この投稿では、サーマルスキャナーまたは非接触IR温度計の基本的な動作概念を学び、ユニットの実用的なDIYプロトタイプを作成する方法も学びます。 Arduinoなし 。
COVID-19感染後の時代には、医師が非接触型温度銃を持ってCOVID-19容疑者の額を指しているのを目撃するのが一般的な光景です。
この装置は実際には接触のない体温計装置であり、容疑者の体表面の瞬間的な温度を検出し、医師はその人が正常であるか熱に苦しんでいるかを知ることができますか？
基本的なテスト方法
テストプロセスでは、容疑者の額にある非接触型温度ガンからのレーザービームを許可された人物が指し、デバイスの背面LCDパネルの温度に注目していることがわかりました。
レーザービームは、実際には温度測定手順とは直接関係がありません。これは、赤外線温度計が体の理想的な場所に正しく向けられていることを医師が確認できるようにするためだけに使用されます。 体温 ほとんど正確に。
シュテファン・ボルツマンの法則
シュテファン・ボルツマンの法則で述べられているように、物体の全放射発散度Mです（T）は、次の式に示すように、温度の4乗に比例します。
Mです（T）=εσT4
この式で、εは放射率を意味します。
σは、5.67032 x10の量に相当するシュテファン-ボルツマン定数を示します。-1212 Wcm-二に-4、ここで、文字Kはケルビン単位の温度の単位です。
上記の式は、体温が上昇すると、それに比例して赤外線放射も増加することを示しています。このIR放射照度は、物理的な接触を必要とせずに、離れた場所から測定できます。読み取り値は、体の瞬間的な温度レベルを提供することができます。
どのセンサーが適用可能か
非接触温度計に最適で利用されているセンサーは サーモパイルセンサー 。
サーモパイルセンサーは、遠方のソースからの入射赤外線ヒートマップを比例した量の小さな電圧出力に変換します。
これは、熱電対の原理に基づいて機能します。熱電対では、異種金属が直列または並列に結合されて、「ホット」および「コールド」接合が作成されます。光源からの赤外線放射束がサーモパイルに当たると、これらの接合部で温度差が生じ、熱電対の端の端子で同等の量の電気が発生します。
熱源に比例するこの電気出力を測定して、体源からの温度レベルを特定できます。
サーモパイルセンサー内の熱電対はシリコンチップ上に埋め込まれているため、システムは非常に高感度で正確です。
MLX90247サーモパイルセンサーの使用
IC MLX90247は、サーマルスキャナーデバイスまたは非接触温度計デバイスの作成に理想的に使用できる、用途の広いサーモパイルセンサーデバイスの優れた例です。
IC MLX90247は、膜の表面に積み上げられた熱電対ネットワークで構成されています。
熱電対の熱受容接合部は、基底膜の中心近くに戦略的に配置され、差動低温接合部は、ユニットのシリコンバルク領域を形成するデバイスのエッジに配置されます。
膜は熱の悪い伝導体になるように設計されているため、発生源から検出された熱は、デバイスのバルクエッジよりもメンブレンの中心近くで急速に上昇する可能性があります。
このため、サーモパイルの接合端で熱の急激な差が発生し、熱電原理によってこれらの端子間に有効な電位が発生します。
サーモパイルセンサーの最良の部分は、標準のICとは異なり、動作するために外部電源を必要とせず、必要な測定を可能にするために独自の電位を生成することです。
以下に示すように、IC MLX90247の2つのバリアントがあります。一方のバリアントはグランドVssオプションを提供し、もう一方はVssピンがありません。
上のオプションでは、IR温度のバイポーラ測定が可能です。つまり、出力は周囲温度よりも高く、周囲温度よりも低い温度を示す可能性があります。
下のオプションは、 温度を測定する 周囲レベルより上または周囲レベルより下のいずれかであるため、ユニポーラ測定機能が可能になります。
サーモパイルでサーミスタが使用される理由
上記のICMLX90247では、 サーミスタ デバイスパッケージに含まれています。サーミスタは、外部測定ユニットステージの基準レベル出力を作成する上で重要な役割を果たします。
サーミスタは、デバイスの周囲温度または体温を検出するために組み込まれています。この周囲温度レベルは、出力オペアンプ段の基準レベルになります。
ターゲットからのIR温度がこの基準レベル以下である限り、外部オペアンプアンプ段は応答せず、その出力は0Vのままです。
ただし、ボディからのIR放射照度が周囲温度を超えるとすぐに、オペアンプは応答を開始して、ボディの熱出力の上昇に直線的に対応する有効な測定可能な出力を生成します。
ICMLX90247サーモパイルセンサーを使用した非接触温度計回路
上記の非接触IR温度計回路のプロトタイプ回路では、サーモパイルからの小さな電気を測定可能な出力に増幅するように設計された外部オペアンプで構成された、バイポーラモードのサーモパイルセンサーICMLX90247が見つかります。
上部のオペアンプはICMLX90247からの熱電対出力を増幅し、下部のオペアンプはICの周囲温度を増幅します。
