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解密红外额温枪:技术原理、拆解分析、设计方案、电路...

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发表于 2020-3-16 17:52:02 |显示全部楼层

红外额温枪Forehead Thermometer
新冠肺炎的突然爆发,给全球数个产业链的增长都带来了负面影响。但疫情也让平时需求量稳定的防疫物资突然成了紧俏商品,比如口罩、酒精、消毒水。当下,许多城市的企业已经吹起了复工的号角,额温枪也成为了新的紧俏产品。
返岗生产很重要,防控措施不能少。除了戴口罩之外,体温筛查也成为疫情控制的一道重要防线。通过发现体温异常人员,采取及时发现、及早隔离等措施,能够有效防止疫情的扩散。
目前人流密集的各交通关口、车站、医院、住宅小区、超市、企事业单位等等场所都在用这种红外额温枪进行体温测量
体温检测工具分类
体温检测工具分接触式和非接触式两类:
接触式:
(1)玻璃体温计(水银体温计):是最常见的体温计,它可使随体温升高的水银柱保持原有位置,便于使用者随时观测;
(2)电子体温计:利用某些物质的物理参数(如电阻、电压、电流等)与环境温度之间存在的确定关系,将体温以数字的形式显示出来。
非接触式:
红外线体温检测仪(额温枪、耳温枪等):通过测量耳朵鼓膜或额头的辐射温度,非接触性地实现对人体温度的测量。
传统的接触式体温计,其测试时间过长、设备需与患者接触,大范围适用时存在交叉感染的风险,不适用于公共场合的快速筛查。
额温枪这一非接触式测温仪器,成为疫情防控的重点物资。和家里日常用的水银体温计、电子体温计不同,“额温枪”根据人体发射的红外线辐射能来测定体温,所以也被称作手持红外体温检测仪。
红外额温枪拆解分析
为了更好的了解红外额温枪的技术原理,首先我们来拆解一下这种额温枪,了解其内部结构,拆开后我们会发现,其核心技术在于红外传感器和主控板部分;
红外额温枪结构图▽
红外额温枪技术原理
一切温度高于零度(-273.15℃)的物体都在不停地向周围空间发射红外能量。其辐射特性、辐射能量的大小、波长分布等都与物体表面温度密切相关。反过来,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温的机理。
人体与其他生物体一样,自身也在向四周辐射释放红外能量,其波长一般为9-13μm,是处在0.76-100μm 的近红外波段。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,也就是说,人体向外辐射的红外大小与环境影响无关,只是与人体含存与释放能量大小有关,因此,只要通过对人体自身辐射红外能量的测量就能准确地测定人体表面温度。人体红外温度传感器就是根据这一原理,设计制作而成的。
红外温度传感器
目前市面上的红外温度传感器根据能量转换所用材料不同,主要有以下几种类型:
(1)热释电型:硫酸三甘肽、钽酸锂等
(2)热电堆型:N型和P型的多晶硅
(3)二极管型:单晶或多晶PN结
(4)热电容型:双材料薄膜
(5)热敏电阻型:氧化钒、非晶硅等 其实,这些类型都只是在接收红外能量后,转换方式和材料能效比不同而已。
目前耳、额温枪采用的红外传感器均为热电堆式,基本物理原理是塞贝克效应。
热电堆式温度传感器参数指标:
测量范围:-50℃-100℃;
测量精度:0.1℃以内,±0.1%以内;
工作温度:-20℃-+85℃;
最大测量距离:≦0-50mm(加透镜300-500mm)
输出电压:0-10mV;
热电堆温度传感器最大量程范围可以做到-60℃到+1200℃范围
红外热电堆传感器成品图主要封装形式有两种:TO46(TO18)/TO39(TO5);
红外额温枪芯片
红外温枪核心芯片主要由ADC芯片和控制芯片设计组成,可实现按键控制、LCD显示、电量检测等功能。
