비접촉식 적외선 온도계의 작동 원리 – 만드는 방법

이 게시물에서는 열 스캐너 또는 비접촉식 IR 온도계의 기본 작동 개념을 배우고 장치의 실용적인 DIY 프로토 타입을 만드는 방법도 배웁니다. Arduino없이 .

COVID-19 이후 시대에 의사가 비접촉식 온도 총을 들고 COVID-19 용의자의 이마를 가리키는 모습을 목격하는 것은 흔한 광경입니다.

이 장치는 실제로 비접촉식 체온계 장치로 용의자의 신체 표면의 순간적인 온도를 감지하고 의사가 환자가 정상인지 열이 있는지 알 수 있도록합니다.

기본 테스트 방법

테스트 과정에서 승인 된 사람이 용의자의 이마에있는 비접촉식 온도 총에서 레이저 빔을 가리키고 장치의 후면 LCD 패널에서 온도를 확인합니다.

레이저 빔은 실제로 온도 측정 절차와 직접적인 관련이 없습니다. 이는 의사가 적외선 온도계가 신체의 이상적인 위치를 정확하게 겨냥했는지 확인하기 위해 사용됩니다. 체온 대부분 정확합니다.

Stefan–Boltzmann Law

Stefan–Boltzmann 법칙에 명시된 바와 같이 신체 M의 총 복사 방출량_이다(T)는 다음 방정식과 같이 온도의 4 제곱에 비례합니다.

미디엄_이다(T) = εσT⁴

이 방정식에서 ε은 방사율을 나타냅니다.

σ는 5.67032 x 10 수량에 해당하는 Stefan–Boltzmann 상수를 나타냅니다.^-1212Wcm^-2에^-4, 여기서 문자 K는 켈빈 온도 단위입니다.

위의 방정식은 신체의 온도가 상승하면 적외선 복사도 비례 적으로 증가 함을 시사합니다. 이 적외선 방사는 물리적 접촉없이 멀리서도 측정 할 수 있습니다. 독서는 신체의 순간적인 온도 수준을 제공 할 수 있습니다.

적용 가능한 센서

비접촉식 온도계에 가장 적합하고 활용되는 센서는 열전 퇴 센서 .

열전 퇴 센서는 원거리 소스의 입사 적외선 열지도를 비례적인 양의 작은 전기 전압 출력으로 변환합니다.

서로 다른 금속이 직렬 또는 병렬로 결합되어 '핫'및 '콜드'접합을 만드는 열전대의 원리에 따라 작동합니다. 소스의 적외선 복사 플럭스가 써모 파일에 떨어지면 이러한 접합부에서 온도 차이가 발생하여 써모 커플의 끝 단자에서 동일한 양의 전기가 발생합니다.

열원에 비례하는이 전기 출력을 측정하여 신체의 온도 수준을 확인할 수 있습니다.

열전대 센서 내부의 열전대는 실리콘 칩 위에 내장되어있어 시스템을 매우 민감하고 정확하게 만듭니다.

MLX90247 Thermopile 센서 사용

IC MLX90247은 열 스캐너 장치 또는 비접촉 온도계 장치를 만드는 데 이상적으로 사용할 수있는 다목적 열전 퇴 센서 장치의 훌륭한 예입니다.

IC MLX90247은 멤브레인 표면 위에 쌓인 열전대 네트워크로 구성됩니다.

열전대의 열 수용 접합은 전략적으로베이스 멤브레인의 중앙 근처에 위치하며 차동 냉 접점은 장치의 실리콘 벌크 영역을 형성하는 장치의 가장자리에 배치됩니다.

멤브레인은 열 전도율이 나쁘도록 설계 되었기 때문에 소스에서 감지 된 열은 장치의 벌크 가장자리보다 멘 브레인 중심 근처에서 빠르게 상승 할 수 있습니다.

이로 인해 서모 파일 접합부 끝단에서 열의 빠른 차이가 발생하여 열전기 원리를 통해 이러한 단자에서 효과적인 전위가 발생합니다.

열전 퇴 센서의 가장 좋은 점은 표준 IC와 달리 작동하는 데 외부 전기 공급이 필요하지 않고 필요한 측정을 가능하게하는 자체 전위를 생성한다는 것입니다.

아래와 같이 IC MLX90247의 두 가지 변형이 제공되며, 한 변형은 접지 Vss 옵션을 제공하고 다른 변형은 Vss 핀이 없습니다.

상단 옵션은 IR 온도의 양극 측정을 허용합니다. 출력은 주변 온도보다 높고 주변 온도보다 낮은 온도를 나타낼 수 있음을 의미합니다.

