技術干貨 | 紅外測溫槍準不準？其工作原理是什么？一文了解

　　近幾年來，非接觸人體紅外測溫槍，如圖1所示，在技術上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴大。比起接觸式測溫方法，紅外測溫槍有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。

　　圖1. 紅外測溫槍示意圖

　　晶華微在紅外測溫領域耕耘5年，有上百個成熟穩(wěn)定的解決方案，憑借單芯片方案，如圖2所示，性價比高，算法先進、穩(wěn)定，生產效率高等優(yōu)勢，已與全國幾十家規(guī)?；a的知名廠商保持長期穩(wěn)定的合作。本文講述基于晶華微SD8709芯片的人體紅外測溫槍解決方案，典型應用圖，如圖3所示。

　　圖2. 紅外測溫方案結構圖

　　圖3. SD8709紅外測溫槍典型應用圖

　　一、 工作原理

　　紅外測溫槍方案由傳感器（熱電堆及熱敏傳感器）、聚光及散熱結構、測量芯片基本組成，如圖4所示。

　　圖4. 紅外測溫槍探頭結構示意圖

　　1. 傳感器由熱電堆及熱敏電阻組成：

　　熱電堆可接收紅外線并轉換成小電壓輸出，輸出電壓值是由目標物的溫度及傳感器內部溫度來決定。其中，輸出電壓根據傳感器的不同而有所區(qū)別，如某傳感器：輸出電壓340μV±30%（@黑體溫度：500K，黑體尺寸：0.5″，傳感器與黑體的間距：120mm，傳感器環(huán)境溫度：298K）；輸出電壓260μV±30%（@黑體溫度：37℃，環(huán)境溫度：25℃），熱電堆電阻75±20kΩ（@25℃）（內阻51kΩ~350 kΩ都有））

　　熱敏電阻（NTC，一般100 kΩ）用于監(jiān)測傳感器內部的溫度，用以計算目標溫度。

　　一般傳感器輸出小電壓為每度變化100μV左右（每度是指37和38度的變化），而熱電堆的內阻為100k左右。

　　2. 聚光及散熱結構：

　　一般紅外測溫槍會用聚光結構，如圖5所示，以增加測量距離，并用大型散熱器以減少外界溫度變化的影響，使傳感器內部溫度穩(wěn)定及均勻。

　　有些用透鏡的筒形，類似于工業(yè)槍的結構設計，如圖6所示，會影響傳感器的輸出特性，需要軟件大量修正。而且信號較弱，造成重復性欠佳，一致性及溫漂比較難達要求，不建議采用。

　　結構設計不合理會造成各種問題，所以非常關鍵。

　　圖5. 紅外測溫槍聚光結構

　　圖6. 紅外測溫槍筒形結構

　　3. 測量芯片：

• 　　模擬部分

　　為了保證重復性，儀表放大器（PGIA）需要達到以下要求：

　?。?） 低輸入噪聲：1μVpp；

　　我們軟件典型配置如下：

　　100kΩ參考電阻：Vn（rms）=3640nV，ENOB=18.3bits （f（s）= 8kHz，OSR=128，即62.5sps，AVDDR=2.4V，V（ref）=1.2V，SINC3，Gain=1）。

　　100kΩ NTC：Vn（rms）=3640nV，ENOB=18.3bits （@f（s）= 8kHz，OSR=128，即62.5sps，AVDDR=2.4V，V（ref）=1.2V，SINC3，Gain=1）。

　　熱電堆：Vn（rms）=49nV，ENOB=17.9bits （@f（s）= 8kHz，OSR=256，即31.25sps，AVDDR=2.4V，V（ref）=0.6V，SINC3，Gain=100）。

　?。?） 低輸入電流：10pA@0℃~50℃。

　?。?） 低增益溫漂：50nV/℃。

　　為了保證分辨率，ADC的無噪聲分辨率大于16bits。

• 　　多通道

　　可測量熱電堆及NTC。

• 　　數字部分

　　（1） LCD/LED顯示。

　?。?） MCU軟件校正、運算和控制。

　?。?） 支持UART、I2C和SPI等通信接口。

　　晶華微是國內唯一長期穩(wěn)定的SoC供應商，外圍電路簡單，故障率低，可靠度高。

　　二、 生產情況

　　1. 生產條件：

　　生產及前期測試需要恒溫房間，在25℃±1℃校正。而前期測試需要高低溫環(huán)境（16℃~35℃）做溫漂測試。（16℃~35℃，是指恒溫房的要求，即工作環(huán)境溫度，有些要求10℃~40℃，產品要保證精度，就要做測試，有誤差就要修表。這個溫度只是開發(fā)時測試，生產只在25℃，很多客戶只測到30多攝氏度，但說明書寫40℃）

