tft每日頭條

 > 生活

 > 額溫槍測體溫的原理

額溫槍測體溫的原理

生活 更新时间:2024-12-05 11:44:39

一、原理網絡上有些人對額溫槍是否有輻射,是否對人體産生危害提出了質疑。我可以很認真的對他說:有輻射,但是你在輻射,它隻是吸收你輻射的能量而已。各種形式的物質隻要溫度高于絕對零度(-273.15°C),都會發射紅外輻射,稱為特征輻射。輻射的原因在于内部分子的機械運動。這種運動的強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,且運行規律符合已知的光學原理。它們可以被偏轉,用透鏡聚焦或被反射表面反射。這種輻射的光譜範圍可以從0.7um 到1000μm。因此,這種輻射通常用肉眼看不到。

額溫槍測體溫的原理(額溫槍耳溫槍為啥能測準體溫)1

Stephen 和 Boltzmann 于 1879 年發現,一個黑體表面單位面積在單位時間内輻射出的總功率(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年又進一步揭示了黑體熱輻射規律,即黑體輻射公式和Wien''s displacement Law(因此獲得了諾貝爾獎): 随着溫度的升高,物體的輻射量最大值将向短波方向移動。從圖3中可以看出,随着目标溫度的升高,最大輻射量逐漸向波段較短的區域移動,從輻射能量随輻射光波長的關系看,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的理論依據。

額溫槍測體溫的原理(額溫槍耳溫槍為啥能測準體溫)2

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範圍内設置紅外溫度計,以獲取最多的能量(對應于曲線下方的區域)或者目标發出的信号。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,當溫度比較高時,輻射強度在 2 µm 處增加量遠遠高于在 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,在低溫環境下,在 2 µm 處工作的紅外溫度計将在溫度低于 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,發射率等于1。灰體的輻射發射率小于1。而非灰體的發射率不僅小于1,而且在不同的波長發射率也會變化。基于以上分析,用于測量人體溫度範圍的傳感器一般波長範圍在5µm-15µm左右。使用的傳感器則利用了熱電效應(Seeback)制作的熱電堆(熱電偶),即,使用兩種不同的半導體或金屬導體連接起來,兩種材料處于有溫度差的情況時,會産生電勢差。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Stephen-Boltzmann law來得到被測物的實際溫度。二、硬件框圖

額溫槍測體溫的原理(額溫槍耳溫槍為啥能測準體溫)3

上圖上部的電路是使用MCU内部ADC,這時需要使用低溫漂,低失調電壓,低偏置電流的運放來調理傳感器信号。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,内部集成了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,其内部集成了10ppm/C的參考源。三、計算Vout = K*e*(Tobj^4 - Ts^4) Voffset1.Voffset是當被測目标與環境溫度相同時,熱電堆輸出的電壓(實際上還有ADC及其前方的運算放大器産生的失調電壓誤差)。這個值可以如下方法測得:● 将整個電路置于環境中足夠長時間,傳感器内部熱電堆與環境溫度達到熱平衡。這時單片機采樣的ADC數值就是Voffset。● 如果選用的熱電堆傳感器批次的電壓溫度傳遞函數一緻性很好,可以認為這一批的Voffset都一樣;如果一緻性比較差,那麼生産時要對每一個産品進行此測試,求出正确的Voffset。2. K是常數,e是被測目标表面的輻射發射率(人體額頭表面可以認為是灰體,e<1,具體要根據實際測量經驗确定),實際操作中,可以把K*e當作一個常數對待。就相當于增益G。可以使用如下步驟測得:● 已知環境溫度Ts,測溫槍放到環境中足夠長時間,傳感器和環境達到熱平衡● 測試已知溫度的目标(圖6黑體就可以幹這個事),已知Tobj,讀取ADC的電壓Vout;● 根據上述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,我們已經知道了被測目标溫度Tobj與傳感器輸出電壓Vout的關系,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是傳感器内部熱電堆冷端溫度,可以用傳感器内部的NTC電阻大小來測量。可以使用傳感器廠家給的數據線性拟合,或者把這些數據放到單片機内,通過查找表插值等方法計算出來;

額溫槍測體溫的原理(額溫槍耳溫槍為啥能測準體溫)4

4. 需要注意的是以上公式中,各個參數的單位換算。● Tobj,Ts溫度單位是熱力學溫度,也即開氏溫度。它與我們常用的攝氏溫度換算關系是:T(K)=273.15 t(℃)● Vout,Voffset單位很靈活,但要注意必須統一使用一樣的單位。我們可以把ADC的讀數直接用。5. 最後,我們采用的公式1的模型如果達不到溫度精度,還需要通過實驗來拟合出比較合适的模型。

更多技術文章,請點擊了解更多

,

更多精彩资讯请关注tft每日頭條,我们将持续为您更新最新资讯!

查看全部

相关生活资讯推荐

热门生活资讯推荐

网友关注

Copyright 2023-2024 - www.tftnews.com All Rights Reserved