더 낮은 옵션을 사용하여 온도 측정 주변 수준보다 높거나 낮은 수준이므로 단극 측정 기능을 사용할 수 있습니다.

써미스터가 써모 파일에 사용되는 이유

위의 IC MLX90247에서 우리는 서미스터 장치 패키지에 포함됩니다. 서미스터는 외부 측정 장치 단계에 대한 기준 레벨 출력을 생성하는 데 중요한 역할을합니다.

서미스터는 장치의 주변 온도 또는 체온을 감지하기 위해 통합됩니다. 이 주변 온도 레벨은 출력 연산 증폭기 단계의 기준 레벨이됩니다.

타겟의 IR 온도가이 기준 레벨보다 낮거나 같으면 외부 연산 증폭기 단계는 응답하지 않고 출력은 0V로 유지됩니다.

그러나 본체의 IR 복사가 주변 온도를 지나가 자마자 연산 증폭기는 신체의 상승하는 열 출력에 선형 적으로 대응하는 유효한 측정 가능한 출력을 생성하기 위해 응답하기 시작합니다.

IC MLX90247 써모 파일 센서를 사용하는 비접촉식 온도계 회로

비접촉식 IR 온도계 회로의 위 프로토 타입 회로에서 우리는 써모 파일의 작은 전기를 측정 가능한 출력으로 증폭하도록 설계된 외부 연산 증폭기로 구성된 바이폴라 모드의 써모 파일 센서 IC MLX90247을 찾습니다.

상단 연산 증폭기는 IC MLX90247의 열전대 출력을 증폭하고 하단 연산 증폭기는 IC의 주변 온도를 증폭합니다.

단순한 미분 VU 미터 두 연산 증폭기의 출력에 연결됩니다. 써모 파일 앞에 발열체가없는 한 내부 써모 커플 온도는 인접한 써미스터 온도와 동일하게 유지됩니다. 이로 인해 두 개의 연산 증폭기 출력이 동일한 양의 전압을 생성합니다. 따라서 VU 미터는 다이얼 중앙에 0V를 표시합니다.

주변 온도보다 높은 인체가 서모 파일의 감지 범위 내에 들어 오면 핀 2와 핀 4의 열전대 출력이 기하 급수적으로 상승하기 시작하여 핀 3과 핀 1의 서미스터 출력을 초과합니다.

그 결과 상위 연산 증폭기가 하위 연산 증폭기보다 더 많은 양의 전압을 생성합니다. VU 미터가 이에 응답하고 바늘이 0V 보정의 오른쪽으로 이동하기 시작합니다. 판독 값은 열전 퇴에 의해 감지 된 대상의 온도 수준을 직접 보여줍니다.

애플리케이션에 적합한 연산 증폭기

서모 파일의 출력은 마이크로 볼트 단위로되어 있기 때문에이 극히 작은 전압을 증폭하는 데 사용되는 연산 증폭기는 매우 민감하고 정교하며 입력 오프셋 사양이 매우 낮아야합니다. 조건을 충족하기 위해 계측 연산 증폭기가이 애플리케이션에 가장 적합한 선택 인 것으로 보입니다.

온라인에서 좋은 계측 증폭기를 많이 찾을 수 있지만 INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out 계측 증폭기가 가장 적합한 후보로 보입니다.

이 IC를 측정 가능한 크기로 열전대 전압을 증폭하는 데 가장 적합하게 만드는 많은 기능이 있습니다. 기본 IC INA333 계측 증폭기 회로는 아래에서 볼 수 있으며이 설계는 위에서 설명한 열전 퇴 회로를 증폭하는 데 사용할 수 있습니다.

이 INA333 연산 증폭기 회로에서 저항 아르 자형_지 회로의 이득을 결정하며 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

이득 = 1 + 100 / R_지

출력 결과는 킬로 옴입니다.

이 공식을 통해 서모 파일에서 수신 한 마이크로 볼트 수준에 따라 회로의 전체 이득을 설정할 수 있습니다.

이득은 0에서 10,000까지 바로 조정할 수 있으므로 연산 증폭기에 마이크로 볼트 입력에 대한 뛰어난 수준의 증폭 기능을 제공합니다.

써모 파일 IC없이이 계측 증폭기를 사용할 수 있으려면 두 개의 연산 증폭기 모듈이 필요합니다. 하나는 열전대 신호 출력을 증폭하는 데 사용되고 다른 하나는 아래 그림과 같이 서미스터 신호 출력을 증폭하는 데 사용됩니다.

