Sa post na ito matututunan natin ang pangunahing konsepto ng pagtatrabaho ng mga thermal scanner o mga contactless IR thermometer, at matutunan din kung paano gumawa ng isang praktikal na prototype ng DIY ng yunit nang walang Arduino .

Sa panahon ng post na COVID-19, isang pangkaraniwang paningin ang mga nakasaksi na mga doktor na may hawak na isang gun na walang contact na temperatura at nakaturo sa noo ng isang hinihinalang COVID-19.

Ang aparato ay talagang isang contact na mas mababa sa termometro na aparato, na nakakakita ng instant na temperatura ng ibabaw ng katawan ng suspek at pinapayagan ang doktor na malaman kung ang tao ay normal o naghihirap mula sa isang lagnat?

Pangunahing Pamamaraan sa Pagsubok

Sa proseso ng pagsubok, nahanap namin ang awtorisadong tao na itinuturo ang isang laser beam mula sa contactless temperatura ng baril sa noo ng suspect, at binabanggit ang temperatura sa likod ng LCD panel ng aparato.

Ang laser beam ay talagang walang direktang koneksyon sa pamamaraan ng pagsukat ng temperatura. Ginagawa lamang ito upang matulungan ang doktor upang matiyak na ang infrared thermometer ay tama na nakatuon sa perpektong lugar ng katawan para sa pagtukoy ng temperatura ng katawan karamihan tumpak.

Batas Stefan – Boltzmann

Tulad ng nakasaad sa batas ng Stefan – Boltzmann ang kabuuang nagliliwanag na paglabas ng isang katawang M_ayAng (T) ay proporsyonal sa ika-apat na lakas ng temperatura nito, tulad ng ipinakita sa sumusunod na equation

M_ay(T) = εσT⁴

Sa equation na ito ε nangangahulugan ng emissivity.

σ nagsasaad ng Stefan – Boltzmann pare-pareho na katumbas ng dami ng 5.67032 x 10^-1212 Wcm^-dalawaSA^-4, kung saan ang letrang K ay ang yunit ng temperatura sa Kelvin.

Ang equation sa itaas ay nagpapahiwatig na kapag ang temperatura ng isang katawan ay tumataas, ang infrared na ningning din ay tumataas nang proporsyonal. Ang IR ningning na ito ay maaaring masukat mula sa isang distansya nang hindi nangangailangan ng anumang pisikal na kontak. Ang pagbasa ay maaaring magbigay sa atin ng instant na antas ng temperatura ng katawan.

Aling Sensor ang Nalalapat

Ang sensor na pinakaangkop, at ginamit sa mga thermometers na walang contact ay isang thermopile sensor .

Ang isang thermopile sensor ay nagpapalit ng isang insidente na infrared heat map mula sa isang malayong mapagkukunan sa isang proporsyonal na halaga ng maliit na maliit na output ng boltahe ng kuryente.

Gumagana ito sa prinsipyo ng thermocouple, kung saan ang hindi magkatulad na mga metal ay pinagsama sa serye o parallel upang lumikha ng 'mainit' at 'malamig' na mga junction. Kapag ang infrared radiant flux mula sa isang mapagkukunan ay bumagsak sa thermopile, lumilikha ito ng pagkakaiba sa temperatura sa mga junction na ito, na bumubuo ng isang katumbas na dami ng kuryente sa mga dulo ng terminal ng thermocouple.

Ang sukat na ito ng output ng kuryente sa mapagkukunan ng init ay maaaring sukatin upang makilala ang antas ng temperatura mula sa mapagkukunan ng katawan.

Ang thermocouple sa loob ng isang thermopile sensor ay naka-embed sa loob ng isang silicon chip na ginagawang labis na sensitibo at tumpak ang system.

Gamit ang MLX90247 Thermopile Sensor

Ang IC MLX90247 ay isang mahusay na halimbawa ng isang maraming nalalaman thermopile sensor aparato na maaaring perpektong ginamit para sa paggawa ng isang aparato ng thermal scanner o isang aparato na walang contact na termometro.

Ang IC MLX90247 ay binubuo ng nakasalansan na thermocouple network sa ibabaw ng isang lamad.

Ang mga heat receptive junction ng thermocouple ay may istratehikong nakaposisyon malapit sa gitna ng base membrane, habang ang pagkakaiba-iba ng malamig na mga junction ay inilalagay sa gilid ng aparato na bumubuo ng silicon bulk area ng yunit.

