【導(dǎo)讀】新冠肺炎疫情攻堅(jiān)關(guān)鍵時(shí)刻，紅外測(cè)溫儀這種非接觸、快速、直觀的檢測(cè)方式，在防疫過(guò)程中發(fā)揮了不容小覷的作用。除了全自動(dòng)紅外體溫檢測(cè)儀之外，額溫槍/耳溫槍等相關(guān)產(chǎn)品也需求激增，再加上其應(yīng)用場(chǎng)所更靈活，價(jià)格也比較低，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)“一槍難求”。那么小伙伴們是否清楚了這種非接觸式紅外測(cè)溫的原理呢？ADI中國(guó)技術(shù)專家江中亞便為我們?cè)敿?xì)解釋了這個(gè)問題。
一、原理
網(wǎng)絡(luò)上有些人對(duì)額溫槍是否有輻射，是否對(duì)人體產(chǎn)生危害提出了質(zhì)疑。我可以很認(rèn)真的對(duì)他說(shuō)：有輻射，但是你在輻射，它只是吸收你輻射的能量而已。
各種形式的物質(zhì)只要溫度高于絕對(duì)零度（-273.15°C），都會(huì)發(fā)射紅外輻射，稱為特征輻射。輻射的原因在于內(nèi)部分子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度取決于物體的溫度。由于分子運(yùn)動(dòng)代表電荷位移，這種輻射是電磁輻射（光子粒子）。這些光子以光速運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)行規(guī)律符合已知的光學(xué)原理。它們可以被偏轉(zhuǎn)，用透鏡聚焦或被反射表面反射。這種輻射的光譜范圍可以從0.7um 到1000μm。因此，這種輻射通常用肉眼看不到。
Stephen 和 Boltzmann 于 1879 年發(fā)現(xiàn)，一個(gè)黑體表面單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總功率（稱為物體的輻射度或能量通量密度）與黑體本身的熱力學(xué)溫度T （又稱絕對(duì)溫度）的四次方成正比。這稱為Stephen-Boltzmann law。Wien在1893年又進(jìn)一步揭示了黑體熱輻射規(guī)律，即黑體輻射公式和Wien''s displacement Law（因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)）: 隨著溫度的升高，物體的輻射量最大值將向短波方向移動(dòng)。從圖3中可以看出，隨著目標(biāo)溫度的升高，最大輻射量逐漸向波段較短的區(qū)域移動(dòng)，從輻射能量隨輻射光波長(zhǎng)的關(guān)系看，光譜中人眼不可見部分所包含的能量最高是可見部分的100000 倍。這正是紅外測(cè)量技術(shù)的理論依據(jù)。
理論上利用黑體輻射原理測(cè)量溫度時(shí)，盡可能在最寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)置紅外溫度計(jì)，以獲取最多的能量（對(duì)應(yīng)于曲線下方的區(qū)域）或者目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)。然而，在某些情況下，這種做法并不總是有效的。例如在上圖中，當(dāng)溫度比較高時(shí)，輻射強(qiáng)度在 2 µm 處增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在 10 µm 處的，這樣在2µm處每單位溫差下的輻射差異越大，紅外溫度計(jì)的測(cè)量精度便越高。同樣，在低溫環(huán)境下，在 2 µm 處工作的紅外溫度計(jì)將在溫度低于 600°C 時(shí)由于輻射能量太少而幾乎看不到任何東西，從而停止工作。
實(shí)際中被測(cè)物體與黑體模型也有出入。黑體是理想模型，沒有透射，發(fā)射率等于1。灰體的輻射發(fā)射率小于1。而非灰體的發(fā)射率不僅小于1，而且在不同的波長(zhǎng)發(fā)射率也會(huì)變化。
基于以上分析，用于測(cè)量人體溫度范圍的傳感器一般波長(zhǎng)范圍在5µm-15µm左右。
使用的傳感器則利用了熱電效應(yīng)（Seeback）制作的熱電堆（熱電偶），即，使用兩種不同的半導(dǎo)體或金屬導(dǎo)體連接起來(lái)，兩種材料處于有溫度差的情況時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。紅外熱電偶就是把被測(cè)物輻射的能量照射到這個(gè)熱電偶的熱端，通過(guò)NTC測(cè)出熱電偶的冷端溫度，再根據(jù)Stephen-Boltzmann law來(lái)得到被測(cè)物的實(shí)際溫度。
