【Maker電子學】非接觸式溫度感測器的原理與應用(下)

作者:Bird

上篇文章【Maker電子學】非接觸式溫度感測器的原理與應用(上)我們聊了黑體輻射以及它如何提供足夠的資訊供我們做溫度測量,這次我們來看看實際上有哪些電子零件可以助我們一臂之力完成這件工作。

焦電式紅外線感應器

生活中最常見的遠紅外線感測元件大概就是焦電式紅外線感應器了,常見的人體感應開關(你走過去燈會自己亮的開關)利用的就是焦點式紅外線感應器。

焦電式紅外線感應器(圖片來源:Bird 提供)

焦電效應的英文為 pyroelectric effect,因此這種焦電式紅外線感應器被稱為 pyroelectric IR sensor 或是 PIR sensor(有些人將之稱爲 passive IR sensor,應是誤傳)。焦電材料是一群很特殊的材料,當遠紅外線照射在它上面時,會導致微小的溫度變化,而這微小的溫度變化會在材料上產生電荷的分佈變化,因而產生電的訊號。

焦電材料所產生的電子訊號與「溫度的變化」有關,當溫度(或照射的遠紅外線訊號)沒有變化時,就不會有訊號輸出;正由於這樣的特性,我們可以將它輸出的電子訊號放大很多倍,做成靈敏度非常高的溫度變化感應器,也就是生活中常見的 PIR 人體感應器。

PIR 感應器外面通常會有一個形狀看起來很複雜的透鏡,它是一種「菲涅耳透鏡」(Fresnel Lens)。Fresnel 透鏡是一種很有趣的透鏡,藉由移除透鏡中對光線行進方向不造成影響的部分,同時保留大部分的曲面,來達成和傳統透鏡相近的光學效果,但卻大幅降低了鏡片的厚度和質量。

(圖片來源:Bird 提供)

Fresnel 透鏡通常用在需要很短的焦點(因此原始的透鏡設計會很厚)、對成像要求不會太高的設計上,這是因爲透鏡上的不連續處多多少少仍會對成像品質造成影響;不過 Canon 卻大膽地將這個技術運用在 DSLR 的鏡頭上:EF 鏡頭有兩支標著 diffractive optics 的產品,裡面就利用了 Fresnel 透鏡的技術,將鏡頭的體積和重量都大幅縮小。

PIR 開關爲什麼會需要用到 Fresnel 透鏡呢?因爲它需要將感測視野中的遠紅外線聚焦後,投射到 PIR 感測器的表面,而一般來說 PIR 開關都希望感測視野要很大(所以你一靠近燈就會亮),且由於這個光學成像的焦距非常短,如果用傳統透鏡設計的方法來做,會需要一顆很大且厚重的透鏡,但若用 Fresnel 透鏡來做,就只需要薄薄的一層,因此 Fresnel 透鏡可說是 PIR 感測器的標準配備!

PIR 感測器雖然可以感應到微小的溫度變化,但由於它只能感應變化量,其實沒辦法拿來測量絕對溫度,因此 PIR 並不是我們今天要討論的主角。

熱電堆式紅外線感應器

今天真正的主角是「熱電堆式紅外線感應器」。熱電堆(thermopile)其實是熱電偶(thermocouple)的親戚。熱電偶常被用來測量溫度,當兩種金屬材料有溫差時,金屬的接面會產生電位差,藉由測量這個電位的大小,便能得知兩種材料的溫度差。

熱電偶的訊號一般來說都很小,大概在每度 K 數十個 uV 上下,因此就有人想到將熱電偶串聯起來,讓它的訊號變大,也就形成了熱電堆。

(圖片來源:Bird 提供)

上圖是張熱電堆的結構圖。紅色和藍色分別是不同種類、會產生熱電效應的金屬,在這張圖中我們串聯了四組熱電偶,當上方的測量層溫度因爲入射的遠紅外線輻射照射而上升時,由於參考層的溫度不變,熱電偶產生的訊號強度會開始增加,另外也由於串聯的關係,整個熱電堆產生的訊號強度會是單一熱電偶的好幾倍,因此可以得到更強、更清楚的訊號。

熱電堆式紅外線溫度感測 IC

我們來看一個實際的零件吧!

