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红外额温枪测量原理


随着新冠疫情在世界范围内爆发,红外额温枪在全球市场一直有大量的需求。市面上出现了各种各样的方案,很多生产厂家生产的巨量红外额温枪出现在全球各地,红外额温枪非接触、快速、直观的检测方式,在防疫过程中发挥了不容小觑的作用。

现将其测温原理简单介绍一下。

斯特藩-玻尔兹曼定律

又称斯特藩定律,是热力学中的一个着名定律,其内容为: 一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总功率(称为物体的辐射度或能量通量密度)j* 与黑体本身的热力学温度T (又称绝对温度)的四次方成正比。


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热电堆传感器利用了热电效应(Seeback)制作的热电堆(热电偶),即,使用两种不同的半导体或金属导体连接起来,两种材料处于有温度差的情况时,会产生电势差。红外热电偶就是把被测物辐射的能量照射到这个热电偶的热端,通过NTC测出热电偶的冷端温度,再根据斯特藩-玻尔兹曼定律来得到被测物的实际温度。

原理图如下。


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上图的电路使用低温漂,低失调电压,低偏置电流的运放来调理传感器信号,最后信号送到MCU内部ADC进行测量。

计算公式:

Vout = S*(Tobj^4 - Tamb^4) ..............(1)

值得注意的是,这里的Vout是增量电压,即物体温度与环境温度之间的温度差产生的电势差。另外还需要测出被测目标与环境温度相同时,热电堆输出的电压,即Voffset。将整个电路置于环境中足够长时间,传感器内部热电堆与环境温度达到热平衡。这时单片机采样的ADC数值就是Voffset。Vout为ADC的测量值减去Voffset。

这里将S看做一个常数。可由以下步骤求得。

通过二组温度点(Tobj1, Tamb1)和(Tobj2, Tamb2),测得Vout1和Vout2,这里Tamb1 = Tamb2= Tamb,即测量Vout1和Vout2时环境温度相等。

求解方程:

Vout1 = S*(Tobj1^4 - Tamb^4) ............(2)

Vout2 = S*(Tobj1^4 - Tamb^4) ............(3)

求得 S = (Vout1 - Vout2)/(Tobj1^4 - Tobj2^4) ............(4)

由此得知被测目标温度Tobj与传感器输出电压Vout的关系,即:

Tobj = (Vout/S+Tamb4)(1/4) ............(5)

实际测量时,MCU通过读取Vout和Tamb,就可以反算出Tobj了。

Tamb是传感器内部热电堆冷端温度,可以用传感器内部的NTC电阻大小来测量。热电堆传感器生产厂家会给出R-T表,即电阻-温度对应表,通过查找表插值等方法计算出来环境温度Tamb。

以上的Tobj和Tamb为热力学温度,Vout和Voffset可直接采用ADC的读数。