二、硬件框圖
上圖上部的電路是使用MCU內(nèi)部ADC，這時(shí)需要使用低溫漂，低失調(diào)電壓，低偏置電流的運(yùn)放來(lái)調(diào)理傳感器信號(hào)。推薦使用AD8538，AD8539，ADA4051, AD4528，AD8638，AD8628，AD8571，AD8551，AD8552，LTC2063，LTC2066等；參考源要使用低溫漂的ADR3530，ADR4530。
上圖下部是使用集成度比較高的AFE，AD7191有兩個(gè)ADC通道，內(nèi)部集成了PGA，24bit高精度ADC，還有精密電流源方便與NTC電阻接口。參考源推薦ADR3530，ADR4530。還可以選擇AD7124-4，其內(nèi)部集成了10ppm/C的參考源。
三、計(jì)算
Vout = K*e*(Tobj^4 - Ts^4) + Voffset
1.Voffset是當(dāng)被測(cè)目標(biāo)與環(huán)境溫度相同時(shí)，熱電堆輸出的電壓（實(shí)際上還有ADC及其前方的運(yùn)算放大器產(chǎn)生的失調(diào)電壓誤差）。這個(gè)值可以如下方法測(cè)得：
● 將整個(gè)電路置于環(huán)境中足夠長(zhǎng)時(shí)間，傳感器內(nèi)部熱電堆與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡。這時(shí)單片機(jī)采樣的ADC數(shù)值就是Voffset。
● 如果選用的熱電堆傳感器批次的電壓溫度傳遞函數(shù)一致性很好，可以認(rèn)為這一批的Voffset都一樣；如果一致性比較差，那么生產(chǎn)時(shí)要對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行此測(cè)試，求出正確的Voffset。
2. K是常數(shù)，e是被測(cè)目標(biāo)表面的輻射發(fā)射率（人體額頭表面可以認(rèn)為是灰體，e<1，具體要根據(jù)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)確定），實(shí)際操作中，可以把K*e當(dāng)作一個(gè)常數(shù)對(duì)待。就相當(dāng)于增益G。可以使用如下步驟測(cè)得：
● 已知環(huán)境溫度Ts，測(cè)溫槍放到環(huán)境中足夠長(zhǎng)時(shí)間，傳感器和環(huán)境達(dá)到熱平衡
● 測(cè)試已知溫度的目標(biāo)（圖6黑體就可以干這個(gè)事），已知Tobj，讀取ADC的電壓Vout；
● 根據(jù)上述1，2步得到的Voffset，Ts，Tobj和Vout可以算出K*e，即增益G。
3. 通過(guò)以上幾步，我們已經(jīng)知道了被測(cè)目標(biāo)溫度Tobj與傳感器輸出電壓Vout的關(guān)系，即：
Tobj = (Vout/G+Ts^4)^(1/4)
實(shí)際使用時(shí)，MCU通過(guò)讀取Vout和Ts，就可以反算出Tobj了。Ts的計(jì)算如下：
Ts是傳感器內(nèi)部熱電堆冷端溫度，可以用傳感器內(nèi)部的NTC電阻大小來(lái)測(cè)量。可以使用傳感器廠家給的數(shù)據(jù)線性擬合，或者把這些數(shù)據(jù)放到單片機(jī)內(nèi)，通過(guò)查找表插值等方法計(jì)算出來(lái)；
4. 需要注意的是以上公式中，各個(gè)參數(shù)的單位換算。
● Tobj，Ts溫度單位是熱力學(xué)溫度，也即開氏溫度。它與我們常用的攝氏溫度換算關(guān)系是：T(K)=273.15+t(℃)
● Vout，Voffset單位很靈活，但要注意必須統(tǒng)一使用一樣的單位。我們可以把ADC的讀數(shù)直接用。
5. 最后，我們采用的公式1的模型如果達(dá)不到溫度精度，還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)擬合出比較合適的模型。
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體
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