כיצד פועלים מדחומי אינפרא אדום ללא מגע - איך מכינים אחד כזה

בפוסט זה נלמד את תפיסת העבודה הבסיסית של סורקים תרמיים או מדחומי IR ללא מגע, ונלמד כיצד להכין אב טיפוס מעשי של היחידה בלי ארדואינו .

בעידן COVID-19 שלאחר מכן, עדים לרופאים המחזיקים אקדח טמפרטורה ללא מגע ומצביעים אל מצחו של חשוד ב- COVID-19 הוא מראה שכיח.

המכשיר הוא למעשה מכשיר מדחום פחות מגע, המגלה את הטמפרטורה המיידית של משטח גופו של החשוד ומאפשר לרופא לדעת האם האדם תקין או סובל מחום?

שיטת בדיקה בסיסית

בתהליך הבדיקה אנו מוצאים את האדם המורשה שמפנה קרן לייזר מאקדח הטמפרטורה נטול המגע על מצחו של החשוד, ומציין את הטמפרטורה בלוח ה- LCD האחורי של המכשיר.

לקרן הלייזר אין למעשה קשר ישיר להליך מדידת הטמפרטורה. הוא משמש אך ורק כדי לעזור לרופא להבטיח כי מדחום האינפרא אדום מכוון נכון למקום האידיאלי של הגוף לקביעת טמפרטורת הגוף בעיקר במדויק.

חוק סטפן – בולצמן

כאמור בחוק סטפן – בולצמן היציאה הקורנת הכוללת של גוף M_הוא(T) הוא פרופורציונאלי לעוצמה הרביעית של הטמפרטורה שלו, כפי שמוצג במשוואה הבאה

M_הוא(T) = εσT⁴

במשוואה זו ε מסמל את הפליטה.

σ מציין את קבוע סטפן – בולצמן המקביל לכמות 5.67032 x 10^-1212 וו ס'מ^-שתייםל^-4, כאשר האות K היא יחידת הטמפרטורה בקלווין.

המשוואה הנ'ל מרמזת שכאשר הטמפרטורה של גוף עולה, זוהר האינפרא אדום שלו עולה גם באופן פרופורציונלי. ניתן למדוד את זוהר ה- IR מרחוק ללא צורך במגע פיזי כלשהו. הקריאה יכולה לספק לנו את רמת הטמפרטורה המיידית של הגוף.

איזה חיישן ישים

החיישן המתאים ביותר, ומשמש במדי חום ללא מגע הוא א חיישן תרמופיל .

חיישן תרמופולי ממיר מפת חום אינפרא אדום אירוע ממקור רחוק לכמות פרופורציונאלית של תפוקת מתח חשמלית זעירה.

זה עובד על העיקרון של צמד תרמי, שבו מתכות שונות אינן מחוברות בסדרה או במקביל ליצירת צמתים 'חמים' ו'קרים '. כאשר שטף קרינה אינפרא-אדום ממקור נופל על תרמו-התרמוני, זה יוצר הבדל בטמפרטורה על פני צמתים אלה, ומפתח כמות שווה של חשמל על פני מסופי הקצה של הצמד התרמי.

ניתן למדוד את התפוקה החשמלית הפרופורציונאלית למקור החום כדי לזהות את רמת הטמפרטורה ממקור הגוף.

הצמד התרמי בתוך חיישן תרמיל מוטבע מעל שבב סיליקון שהופך את המערכת לרגישה ומדויקת ביותר.

שימוש בחיישן התרמופיל MLX90247

ה- IC MLX90247 הוא דוגמה מצוינת למכשיר חיישן תרמופילי רב תכליתי אשר ניתן להשתמש בו באופן אידיאלי להכנת מכשיר סורק תרמי או מכשיר מדחום ללא מגע.

ה- IC MLX90247 מורכב מרשת צמד תרמי מגובב על פני קרום.

הצמתים הקולטים לחום של הצמד התרמי ממוקמים אסטרטגית ליד מרכז קרום הבסיס, ואילו צמתים קרים דיפרנציאליים ממוקמים בקצה המכשיר היוצרים את שטח הסיליקון בתפזורת היחידה.

