مدار ساخت دماسنج IR-تب سنج لیزری غیر تماسی

اساس نحوه اندازه گیری تب سنج لیزری

در این نوع تب سنج ها(دما سنج) برای اندازه گیری تفنگ تب سنج به سمت پیشانی شخص نشانه گرفته میشود و پس از شلیک یک نور لیزر روی نقطه مورد نظر دیده میشود که آن نور در واقع در اندازه گیری دمای بدن نقشی ندارد و فقط برای مطمئن بودن از عملکرد استفاده میشود، در واقع نور مادون قرمز(IR) است که برای اندازه گیری استفاده میشود که نور آن مشاهده نمیشود. اما به دلیل وجود لیزر نصب شده روی آنها گاهی به اشتباه به عنوان تب سنج لیزری شناخته میشوند.

قانون Stefan–Boltzmann

طبق این قانون خروجی تابشی کل یک جسم Me (T) متناسب با توان چهارم دمای آن است.

M_e(T) = εσT⁴

در این معادله ε نشانگر نشرپذیری است.

σ ثابت  Stefan–Boltzmann است.

σ = 5.670374419…×10⁻⁸ W⋅m⁻²⋅K⁻⁴

K در این معادله واحد دما بر حسب کلوین است.

معادله فوق نشان می دهد که وقتی دمای بدن افزایش می یابد، درخشندگی مادون قرمز آن نیز به نسبت افزایش می‌یابد. این تابش IR را می‌توان از راه دور بدون نیاز به هیچ گونه تماس فیزیکی اندازه گیری کرد.

انتخاب سنسور مناسب برای ساخت تب سنج لیزری

سنسور مناسب برای این کار بهتر است از نوع سنسورهای ترموپایل (Termopile) باشد. این نوع سنسورها تابش‌های IR را به ولتاژهای الکتریکی بسیار کوچک تبدیل میکند. این سنسورها بر اساس اصل ترموکوبل عمل میکنند. به اینصورت که در آن فلزهای خاصی بصورت سری یا موازی با هم قرار میگیرند. زمان تابش مادون قرمز به این فلزها روی آنها اختلاف دمای ایجاد میشود. که باعث ایجاد اختلاف ولتاژ روی پین های آن میشود.

این ولتاژ که با گرمای منبع متناسب است میتواند اندازه گیری شود تا سطح دما از منبع بدن مشخص شود.

ترموکوپل داخل سنسور مجهز که سیستم را بسیار حساس و دقیق می کند.

روش اول : استفاده از سنسور ترموپایل MLX90247 برای ساخت تب سنج لیزری

MLX90247 یک مثال عالی از یک سنسور ترموپایل است که می‌تواند به طور ایده آل برای ساخت دستگاه اسکنر حرارتی یا دستگاه دماسنج بدون تماس استفاده شود.

آرایش پین‌های این سنسور به دو صورت است:

چرا Thermistor در Thermopile استفاده می شود

مطابق شکل بالا میبینیم که در هر دو نوع سنسور MLX90247 یک ترمویستور بصورت فشرده قرار گرفته است. این سنسور دمای محیط را با دمای بدنه سنسور مقایسه میکند و در صورتی که دمای بدنه از محیط بیشتر باشد تقویت کننده داخلی را فعال میکند.

مدار دماسنج بدون تماس با استفاده از سنسور ترموپایل MLX90247

در مدار بالا ، سنسور ترموپایل MLX90247 را در حالت دوقطبی می‌بینیم. که با یک op amp خارجی طراحی شده‌ است تا ولتاژ الکتریکی کوچک را به خروجی قابل اندازه گیری تقویت کند.

تفویت کننده بالا خروجی ترموکوپل را از MLX90247 تقویت می‌کند‌، در حالی که تقویت کننده پایین تر دمای محیط IC را تقویت می‌کند.

کدام Op Amp مناسب است؟

از آنجا که قرار است خروجی ترموپایل بر حسب میکرو ولت باشد. تقویت کننده‌ای باید مورد استفاده قرار گیرد که حساس و پیچیده باشد. همچنین باید آفست ورودی آن بسیار کم باشد. برای برآوردن شرایط ، به نظر می‌رسد تقویت کننده ابزار دقیق بهترین انتخاب برای این برنامه باشد.

گزینه های زیادی برای این کار وجود دارد.

ما در این مقاله INA333 Micro-Power را پیشنهاد میکنیم. مدار پیشنهادی آن در تصویر زیر آورده شده است.

در مدار بالا گین بصورت فرمول زیر محاسبه میشود:

Gain = 1 + 100 / R_G

گین را می توان از 0 تا 10000 تنظیم کرد که برای تقویت کننده عملکرد فوق العاده ای برای تقویت ورودی‌های میکرو ولت فراهم می‌کند.

برای ساخت دماسنج غیر تماسی، به دو مورد از این ماژول‌های op amp نیاز داریم. یکی برای تقویت خروجی سیگنال ترموکوپل و دیگری برای تقویت خروجی سیگنال ترمیستور‌، که مانند شکل زیر استفاده می‌شود.

ولتاژ خروجی بصورت زیر محاسبه میشود:

V_o = G(V_in+ – V_in-)

لیست قطعات:

MLX90247

INA333  دو عدد

ولتمتر برای رنج 0 تا 1 ولت

2 عدد باطری 1.2 ولت

پس از اندازه گیری باید مقدار ولتاژ با یک دماسنج معتبر کالیبره شود.

روش دوم : استفاده از سنسور PIR برای ساخت تب سنج لیزری

یک مدار ارزانتر که بشود با مدار اول جایگزین کرد را میشود با یک سنسور PIR معمولی درست کرد.

یک PIR شامل یک سنسور مبتنی بر مواد پیرالکتریک مانند TGS ، BaTiO3 و غیره است که زمانی که تغییرات دما را در محدوده تشخیص خود حس می کند، دچار قطبش میشود.

بار قطبی شدن در یک دستگاه PIR که به دلیل تغییر دمای آن ایجاد میشود، بستگی به قدرت تابش φe که توسط بدن بر روی سنسور PIR منتقل می شود، دارد. این باعث می‌شود که خروجی PIR یک شناسه فعلی ωpAd ایجاد کند.

این سنسور همچنین یک ولتاژ Vo تولید می کند که ممکن است برابر حاصلضرب جریان فعلی و امپدانس دستگاه باشد. این را می توان با معادله زیر بیان کرد:

V_o = I_dR_d / √1 + ω² R²_d C²_d

این معادله را می توان بصورت زیر ساده کرد:

V_o = ωpA_dR_d (ΔT) / √1 + ω² R²_d C²_d

p ضریب پیروالکتریک ، ω فرکانس رادیان و ΔT برابر اختلاف دمای آشکارساز Td است
و دمای محیط Ta.

با استفاده از معادله تعادل حرارتی متوجه می شویم که مقدار ΔT را می توان بصورت زیر بیان کرد:

ΔT = R_T φ_e / √( 1 + ω² τ²_T )

اگر مقدار ΔT را در معادله قبلی قرار دهیم به معادله زیر میرسیم:

τE به ثابت زمان الکتریکی (Rd Cd).

τT نشاندهنده ثابت زمان حرارتی (RT CT) .

φe نماد تابش توان از هدف تشخیص داده شده توسط سنسور

در تصویر زیر تئوری ساخت یک ترمومتر غیر تماسی توسط سنسور PIR را میبینید:

لینک منبع

ترجمه توسط پوریا علائی نژاد

بلاگ الکتروکالا

تب سنج لیزری با ESP8266 به همراه سورس کد Arduino