一、原理

 

網絡上有些人對額溫槍是否有輻射，是否對人體產生危害提出了質疑。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於絕對零度（-273.15°C），douhuifashehongwaifushe
，chengweitezhengfushe。fushedeyuanyinzaiyuneibufenzidejixieyundong。zhezhongyundongdeqiangduqujueyuwutidewendu。youyufenziyundongdaibiaodianheweiyi，zhezhongfusheshidiancifushe（光子粒子）。這zhe些xie光guang子zi以yi光guang速su運yun動dong，且qie運yun行xing規gui律lv符fu合he已yi知zhi的de光guang學xue原yuan理li。它ta們men可ke以yi被bei偏pian轉zhuan，用yong透tou鏡jing聚ju焦jiao或huo被bei反fan射she表biao麵mian反fan射she。這zhe種zhong輻fu射she的de光guang譜pu範fan圍wei可ke以yi從cong0.7um 到1000μm。因此，這種輻射通常用肉眼看不到。

 

 

Stephen 和 Boltzmann 於 1879 年發現，一個黑體表麵單位麵積在單位時間內輻射出的總功率（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）: 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zhong可ke以yi看kan出chu，隨sui著zhe目mu標biao溫wen度du的de升sheng高gao
，最zui大da輻fu射she量liang逐zhu漸jian向xiang波bo段duan較jiao短duan的de區qu域yu移yi動dong
，從cong輻fu射she能neng量liang隨sui輻fu射she光guang波bo長chang的de關guan係xi看kan，光guang譜pu中zhong人ren眼yan不bu可ke見jian部bu分fen所suo包bao含han的de能neng量liang最zui高gao是shi可ke見jian部bu分fen的de100000 倍。這正是紅外測量技術的理論依據。

 

 

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內設置紅外溫度計
，以獲取最多的能量（對應於曲線下方的區域）或者目標發出的信號。然而，在某些情況下，這種做法並不總是有效的。例如在上圖中
，當溫度比較高時，輻射強度在 2 µm 處增加量遠遠高於在 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將在溫度低於 600°C 時由於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
，發射率等於1。灰體的輻射發射率小於1。而非灰體的發射率不僅小於1，而且在不同的波長發射率也會變化。

 

基於以上分析，用於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）製作的熱電堆（熱電偶），ji，shiyongliangzhongbutongdebandaotihuojinshudaotilianjieqilai，liangzhongcailiaochuyuyouwenduchadeqingkuangshi
，huichanshengdianshicha。hongwairedianoujiushibabeicewufushedenengliangzhaoshedaozhegeredianoudereduan，tongguoNTC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

 

 

上圖上部的電路是使用MCU內部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是當被測目標與環境溫度相同時
，熱電堆輸出的電壓（實際上還有ADC及其前方的運算放大器產生的失調電壓誤差）。這個值可以如下方法測得：

 

● 將整個電路置於環境中足夠長時間，傳感器內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致性很好，可以認為這一批的Voffset都一樣；如果一致性比較差
，那麼生產時要對每一個產品進行此測試，求出正確的Voffset。

 

2. K是常數，e是被測目標表麵的輻射發射率（人體額頭表麵可以認為是灰體，e<1
，具體要根據實際測量經驗確定），實際操作中，可以把K*e當作一個常數對待。就相當於增益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

● 測試已知溫度的目標（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標溫度Tobj與傳感器輸出電壓Vout的關係
，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是傳感器內部熱電堆冷端溫度，可以用傳感器內部的NTC電阻大小來測量。可以使用傳感器廠家給的數據線性擬合，或者把這些數據放到單片機內，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係是：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，還需要通過實驗來擬合出比較合適的模型。

 

 

本文轉載自亞德諾半導體

 

 

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