技術(shù)干貨 | 紅外測(cè)溫槍準(zhǔn)不準(zhǔn)？其工作原理是什么？一文了解

　　近幾年來(lái)，非接觸人體紅外測(cè)溫槍?zhuān)鐖D1所示，在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大。比起接觸式測(cè)溫方法，紅外測(cè)溫槍有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　圖1. 紅外測(cè)溫槍示意圖

　　晶華微在紅外測(cè)溫領(lǐng)域耕耘5年，有上百個(gè)成熟穩(wěn)定的解決方案，憑借單芯片方案，如圖2所示，性?xún)r(jià)比高，算法先進(jìn)、穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，已與全國(guó)幾十家規(guī)模化生產(chǎn)的知名廠商保持長(zhǎng)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(cè)溫槍解決方案，典型應(yīng)用圖，如圖3所示。

　　圖2. 紅外測(cè)溫方案結(jié)構(gòu)圖

　　圖3. SD8709紅外測(cè)溫槍典型應(yīng)用圖

　　一、 工作原理

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

　　圖4. 紅外測(cè)溫槍探頭結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成小電壓輸出，輸出電壓值是由目標(biāo)物的溫度及傳感器內(nèi)部溫度來(lái)決定。其中，輸出電壓根據(jù)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(nèi)阻51kΩ~350 kΩ都有））

　　熱敏電阻（NTC，一般100 kΩ）用于監(jiān)測(cè)傳感器內(nèi)部的溫度，用以計(jì)算目標(biāo)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(nèi)阻為100k左右。

　　2. 聚光及散熱結(jié)構(gòu)：

　　一般紅外測(cè)溫槍會(huì)用聚光結(jié)構(gòu)，如圖5所示，以增加測(cè)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(nèi)部溫度穩(wěn)定及均勻。

　　有些用透鏡的筒形，類(lèi)似于工業(yè)槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6所示，會(huì)影響傳感器的輸出特性，需要軟件大量修正。而且信號(hào)較弱，造成重復(fù)性欠佳，一致性及溫漂比較難達(dá)要求，不建議采用。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成各種問(wèn)題，所以非常關(guān)鍵。

　　圖5. 紅外測(cè)溫槍聚光結(jié)構(gòu)

　　圖6. 紅外測(cè)溫槍筒形結(jié)構(gòu)

　　3. 測(cè)量芯片：

• 　　模擬部分

　　為了保證重復(fù)性，儀表放大器（PGIA）需要達(dá)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℃。

　　（3） 低增益溫漂：50nV/℃。

　　為了保證分辨率，ADC的無(wú)噪聲分辨率大于16bits。

• 　　多通道

　　可測(cè)量熱電堆及NTC。

• 　　數(shù)字部分

　　（1） LCD/LED顯示。

　　（2） MCU軟件校正、運(yùn)算和控制。

　?。?） 支持UART、I2C和SPI等通信接口。

　　晶華微是國(guó)內(nèi)唯一長(zhǎng)期穩(wěn)定的SoC供應(yīng)商，外圍電路簡(jiǎn)單，故障率低，可靠度高。

　　二、 生產(chǎn)情況

　　1. 生產(chǎn)條件：

　　生產(chǎn)及前期測(cè)試需要恒溫房間，在25℃±1℃校正。而前期測(cè)試需要高低溫環(huán)境（16℃~35℃）做溫漂測(cè)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(chǎn)品要保證精度，就要做測(cè)試，有誤差就要修表。這個(gè)溫度只是開(kāi)發(fā)時(shí)測(cè)試，生產(chǎn)只在25℃，很多客戶(hù)只測(cè)到30多攝氏度，但說(shuō)明書(shū)寫(xiě)40℃）

　　校正及測(cè)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(tái)水槽式黑體（35℃和41℃）。

　　2. 產(chǎn)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(cè)溫槍要1分鐘內(nèi)穩(wěn)定。
• 　　?要通過(guò)EMI和ESD測(cè)試要求。