이 설정은 비접촉식 IR 온도계를 만드는 데 사용할 수 있습니다.이 온도계는 써모 파일에 의해 감지 된대로 선형 적으로 증가하는 IR 열에 응답하여 선형 적으로 증가하는 아날로그 출력을 생성합니다.

아날로그 출력은 밀리 볼트 VU 미터 또는 디지털 mV 미터 신체의 온도 수준을 즉시 해석 할 수 있습니다.

출력 V_또는 다음 방정식을 통해 추정 할 수도 있습니다.

V_또는 = G ( V₊ - V_에- )

부품 목록

위에서 설명한 무 접점 온도계 회로를 구축하려면 다음 부품이 필요합니다.

• 열전 퇴 센서 IC MLX90247-1no
• 계측 연산 증폭기 INA333-2nos
• 범위가 0 ~ 1V FSD-1no 인 전압계
• INA333-2nos에 전원을 공급하기위한 1.2V AAA Ni-Cd 셀

전압계 판독 값은 섭씨로 보정해야하며 몇 가지 실험과 시행 착오를 통해 수행 할 수 있습니다.

PIR 사용

정상으로 PIR 센서 또한 훌륭하게 작동하며 이러한 유형의 응용 프로그램에 대한 저렴한 대안을 제공합니다.

PIR에는 TGS, BaTiO3 등과 같은 초전 재료 기반 센서가 포함되어 있으며, 감지 범위 내에서 온도 변화를 감지하면 자발적 분극을 거치게됩니다.

온도 변화로 인해 생성되는 PIR 장치의 분극 전하는 조사 전력에 따라 다릅니다. 피_이다 PIR 센서에서 신체에 의해 전송됩니다. 이로 인해 PIR 출력이 전류를 생성합니다. 나는_디 ωpA_디( Δ 티) .

이 장치는 또한 전압을 생성합니다. V_또는 현재의 곱과 같을 수 있습니다. 나는_디 그리고 장치의 임피던스. 이것은 다음 방정식으로 표현할 수 있습니다.

V_또는= 나_디아르 자형_디/ √1 + ω^두아르 자형^두_디씨^두_디

이 방정식은 다음과 같이 간소화 할 수 있습니다.

V_또는= ωpA_디아르 자형_디( Δ 티) / √1 + ω^두아르 자형^두_디씨^두_디

여기서 p는 초전 계수, ω는 라디안 주파수, Δ T는 검출기 온도 T의 차이와 같습니다._디
및 주변 온도 T_...에.

이제 열 균형 방정식을 적용하여 Δ T는 다음 방정식으로 표현할 수 있습니다.

Δ T = R_티피_이다/ √ (1 + ω^두τ^두_티)

이 값을 Δ 이전 방정식에서 T는 아래와 같이 대역 통과 특성을 갖는 Vo를 나타내는 결과를 얻습니다.

어디 τ_IS 전기적 시정 수 ( 아르 자형_디씨_디 ), τ_티 나타냅니다
열 시간 상수 ( 아르 자형_티씨_티 ) 및 피_이다 빛나는 것을 상징합니다
센서가 감지 한 타겟의 전력.

위의 논의와 방정식은 PIR의 출력 전압 Vo가 소스에서 방출되는 복사 전력에 정비례하므로 비접촉식 온도 측정 애플리케이션에 이상적으로 적합하다는 것을 증명합니다.

그러나 PIR은 편지지 IR 소스에 응답 할 수 없으며 읽을 수있는 출력을 사용하려면 소스가 움직이고 있어야합니다.

이동 속도도 출력 데이터에 영향을 미치기 때문에 소스가 정확한 속도로 이동하는지 확인해야합니다. 이는 사람의 대상에 구현할 수없는 측면입니다.

따라서 인간의 표적을 편지지로 만들고 인공물과 인터페이스하여 움직임을 복제하는 쉬운 방법입니다. 모터 기반 초퍼 PIR 렌즈 시스템으로.

PIR을 사용한 비접촉식 온도계 프로토 타입

다음 단락에서는 다양한 관련 매개 변수를 철저히 최적화 한 후 실제 프로토 타입 제작에 적용 할 수있는 실제 열 스캐너 시스템의 테스트 설정을 설명합니다.

이전 섹션에서 배운 것처럼 PIR은 온도 변화율의 형태로 복사 방출을 감지하도록 설계되었습니다. dT / dt 따라서 적절하게 계산 된 주파수로 펄스되는 적외선 열에 만 반응합니다.