Dahil ang lamad ay idinisenyo upang maging isang masamang konduktor ng init, ang napansin na init mula sa mapagkukunan ay mabilis na tumaas malapit sa menbrane center kaysa sa maramihang gilid ng aparato.

Dahil dito ang isang mabilis na pagkakaiba ng init ay nagawang makabuo sa mga thermopile junction na nagtatapos na nagdudulot ng isang mabisang potensyal na de-koryenteng bumuo sa mga terminal na ito sa pamamagitan ng thermo-electric na prinsipyo.

Ang pinakamagandang bahagi ng sensor ng thermopile ay iyon, hindi tulad ng mga pamantayan ng IC na ito ay hindi nangangailangan ng isang panlabas na suplay ng elektrisidad upang gumana, sa halip ay bumubuo ito ng sarili nitong potensyal na elektrikal para sa pagpapagana ng kinakailangang pagsukat.

Makakakuha ka ng dalawang variant ng IC MLX90247 tulad ng ipinakita sa ibaba, kung saan ang isang variant ay nagbibigay ng isang ground Vss na pagpipilian, at ang iba pa ay walang isang Vss pin.

Pinapayagan ng pang-itaas na pagpipilian ang isang pagsukat ng bipolar ng temperatura ng IR. Ibig sabihin ang output ay maaaring magpakita ng mga temperatura na mas mataas kaysa sa temperatura ng paligid at mas mababa din kaysa sa mga temperatura sa paligid.

Ang mas mababang pagpipilian ay maaaring magamit upang sukatin ang temperatura alinman sa itaas ng antas ng ambient o sa ibaba ng antas ng ambient, at sa gayon ay pinapayagan ang isang unipolar na pasilidad sa pagsukat.

Bakit ginagamit ang Thermistor sa Thermopile

Sa itaas na IC MLX90247, maaari nating makita ang a thermistor kasama sa package ng aparato. Ang thermistor ay may mahalagang papel sa paglikha ng isang output level ng sanggunian para sa panlabas na yugto ng yunit ng pagsukat.

Ang thermistor ay isinasama upang makita ang temperatura ng paligid o temperatura ng katawan ng aparato. Ang antas ng ambient temperatura na ito ay naging antas ng sanggunian para sa output op amp yugto.

Hangga't ang temperatura ng IR mula sa target ay nasa ibaba o katumbas ng antas ng sanggunian na ito, ang panlabas na yugto ng op amp amplifier ay hindi tumutugon, at ang output nito ay mananatiling 0 V.

Gayunpaman, sa sandaling ang IR na ningning mula sa katawan ay pumasa sa temperatura ng paligid, ang op amp ay nagsisimulang tumugon upang makagawa ng isang wastong nasusukat na output na tuwirang tumutugma sa pagtaas ng thermal output ng katawan.

Walang contact na Thermometer Circuit gamit ang IC MLX90247 Thermopile Sensor

Sa itaas na prototype circuit ng isang contactless IR thermometer circuit, nakita namin ang thermopile sensor IC MLX90247 sa bipolar mode, na naka-configure gamit ang isang panlabas na op amp na dinisenyo upang palakasin ang maliit na kuryente mula sa thermopile sa isang masusukat na output.

Ang pang-itaas na op amp ay nagpapalakas ng output ng thermocouple mula sa IC MLX90247, habang ang mas mababang op amp ay nagpapalakas ng ambient temperatura ng IC.

Isang simpleng pagkakaiba VU meter ay nakakabit sa mga output ng dalawang op amp. Hangga't walang init na nagpapalabas ng katawan sa harap ng thermopile, ang panloob na temperatura ng thermocouple ay mananatiling katumbas ng magkadugtong na temperatura ng thermistor. Dahil dito ang dalawang mga output ng amp amp ay bumubuo ng pantay na dami ng mga voltages. Sa gayon ang metro ng VU ay nagpapahiwatig ng isang 0 V sa gitna ng dial nito.

Kung sakaling ang isang katawan ng tao na may mas mataas na temperatura kaysa sa nakapaligid ay dinala sa loob ng saklaw ng pandama ng thermopile, ang output ng thermocouple sa kabuuan ng pin2 at pin4 ay nagsisimulang tumaas nang mabilis, at lumampas sa output ng thermistor sa kabuuan ng pin3 at pin1.

Nagreresulta ito sa itaas na op amp na bumubuo ng mas positibong boltahe kaysa sa mas mababang op amp. Ang VU meter ay tumutugon dito at ang karayom nito ay nagsisimulang lumipat sa kanang bahagi ng pagkakalibrate ng 0V. Direktang ipinapakita ng pagbabasa ang antas ng temperatura ng target na napansin ng thermopile.

