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红外测温仪的原理及硬件.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.80M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    1 簡介
    2 原理說明
    3 設計規劃
    4 技術規格
    5 參考文獻
    紅外線感測器應用說明書 HY11P13 Infrared Measurement © 2008 HYCON Technology Corp. APD-SD18009-V01_TC
    紅外線感測器應用說明書 目錄 1 簡介 ................................................................................................................................3 2 原理說明.........................................................................................................................3 2.1 紅外線波長介紹................................................................................................................................................3 2.2 物體輻射............................................................................................................................................................4 2.3 量測光點與視窗................................................................................................................................................6 2.4 感測器簡介........................................................................................................................................................6 2.5 控制晶片............................................................................................................................................................8 3 設計規劃.......................................................................................................................11 3.1 硬體說明.......................................................................................................................................................... 11 3.2 電路說明..........................................................................................................................................................12 3.3 軟體說明..........................................................................................................................................................14 4 技術規格.......................................................................................................................16 5 參考文獻.......................................................................................................................16 © 2008 HYCON Technology Corp www.hycontek.com APD-SD18009-V01_TC Page 2
    紅外線感測器應用說明書 1 簡介 常見的紅外線感測器應用可分為醫療、工業、消費性用途，如耳溫槍、額溫槍、工 業用溫度儀、紅外線溫度計…等。在耳溫槍應用中，需注意紅外線感測器進入耳中的升 溫效應、導波管與感測器的連接方式…等。在紅外線溫度計應用中，需注意待測物距離、 透鏡的聚焦距離…等，本文僅說明如何使用紘康科技 HY11P13 晶片，以量測感測器轉成 的電信號。 2 原理說明 2.1 紅外線波長介紹 圖 1 波長頻譜圖，紅外線常用的量測波長範圍：700nm~14000nm [1] 依紅外線的波長範圍和紅外線輻射源可區分 近紅外線(Near Infra-red, NIR)；700~2,000nm 中紅外線(Middle Infra-red, MIR)；3,000~5,000nm 遠紅外線(Far Infra-red, FIR)；8,000~14,000nm © 2008 HYCON Technology Corp www.hycontek.com APD-SD18009-V01_TC Page 3
    紅外線感測器應用說明書 2.2 物體輻射 圖 2 物體輻射與感測器接受輻射的關係 [1] 感測器除了偵測到物體本身的輻射外，還會偵測到反射的輻射和讓輻射穿透，彼此 間的輻射關係可用 A+R+T=1 表示。 2.2.1 黑體與非黑體散射 以公式而言，固體 T=0 1RA + = R1A −=⇒ R1E −=⇒ 黑體：R=0 非黑體：R≠0，R=0.1 或 0.2… 圖 3 黑體與灰體的波長與散射關係 [1] © 2008 HYCON Technology Corp www.hycontek.com APD-SD18009-V01_TC Page 4
    紅外線感測器應用說明書 2.2.2 金屬 圖 4 金屬吸收波長在不同溫度下的量測誤差 [1] 由於金屬物質常反射，所以不容易散射，以特定的波長、溫度量測金屬物質， 會造成金屬物質的高散射可能性，因此以特定波長、溫度會提高對金屬物質的量測 準確性，金屬的散射與波長、溫度具有相當密切的關係 圖 4。 2.2.3 塑膠 圖 5 不同厚度塑膠物質(聚丙烯、聚酯) 的波長與傳導比例的關係圖 [1] 特定厚度的塑膠物質，其傳導與波長有著相對的關係，量測塑膠物質的輻射， 必須知道為何種物質與厚度，然後選擇相對應的波長光源，作為量測的來源。 © 2008 HYCON Technology Corp www.hycontek.com APD-SD18009-V01_TC Page 5
    紅外線感測器應用說明書 2.2.4 玻璃 圖 6 在不同波長下，玻璃的反射、散射、傳導百分比的關係 [1] 量測玻璃的溫度時，反射係數與傳導為兩個重要的因素，選擇不同波長的光源， 會直接影響量測的位置，例如：表面溫度(波長 5 µm)或在某個厚度下的溫度(波長為 1.0、2.2、3.9µm)，量測玻璃的多種方法中，最重要的關鍵為”低反應時間”。 2.3 量測光點與視窗 圖 7 目標物必須完全包含著光點，否則量測數據會錯誤 [1] 在光學系統中，量測目標物的能量唯一關鍵因素，因此目標物必須完全包含著 光點，能量與量測的距離、光點面積大小存在著一定的關係，距離越遠偵測器接受 到的能量越小，光點面積越大。 2.4 感測器簡介 紅外線傳感器(IR sensor)簡介 由兩個介面元件組成，分別為Thermopile及Thermistor，兩者封裝如 圖 8。 © 2008 HYCON Technology Corp www.hycontek.com APD-SD18009-V01_TC Page 6
    紅外線感測器應用說明書 圖 8 紅外線溫度傳感器 [2] Thermopile： 輸出小電壓，其電壓值由目標物溫度及Thermopile所在環境溫度決定((圖 9))。建議 解析度 0.01℃的精準度。使用於環溫 25℃校正時絕對誤差在±0.03℃內。其為半導體材 料製作而成的感測器，故容易受溫度而影響其測量數值。良好的IR Sensor 其 Thermopile 的數學模式如下 V = out = = 273 ) ( T K + t ( TTfK , a ( K TTf , ref [ × × × [ t t ) 13. 4 − ( T a + 273 13. 4 ) ] ) − ( TTf , ref a )] ………….公式(1) Vout：Thermopile 輸出電壓 K：Sensitivity of Thermopile Tt：Target Temperature (℃) Ta：Ambient Temperature (℃) Temp ℃ 100 80 60 40 20 環溫0℃ 環溫25℃ 環溫37℃ -2 -1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 圖 9 Thermopile 電壓與溫度曲線 電壓(mV) Good Thermopile 會有以下兩個特性 Tt=Ta 時, Vout=0 K 為常數, 不隨環境溫度而改變 Thermistor： 隨其所在之溫度改變而有電阻變化(圖 10)，用來監視IR sensor內部溫度。在此亦稱 之為量測時的環境溫度。建議測量誤差及重複性< 0.05°C。 () − )]} T + = 25 + × B [( × { e R 25 1 13.273 Thermistor 的數學模式如下 1 13.273 TR )( th Rth(T)：Thermistor 變化電阻值 B：Sensitivity of Thermistor R25：25℃電阻值 ………….公式(2) © 2008 HYCON Technology Corp www.hycontek.com APD-SD18009-V01_TC Page 7
    紅外線感測器應用說明書 Resistance (kΩ) 350 300 250 200 150 100 50 0 0 20 40 60 80 100 ℃ 圖 10 Thermistor 電阻與溫度曲線 2.5 控制晶片 利用紅外線傳感器(IR sensor)做為溫度訊號的擷取來源，轉換為電阻與微小電壓訊 號輸出，再經由紘康科技的單片機” HY11P13 ”量測訊號、運算、數位輸出顯示，如 圖 11， 以最少的元件達成非接觸式紅外線溫度量測方案。 圖 11 類比與數位訊號轉換 單片機簡介 © 2008 HYCON Technology Corp www.hycontek.com APD-SD18009-V01_TC Page 8
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