מכיוון שהקרום מתוכנן להיות מוליך רע של חום, החום שזוהה מהמקור מסוגל לעלות במהירות ליד מרכז המנבר מאשר הקצה הגדול של המכשיר.

בשל כך הבדל מהיר של חום מסוגל להתפתח על פני קצוות צומת התרמולים וגורם לפוטנציאל חשמלי יעיל להתפתח על פני מסופים אלה באמצעות עיקרון תרמו-חשמלי.

החלק הטוב ביותר בחיישן הקיבוץ התרמי הוא שבניגוד לממשקי חשמל רגילים הוא אינו זקוק לאספקת חשמל חיצונית כדי לעבוד, אלא הוא מייצר פוטנציאל חשמלי משלו לאפשר את המדידה הנדרשת.

אתה מקבל שתי גרסאות של IC MLX90247 כמוצג להלן, כאשר גרסה אחת מספקת אפשרות Vss קרקעית, והשנייה ללא סיכת Vss.

האפשרות העליונה מאפשרת מדידה דו קוטבית של טמפרטורת ה- IR. המשמעות של התפוקה יכולה להראות טמפרטורות גבוהות יותר מטמפרטורת הסביבה וגם נמוכה יותר מטמפרטורות הסביבה.

ניתן להשתמש באופציה התחתונה למדוד טמפרטורה מעל לרמת הסביבה או מתחת לרמת הסביבה, ובכך מאפשר מתקן מדידה חד קוטבי.

מדוע משתמשים בתרמיסטור בתרמופיל

ב- IC MLX90247 הנ'ל, אנו יכולים לראות א תרמיסטור להיות כלול בחבילת המכשיר. לתרמיסטור תפקיד חשוב ביצירת תפוקת רמת התייחסות לשלב יחידת המדידה החיצונית.

התרמיסטור משולב לאיתור טמפרטורת הסביבה או טמפרטורת הגוף של המכשיר. רמת טמפרטורת סביבה זו הופכת לרמת הייחוס לשלב מגבר הפלט.

כל עוד טמפרטורת ה- IR מהמטרה נמוכה או שווה לרמת התייחסות זו, שלב מגבר המגבר החיצוני אינו מגיב, והפלט שלו נשאר 0 וולט.

עם זאת, ברגע שזוהר ה- IR מהגוף עובר את טמפרטורת הסביבה, מגבר ה- op מתחיל להגיב לייצר תפוקה מדידה תקפה המתכתבת באופן ליניארי עם התפוקה התרמית העולה של הגוף.

מעגל מדחום ללא מגע באמצעות חיישן תרמופיל IC MLX90247

במעגל האב טיפוס הנ'ל של מעגל מדחום IR ללא מגע, אנו מוצאים את חיישן התרמופיל IC MLX90247 במצב דו קוטבי, מוגדר עם מגבר אופציונלי חיצוני שנועד להגביר את החשמל הזעיר מהערמה לתפוקה מדידה.

מגבר ה- OP העליון מגביר את פלט הצמד התרמי מה- ML MLX90247, ואילו המגבר ה- OP התחתון מגביר את טמפרטורת הסביבה של ה- IC.

דיפרנציאל פשוט מטר VU מחובר על פני הפלטים של שני המגברים האופטיים. כל עוד אין גוף הפולט חום מול ערמת התרמו, טמפרטורת הצמד התרמי הפנימי שלו נשארת שווה לטמפרטורת התרמיסטור הצמודה. בשל כך שני יציאות המגבר האופציה מייצרות כמות שווה של מתח. מד ה- VU מציין אם כן 0 V במרכז החוגה שלו.

במקרה שגוף אנושי עם טמפרטורה גבוהה יותר מהסביבה מובא לתחושת החישה של תרמופיל, תפוקת הצמד התרמי שלו על פני פינ 2 ופינה 4 מתחילה לעלות באופן אקספוננציאלי, ועולה על תפוקת התרמיסטור על פני סיכה 3 וסיכה 1.