Aling Op Amp ang Naaangkop sa Aplikasyon

Dahil ang output mula sa thermopile ay dapat na nasa microvolts, ang op amp na gagamitin para sa pagpapalakas ng napakaliit na boltahe na ito ay dapat na napaka-sensitibo at sopistikado, at may napakababang input na offset na detalye. Upang masiyahan ang mga kundisyon ang isang instrumento op amp ay lilitaw na ang pinakamahusay na pagpipilian para sa application na ito.

Bagaman maaari kang makahanap ng maraming mahusay na mga amplifier ng instrumento sa online, ang INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier ay lilitaw na pinakaangkop na kandidato.

Maraming mga mahusay na tampok na ginagawang pinakaangkop sa IC na ito para sa amplifying voltm thermocouple sa isang nasusukat na magnitude. Ang isang pangunahing IC INA333 instrumentation amplifier circuit ay makikita sa ibaba, at ang disenyo na ito ay maaaring gamitin para sa pagpapalakas ng ipinaliwanag sa itaas na thermopile circuit.

Sa INA333 op amp circuit na ito ng risistor R_G tinutukoy ang nakuha ng circuit, at maaaring kalkulahin gamit ang formula:

Makuha = 1 + 100 / R_G

Ang resulta ng output ay magiging sa kilo Ohms.

Sa pamamagitan ng pormulang ito maaari nating maitakda ang pangkalahatang pakinabang ng circuit depende sa antas ng microvolt na natanggap mula sa thermopile.

Ang pagkamit ay maaaring maiakma mula mismo sa 0 hanggang 10,000 na nagbibigay ng op amp na may isang pambihirang antas ng amplifying capability para sa mga microvolt input.

Upang magamit ang amplumentation ng instrumentation na ito nang walang thermopile IC, kakailanganin namin ang dalawa sa mga op amp module na ito. Gagamitin ang isa para sa pagpapalakas ng output ng signal ng thermocouple, at ang iba pa ay gagamitin para sa pagpapalakas ng output ng signal ng thermistor, tulad ng ipinakita sa ibaba

Ang set up ay maaaring magamit para sa paggawa ng isang contactless IR thermometer, na kung saan ay makagawa ng isang linearly pagtaas ng analogue output bilang tugon sa isang linearly pagtaas IR init, tulad ng napansin ng thermopile.

Ang output ng analogue ay maaaring mai-attach sa isang milivolt VU meter o a digital mV meter para sa pagkuha ng isang instant na interpretasyon ng antas ng temperatura ng katawan.

Ang output V_o Maaari ring matantya sa pamamagitan ng sumusunod na equation:

V_o = G ( V_{sa +} - V_sa- )

Listahan ng Mga Bahagi

Ang mga sumusunod na bahagi ay kinakailangan upang maitayo sa itaas ang ipinaliwanag na conctless thermometer circuit:

Thermopile Sensor IC MLX90247 - 1no
Instrumentation Op amp INA333 - 2nos
Voltmeter na may saklaw na 0 hanggang 1V FSD - 1no
1.2 V AAA Ni-Cd Cells para sa pagpapatakbo ng INA333 - 2nos

Ang pagbabasa ng voltmeter ay kailangang i-calibrate sa Celsius, na maaaring gawin sa ilang eksperimento, at trial and error.

Paggamit ng isang PIR

Sa normal Sensor ng PIR gumagana rin nang maayos, at nagbibigay ng isang murang kahalili para sa mga ganitong uri ng mga application.

Ang isang PIR ay nagsasama ng isang pyroelectric material based sensor tulad ng TGS, BaTiO3 at iba pa, na dumadaan sa isang kusang polariseysyon kapag nadarama nito ang pagbabago sa temperatura sa loob ng saklaw ng pagtuklas nito.

Ang singil ng polarisasyon sa isang aparato ng PIR na nabuo dahil sa pagbabago ng temperatura nito ay nakasalalay sa lakas ng pag-iilaw Phi_ay nailipat ng katawan sa sensor ng PIR. Ito ay sanhi ng output ng PIR upang makabuo ng isang kasalukuyang Ako_d ωpA_d( Δ T) .

