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设计攻略:揭开红外线温度感测器设计选型的神秘面纱
 

【作者: Alan Yang】2021年10月18日 星期一

浏览人次:【3956】

红外线温度感测不用接触到物体便可进行温度测量,因此被广泛应用于医疗、工业等领域。红外线温度感测具体该如何设计和选型?本文说明如下:


红外线温度感测器设计很难吗?

其实可以很简单。对于一些数位输出红外线温度感测器,很多非接触式红外线温度感测器厂家,出厂前都已经协助校准好了精度。只需要找一颗MCU透过I2C读取RAM里的资讯就可以了。


有些晶片还会给出调用红外线温度感测器的范例程式。比如Melexis MLX90632,在Git-Hub提供了MCU STM32F070的范例程式,这进一步简化了软体设计的难度。进而可以把更多的精力放到如何减少不必要的杂讯,以及提高测量精度方面的工作。


Digi-Key提供广泛的红外线温度感测器选择范围。


选型要点

选好红外线温度感测器是设计成功的第一步。


距离系数

红外线温度感测器的测温距离多远?如果仅是这么问,还不够准确,可以把红外线温感测器想像成一双眼睛,如果物体很大,即使很远,我们也能看见。所以更准确的衡量标准是「距离系数(D:S)」,亦即感测器到目标的距离D,与在该距离下测温仪测量区域直径S的比值。



图一
图一

一般来说,红外线温度感测器测试到的是测试范围内的温度平均值。因此,为了保证测量效果,尽量使测试目标大于测试范围。



图二
图二

如何计算距离系数

一般温度感测器都会给出视场角度(field of view;FOV)这个参数,即红外线感测器能「看」到的范围。以Melexis MLX90632SLD-DCB-000-RE为例子,以讯号敏感度50%时做为测量标准,FOV为50度,即可推算出距离系数比值。 D:S=1:2tan25



图三
图三

红外线温度感测器筛选

Digi-Key网站提供详细红外线温度感测器的参数可供筛选。在Digi-Key温度感测器这个大类下面,感测器类型选择「数位,红外线(IR)」,「类比,红外线(IR)」,即可得到相应结果。



图四
图四

筛选过程中还有几个比较重要的参数,如检测温度-远端、电源-电压、解析度、输出类型、精度等。其中,「精度」这个参数要特别注意。有些红外线温度感测器,会对某些特殊应用中的特殊温度段作调整。比如,Melexis Technologies NV的MLX90632SLD-DCB-000-RE,精度为摄氏+/-0.2度,这个是针对医疗领域,体温这个温度段所做的调整。



图五
图五

设计技巧

保证红外线温度感测器元件周边温度稳定与相应的温度补偿,往往是设计的重中之重。红外线温度感测器内部结构一般都是大量的热电偶堆叠在底层的矽基上,而热电偶冷端的温度变化直接影响测试精度。因此,尽量让红外线温度感测器远离热源,比如发热的电源晶片,以保证红外线温度感测器周边的温度稳定。


热杂讯

我们常常可以看见直插型的红外线温度感测器都会有一个金属外壳,这个外壳的主要作用便是为了减少热杂讯。没有这个外壳的话,空气的流动带来的热杂讯,可能就会影响精度。因此,对于某些特殊应用,设计建议如下:


1.在金属外壳外面再套一个金属外壳来减少热杂讯。


2.空气是很好的隔热材料,在金属外壳和塑胶盖之间留一定的间隙。


3.尽量杜绝PCB板上的热传导,比如在晶片周围去除不必要的PCB板材来减少热传导路径。



图六 : (source:Melexis)
图六 : (source:Melexis)

热梯度与热源方向

有些红外线温度感测器会做温度补偿功能,来达到降噪的目的。如Melexis MLX90614会对热梯度做出补偿,这时就要特别留意热源的方向,以及红外线温度感测器的放置方向。根据应用手册的要求设计,才能正确地发挥温度补偿的功能。



图七 : (source:Melexis)
图七 : (source:Melexis)

结语

做为测温枪中的核心部件,选好红外线温度感测器是设计成功的第一步。深入了解红外线感测器,并围绕其进行设计,才能事半功倍。


(本文由Digi-Key Electronics提供)


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