실험에 따르면 PIR은 약 8Hz의 펄스 주파수에서 가장 잘 작동하는 것으로 나타났습니다. 이는 서보 초퍼를 통해 들어오는 신호를 안정적으로 절단함으로써 달성됩니다.

기본적으로 신호를 자르면 PIR 센서가 전압 스파이크로 신체의 복사 전력을 평가하고 출력 할 수 있습니다. 초퍼 주파수가 올바르게 최적화되면 이러한 스파이크의 평균값은 복사 온도의 강도에 정비례합니다.

다음 이미지는 최적화 된 측정 장치 또는 MU를 만들기위한 일반적인 테스트 설정을 보여줍니다.

시스템의 효율적인 작동을 보장하려면 IR 소스와 센서의 시야 (FOV) 사이의 거리가 약 40cm 여야합니다. 즉, 방사체와 PIR 렌즈는 서로 40cm 거리에 있어야합니다.

프레 넬 렌즈와 PIR 초전 센서 사이에 프로펠러가 설치된 소형 스테퍼 모터로 구성된 초퍼 시스템도 볼 수 있습니다.

작동 원리

몸에서 나오는 적외선은 프레 넬 렌즈를 통과 한 다음 초퍼 모터에 의해 8Hz 주파수로 절단되고 그 결과 펄스 형 적외선이 PIR 센서에 의해 감지됩니다.

이 감지 된 IR에 해당하는 출력 AC는 많은 연산 증폭기 단계로 만들어진 '신호 조절기'단계에 적용됩니다.

신호 컨디셔너의 최종 증폭 및 조절 출력은 오실로스코프에서 분석되어 신체의 다양한 방사 방출에 대한 회로의 응답을 확인합니다.

PIR 및 초퍼 최적화

최상의 결과를 얻으려면 PIR 및 초퍼 연결에 대해 다음 기준을 보장해야합니다.

초퍼 디스크 또는 블레이드는 프레 넬 렌즈와 PIR 내부 센서 사이에서 회전하도록 위치해야합니다.

프레 넬 렌즈 직경은 10mm를 넘지 않아야합니다.

렌즈의 초점 거리는 약 20mm 여야합니다.

일반적인 감지 영역이 에_디 1.6mm 피 렌즈의 초점 거리에 가깝게 설치하면 시야 또는 FOV가 4.58 인 것으로 나타났습니다.^또는다음 공식을 사용합니다.

FOV_(반각)≈ | 그래서^-1[(디_에스/ 2) / f] | = 2.29^또는

이 방정식에서 디_에스 센서의 감지 가능한 직경을 나타냅니다. 에프 렌즈의 초점 거리입니다.

초퍼 블레이드 사양

비접촉식 온도계의 작동 효율은 입사 적외선이 초퍼 시스템을 통해 펄스되는 방식에 크게 좌우됩니다.

이 초퍼에는 다음 치수가 사용되어야합니다.

초퍼에는 4 개의 블레이드가 있어야하며 직경 Dc는 약 80mm 여야합니다. 스테퍼 모터 또는 PWM 제어 회로를 통해 구동되어야합니다.

최적의 성능을 위해 대략적인 회전 주파수는 약 5Hz ~ 8Hz 여야합니다.

PIR 프레 넬 렌즈는 초전 센서 뒤에 16mm 위치에 있어야 렌즈에 들어오는 IR 신호 직경이 약 4mm가되고이 직경은 초퍼의 '이빨 너비'TW보다 훨씬 작아야합니다. 디스크.

결론

비접촉식 열 스캐너 또는 적외선 온도계는 물리적 접촉없이 멀리서도 인체 온도를 측정 할 수있는 매우 유용한 장치입니다.

이 장치의 핵심은 신체의 복사 플럭스 형태의 열 수준을 감지하여 동일한 수준의 전위로 변환하는 적외선 센서입니다.

이를 위해 사용할 수있는 두 가지 유형의 센서는 열전 퇴 센서와 초전 센서입니다.

물리적으로 둘 다 비슷해 보이지만 작동 원리에는 큰 차이가 있습니다.

열전대는 열전대의 기본 원리로 작동하며 열전대 접합부의 온도 차이에 비례하는 전위를 생성합니다.

PIR 센서에서 일반적으로 사용되는 초전 센서는 주변 온도보다 높은 온도의 신체가 센서의 시야를 통과 할 때 신체의 온도 변화를 감지하여 작동합니다. 이 온도 레벨의 변화는 출력에서 ​​비례적인 전위의 양으로 변환됩니다.

선형 장치 인 Thermopile은 모든 형태의 열 스캔 애플리케이션에 구성하고 구현하기가 훨씬 쉽습니다.

참조 :