Lumilikha din ang aparato ng boltahe V_o na maaaring katumbas ng produkto ng kasalukuyang Ako_d at ang impedance ng aparato. Maaari itong ipahayag sa sumusunod na equation:

V_o= Ako_dR_d/ √1 + ω^dalawaR^dalawa_dC^dalawa_d

Ang equation na ito ay maaaring karagdagang streamline sa:

V_o= ωpA_dR_d( Δ T) / √1 + ω^dalawaR^dalawa_dC^dalawa_d

kung saan ang p ay nagpapahiwatig ng pyroelectric coefficient, ω nagsasaad ng dalas ng radian, at Δ Ang T ay katumbas ng pagkakaiba sa temperatura ng detector na T_d
at nakapaligid na temperatura T_sa.

Ngayon, sa pamamagitan ng paglalapat ng equation ng balanse ng init nalaman namin na ang halaga ng Δ Maaaring makuha ang T tulad ng ipinahayag sa sumusunod na equation:

Δ T = R_TPhi_ay/ √ (1 + ω^dalawaτ^dalawa_T)

Kung papalitan natin ang halagang ito ng Δ T sa nakaraang equation, nakakakuha kami ng isang resulta na kumakatawan sa Vo na may isang katangian ng bandpass, tulad ng ipinakita sa ibaba:

kung saan τ_AY tumutukoy sa oras ng elektrikal na pare-pareho ( R_dC_d ), τ_T ipinapahiwatig ang
thermal time pare-pareho ( R_TC_T ), at Phi_ay sumisimbolo ng nagliliwanag
lakas mula sa target na nakita ng sensor.

Ang mga talakayan at equation sa itaas ay nagpatunay na ang output voltage Vo mula sa isang PIR ay direktang proporsyonal sa nagliliwanag na lakas na ibinuga mula sa pinagmulan, at sa gayon ay angkop na angkop para sa mga aplikasyon ng pagsukat ng temperatura na walang contact.

Gayunpaman, alam namin na ang isang PIR ay hindi maaaring tumugon sa isang stationery IR na mapagkukunan, at hinihiling ang mapagkukunan na kumilos para sa pagpapagana ng isang nababasa na output.

Dahil ang bilis ng paggalaw ay nakakaapekto rin sa data ng output, kailangan nating tiyakin na ang pinagmulan ay gumagalaw na may isang tumpak na bilis, isang aspeto na maaaring imposibleng ipatupad sa isang target ng tao.

Samakatuwid, isang madaling paraan upang kontrahin ito ito upang hayaan ang target ng tao na maging stationery, at ginagaya ang paggalaw nito sa pamamagitan ng pag-interfaced ng isang artipisyal motor based chopper kasama ang system ng PIR lens.

Ang contactless Thermometer Prototype na gumagamit ng PIR

Ipinapaliwanag ng mga sumusunod na talata ang set up ng pagsubok ng isang praktikal na sistemang thermal scanner, na maaaring mailapat para sa pagbuo ng isang praktikal na prototype, pagkatapos ng isang masusing pag-optimize ng iba't ibang mga kasangkot na parameter.

Tulad ng natutunan sa nakaraang seksyon, ang isang PIR ay idinisenyo upang makita ang nagliliwanag na paglabas sa anyo ng isang rate ng pagbabago ng temperatura dT / dt , at samakatuwid ay tumutugon lamang sa isang infrared heat na pulsed na may isang naaangkop na dalas ng kinakalkula.

Tulad ng bawat eksperimento, nalaman na ang PIR ay pinakamahusay na gumagana sa dalas ng pulso na humigit-kumulang 8 Hz, na nakakamit sa pamamagitan ng isang matatag na pagpuputol ng papasok na signal sa pamamagitan ng isang servo chopper

Karaniwan, ang pagpuputol ng mga signal ay nagbibigay-daan sa sensor ng PIR na masuri at maipalabas ang nagliliwanag na lakas ng katawan bilang mga boltahe na spike. Kung ang dalas ng chopper ay na-optimize nang tama pagkatapos ang average na halaga ng mga spike na ito ay direktang proporsyonal sa tindi ng nagliliwanag na temperatura.

Ipinapakita ng sumusunod na imahe ang isang tipikal na naka-set up na pagsubok para sa paglikha ng isang na-optimize na yunit ng pagsukat o ang MU.

Upang matiyak ang isang mahusay na pagtatrabaho ng system ang distansya sa pagitan ng pinagmulan ng IR at ang patlang ng view ng sensor (FOV) ay dapat na nasa 40 cm. Sa madaling salita ang nagniningning na katawan at ang PIR lens ay dapat na may distansya na 40 cm mula sa bawat isa.

Maaari rin naming makita ang isang chopper system na binubuo ng isang maliit na stepper motor na may isang propeller na naka-install sa pagitan ng fresnel lens at ng PIR pyroelectric sensor.