红外测温仪的工作过程 :红外测温仪由光学系统、光电探测器信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。被测物体辐射的红外首先进入测温仪的光学系统,再由光学系统汇聚射入的红外线,使能量更加集中;聚集后的红外线输入到光电探测器中,探测器的关键部件是红外线传感器,它的任务是把光信号转化为电信号;从光电探测器输出的电信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
人体额温枪的校准
环境温度:把传感器置于25.00 +/-0.02 度水槽中,等稳定后按下某个键确认,一般耗时30秒。
黑体温度:先把黑体炉调到37.00 +/-0.02度,再把传感器塞入到黑体炉里,等稳定后按下某个键确认。一般耗时20
方案设计和产品生产需要准备什么
1. 壳有几个功能键,分别什么作用
2. 液晶屏需多少个脚
3. 传感器是数字的还是模拟
4. 产品规格:什么样的电池供电,家用还是医用,是否需要校准
生产测试要求
2.工厂有恒温房? 中高低温都可以调
3.是否懂弄散热器? 结构, 光学组件和传感器其中一个出了问题引致不断测试修正也是不明确的因数, 电子设计的工程师不一定能解决不了此些问题.
4.你有临床实验资源?(找医院, 他们有大中小, 发烧不发烧的人, 做一段时间测试数据)
5.如果做医规,你有国内CFDA医疗资质?国外叫FDA和CE Medical (CFDA最快要一年半去审批).
红外额温计设计方案
方案简介
非接触式红外额温计是一种利用现代传感器测量技术、微电子技术等技术手段对被测对象进行温度测量的新型仪器。当红外额温计对准并靠近被测对象至数字接近式传感器检测的有效距离时,按下电源/测量键,并保持若干秒,则红外额温计内部的红外传感器模块就会进行温度采集,并转化为电信号,随之将电信号转换为数字信号,而后通过通信接口传输单片机单片机通过数字温度传感器采集当前环境温度对传输的温度数字信号进行相应温度补偿处理,并把修正后的温度作为当前记录编号存储,同时判断该温度所处的LCD背光范围,从而进行相应的背光显示:(35.0-37.4℃)体温正常绿色背光、(37.5-37.9℃)体温偏高黄色背光、(38-42.9℃)体温超高红色背光,若体温异常同时还会进行“嘀嘀嘀嘀嘀”报警,最后语音播报当前温度。当超过30 秒不使用,自动进入低功耗模式省电。
方案硬件图框
本非接触式红外额温计方案由超低功耗、高安全性的MCU:RJM8L151、电源模块、按键模块、红外传感器模块、温度传感器(模块)、数字接近式传感器模块、环境温度传感器、语音模块、喇叭及LCD显示模块组成,其硬件框图如下所示:
1.微控制器MCU
采用武汉瑞纳捷电子技术有限公司推出的超低功耗、高安全性的RJM8L151系列MCU。该芯片具备出色的运行和待机功耗表现,支持4路IO唤醒芯片,内部集成了12位高精度逐次逼近型ADC、2通道的多功能比较器、定时器、实时时钟(RTC)、看门狗定时器(WDT)、电源可编程电压检测(PVD)、中断控制器、硬件真随机数发生器、AES/DES/SM4硬件加密引擎及通信接口:UATR、SPI、IIC、GPIO、ISO7816、JTAG等模块,具有性价比高、存储容量大、安全性高,功耗低、接口丰富等特点。芯片支持采用KeilUVision或IAR集成开发环境开发调试应用代码。RJM8L151系列安全MCU的硬件框图如下图所示:
2.电源模块
采用2节AAA规格的干电池供电,利用电压转换芯片维持电源模块的输出电压,以保证MCU、红外传感器、数字接近型传感器、语音芯片、LCD屏等模块在电池电压下降的情况下正常稳定工作。
3.传感器模块
A)采用集成红外感应模块,模块包括红外热电堆传感器和专用处理芯片,优点是电路稳定、接口简单、便于调试,不足是价格较高。传感器信号可选用MLX90614、HMS K1C1 F5.5以及10TP583T等,其中举例如下:
红外传感器MLX90614的红外感应部分为81101热电单元, 81101为红外热电堆传感器,其接收目标物体的红外辐射信号,然后通过内部DSP信号处理专用集成芯片MLX90302与17-bit ADC进行信号放大,信号处理等过程,由 PWM或SMBus方式输出(与标准速度IIC兼容)测量精度可达0.2%,测量速度快,低功耗MLX90614支持睡眠模式。数字温度传感器主要用于测环境温度,以便红外传感器作温补提升精度,数字接近型传感器用来检测测温时的有效距离
