摘要:melexis紅外系列感測器是一組通用的紅外測溫模組。在出廠前該模組已進行校驗及線性化,具有非接觸、體積小、精度高,成本低等優點。
關鍵字：紅外溫度感測器，醫療，非接觸，melexis
1 引言
一般來說,測溫方式可分為接觸式和非接觸式,接觸式測溫只能測量被測物體與測溫感測器達到熱平衡後的溫度,所以響應時間長,且極易受環境溫度的影響;而紅外測溫是根據被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度,不與被測物體接觸,具有影響動被測物體溫度分布場,溫度解析度高、響應速度快、測溫範圍廣、不受測溫上限的限制、穩定性好等特點,近年來在家庭自動化、汽車電子、航空和軍事上得到越來越廣泛的應用。
2 測溫原理概述
物體紅外輻射能量的大小和波長的分布與其表面溫度關係密切。因此,通過對物體自身紅外輻射的測量,能準確地確定其表面溫度,紅外測溫就是利用這一原理測量溫度的。紅外測溫器由光學系統、光電探測器、訊號放大器和訊號處理及輸出等部分組成。
光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量,視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上並轉變為相應的電訊號。該訊號經過放大器和訊號處理電路,並按照儀器內的演算法和目標發射率校正後轉變為被測目標的溫度值。
melexis公司生產的 mlx90614 系列測溫模組是應用非常方便的紅外測溫裝置,其所有的模組都在出廠前進行了校驗,並且可以直接輸出線性或準線性訊號,具有很好的互換性, 免去了複雜的校正過程。該模組以 81101 熱電元件作為紅外感應部分。輸出是被測物體溫度(to)與感測器自身溫度(ta)共同作用的結果,理想情況下熱電元件的輸出電壓為:
vir=a(to4 ta4)
其中溫度單位均為kelvin,a為元件的靈敏度常數。
目標溫度和環境溫度由81101 內建的熱電偶測定測量,從81101中輸出的兩路溫度訊號分別經內部mlx90302器件上高效能、低雜訊的斬波穩態放大器放大再經乙個17-bit 的模數轉換器(adc)和強大的數字訊號處理(dsp)單元後輸出。
該系列模組的溫度解析度可達0.01°c,體積小巧,被測目標和環境溫度能通過單通道 (由mlx90302內的狀態機控制)輸出,有兩種輸出方式:pwm 輸出、可程式設計smbus輸出,適於多種應用環境,下面以mlx90614為例,重點介紹其特性和使用方法。
通過smbus程式設計可以更改模組eeprom內的預設值並按照應用要求進行配置,並可以讀出eeprom內的配置資訊;還可以讀出模組ram內溫度等資料。
mlx90614有適用於3伏和5伏電源操作的兩種型別。由於3伏型其小於2毫安的電流消耗,它非常適用於手提裝置和電池動力裝置。為此,感測器也具有乙個節能「休眠」模式, 此時電流消耗可低於2毫安。
對於12伏汽車電池直接供電的情況,5伏型包含的電子部件可與幾個外部元件一起在較高電壓下執行。
3 mlx90614 簡介
3.1 mlx90614 管腳
3.2 效能圖表
3.2.1 mlx90614溫度讀書精確度
所有精確度特徵都是在保證器件金屬封裝在熱均衡的情況下. 並且, 所有精確度都只適用於感應器視野範圍內只存在被測物體.
圖 2:初步 mlx90614 精確圖表 (環境溫度 ta,物體溫度 to)
所有精確度特徵都是在保證器件金屬封裝在熱均衡的情況下.對於mlx90614醫療精確度版本mlx90614daa,在環境溫度 10oc-40oc 範圍和被測物體溫度 32oc-42oc範圍內精確度如下圖所示. 對於其餘範圍的的精確度,請參照前圖.
圖 3: 初步醫療應用 mlx90614daa 精確圖表 (環境溫度 ta,物體溫度 to)
4.設計要點
採用輻射測溫法。在進行方案設計時注意以下幾點。
（1）由於低溫目標紅外輻射訊號微弱，故要選擇高響應率的紅外探測器，這是實現低溫目標能量探測的關鍵。
（2）光經紅外探測器轉為電訊號，此訊號極其微弱，因此要選擇低雜訊、高輸入阻抗、低溫漂、高共模抑制比的運放，來提高測溫精度和穩定性。
（3）由於本測溫儀包含數碼訊號和模擬訊號，因此在進行電路設計和pcb板設計時，一定要盡量避免數碼訊號對模擬訊號產生影響，採取相應的遮蔽措施。
（4）由於測量體表溫度，不同的部位體表溫度有所不同，因此正確的環境溫度補償和誤差修正必不可少。
（5）使光學系統與雷射瞄準保持平行，以保證被測物體的準確定位。
2.3紅外測溫儀的設計方案
測溫儀由熱電堆感測器、微控制器、液晶顯示、電源管理等部分組成。通過熱電堆探測器得到物體溫度對應的電訊號，電訊號經過前置放大後送至a/d模組進行數模轉換，再通過smbus匯流排將資料傳到8051微控制器系統，由微控制器進行資料處理，並把處理完的最終溫度值送往液晶進行實時顯示。整體結構如圖1所示。
圖4:基於mlx90614的體溫計方案
總結：非接觸式溫度測量裝置採用了輻射測溫原理，屬於紅外輻射測溫法在體溫測量的應用，目的是為了實現對人體溫度的非接觸測量。輻射低溫測量過程中乙個最重要的方面就是對環境溫度進行補償，mlx90614可以保證測溫模組的精度和穩定性。
mlx90614可以使該測量儀體積小、使用方便、效能**比高、穩定性好、可靠性高、通用性好等優點，因而mlx90614有著很好的市場前景。但在實用時還需要根據使用環境特點進行完善，比如：增加光學聚焦功能、儲存功能和雷射瞄準功能等，這樣就能克服感測器對測量條件環境要求高的弊端，拓展應用領域。
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