単純な差分 VUメーター 2つのオペアンプの出力に接続されています。サーモパイルの前に熱放出体がない限り、その内部熱電対温度は隣接するサーミスタ温度と同じままです。このため、2つのオペアンプ出力は同じ量の電圧を生成します。したがって、VUメーターはダイヤルの中央に0Vを示します。
周囲よりも高温の人体がサーモパイルの検知範囲内に入ると、ピン2とピン4の熱電対出力が指数関数的に上昇し始め、ピン3とピン1のサーミスタ出力を超えます。
これにより、上部のオペアンプは下部のオペアンプよりも多くの正の電圧を生成します。 VUメーターはこれに応答し、その針は0Vキャリブレーションの右側でシフトし始めます。読み取り値は、サーモパイルによって検出されたターゲットの温度レベルを直接示します。
どのオペアンプがアプリケーションに適しているか
サーモパイルからの出力はマイクロボルトであると想定されているため、この非常に小さな電圧を増幅するために使用されるオペアンプは、高感度で洗練されており、入力オフセット仕様が非常に低い必要があります。条件を満たすには、計装用オペアンプがこのアプリケーションに最適であるように思われます。
オンラインで多くの優れた計装アンプを見つけることができますが、INA333マイクロパワー（50μA）、ゼロドリフト、レールツーレールアウト計装アンプが最も適切な候補のようです。
このICを熱電対電圧を測定可能な大きさに増幅するのに最適にする多くの優れた機能があります。基本的なICINA333計装増幅回路を以下に示します。この設計は、上記で説明したサーモパイル回路の増幅に使用できます。
このINA333オペアンプ回路では抵抗 RG 回路のゲインを決定し、次の式を使用して計算できます。
ゲイン= 1 + 100 / RG
出力結果はキロオームになります。
この式により、サーモパイルから受け取ったマイクロボルトのレベルに応じて、回路の全体的なゲインを設定できます。
ゲインは0から10,000まで正しく調整でき、マイクロボルト入力用の並外れたレベルの増幅能力をオペアンプに提供します。
この計装アンプをサーモパイルICなしで使用できるようにするには、これらのオペアンプモジュールを2つ必要とします。以下に示すように、1つは熱電対信号出力の増幅に使用され、もう1つはサーミスタ信号出力の増幅に使用されます。
このセットアップは、サーモパイルによって検出されるように、直線的に増加するIR熱に応答して直線的に増加するアナログ出力を生成する非接触IR温度計を作成するために使用できます。
アナログ出力は、ミリボルトVUメーターまたは デジタルmVメーター 体の温度レベルを即座に解釈するため。
出力 Vまたは 次の式からも見積もることができます。
Vまたは = G（ Vin + - Vに- ）
パーツリスト
上記で説明したコンクレス温度計回路を構築するには、次の部品が必要になります。
- サーモパイルセンサーICMLX90247-1no
- 計装オペアンプINA333-2nos
- 範囲が0〜1VFSDの電圧計-1no
- INA333に電力を供給するための1.2V AAANi-Cdセル-2nos
電圧計の読み取り値は摂氏で校正する必要があります。これは、いくつかの実験と試行錯誤で行うことができます。
PIRの使用
通常に PIRセンサー また、うまく機能し、これらのタイプのアプリケーションの安価な代替手段を提供します。
PIRには、TGS、BaTiO3などの焦電材料ベースのセンサーが含まれています。このセンサーは、検出範囲内の温度変化を感知すると、自発分極を通過します。
温度変化により発生するPIRデバイスの分極電荷は照射パワーに依存します ファイです PIRセンサーで身体から送信されます。これにより、PIR出力に電流が生成されます 私d ωpAd（（ Δ T） 。
デバイスはまた電圧を生成します Vまたは これは現在の積に等しいかもしれません 私d およびデバイスのインピーダンス。これは、次の式で表すことができます。
Vまたは=私dRd/√1+ω二R二dC二d
この方程式はさらに合理化して次のようになります。
Vまたは=ωpAdRd（（ Δ T）/√1+ω二R二dC二d
ここで、pは焦電係数、ωはラジアン周波数、 Δ Tは検出器温度Tの差に等しいd
および周囲温度Tに。
さて、熱収支方程式を適用することにより、 Δ Tは、次の式で表されるように導出できます。
Δ T = RTファイです/√（1 +ω二τ二T）
この値を置き換えると Δ 前の式のTでは、次のように、バンドパス特性を持つVoを表す結果が得られます。
どこ τIS 電気的時定数を指します（ RdCd ）、 τT を示します
熱時定数（ RTCT ）、および ファイです 放射を象徴します
センサーによって検出されたターゲットからの電力。
上記の説明と式は、PIRからの出力電圧Voがソースから放出される放射電力に正比例することを証明しているため、非接触温度測定アプリケーションに最適です。
ただし、PIRはステーショナリーIRソースに応答できないため、読み取り可能な出力を有効にするには、ソースが動いている必要があります。
