【Maker電子學】非接觸式溫度感測器的原理與應用（上）

Posted By Liang Bird on 2 月 16, 2020 in Maker電子學, 教學文 | 0 comments

先前花了幾次的篇幅聊了 UART 的原理，接下來原本要進入 I2C 或 SPI 等一些更常在電路板上使用的通訊界面，但因爲最近武漢肺炎的疫情持續升溫，全世界都在認真量體溫，因此我想插隊一下，來聊聊耳溫槍、額溫槍等非接觸式的體溫測量技術以及它們所使用的零件。

熱平衡與溫度測量

我們之前聊過溫度測量 IC 以及負溫度係數熱敏電阻等溫度測量元件。這些零件在測量溫度時，測量的是零件本身所在位置的溫度，更精確一點來說，溫度測量 IC 測量的是 IC 內部晶片上面用來偵測溫度的那一個半導體接面的溫度，要量到這個溫度，測量元件必須要和待測環境達到熱平衡狀態。

所謂「熱平衡」，就是 IC 內部的溫度和待測環境的溫度要一樣，不再有熱量的流動。舉例來說，當你將一顆像 LM50 的溫度測量 IC 從室溫放到一杯 100℃ 的熱水中（當然要注意電訊號的絕緣），並持續監測它的讀數，你會發現它的讀值慢慢從室溫上升到 100℃，這個上升的過程代表的是熱量由溫度高的地方往溫度低的地方流動，而當整顆 IC 內部都達到 100℃ 後，熱量不再流動，就達到了測量的熱平衡，我們也才能量到正確的溫度。

由於這種測量方式必須讓感測器與待測環境溫度達到熱平衡，但受限於封裝材料的耐受性與半導體本身的特性，不太可能拿它去測量太高的溫度。以我們之前介紹的 LM50 而言，它測量的上限大概是 150℃，當你要用它去測量 150℃ 的溫度時，你就得老老實實的把整顆 LM50 泡在 150℃ 的溫度中，但其實除了一些非常特殊的製程和零件，世界上能在 150℃ 以上正常工作的半導體元件並不多。

黑體輻射

黑體輻射是一種自然現象，任何物體只要溫度在絕對零度（−273.15℃）以上，就會發射出電磁輻射，而它所發射出來的電磁波頻譜和它本身的溫度有關。

人類其實從史前時代就已經觀察到這個現象，當我們進入青銅時代、鐵器時代，開始冶煉金屬時，被高溫熔融的金屬隨著溫度的不同，會發出紅色、橙色、黃色的光，這就是典型的黑體輻射。

其實在室溫之下，所有的物體也都會發出這樣的電磁波，只是因爲溫度低，黑體輻射的波長很長，落在紅外線的範圍內，因此人眼看不到。

（圖片來源：Bird 提供）

上圖是很典型的黑體輻射頻譜，可以看到物體的溫度在絕對溫度 3000 度、4000 度、5000 度、6000 度時的發射頻譜變化。黑體輻射是個連續光譜，但它的頻譜會有一個高峰，隨著溫度上升，這個高峰的頻率會漸漸往短波長（也就是高頻率）的方向移動，藉由偵測這個頻譜的高峰，我們可以得知發射物體的溫度。

「維恩位移定律」（Wien's displacement Law）正描述著黑體輻射的頻譜峰值與溫度之間的關係。這個定律的數學式非常簡單：

λ_max  = b / T

T 是輻射物體的絕對溫度，b 是比例常數，稱之爲「維恩位移常數」，它的值和單位是 2.8977729 ×10⁶

nm·K，用這個常數和單位算出來的波長，單位就是 nm。舉例來說，室溫 25℃ 時，也就是絕對溫度差不多 300 度時，黑體輻射的峰值頻率會是：λ_max = 2.8977729 ×10⁶/ 300 = 9659（nm）。可見光的波長大概是 400 nm（紫光）到 700 nm（紅光），因此九千多將近一萬 nm 的波長是紅外線，而且是很遠很遠的紅外線。

如果有一種感測器，可以感應這個範圍的遠紅外線，就可以用它來測量溫度。非接觸式的溫度計與熱像儀就是利用這種原理設計的，我們常用的測量範圍大概在絕對溫度兩百多度到六七百度左右，這個範圍的黑體輻射落在數千到一萬多 nm 的遠紅外線（與一般紅外線遙控器 800-900 nm 的波長不同），稱之爲 far infrared（FIR）或是 long-wavelength infrared（LWIR）。

發射率

利用黑體輻射來測量溫度時，有一個很重要的參數叫做「發射率（ε）」，這個參數大概介於 0 到 1 之間，代表物體發射電磁波的能力與理想黑體之間的比值。理想的黑體發射率是 1，而所有其它的物質發射率都小於 1，一般來說金屬的發射率很低，非金屬的發射率較高。下表是一些常見物質的發射率：