　　3. 誤差原因：

• 　　?傳感器一致性問(wèn)題。
• 　　校正誤差：

　　（1） 水槽精度誤差；

　　（2） 傳感器有積熱現(xiàn)象（黑體或手溫造成傳感器內(nèi)部溫度不均勻），校正期間受黑體溫度影響；

　?。?） 傳感器校正期間受手溫影響；

　?。?） 因校正者的操作習(xí)慣而導(dǎo)致誤差。

• 　PCB漏電，通常受環(huán)境溫濕度影響而改變。

　　三、 開(kāi)發(fā)流程

• 　　晶華微提供一站式軟硬件支持，根據(jù)客戶(hù)傳感器特性和PCB尺寸定制方案，如圖7所示。
• 　　提供測(cè)試表格給客戶(hù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
• 　　根據(jù)測(cè)試結(jié)果做修正及溫度補(bǔ)償。
• 　　必須使用完整儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試

　　注：

　?。?） 因結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響傳感器的溫度特性，所以必須要測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　（2） 若結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器沒(méi)影響的情況下（視角不被遮擋，電鍍理想），不同型號(hào)傳感器經(jīng)校正后或許可以滿(mǎn)足精度要求，但要求高者最好針對(duì)個(gè)別型號(hào)測(cè)試及修正。

　　圖7. PCB電路板

　　四、 方案優(yōu)勢(shì)

• 　　?晶華微是國(guó)內(nèi)極少數(shù)擁有紅外測(cè)溫芯片研發(fā)及應(yīng)用方案開(kāi)發(fā)能力的IC設(shè)計(jì)公司。
• 　　?耕耘紅外測(cè)溫領(lǐng)域5年，有上百個(gè)成熟穩(wěn)定的解決方案。
• 　　?連續(xù)3年大規(guī)模量產(chǎn)發(fā)貨。
• 　　與全國(guó)幾十家規(guī)模化生產(chǎn)的知名廠商保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作。
• 　　單芯片方案，節(jié)省外圍器件，性?xún)r(jià)比高。
• 　　算法先進(jìn)、穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。

　　一直為海外德國(guó)、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(chǎn)的紅外測(cè)溫槍

　　五、 芯片介紹

　　SD8709是高精度 24 位ADC的SoC產(chǎn)品，外圍資源豐富：RTC，可選的多種穩(wěn)壓電源輸出，靈活設(shè)置的 PGIA 模塊，升壓模塊，UART、I2C、SPI、TIMER、PWM/PDM、PFD、CAPTURE 輸出模塊，LCD 驅(qū)動(dòng)等。

　　本產(chǎn)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(shè)計(jì)，典型應(yīng)用時(shí)整個(gè)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(jī)模式和休眠模式。

　　芯片特點(diǎn)：

• 　　8位RISC超低功耗MCU，16kBytes OTP程序存儲(chǔ)器，512Bytes SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
• 　　集成多種時(shí)鐘振蕩器，可靈活選擇，選擇外部晶振時(shí)，支持停振檢測(cè)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(zhǔn)與內(nèi)部基準(zhǔn)可選，內(nèi)部集成多種基準(zhǔn)選項(xiàng)。
• 　　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(qū)動(dòng)電路，超低功耗和大驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)。
• 　　低壓燒錄功能，可以替代外部 EEPROM。
• 　　內(nèi)有硅溫度傳感器，可單點(diǎn)校準(zhǔn)。
• 　　豐富的外圍資源：UART，I2C，SPI，PWM/PDM，PFD，TIMER，CAPTURE，RTC。
• 　　靈活的電池檢測(cè)功能，檢測(cè)范圍 2.0V~3.3V；掉電檢測(cè)電路和上電復(fù)位電路。
• 　　工作電壓范圍：2.4V~3.6V；工作溫度范圍：-40℃~ 85℃。