כתוצאה מכך, מגבר ה- OP העליון יוצר מתח חיובי יותר מאשר המגבר ה- OP התחתון. מד ה- VU מגיב לכך והמחט שלו מתחילה לנוע בצד ימין של הכיול 0V. הקריאה מציגה ישירות את רמת הטמפרטורה של המטרה שזוהה על ידי תרמופיל.

איזה מגבר אופ מתאים לתוכנה

מכיוון שהפלט מהתרמופיל אמור להיות במיקרו וולט, מגבר ה- OP שישמש להגברת המתח הקטן ביותר הזה חייב להיות מאוד רגיש ומתוחכם, ובעל מפרט קיזוז קלט נמוך מאוד. כדי לעמוד בתנאים נראה שמגבר מכשור אופציונלי הוא הבחירה הטובה ביותר ליישום זה.

למרות שאתה עשוי למצוא מגברי מכשור רבים וטובים ברשת, נראה כי מגבר המכשירים INA333 (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out הוא המועמד המתאים ביותר.

יש הרבה תכונות נהדרות שהופכות את ה- IC הזה למתאים ביותר להגברת מתחים של צמד תרמי לגדלים ניתנים למדידה. ניתן לראות למטה מעגל מגבר מכשור IC INA333 בסיסי, ועיצוב זה יכול לשמש להגברת המעגל התרמו-ערמתי שהוסבר לעיל.

במעגל מגבר OP INA333 זה הנגד ר_ז קובע את רווח המעגל, וניתן לחשב אותו באמצעות הנוסחה:

רווח = 1 + 100 / R_ז

תוצאת התפוקה תהיה בקילו אוהם.

באמצעות נוסחה זו אנו יכולים לקבוע את הרווח הכללי של המעגל בהתאם לרמת המיקרו-וולט המתקבלת מהערם התרמי.

ניתן לכוונן את הרווח בין 0 ל 10,000 אשר מספק למגבר ה- OP יכולת הגברה יוצאת דופן עבור כניסות מיקרו וולט.

כדי שנוכל להשתמש במגבר מכשור זה ללא IC של תרמופיל, נצטרך שניים ממודולי המגבר האלה. האחד ישמש להגברת פלט האות של הצמד התרמי, והשני ישמש להגברת פלט אות התרמיסטור, כמוצג להלן.

ניתן להשתמש במערך לייצור מדחום IR ללא מגע, שייצור פלט אנלוגי בעלייה לינארית בתגובה לחום IR בעלייה ליניארית, כפי שזוהה על ידי תרמיל.

ניתן לחבר את הפלט האנלוגי למד VU של מיליבולט או ל מד mV דיגיטלי לקבלת פרשנות מיידית של רמת הטמפרטורה בגוף.

הפלט ו_אוֹ ניתן לאמוד גם באמצעות המשוואה הבאה:

ו_אוֹ = G ( ו_{ב- +} - ו_בתוך- )

רשימת חלקים

החלקים הבאים יידרשו כדי לבנות את מעגל המדחום חסר הסבר המפורש לעיל:

• חיישן תרמופיל IC MLX90247 - 1no
• מגבר מגבר אופנוע INA333 - 2 מספרים
• מד מתח עם טווח 0 עד 1 וולט FSD - 1no
• 1.2 V תאי Ni-Cd AAA להפעלת INA333 - 2Nos

יש לכייל את קריאת מד המתח בצלזיוס, מה שאפשר לעשות עם ניסוי כלשהו, ​​וניסוי וטעייה.

שימוש ב- PIR

למצב נורמלי חיישן PIR גם עובד יפה, ומספק אלטרנטיבה זולה ליישומים מסוג זה.

PIR כולל חיישן מבוסס חומר פירואלקטרי כגון TGS, BaTiO3 וכן הלאה, שעובר קיטוב ספונטני כאשר הוא חש שינוי בטמפרטורה בתחום הזיהוי שלו.

מטען הקיטוב במכשיר PIR שנוצר עקב שינוי בטמפרטורה שלו תלוי בכוח ההקרנה פי_הוא מועבר על ידי הגוף על חיישן ה- PIR. זה גורם ליציאת PIR לייצר זרם אני_ד ωpA_ד( Δ T) .