移動の速度も出力データに影響を与えるため、ソースが正確な速度で移動することを確認する必要があります。これは、人間のターゲットに実装することは不可能な場合があります。
したがって、これに対抗して人間のターゲットを文房具にし、人工的なインターフェースを使用してその動きを再現する簡単な方法 モーターベースのチョッパー PIRレンズシステムで。
PIRを使用した非接触温度計のプロトタイプ
次の段落では、関連するさまざまなパラメータを徹底的に最適化した後、実用的なプロトタイプの構築に適用できる実用的なサーマルスキャナーシステムのテストセットアップについて説明します。
前のセクションで学習したように、PIRは、温度の変化率の形で放射放射を検出するように設計されています dT / dt 、したがって、適切に計算された周波数でパルスされる赤外線熱にのみ応答します。
実験によると、PIRは約8 Hzのパルス周波数で最適に機能することがわかります。これは、サーボチョッパーを介して入力信号を安定してチョッピングすることで実現されます。
基本的に、信号のチョッピングにより、PIRセンサーは電圧スパイクとして体の放射パワーを評価して出力することができます。チョッパー周波数が正しく最適化されている場合、これらのスパイクの平均値は放射温度の強度に正比例します。
次の画像は、最適化された測定ユニットまたはMUを作成するために設定された一般的なテストを示しています。
システムの効率的な動作を保証するには、IRソースとセンサーの視野（FOV）の間の距離を約40cmにする必要があります。言い換えれば、放射体とPIRレンズは互いに40cmの距離になければなりません。
また、フレネルレンズとPIR焦電センサーの間にプロペラが取り付けられた小さなステッピングモーターで構成されるチョッパーシステムも見ることができます。
使い方
身体からのIR放射はフレネルレンズを通過し、チョッパーモーターによって8 Hzの周波数でチョップされ、結果として生じるパルスIR放射がPIRセンサーによって検出されます。
次に、この検出されたIRに相当する出力ACが、多くのオペアンプ段で作られた「シグナルコンディショナー」段に適用されます。
信号コンディショナーからの最終的な増幅および調整された出力は、オシロスコープで分析され、物体のさまざまな放射発散度に対する回路の応答をチェックします。
PIRとチョッパーの最適化
最良の結果を得るには、PIRとチョッパーの関連付けに対して次の基準を確保する必要があります。
チョッパーディスクまたはブレードは、フレネルレンズとPIR内部センサーの間で回転するように配置する必要があります。
フレネルレンズの直径は10mmを超えてはなりません。
レンズの焦点距離は約20mmである必要があります。
の典型的なセンシングエリアという事実を考慮して にd 1.6 mm ファイ レンズの焦点距離の近くに設置すると、視野またはFOVは4.58であることがわかります。または次の式を使用します。
FOV（半角）≈|そう-1[（ds/ 2）/ f] | = 2.29または
この方程式では ds はセンサーの検出可能な直径を示し、 f はレンズの焦点距離です。
チョッパーブレードの仕様
非接触温度計の作業効率は、入射赤外線がチョッパーシステムを介してどのようにパルスされるかに大きく依存します。
このチョッパーでは、次の寸法を使用する必要があります。
チョッパーには4つのブレードがあり、直径Dcは約80mmである必要があります。ステッピングモーターまたはPWM制御回路を介して駆動する必要があります。
最適なパフォーマンスを得るには、おおよその回転周波数が約5 Hz〜8Hzである必要があります。
PIRフレネルレンズは、焦電センサーの16 mm後方に配置する必要があります。これにより、レンズに当たる入力IR信号の直径は約4 mmになり、この直径はチョッパーの「歯幅」TWよりもはるかに小さいと考えられます。ディスク。
結論
非接触式サーマルスキャナーまたはIR温度計は、物理的な接触なしに離れた場所から人体の温度を測定できる非常に便利なデバイスです。
このデバイスの心臓部は、体の放射束の形で熱のレベルを検出し、それを同等のレベルの電位に変換する赤外線センサーです。
この目的で使用できるセンサーには、サーモパイルセンサーと焦電センサーの2種類があります。
物理的にはどちらも似ているように見えますが、動作原理には大きな違いがあります。
サーモパイルは、熱電対の基本原理で動作し、熱電対の接合部の温度差に比例した電位を生成します。
PIRセンサーで通常使用される焦電センサーは、周囲温度よりも高い温度の物体がセンサーの視野を横切るときに、物体の温度の変化を検出することによって動作します。この温度レベルの変化は、その出力で比例した量の電位に変換されます
線形デバイスであるサーモパイルは、構成がはるかに簡単で、あらゆる形態の熱スキャンアプリケーションに実装できます。
参照：
計装アンプサーモパイルセンサーメレクシス
赤外線温度計
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