　　校正及測試需要高精度水槽配黑體，精度要求在±0.02℃，可制冷。

　　校正需要兩臺水槽式黑體（35℃和41℃）。

　　2. 產品精度要求：

• 　　?32℃~34.9℃ ±0.3℃

　　35℃~42℃ ±0.2℃

　　42.1℃~43℃ ±0.3℃

• 　　工作環(huán)境溫度10℃~40℃
• 　　?環(huán)境溫度變化10℃，測溫槍要1分鐘內穩(wěn)定。
• 　　?要通過EMI和ESD測試要求。

　　3. 誤差原因：

• 　　?傳感器一致性問題。
• 　　校正誤差：

　　（1） 水槽精度誤差；

　?。?） 傳感器有積熱現象（黑體或手溫造成傳感器內部溫度不均勻），校正期間受黑體溫度影響；

　　（3） 傳感器校正期間受手溫影響；

　?。?） 因校正者的操作習慣而導致誤差。

• 　PCB漏電，通常受環(huán)境溫濕度影響而改變。

　　三、 開發(fā)流程

• 　　晶華微提供一站式軟硬件支持，根據客戶傳感器特性和PCB尺寸定制方案，如圖7所示。
• 　　提供測試表格給客戶進行現場測試。
• 　　根據測試結果做修正及溫度補償。
• 　　必須使用完整儀表進行數據測試

　　注：

　?。?） 因結構可能會影響傳感器的溫度特性，所以必須要測試數據。

　?。?） 若結構對傳感器沒影響的情況下（視角不被遮擋，電鍍理想），不同型號傳感器經校正后或許可以滿足精度要求，但要求高者最好針對個別型號測試及修正。

　　圖7. PCB電路板

　　四、 方案優(yōu)勢

• 　　?晶華微是國內極少數擁有紅外測溫芯片研發(fā)及應用方案開發(fā)能力的IC設計公司。
• 　　?耕耘紅外測溫領域5年，有上百個成熟穩(wěn)定的解決方案。
• 　　?連續(xù)3年大規(guī)模量產發(fā)貨。
• 　　與全國幾十家規(guī)?；a的知名廠商保持長期穩(wěn)定的合作。
• 　　單芯片方案，節(jié)省外圍器件，性價比高。
• 　　算法先進、穩(wěn)定，生產效率高。

　　一直為海外德國、瑞士等知名廠商大量供貨，如圖8所示。

　　圖8. 海外合作廠商生產的紅外測溫槍

　　五、 芯片介紹

　　SD8709是高精度 24 位ADC的SoC產品，外圍資源豐富：RTC，可選的多種穩(wěn)壓電源輸出，靈活設置的 PGIA 模塊，升壓模塊，UART、I2C、SPI、TIMER、PWM/PDM、PFD、CAPTURE 輸出模塊，LCD 驅動等。

　　本產品帶 16k Bytes OTP，可以低壓自燒錄，燒錄電壓范圍：2.4V~3.6V，OTP可以替代EEPROM 使用。

　　超低功耗設計，典型應用時整個芯片的工作電流約為 1mA（IAD=0）或 1.5mA（IAD=1）。提供三種工作模式：正常工作模式、待機模式和休眠模式。

　　芯片特點：

• 　　8位RISC超低功耗MCU，16kBytes OTP程序存儲器，512Bytes SRAM數據存儲器。
• 　　集成多種時鐘振蕩器，可靈活選擇，選擇外部晶振時，支持停振檢測功能。
• 　　高精度 ADC，ENOB=18.8bits@8sps，差分 2通道或單端 4 通道，輸出速率可選。
• 　　?ADC 外部基準與內部基準可選，內部集成多種基準選項。
• 　　低噪聲高輸入阻抗前置放大器，1、12.5、50、100 和 200 倍增益可選。
• 　　24SEG×4COM 液晶驅動電路，超低功耗和大驅動能力設計。
• 　　低壓燒錄功能，可以替代外部 EEPROM。
• 　　內有硅溫度傳感器，可單點校準。
• 　　豐富的外圍資源：UART，I2C，SPI，PWM/PDM，PFD，TIMER，CAPTURE，RTC。
• 　　靈活的電池檢測功能，檢測范圍 2.0V~3.3V；掉電檢測電路和上電復位電路。
• 　　工作電壓范圍：2.4V~3.6V；工作溫度范圍：-40℃~ 85℃。