragraflar, çeşitli parametrelerin kapsamlı bir optimizasyonundan sonra pratik bir prototip oluşturmak için uygulanabilecek pratik bir termal tarayıcı sisteminin test kurulumunu açıklamaktadır.

Önceki bölümde öğrenildiği gibi, bir PIR, bir sıcaklık değişim oranı biçiminde radyant emisyonu tespit etmek için tasarlanmıştır. dT / dt ve bu nedenle, yalnızca uygun şekilde hesaplanmış bir frekansla darbeli bir kızılötesi ısıya yanıt verir.

Deneylere göre, PIR'ın, bir servo kıyıcı aracılığıyla gelen sinyalin sabit bir şekilde kesilmesiyle elde edilen yaklaşık 8 Hz'lik bir darbe frekansında en iyi şekilde çalıştığı bulunmuştur.

Temel olarak, sinyallerin kesilmesi, PIR sensörünün vücudun radyan gücünü voltaj yükselmeleri olarak değerlendirmesine ve vermesine izin verir. Kıyıcı frekansı doğru bir şekilde optimize edilirse, bu ani artışların ortalama değeri doğrudan yayılan sıcaklığın yoğunluğu ile orantılı olacaktır.

Aşağıdaki görüntü, optimize edilmiş bir ölçüm birimi veya MU oluşturmak için tipik bir test kurulumunu göstermektedir.

Sistemin verimli çalışmasını sağlamak için kızılötesi kaynağı ile sensörün görüş alanı (FOV) arasındaki mesafe yaklaşık 40 cm olmalıdır. Başka bir deyişle, yayılan gövde ve PIR lensi birbirinden 40 cm uzaklıkta olmalıdır.

Fresnel lens ile PIR piroelektrik sensör arasına yerleştirilmiş bir pervaneye sahip küçük bir step motordan oluşan bir kıyıcı sistemi de görebiliriz.

Nasıl çalışır

Vücuttan gelen IR radyasyonu fresnel mercekten geçer, ardından kıyıcı motor tarafından 8 Hz frekansta kesilir ve ortaya çıkan darbeli IR radyasyonu PIR sensörü tarafından algılanır.

Bu tespit edilen IR'ye eşdeğer AC çıkışı, daha sonra birçok op amp aşamasıyla yapılan 'sinyal düzenleyici' aşamasına uygulanır.

Sinyal koşullandırıcıdan gelen yükseltilmiş ve koşullandırılmış son çıktı, devrenin değişen bir ışıma çıkışına tepkisini kontrol etmek için bir osiloskop üzerinde analiz edilir.

PIR ve Chopper'ı Optimize Etme

Mümkün olan en iyi sonuçları elde etmek için, PIR ve kıyıcı ilişkilendirmesi için aşağıdaki kriterler sağlanmalıdır.

Kıyıcı disk veya bıçaklar, fresnel lens ile PIR dahili sensörü arasında dönecek şekilde konumlandırılmalıdır.

Fresnel lens çapı 10 mm'den fazla olmamalıdır.

Lensin odak uzaklığı yaklaşık 20 mm olmalıdır.

Tipik algılama alanı olduğu göz önüne alındığında KİME_d 1,6 mm Phi ve lensin odak uzaklığına yakın kurulursa, görüş alanı veya FOV 4,58 olarak bulunur^veyaaşağıdaki formülü kullanarak:

FOV_{(yarım açı)}≈ | çok^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2.29^veya

Bu denklemde d_s sensörün tespit edilebilir çapını belirtir ve f lensin odak uzaklığıdır.

Kıyıcı Bıçak Özellikleri

Temassız termometrenin çalışma verimliliği büyük ölçüde, olay kızılötesinin kıyıcı sistemden nasıl atıldığına ve

Bu doğrayıcıda aşağıdaki boyutlar kullanılmalıdır:

Kıyıcı 4 bıçaklı olmalı ve Dc çapı 80 mm civarında olmalıdır. Bir step motor veya PWM kontrollü bir devre ile sürülmelidir.

Optimum performans için yaklaşık dönüş frekansı 5 Hz ila 8 Hz civarında olmalıdır.

PIR fresnel lensi, piroelektrik sensörün 16 mm arkasında konumlandırılmalıdır, öyle ki lense düşen gelen IR sinyal çapı yaklaşık 4 mm ve bu çap, doğrayıcının 'diş genişliği' TW'den çok daha küçük olmalıdır. disk.

Sonuç

Temassız bir termal tarayıcı veya bir kızılötesi termometre, insan vücut sıcaklığının herhangi bir fiziksel temas olmadan uzaktan ölçülmesine izin veren çok kullanışlı bir cihazdır.

Bu cihazın kalbi, bir vücudun radyan akısı formundaki ısı seviyesini algılayan ve onu eşdeğer bir elektrik potansiyeline dönüştüren bir kızılötesi sensördür.

Bu amaçla kullanılabilecek iki tip sensör, termopil sensör ve piroelektrik sensördür.

Fiziksel olarak ikisi de benzer görünse de, çalışma prensibinde çok büyük bir fark var.

Bir termopil, bir termokuplun temel prensibiyle çalışır ve termokupl bağlantılarındaki sıcaklık farkıyla orantılı bir elektrik potansiyeli oluşturur.

Normalde PIR sensörlerinde kullanılan bir piroelektrik sensör, ortam sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklığa sahip vücut sensörün görüş alanını geçtiğinde bir vücut sıcaklığındaki değişikliği algılayarak çalışır. Bu sıcaklık seviyesi değişimi, çıkışında orantılı miktarda elektrik potansiyeline dönüştürülür.

Doğrusal bir cihaz olan Thermopile, her tür termal tarama uygulamasında yapılandırılması ve uygulanması çok daha kolaydır.