המכשיר מייצר גם מתח ו_אוֹ שעשוי להיות שווה לתוצר הזרם אני_ד ועכבת המכשיר. זה יכול לבוא לידי ביטוי במשוואה הבאה:

ו_אוֹ= אני_דר_ד/ √1 + ω^שתייםר^שתיים_דג^שתיים_ד

ניתן לייעל את המשוואה הזו ל:

ו_אוֹ= ωpA_דר_ד( Δ T) / √1 + ω^שתייםר^שתיים_דג^שתיים_ד

כאשר p מציין את המקדם הפירואלקטרי, ω מציין את תדר הרדיאן ו- Δ T שווה להפרש בטמפרטורת הגלאי T_ד
וטמפרטורת הסביבה T_ל.

כעת, על ידי יישום משוואת איזון חום אנו מוצאים כי הערך של Δ ניתן לגזור את T כפי שבא לידי ביטוי במשוואה הבאה:

Δ T = R_טפי_הוא/ √ (1 + ω^שתייםτ^שתיים_ט)

אם נחליף ערך זה של Δ T במשוואה הקודמת, אנו מקבלים תוצאה המייצגת את ה- Vo עם מאפייני מעבר, כפי שמוצג להלן:

איפה τ_IS מתייחס לקבוע הזמן החשמלי ( ר_דג_ד ), τ_ט מציין את
קבוע זמן תרמי ( ר_טג_ט ), ו פי_הוא מסמל את הקורן
כוח מהמטרה שזוהה על ידי החיישן.

הדיונים והמשוואות לעיל מוכיחים כי מתח המוצא Vo מ- PIR הוא פרופורציונלי ישירות לעוצמת הקרינה הנפלטת מהמקור, ולכן הוא מתאים באופן אידיאלי ליישומי מדידת טמפרטורה ללא מגע.

עם זאת, אנו יודעים ש- PIR אינו יכול להגיב למקור IR נייר מכתבים, ודורש מהמקור להיות בתנועה כדי לאפשר פלט קריא.

מכיוון שמהירות התנועה משפיעה גם על נתוני הפלט, עלינו לוודא שהמקור נע במהירות מדויקת, היבט שעשוי להיות בלתי אפשרי ליישם על מטרה אנושית.

לכן, דרך קלה להתמודד עם זה לתת למטרה האנושית להיות נייר מכתבים, ולשכפל את תנועתה באמצעות ממשק מלאכותי מסוק מבוסס מנוע עם מערכת העדשות PIR.

אב טיפוס של מדחום ללא מגע באמצעות PIR

הפסקאות הבאות מסבירות את הגדרת הבדיקה של מערכת סורקים תרמיים מעשיים, הניתנת ליישום לבניית אב טיפוס מעשי, לאחר אופטימיזציה יסודית של הפרמטרים המעורבים השונים.

כפי שנלמד בסעיף הקודם, PIR נועד לזהות פליטת קרינה בצורה של קצב שינוי טמפרטורה dT / dt ומכאן מגיב רק לחום אינפרא אדום אשר פועם בתדר מחושב כראוי.

לפי ניסויים, נמצא כי ה- PIR פועל בצורה הטובה ביותר בתדר דופק של סביב 8 הרץ, אשר מושג באמצעות קיצוץ יציב של האות הנכנס באמצעות מסוק סרוו.

ביסודו של דבר, קיצוץ האותות מאפשר לחיישן PIR להעריך ולהפיק את כוח הקרינה של הגוף כקפי מתח. אם תדר המסוק מותאם כהלכה, הערך הממוצע של קוצים אלה יהיה פרופורציונלי ישירות לעוצמת טמפרטורת הקרינה.

התמונה הבאה מציגה בדיקת טיפוס שהוקמה ליצירת יחידת מדידה אופטימלית או MU.

כדי להבטיח עבודה יעילה של המערכת, המרחק בין מקור ה- IR לשדה הראייה של החיישן (FOV) חייב להיות בסביבות 40 ס'מ. במילים אחרות הגוף המקרין ועדשת ה- PIR חייבים להיות במרחק של 40 ס'מ זה מזה.

אנו יכולים גם לראות מערכת צ'ופר המורכבת ממנוע צעד קטן עם מדחף המותקן בין עדשת הפרנל לחיישן הפירואלקטרי PIR.