B)采用热电堆传感器+外围电路,优点是成本较低,不足是小信号放大和处理电路、温度补偿电路需要仔细设计和调试,产品设计周期较长。传感器信号可选用MTP10-B7F55、RTP678等、其中举例如下:
采用桑尼奇的MTP10-B7F55,可以实现快速、高精度测温,其内置NTC可以实现环境温度测量来进行温补以提升精度,其应用方式可以灵活选择,原理如下:
(a)软件温度补偿 (b)硬件温度补偿
(c)模拟接口 (d)数字接口
3.2数字接近型传感器
用来判断被测物体与PIR传感器间的距离,只有在最佳物距比的情况下才启动测量,保证测量数据的准确性,例如TMD26721。
3.3 环境温度传感器
其作用是获取测量时的环境温度,以此从红外温度传感器的测量值中剔除环境温度,得出被测人体温度,对红外温度传感器做补偿。有的环境温度传感器被集成到热电堆传感器中,如MTP10-B7F55。
4.按键模块
设计包含5个独立按键,分别为电源/测量键、SET键、UP键、DOWN键、MODE键,其中前4个键都有休眠唤醒功能。
电源/测量键:按下按键进行休眠唤醒后MCU执行一次温度测量,完成后显示当前温度
SET键:按下按键进行休眠唤醒后,进入功能设置模式,每按1次依次对应以下功能:
F1 显示单位切换:默认为°C,按下UP键则切换为°F,按下DOWM键则切换为°C
F2 语音播报开关ON/OFF:默认开ON,按下UP键则切换为ON,按下DOWM键则切换为OFF
F3 删除温度记录
UP键:从当前温度记录往上翻,直至温度记录32,再翻一次转到温度记录1
DOWN键:从当前温度记录往下翻,直至温度记录1,再翻一次转到温度记录32
MODE键:人体/体表模式切换
5.语音模块
采用用语音芯片WTN1010/VC505来存储语音片段,如‘十点’、‘℃’、‘℉’、‘一’、‘二’、、、‘九’、‘嘀嘀嘀嘀嘀’等,通过选段播放并凑起来形成完整语音,驱动喇叭发声
6.LCD显示模块
采用RFD-TA20001ZT-11来显示当前温度、当前记忆温度、测量模式、电池状态、语音开关状态等信息
方案功能规格
2)测量距离:3~8CM
3)测量模式:人体模式:32.0-42.9℃(89.6-109.3°F)
体表模式:0.0-99.9℃(32.0-211.9°F)
4)测量时间:<6s
5)测量准确度:±0.2℃(35.0°-42.0℃);±0.3C(其他范围)
6)显示分辨率:0.1°C或0.1°F
7)显示单位:℃(摄氏度)与°F(华氏度)
8)支持32组储存记忆
9)支持三色背光显示
体温正常绿色背光(35.0-37.4℃)
体温偏高黄色背光(37.5-37.9℃)
体温超高红色背光(38-42.9℃)
10)支持电池低压显示
11)支持语音播报
12)支持自动关机省电
RJM8L151的优势:
1)超低功耗
多达6种低功耗管理模式可供选择,其中深度睡眠功耗5nA,外部唤醒小于5us并支持4路IO唤醒,Halt模式下功耗低至0.4uA且RAM数据保持等,可大大延长电池的使用寿命。
2)内置PVD可编程电压检测
可以对电池升压后的输入电压实现快速阶段式检测与管理。
3)内置12位高精度逐次逼近型ADC
可以直接对电池进行实时、精确的电压采集以便数字化显示及掌握电池的使用状态。
4)丰富的通信接口
芯片支持UATR、SPI、IIC、GPIO、ISO7816等,对扩展功能而言,外围设备可以有更多的通信方式选择。
5)15位的看门狗定时器
内置有1路15位的看门狗定时器,可用来在系统运行异常或死机的状态下来复位系统,将系统回归正常运行,进一步提升了系统的稳定性。
6)存储器安全
对内部Flash、SRAM等存储单元设计了高强度物理防护电路,有效防止恶意代码窃取和反向分析。

耳温枪数字电路技术
数字处理法原理是将热敏电阻和热电堆的信号转换成电信号经放大,通过A/D转换由单片机釆集数据在内部计算处理可以得到相应的温度值。

集数据在内部计算处理可以得到相应的温度值。
完整电路系统
2、时钟电路
3、复位电路



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