网红应用原理大揭秘——非接触式红外体温测量方案解析

亚德诺半导体 2020-03-06 00:00

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新冠肺炎疫情攻坚关键时刻，红外测温仪这种非接触、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。除了全自动红外体温检测仪之外，额温枪/耳温枪等相关产品也需求激增，再加上其应用场所更灵活，价格也比较低，导致短时间内“一枪难求”。那么小伙伴们是否清楚了这种非接触式红外测温的原理呢？ADI中国技术专家江中亚便为我们详细解释了这个问题。

一、原理

网络上有些人对额温枪是否有辐射，是否对人体产生危害提出了质疑。我可以很认真的对他说：有辐射，但是你在辐射，它只是吸收你辐射的能量而已。

各种形式的物质只要温度高于绝对零度（-273.15°C），都会发射红外辐射，称为特征辐射。辐射的原因在于内部分子的机械运动。这种运动的强度取决于物体的温度。由于分子运动代表电荷位移，这种辐射是电磁辐射（光子粒子）。这些光子以光速运动，且运行规律符合已知的光学原理。它们可以被偏转，用透镜聚焦或被反射表面反射。这种辐射的光谱范围可以从0.7um 到1000μm。因此，这种辐射通常用肉眼看不到。

Stephen 和 Boltzmann 于 1879 年发现，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）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。这称为Stephen-Boltzmann law。Wien在1893年又进一步揭示了黑体热辐射规律，即黑体辐射公式和Wien's displacement Law（因此获得了诺贝尔奖）: 随着温度的升高，物体的辐射量最大值将向短波方向移动。从图3中可以看出，随着目标温度的升高，最大辐射量逐渐向波段较短的区域移动，从辐射能量随辐射光波长的关系看，光谱中人眼不可见部分所包含的能量最高是可见部分的100000 倍。这正是红外测量技术的理论依据。

理论上利用黑体辐射原理测量温度时，尽可能在最宽的波长范围内设置红外温度计，以获取最多的能量（对应于曲线下方的区域）或者目标发出的信号。然而，在某些情况下，这种做法并不总是有效的。例如在上图中，当温度比较高时，辐射强度在 2 µm 处增加量远远高于在 10 µm 处的，这样在2µm处每单位温差下的辐射差异越大，红外温度计的测量精度便越高。同样，在低温环境下，在 2 µm 处工作的红外温度计将在温度低于 600°C 时由于辐射能量太少而几乎看不到任何东西，从而停止工作。

实际中被测物体与黑体模型也有出入。黑体是理想模型，没有透射，发射率等于1。灰体的辐射发射率小于1。而非灰体的发射率不仅小于1，而且在不同的波长发射率也会变化。

基于以上分析，用于测量人体温度范围的传感器一般波长范围在5µm-15µm左右。

使用的传感器则利用了热电效应（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Stephen-Boltzmann law来得到被测物的实际温度。

二、硬件框图

上图上部的电路是使用MCU内部ADC，这时需要使用低温漂，低失调电压，低偏置电流的运放来调理传感器信号。推荐使用 AD8538，AD8539，ADA4051, AD4528，AD8638，AD8628，AD8571，AD8551，AD8552，LTC2063，LTC2066 等；参考源要使用低温漂的 ADR3530，ADR4530 。

上图下部是使用集成度比较高的AFE， AD7191 有两个ADC通道，内部集成了PGA，24bit高精度ADC，还有精密电流源方便与NTC电阻接口。参考源推荐 ADR3530，ADR4530 。还可以选择AD7124-4，其内部集成了10ppm/C的参考源。

三、计算

Vout = K*e*(Tobj^4 - Ts^4) + Voffset

1.Voffset是当被测目标与环境温度相同时，热电堆输出的电压（实际上还有ADC及其前方的运算放大器产生的失调电压误差）。这个值可以如下方法测得：