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非接触式红外测温方案解析

关键词:非接触式红外测温方案 电磁辐射 耳温枪

时间:2020-09-24 13:52:01      来源:网络

新冠肺炎疫情攻坚关键时刻,红外测温仪这种非接触、快速、直观的检测方式,在防疫过程中发挥了不容小觑的作用。除了全自动红外体温检测仪之外,额温枪 / 耳温枪等相关产品也需求激增,再加上其应用场所更灵活,价格也比较低,导致短时间内“一枪难求”。那么小伙伴们是否清楚了这种非接触式红外测温的原理呢?ADI 中国技术专家江中亚便为我们详细解释了这个问题。

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一、原理

网络上有些人对额温枪是否有辐射,是否对人体产生危害提出了质疑。我可以很认真的对他说:有辐射,但是你在辐射,它只是吸收你辐射的能量而已。

各种形式的物质只要温度高于绝对零度(-273.15°C),都会发射红外辐射,称为特征辐射。辐射的原因在于内部分子的机械运动。这种运动的强度取决于物体的温度。由于分子运动代表电荷位移,这种辐射是电磁辐射(光子粒子)。这些光子以光速运动,且运行规律符合已知的光学原理。它们可以被偏转,用透镜聚焦或被反射表面反射。这种辐射的光谱范围可以从 0.7um 到 1000μm。因此,这种辐射通常用肉眼看不到。

 


Stephen 和 Boltzmann 于 1879 年发现,一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总功率(称为物体的辐射度或能量通量密度)与黑体本身的热力学温度 T (又称绝对温度)的四次方成正比。这称为 Stephen-Boltzmann law。Wien 在 1893 年又进一步揭示了黑体热辐射规律,即黑体辐射公式和 Wien's displacement Law(因此获得了诺贝尔奖): 随着温度的升高,物体的辐射量最大值将向短波方向移动。从图 3 中可以看出,随着目标温度的升高,最大辐射量逐渐向波段较短的区域移动,从辐射能量随辐射光波长的关系看,光谱中人眼不可见部分所包含的能量最高是可见部分的 100000 倍。这正是红外测量技术的理论依据。

理论上利用黑体辐射原理测量温度时,尽可能在最宽的波长范围内设置红外温度计,以获取最多的能量(对应于曲线下方的区域)或者目标发出的信号。然而,在某些情况下,这种做法并不总是有效的。例如在上图中,当温度比较高时,辐射强度在 2 µm 处增加量远远高于在 10 µm 处的,这样在 2µm 处每单位温差下的辐射差异越大,红外温度计的测量精度便越高。同样,在低温环境下,在 2 µm 处工作的红外温度计将在温度低于 600°C 时由于辐射能量太少而几乎看不到任何东西,从而停止工作。

实际中被测物体与黑体模型也有出入。黑体是理想模型,没有透射,发射率等于 1。灰体的辐射发射率小于 1。而非灰体的发射率不仅小于 1,而且在不同的波长发射率也会变化。

基于以上分析,用于测量人体温度范围的传感器一般波长范围在 5µm-15µm 左右。

使用的传感器则利用了热电效应(Seeback)制作的热电堆(热电偶),即,使用两种不同的半导体或金属导体连接起来,两种材料处于有温度差的情况时,会产生电势差。红外热电偶就是把被测物辐射的能量照射到这个热电偶的热端,通过 NTC 测出热电偶的冷端温度,再根据 Stephen-Boltzmann law 来得到被测物的实际温度。

二、硬件框图


上图上部的电路是使用 MCU 内部 ADC,这时需要使用低温漂,低失调电压,低偏置电流的运放来调理传感器信号。推荐使用 AD8538,AD8539,ADA4051, AD4528,AD8638,AD8628,AD8571,AD8551,AD8552,LTC2063,LTC2066 等;参考源要使用低温漂的 ADR3530,ADR4530。

上图下部是使用集成度比较高的 AFE,AD7191 有两个 ADC 通道,内部集成了 PGA,24bit 高精度 ADC,还有精密电流源方便与 NTC 电阻接口。参考源推荐 ADR3530,ADR4530。还可以选择 AD7124-4,其内部集成了 10ppm/C 的参考源。

三、计算

Vout = K*e*(Tobj^4 - Ts^4) + Voffset

1.Voffset 是当被测目标与环境温度相同时,热电堆输出的电压(实际上还有 ADC 及其前方的运算放大器产生的失调电压误差)。这个值可以如下方法测得:


将整个电路置于环境中足够长时间,传感器内部热电堆与环境温度达到热平衡。这时单片机采样的 ADC 数值就是 Voffset。


如果选用的热电堆传感器批次的电压温度传递函数一致性很好,可以认为这一批的 Voffset 都一样;如果一致性比较差,那么生产时要对每一个产品进行此测试,求出正确的 Voffset。

2. K 是常数,e 是被测目标表面的辐射发射率(人体额头表面可以认为是灰体,e<1,具体要根据实际测量经验确定),实际操作中,可以把 K*e 当作一个常数对待。就相当于增益 G。可以使用如下步骤测得:


已知环境温度 Ts,测温枪放到环境中足够长时间,传感器和环境达到热平衡


测试已知温度的目标(图 6 黑体就可以干这个事),已知 Tobj,读取 ADC 的电压 Vout;


根据上述 1,2 步得到的 Voffset,Ts,Tobj 和 Vout 可以算出 K*e,即增益 G。

3. 通过以上几步,我们已经知道了被测目标温度 Tobj 与传感器输出电压 Vout 的关系,即:

Tobj = (Vout/G+Ts^4)^(1/4) 

实际使用时,MCU 通过读取 Vout 和 Ts,就可以反算出 Tobj 了。Ts 的计算如下:

Ts 是传感器内部热电堆冷端温度,可以用传感器内部的 NTC 电阻大小来测量。可以使用传感器厂家给的数据线性拟合,或者把这些数据放到单片机内,通过查找表插值等方法计算出来;

4. 需要注意的是以上公式中,各个参数的单位换算。


Tobj,Ts 温度单位是热力学温度,也即开氏温度。它与我们常用的摄氏温度换算关系是:T(K)=273.15+t(℃)


Vout,Voffset 单位很灵活,但要注意必须统一使用一样的单位。我们可以把 ADC 的读数直接用。

5. 最后,我们采用的公式 1 的模型如果达不到温度精度,还需要通过实验来拟合出比较合适的模型。

 

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