疫情下体温监测火了,聊聊温度测量背后那些事儿

来源:ADI

发布时间:2020年4月28日下午 10:04:12

作为一枚工程师,你知道额温枪的门门道道吗?今天不妨一起说道说道温度监测背后的那些事和常用电路。
新冠肺炎疫情在全球肆虐,作为早期的震中,中国迅速从疫情的阴影中走出。与此相对的是,世界其他很多地方却相继沦陷。个中的原因很复杂,但从一枚中国的普通工程师,亲身经历疫情的从风声鹤唳的紧张到全国复工,我们能体验到的是国内疫情控制的有力措施,直观感受就是全民自觉地戴口罩到无处不在的体温监测。
 
作为一枚工程师,你知道额温枪的门门道道吗?今天不妨一起说道说道温度监测背后的那些事和常用电路。
 
温度监测背后的两大定律奠定理论基础
澳大利亚物理学家于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(即斯特藩-玻尔兹曼定律(Stephan-Boltzmann law))。
 
在1893年物理学家的发现又进一步揭示了黑体热辐射规律: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。
 
事实上,各种形式的物质只要温度高于绝对零度都会发射红外辐射,这称为特征辐射。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。
 
 
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,再根据斯特藩-玻尔兹曼定律来得到被测物的实际温度。
 
从传感器信号入口分,常用的温度监测方法
温度是世界上最广泛测量的物理现象。温度传感器有四种主要技术,每种技术各自面临不同的信号调理挑战。
 
热电偶是用不同金属制成的两根电线,在一端连接在一起。由于热电偶是非常基础的元件,因此具有许多优点:可以测量极端温度(-270*C 至 +1800*C)、可靠、尺寸极其小巧、具有极快的响应时间并且不会自发热。但热电偶需要进行大量的信号调理:它们的信号非常小,它们的传递函数为非线性,并且它们的基准结处需要额外的温度传感器(冷端补偿)。
 
 
热敏电阻是由金属氧化物制成的电阻器,其电阻可随温度变化而变化。热敏电阻是您可以购买到的最便宜的温度传感器。它们普遍用于消费级应用。热敏电阻高度非线性。它们通常可以在 -40° 至 150°C 的温度范围内工作,在 0° 至 100°C 时精度最佳,但某些专用型号具有更高的温度范围。
 
 
电阻温度检测器 (RTD) 是由金属材料制成的电阻器,其电阻可随温度变化而变化。RTD 具有最佳的长期稳定性和传统温度传感器类型的精度,适用于 -200°C 至 +850°C 的温度范围。它们非常稳定,并且进行信号调节相对轻松。最常用的 RTD 是 PT100:一种用铂制成的 100 欧姆 RTD。由于使用贵重金属进行制造,因此 RTD 比其他传感器类型更昂贵。
 
 
硅基温度测量:硅基温度传感器线性、稳定且易于使用,最适合测量较窄的温度范围(–55°C 至 +150°C)。
 
 
温度是到目前为止被检测最多的物理变量,因此其检测方式之多也就不足为奇,在硅基传感器中就包括模拟温度传感器和数字温度传感器。作为传感器,其信号调理放大非常关键,而其中信号放大器的作用至关重要,作为最广泛应用的传感器,业内为各种温度测量传感器量身定做了各种信号放大器电路。
 
 
例如ADI开发了一系列热电偶放大器,即AD849x系列,它通过跟踪输入端温度来提供冷结补偿,另外还集成了仪表放大器来放大热电偶输入。利用这类器件可以测量超高温度,精度在几度范围内,而且其输出要好用得多。
 
通常,很多测温系统需要使用低温漂、低失调电压、低偏置电流的运放来调理传感器信号。推荐使用精密放大器AD8538/39、AD8571、AD8551,低输入偏置电流放大器ADA4051,微功耗、零点漂移的运算放大器 LTC2063、LTC2066等,参考源要使用低温漂的ADR3530、ADR4530。强调集成度的应用,可以考虑有两个ADC通道的AD7191,内部集成了PGA,24b高精度ADC,还有精密电流源方便与NTC电阻接口。

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