איך זה עובד

קרינת ה- IR מהגוף עוברת דרך עדשת הפרנל, ואז היא נחתכת בתדר 8 הרץ על ידי מנוע המסוק, וקרינת ה- IR הפעמית המתקבלת מזוהה על ידי חיישן ה- PIR.

יציאת ה- AC המקבילה ל- IR שזוהה זו מוחלת על שלב 'מזגן האותות' המורכב משלבי מגבר אופ רבים.

הפלט המוגבר והמותנה הסופי ממזגן האות מנותח על ידי אוסצילוסקופ כדי לבדוק את תגובת המעגל ליציאה זוהרת של גוף.

מיטוב ה- PIR והצ'ופר

כדי להשיג את התוצאות הטובות ביותר, יש לוודא את הקריטריונים הבאים עבור PIR ועמותת המסוקים.

יש למקם את דיסק המסוק או את הלהבים שיסובבו בין עדשת הפרנל לחיישן הפנימי של ה- PIR.

קוטר עדשת הפרנל לא צריך להיות יותר מ -10 מ'מ.

אורך המוקד של העדשה צריך להיות סביב 20 מ'מ.

בהתחשב בעובדה שאזור החישה האופייני של ל_ד 1.6 מ'מ פי ומותקן קרוב לאורך המוקד של העדשה, שדה הראייה או ה- FOV נמצא 4.58^אוֹבאמצעות הנוסחה הבאה:

FOV_{(חצי זווית)}So | כך^-1[(ד_ס/ 2) / f] | = 2.29^אוֹ

במשוואה זו ד_ס מציין את הקוטר הניתן לזיהוי של החיישן, וכן f הוא אורך המוקד של העדשה.

מפרט להב צ'ופר

יעילות העבודה של המדחום ללא מגע תלויה במידה רבה באופן בו פועמת האינפרא אדום האירוע דרך מערכת המסוק

במסוק זה יש להשתמש במידות הבאות:

למסוק צריך להיות 4 להבים וקוטר Dc צריך להיות סביב 80 מ'מ. זה צריך להיות מונע דרך מנוע צעד או מעגל מבוקר PWM.

תדר הסיבוב המשוער אמור לשפוך סביב 5 הרץ עד 8 הרץ לקבלת ביצועים אופטימליים.

יש למקם את עדשת פרנל PIR 16 מ'מ מאחורי החיישן הפירואלקטרי, כך שקוטר האות IR הנכנס הנופל על העדשה הוא סביב 4 מ'מ, וקוטר זה אמור להיות קטן בהרבה מ- TW 'רוחב השן' של המסוק. דִיסק.

סיכום

סורק תרמי ללא מגע או מדחום IR הוא מכשיר שימושי מאוד המאפשר מדידת טמפרטורת גוף האדם ממרחק ללא כל מגע פיזי.

הלב של המכשיר הזה הוא חיישן אינפרא אדום שמזהה את רמת החום בצורה של שטף קורן של גוף וממיר אותו לרמה שווה ערך של פוטנציאל חשמלי.

שני סוגי החיישנים אשר יכולים לשמש למטרה זו הם חיישן התרמופיל והחיישן הפירואלקטרי.

למרות שמבחינה פיזית שניהם נראים דומים, יש הבדל עצום בעקרון העבודה.

ערימה תרמית עובדת עם העיקרון הבסיסי של צמד תרמי ומייצרת פוטנציאל חשמלי שניתן ביחס להפרש הטמפרטורה על פני צמתים של צמד תרמי.

חיישן פירואלקטרי המשמש בדרך כלל בחיישני PIR, פועל על ידי גילוי שינוי הטמפרטורה של הגוף כאשר הגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר מטמפרטורת הסביבה חוצה את שדה הראייה של החיישן. שינוי זה של רמת הטמפרטורה מומר כמות פרופורציונאלית של פוטנציאל חשמלי בתפוקתו

הרבה יותר קל להגדיר ולהטמיע תרמופיל להיות מכשיר ליניארי בכל צורות היישומים של סריקה תרמית.

הפניות: