Dans cet article, nous apprendrons le concept de fonctionnement de base des scanners thermiques ou des thermomètres IR sans contact, et apprendrons également à fabriquer un prototype pratique de bricolage de l'unité. sans Arduino .

Dans l'ère post COVID-19, voir des médecins tenir un pistolet thermique sans contact et pointer vers le front d'un suspect COVID-19 est un spectacle courant.

L'appareil est en fait un appareil de thermomètre sans contact, qui détecte la température instantanée de la surface corporelle du suspect et permet au médecin de savoir si la personne est normale ou si elle souffre de fièvre?

Méthode de test de base

Dans le processus de test, nous trouvons la personne autorisée pointant un faisceau laser du pistolet thermique sans contact sur le front du suspect et notant la température sur le panneau LCD arrière de l'appareil.

Le faisceau laser n'a en fait aucun lien direct avec la procédure de mesure de température. Il est utilisé simplement pour aider le médecin à s'assurer que le thermomètre infrarouge est correctement orienté vers l'endroit idéal du corps pour déterminer le température corporelle principalement avec précision.

Loi Stefan-Boltzmann

Comme indiqué par la loi de Stefan-Boltzmann, la sortie radiante totale d'un corps M_est(T) est proportionnel à la quatrième puissance de sa température, comme indiqué dans l'équation suivante

M_est(T) = εσT⁴

Dans cette équation, ε signifie l'émissivité.

σ désigne la constante de Stefan – Boltzmann qui équivaut à la quantité 5,67032 x 10^-1212 Wcm^-deuxÀ^-4, où la lettre K est l'unité de température en Kelvin.

L'équation ci-dessus suggère que lorsque la température d'un corps augmente, son rayonnement infrarouge augmente également proportionnellement. Ce rayonnement infrarouge peut être mesuré à distance sans aucun contact physique. La lecture peut nous fournir le niveau de température instantané du corps.

Quel capteur est applicable

Le capteur le mieux adapté et utilisé dans les thermomètres sans contact est un capteur thermopile .

Un capteur thermopile convertit une carte thermique infrarouge incidente d'une source distante en une quantité proportionnelle de sortie de tension électrique minuscule.

Il fonctionne sur le principe du thermocouple, dans lequel des métaux différents sont joints en série ou en parallèle pour créer des jonctions «chaudes» et «froides». Lorsque le flux rayonnant infrarouge d'une source tombe sur la thermopile, il crée une différence de température entre ces jonctions, développant une quantité équivalente d'électricité aux extrémités du thermocouple.

Cette puissance électrique proportionnelle à la source de chaleur peut être mesurée pour identifier le niveau de température de la source corporelle.

Le thermocouple à l'intérieur d'un capteur thermopile est intégré sur une puce de silicium, ce qui rend le système extrêmement sensible et précis.

Utilisation du capteur thermopile MLX90247

L'IC MLX90247 est un excellent exemple d'un dispositif de capteur thermopile polyvalent qui peut être idéalement utilisé pour fabriquer un dispositif de scanner thermique ou un dispositif de thermomètre sans contact.

L'IC MLX90247 est constitué d'un réseau de thermocouple empilé sur la surface d'une membrane.

Les jonctions réceptrices de chaleur du thermocouple sont stratégiquement positionnées près du centre de la membrane de base, tandis que les jonctions froides différentielles sont placées au bord du dispositif qui forment la zone de volume de silicium de l'unité.

Etant donné que la membrane est conçue pour être un mauvais conducteur de chaleur, la chaleur détectée à partir de la source est capable de monter rapidement près du centre de la menbrane que le bord en vrac du dispositif.

En raison de cela, une différence rapide de chaleur peut se développer à travers les extrémités de jonction de la thermopile, provoquant le développement d'un potentiel électrique efficace à travers ces bornes par le principe thermoélectrique.

La meilleure partie du capteur thermopile est que, contrairement aux circuits intégrés standard, il ne nécessite pas d'alimentation électrique externe pour fonctionner, mais génère plutôt son propre potentiel électrique pour permettre la mesure requise.

Vous obtenez deux variantes de l'IC MLX90247 comme indiqué ci-dessous, dans laquelle une variante fournit une option Vss de masse et l'autre est sans broche Vss.

L'option supérieure permet une mesure bipolaire de la température IR. Cela signifie que la sortie peut afficher des températures supérieures à la température ambiante et également inférieures aux températures ambiantes.

L'option inférieure peut être utilisée pour mesurer la température soit au-dessus du niveau ambiant, soit en dessous du niveau ambiant, et permet ainsi une installation de mesure unipolaire.

Pourquoi la thermistance est utilisée dans la thermopile

Dans l'IC MLX90247 ci-dessus, nous pouvons voir un thermistance étant inclus dans le package de l'appareil. La thermistance joue un rôle important dans la création d'une sortie de niveau de référence pour l'étage de l'unité de mesure externe.

La thermistance est intégrée pour détecter la température ambiante ou la température corporelle de l'appareil. Ce niveau de température ambiante devient le niveau de référence pour l'étage de l'amplificateur opérationnel de sortie.

Tant que la température infrarouge de la cible est inférieure ou égale à ce niveau de référence, l'étage de l'amplificateur opérationnel externe ne répond pas et sa sortie reste à 0 V.

Cependant, dès que le rayonnement infrarouge du corps dépasse la température ambiante, l'ampli opérationnel commence à répondre pour produire une sortie mesurable valide qui correspond linéairement à la puissance thermique croissante du corps.

Circuit de thermomètre sans contact utilisant le capteur de thermopile IC MLX90247

Dans le circuit prototype ci-dessus d'un circuit de thermomètre infrarouge sans contact, nous trouvons le capteur de thermopile IC MLX90247 en mode bipolaire, configuré avec un ampli opérationnel externe conçu pour amplifier le minuscule électrique de la thermopile en une sortie mesurable.

L'ampli opérationnel supérieur amplifie la sortie du thermocouple de l'IC MLX90247, tandis que l'amplificateur opérationnel inférieur amplifie la température ambiante de l'IC.

Un différentiel simple VU mètres est attaché aux sorties des deux amplis op. Tant qu'il n'y a pas de corps émetteur de chaleur devant la thermopile, sa température interne du thermocouple reste égale à la température de la thermistance contiguë. Pour cette raison, les deux sorties de l'amplificateur opérationnel génèrent une quantité égale de tensions. Le VU mètre indique ainsi un 0 V au centre de son cadran.

Dans le cas où un corps humain ayant une température plus élevée que l'environnement est amené dans la plage de détection de la thermopile, sa sortie de thermocouple sur les broches 2 et 4 commence à augmenter de façon exponentielle et dépasse la sortie de thermistance sur les broches 3 et 1.

Il en résulte que l'ampli opérationnel supérieur génère plus de tension positive que l'amplificateur opérationnel inférieur. Le VU-mètre répond à cela et son aiguille commence à se déplacer sur le côté droit de l'étalonnage 0V. La lecture montre directement le niveau de température de la cible détecté par la thermopile.

Quel ampli opérationnel convient à l'application

Étant donné que la sortie de la thermopile est censée être en microvolts, l'ampli opérationnel à utiliser pour amplifier cette tension extrêmement faible doit être très sensible et sophistiqué, et avec une spécification de décalage d'entrée très faible. Pour satisfaire les conditions, un ampli op d'instrumentation semble être le meilleur choix pour cette application.

Bien que vous puissiez trouver de nombreux bons amplificateurs d'instrumentation en ligne, l'amplificateur d'instrumentation INA333 Micro-Power (50μA), Zerø-Drift, Rail-to-Rail Out semble être le candidat le plus approprié.

Il existe de nombreuses fonctionnalités intéressantes qui rendent ce circuit intégré le mieux adapté pour amplifier les tensions de thermocouple dans des magnitudes mesurables. Un circuit amplificateur d'instrumentation IC INA333 de base peut être vu ci-dessous, et cette conception peut être utilisée pour amplifier le circuit thermopile expliqué ci-dessus.

Dans ce circuit d'ampli op INA333, la résistance R_g détermine le gain du circuit et peut être calculé à l'aide de la formule:

Gain = 1 + 100 / R_g

Le résultat de sortie sera en kilo Ohms.

Grâce à cette formule, nous pouvons régler le gain global du circuit en fonction du niveau de microvolt reçu de la thermopile.

Le gain peut être ajusté de 0 à 10 000, ce qui fournit à l'ampli opérationnel un niveau exceptionnel de capacité d'amplification pour les entrées microvolts.

Pour pouvoir utiliser cet amplificateur d'instrumentation sans CI thermopile, nous aurons besoin de deux de ces modules d'amplification opérationnelle. L'un sera utilisé pour amplifier la sortie du signal du thermocouple, et l'autre sera utilisé pour amplifier la sortie du signal de la thermistance, comme indiqué ci-dessous

La configuration peut être utilisée pour fabriquer un thermomètre IR sans contact, qui produira une sortie analogique augmentant linéairement en réponse à une chaleur IR augmentant linéairement, telle que détectée par la thermopile.

La sortie analogique peut être reliée à un VU mètre milivolt ou à un mètre numérique mV pour obtenir une interprétation instantanée du niveau de température du corps.

Le résultat V_ou pourrait également être estimée à l'aide de l'équation suivante:

V_ou = G ( V_{en +} - V_dans- )

Liste des pièces

Les pièces suivantes seront nécessaires pour construire le circuit de thermomètre sans fil expliqué ci-dessus:

Capteur Thermopile IC MLX90247 - 1no
Ampli Op d'instrumentation INA333 - 2nos
Voltmètre avec une plage de 0 à 1V FSD - 1no
Cellules Ni-Cd 1,2 V AAA pour alimenter l'INA333 - 2nos

La lecture du voltmètre devra être étalonnée en Celsius, ce qui peut être fait avec quelques expérimentations et essais et erreurs.

Utilisation d'un PIR

À la normale Capteur PIR fonctionne également très bien et offre une alternative bon marché pour ces types d'applications.

Un PIR comprend un capteur à base de matériau pyroélectrique tel que TGS, BaTiO3 et ainsi de suite, qui passe par une polarisation spontanée lorsqu'il détecte un changement de température dans sa plage de détection.

La charge de polarisation dans un dispositif PIR générée en raison du changement de sa température dépend de la puissance d'irradiation Phi_est transmis par le corps sur le capteur PIR. Cela provoque la sortie PIR pour générer un courant je_ré ωpA_ré( Δ T) .

L'appareil génère également une tension V_ou qui peut être égal au produit du courant je_ré et l'impédance de l'appareil. Cela peut être exprimé avec l'équation suivante:

V_ou= Je_réR_ré/ √1 + ω^deuxR^deux_réC^deux_ré

Cette équation peut être davantage simplifiée en:

V_ou= ωpA_réR_ré( Δ T) / √1 + ω^deuxR^deux_réC^deux_ré

où p indique le coefficient pyroélectrique, ω la fréquence radian, et Δ T est égal à la différence de température du détecteur T_ré
et température ambiante T_à.

Maintenant, en appliquant l'équation du bilan thermique, nous constatons que la valeur de Δ T peut être dérivé comme exprimé dans l'équation suivante:

Δ T = R_TPhi_est/ √ (1 + ω^deuxτ^deux_T)

Si nous remplaçons cette valeur de Δ T dans l'équation précédente, nous obtenons un résultat qui représente le Vo avec des caractéristiques de bande passante, comme indiqué ci-dessous:

où τ_EST se réfère à la constante de temps électrique ( R_réC_ré ), τ_T indique le
constante de temps thermique ( R_TC_T ), et Phi_est symbolise le radieux
puissance de la cible détectée par le capteur.

Les discussions et équations ci-dessus prouvent que la tension de sortie Vo d'un PIR est directement proportionnelle à la puissance rayonnante émise par la source, et devient ainsi idéalement adaptée aux applications de mesure de température sans contact.

Cependant, nous savons qu'un PIR ne peut pas répondre à une source IR fixe et nécessite que la source soit en mouvement pour permettre une sortie lisible.

Comme la vitesse du mouvement affecte également les données de sortie, nous devons nous assurer que la source se déplace avec une vitesse précise, un aspect qui peut être impossible à mettre en œuvre sur une cible humaine.

Par conséquent, un moyen facile de contrer cela consiste à laisser la cible humaine être stationnaire et à reproduire son mouvement en interfaçant un hacheur à moteur avec le système de lentilles PIR.

Prototype de thermomètre sans contact utilisant PIR

Les paragraphes suivants expliquent la configuration de test d'un système de scanner thermique pratique, qui peut être appliqué pour construire un prototype pratique, après une optimisation approfondie des différents paramètres impliqués.

Comme appris dans la section précédente, un PIR est conçu pour détecter une émission radiante sous la forme d'un taux de changement de température dT / dt , et ne répond donc qu'à une chaleur infrarouge qui est pulsée avec une fréquence correctement calculée.

Selon les expériences, il a été constaté que le PIR fonctionne le mieux à une fréquence d'impulsion d'environ 8 Hz, ce qui est obtenu grâce à un hachage régulier du signal entrant via un servo-hacheur.

Fondamentalement, le découpage des signaux permet au capteur PIR d'évaluer et d'émettre la puissance radiante du corps sous forme de pics de tension. Si la fréquence du hacheur est correctement optimisée, la valeur moyenne de ces pointes sera directement proportionnelle à l'intensité de la température radiante.

L'image suivante montre une configuration de test typique pour créer une unité de mesure optimisée ou l'UG.

Pour garantir un fonctionnement efficace du système, la distance entre la source IR et le champ de vision (FOV) du capteur doit être d'environ 40 cm. En d'autres termes, le corps rayonnant et la lentille PIR doivent être à une distance de 40 cm l'un de l'autre.

On peut également voir un système de hacheur constitué d'un petit moteur pas à pas avec une hélice installée entre la lentille de Fresnel et le capteur pyroélectrique PIR.

Comment ça fonctionne

Le rayonnement IR du corps passe à travers la lentille de Fresnel, puis il est haché à une fréquence de 8 Hz par le moteur hacheur, et le rayonnement IR pulsé résultant est détecté par le capteur PIR.

Le courant alternatif de sortie équivalent à cet IR détecté est ensuite appliqué à l'étage de «conditionneur de signal» constitué de nombreux étages d'amplification opérationnelle.

La sortie finale amplifiée et conditionnée du conditionneur de signal est analysée sur un oscilloscope pour vérifier la réponse du circuit à une sortie radiante variable d'un corps.

Optimiser le PIR et le Chopper

Pour obtenir les meilleurs résultats possibles, les critères suivants doivent être respectés pour le PIR et l'association hacheur.

Le disque hacheur ou les lames doivent être positionnés pour tourner entre la lentille de Fresnel et le capteur interne PIR.

Le diamètre de la lentille de Fresnel ne doit pas dépasser 10 mm.

La distance focale de l'objectif doit être d'environ 20 mm.

Compte tenu du fait que la zone de détection typique de À_ré 1,6 millimètre Phi et est installé près de la distance focale de l'objectif, le champ de vision ou FOV est de 4,58^ouen utilisant la formule suivante:

FOV_(demi-angle)≈ | donc^-1[(ré_s/ 2) / f] | = 2,29^ou

Dans cette équation ré_s désigne le diamètre détectable du capteur, et F est la distance focale de l'objectif.

Spécifications de la lame de hachoir

L'efficacité de fonctionnement du thermomètre sans contact dépend en grande partie de la façon dont l'infrarouge incident est pulsé à travers le système de hachage et

Dans ce hacheur, les dimensions suivantes doivent être utilisées:

Le hachoir doit avoir 4 lames et un diamètre Dc doit être d'environ 80 mm. Il doit être entraîné par un moteur pas à pas ou un circuit contrôlé par PWM.

La fréquence de rotation approximative doit refléter autour de 5 Hz à 8 Hz pour des performances optimales.

La lentille de fresnel PIR doit être positionnée à 16 mm derrière le capteur pyroélectrique, de sorte que le diamètre du signal IR entrant tombant sur la lentille soit d'environ 4 mm, et ce diamètre est supposé être beaucoup plus petit que la `` largeur de dent '' TW du hacheur disque.

Conclusion

Un scanner thermique sans contact ou un thermomètre IR est un appareil très utile qui permet de mesurer la température du corps humain à distance sans aucun contact physique.

Le cœur de cet appareil est un capteur infrarouge qui détecte le niveau de chaleur sous forme de flux rayonnant d'un corps et le convertit en un niveau équivalent de potentiel électrique.

Les deux types de capteurs qui peuvent être utilisés à cet effet sont le capteur thermopile et le capteur pyroélectrique.

Bien que physiquement ils semblent tous les deux similaires, il y a une énorme différence dans le principe de fonctionnement.

Une thermopile fonctionne avec le principe de base d'un thermocouple et génère un potentiel électrique proportionnel à la différence de température entre ses jonctions de thermocouple.

Un capteur pyroélectrique qui est normalement utilisé dans les capteurs PIR, fonctionne en détectant le changement de température d'un corps lorsque le corps avec une température plus élevée que la température ambiante traverse le champ de vision du capteur. Ce changement de niveau de température est converti d'une quantité proportionnelle de potentiel électrique à sa sortie

Thermopile étant un dispositif linéaire est beaucoup plus facile à configurer et à mettre en œuvre dans toutes les formes d'applications de numérisation thermique.