【導(dǎo)讀】新冠肺炎疫情攻堅關(guān)鍵時刻，紅外測溫儀這種非接觸、快速、直觀的檢測方式，在防疫過程中發(fā)揮了不容小覷的作用。除了全自動紅外體溫檢測儀之外，額溫槍/耳溫槍等相關(guān)產(chǎn)品也需求激增，再加上其應(yīng)用場所更靈活，價格也比較低，導(dǎo)致短時間內(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溫的原理呢？ADI中國技術(shù)專家江中亞便為我們詳細(xì)解釋了這個問題。
一、原理
網(wǎng)絡(luò)上有些人對額溫槍是否有輻射，是否對人體產(chǎn)生危害提出了質(zhì)疑。我可以很認(rèn)真的對他說：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)只要溫度高于絕對零度（-273.15°C），都會發(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)械運動。這種運動的強(qiáng)度取決于物體的溫度。由于分子運動代表電荷位移，這種輻射是電磁輻射（光子粒子）。這些光子以光速運動，且運行規(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)，一個黑體表面單位面積在單位時間內(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）: 隨著溫度的升高，物體的輻射量最大值將向短波方向移動。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，從輻射能量隨輻射光波長的關(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。這正是紅外測量技術(shù)的理論依據(jù)。
理論上利用黑體輻射原理測量溫度時，盡可能在最寬的波長范圍內(nèi)設(shè)置紅外溫度計，以獲取最多的能量（對應(yīng)于曲線下方的區(qū)域）或者目標(biāo)發(fā)出的信號。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，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，紅外溫度計的測量精度便越高。同樣，在低溫環(huán)境下，在 2 µm 處工作的紅外溫度計將在溫度低于 600°C 時由于輻射能量太少而幾乎看不到任何東西，從而停止工作。
實際中被測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，而且在不同的波長發(fā)射率也會變化。
基于以上分析，用于測量人體溫度范圍的傳感器一般波長范圍在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，兩種材料處于有溫度差的情況時，會產(chǎn)生電勢差。紅外熱電偶就是把被測物輻射的能量照射到這個熱電偶的熱端，通過NTC測出熱電偶的冷端溫度，再根據(jù)Stephen-Boltzmann law來得到被測物的實際溫度。
二、硬件框圖
上圖上部的電路是使用MCU內(nèi)部ADC，這時需要使用低溫漂，低失調(diào)電壓，低偏置電流的運放來調(diào)理傳感器信號。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、計算
Vout = K*e*(Tobj^4 - Ts^4) + Voffset
1.Voffset是當(dāng)被測目標(biāo)與環(huán)境溫度相同時，熱電堆輸出的電壓（實際上還有ADC及其前方的運算放大器產(chǎn)生的失調(diào)電壓誤差）。這個值可以如下方法測得：
● 將整個電路置于環(huán)境中足夠長時間，傳感器內(nèi)部熱電堆與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡。這時單片機(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)時要對每一個產(chǎn)品進(jìn)行此測試，求出正確的Voffset。
2. K是常數(shù)，e是被測目標(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)實際測量經(jīng)驗確定），實際操作中，可以把K*e當(dāng)作一個常數(shù)對待。就相當(dāng)于增益G。可以使用如下步驟測得：
● 已知環(huán)境溫度Ts，測溫槍放到環(huán)境中足夠長時間，傳感器和環(huán)境達(dá)到熱平衡
● 測試已知溫度的目標(biāo)（圖6黑體就可以干這個事），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. 通過以上幾步，我們已經(jīng)知道了被測目標(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)
實際使用時，MCU通過讀取Vout和Ts，就可以反算出Tobj了。Ts的計算如下：
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電阻大小來測量。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)，通過查找表插值等方法計算出來；
4. 需要注意的是以上公式中，各個參數(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，還需要通過實驗來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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