Paano ito gumagana

Ang IR radiation mula sa katawan ay dumadaan sa lens ng fresnel, pagkatapos ay tinadtad ito sa 8 Hz dalas ng chopper motor, at ang nagresultang pulsed IR radiation ay napansin ng sensor ng PIR.

Ang output AC na katumbas ng napansin na IR na ito ay inilalapat sa yugto ng 'signal conditioner' na ginawa gamit ang maraming op amp na yugto.

Ang huling pinalakas at nakakondisyon na output mula sa signal conditioner ay pinag-aaralan sa isang oscilloscope upang suriin ang tugon ng circuit sa iba't ibang nagniningning na paglabas ng isang katawan.

Pag-optimize ng PIR at ang Chopper

Upang makuha ang pinakamahusay na posibleng mga resulta, ang mga sumusunod na pamantayan ay dapat na matiyak para sa PIR at ang samahan ng chopper.

Ang chopper disc o ang mga blades ay dapat na nakaposisyon upang paikutin sa pagitan ng fresnel lens at ng panloob na sensor ng PIR.

Ang diameter ng fresnel lens ay hindi dapat higit sa 10 mm.

Ang haba ng focal ng lens ay dapat na nasa 20 mm.

Isinasaalang-alang ang katunayan na ang karaniwang lugar ng sensing ng SA_d 1.6 mm Phi at naka-install na malapit sa focal haba ng lens, ang patlang ng view o FOV ay natagpuan na 4.58^ogamit ang sumusunod na pormula:

FOV_{(kalahating anggulo)}≈ | kaya^-1[(d_s/ 2) / f] | = 2.29^o

Sa equation na ito d_s nagsasaad ng matutukoy na diameter ng sensor, at f ay ang haba ng pokus ng lens.

Mga Pagtukoy ng Chopper Blade

Ang kahusayan sa pagtatrabaho ng contactless thermometer na higit sa lahat ay nakasalalay sa kung paano ang insidente na infrared ay pulsed sa pamamagitan ng chopper system at

Sa chopper na ito, dapat gamitin ang mga sumusunod na sukat:

Ang chopper ay dapat magkaroon ng 4 na blades at ang diameter Dc ay dapat na nasa 80 mm. Dapat itong hinimok sa pamamagitan ng isang stepper motor o isang PWM na kinokontrol na circuit.

Ang tinatayang dalas ng pag-ikot ay dapat na humigit-kumulang sa 5 Hz hanggang 8 Hz para sa pinakamainam na pagganap.

Ang PIR fresnel lens ay dapat na nakaposisyon 16 mm sa likod ng pyroelectric sensor, tulad ng papasok na diameter ng signal ng IR na bumabagsak sa lens ay nasa paligid ng 4 mm, at ang diameter na ito ay dapat na mas maliit kaysa sa 'lapad ng ngipin' na TW ng chopper disk

Konklusyon

Ang isang contactless thermal scanner o isang IR thermometer ay isang napaka kapaki-pakinabang na aparato na nagbibigay-daan sa pagsukat ng temperatura ng katawan ng tao mula sa isang distansya nang walang anumang pisikal na kontak.

Ang puso ng aparatong ito ay isang infrared sensor na nakakakita ng antas ng init sa anyo ng nagliliwanag na pagkilos ng bagay ng isang katawan at ginawang ito sa isang katumbas na antas ng potensyal na elektrikal.

Ang dalawang uri ng mga sensor na maaaring magamit para sa hangaring ito ay ang thermopile sensor, at ang pyroelectric sensor.

Bagaman pisikal na pareho silang lumilitaw na magkatulad, mayroong isang malaking pagkakaiba sa prinsipyo ng pagtatrabaho.

Gumagawa ang isang thermopile na may pangunahing prinsipyo ng isang thermocouple at bumubuo ng isang potensyal na de-koryenteng proporsyonal sa pagkakaiba ng temperatura sa mga thermocouple junction na ito.

Ang isang pyroelectric sensor na karaniwang ginagamit sa mga sensor ng PIR, ay pinamamahalaan sa pamamagitan ng pagtuklas ng pagbabago ng temperatura ng isang katawan kapag ang katawan na may mas mataas na temperatura kaysa sa nakapaligid na temperatura ay tumatawid sa larangan ng view ng sensor. Ang pagbabago ng antas ng temperatura ay na-convert ng isang proporsyonal na halaga ng potensyal na elektrikal sa output nito

Ang thermopile na isang linear na aparato ay mas madaling i-configure at ipatupad sa lahat ng mga form ng mga application ng thermal scan.