目前市場上熱電堆式的紅外線溫度感測 IC,主要的來源是 Melexis 這家總部位於比利時的半導體公司。TI 前幾年也曾經推出過 TMP006/007 這兩顆非接觸式的熱電堆式的紅外線溫度感測 IC,但在 2017 年 TI 將之列爲 NRND(not recommended for new design)產品,也就沒有後續相似的產品計劃,目前市場上已經很難買到 TMP006/007 的存貨,但仍然可以買到少量的實驗套件或評估板。

我們以 Melexis 的 MLX90614 這顆熱電堆式紅外線溫度感測 IC 爲例,來說明這種感應器使用時該注意的地方。MLX90614 其實是一整個系列的代號,在它的 datasheet 上有詳細說明不同規格的 ordering code,像是工作溫度、電壓、單區或雙區測量等,以及最重要的:視野的角度。

(圖片來源:Bird 提供)

在選用這種遠紅外線溫度測量感應器時,由於它可以進行遠距的測量,而且距離並不會對測量結果造成太大的影響(我們上次說過,它看的是「顏色」,而顏色並不會因爲距離而改變),因此知道你看了什麼、看到什麼範圍是非常重要的。

如果今天我們設計的是像耳溫槍或是額溫槍這樣非常近距離的測量裝置,那感應器的視野也許不是很關鍵的參數,因爲在很近甚至是緊貼的距離下,不管是什麼視野的感應器,看到的都是一樣的訊號,但如果我們要設計遠距測量的產品,感應器的視野就會是個很重要的設計參數。

我們可以把這種感應器想像成一個攝影機,感應器的視野就是這個攝影機的視野,你甚至可以把視野換算成 35 mm 底片的鏡頭焦距,比方說 35 度視野,對應到的就是 35 mm 相機 70 mm 鏡頭的對角線視野。

視野的重要

在視野角度固定的狀況下,視野的大小與被攝物的的距離遠近有關,如下示意:

(圖片來源:Bird 提供)

遠紅外線溫度計測量的,是整個視野中全部輻射的加權平均值。在最理想的狀況下,我們希望被測物可以涵蓋整個視野,而且測物本身不要有不同位置的溫度差異,這樣測量起來的溫度才會是最準確的,最接近這種概念的設計就是耳溫槍。

耳溫槍用的感應器多半是 40° 到 50° 的視野,在耳溫槍的探頭深入耳道後,它與耳道轉折處的皮膚幾乎是接觸在一起的,因此整個感應器的視野大小非常小。假設探頭與皮膚的距離是 1 mm,感應器的視野角度是 40°,視野的大小可以很容易地用三角函數算出來:

(圖片來源:Bird 提供)

視野大小 = 1 mm * tan(20°)* 2 = 0.7 mm

換句話說,它測量的就是直徑 0.7 mm 這麼一個小圈圈內,所有遠紅外線輻射的加權平均值。人體的溫度在這麼小的面積之內應該是不會有什麼變化,因此測出來的結果會很準確。

但如果我們今天拿著耳溫槍對著 1 公尺外的東西按測量鍵,我們來算算看同樣的視野角度下,1 公尺外的視野大小:

視野大小 = 1 m * tan(20°)* 2 = 0.7 m

也就是說,如果被測物距離耳溫槍 1 公尺遠,它測量的就是一個直徑 70 公分圓裡面所有遠紅外線輻射的加權平均,除非你測量的是一面溫度很均勻的牆,而且它的發射率很接近人體,否則這樣的測量其實沒有任何意義。

一般手持式遠紅外線溫度計,通常是用來做遠距離的測量,因此它的視野就會設計得比較小。

(圖片來源:Bird 提供)

這種溫度計多半會用雷射光打一個紅點,用意是告訴你它現在測量的位置在哪裡,那個紅點是給人看的,和溫度測量一點關係都沒有,而且最重要的是,這個點告訴你的是測量視野的中心,至於視野多大,必須看它的視野角度以及和被測物的距離。

一般這樣的溫度計如果不是告訴你視野角度,就是告訴你「物距比」,所謂物距比是距離與視野大小的比例。假設物距比是 1:12,代表在距離 12 公分處,視野的大小是直徑 1 公分的圓(而雷射光點就是這個圓的中心),如果距離拉到 1.2 公尺,視野就會變成直徑 10 公分的圓,因此如果你要測量的物體小於 10 公分,而你用這麼遠的距離測量,你就會連背景的溫度一起測量進去,得不到正確的數值。

有些比較講究的遠紅外線的溫度計會設計兩個雷射光點,在這個模式下,兩個雷射光點之間的距離就是視野的直徑,這樣的設計可以讓使用者更清楚的知道測量範圍與距離之間的關係,而不會是拿著測溫槍在量一些自己都不知道在量什麼的東西。

回到 MLX90614 的規格上,它的視野有 35°、10°、12°、5° 等不同的型號,我們需要根據被測物的距離來選擇適當的視野角度,以免測到我們不想測量的訊號,像 5° 這個視野角度,換算成物距比差不多就是 12:1,也就是一般手持式遠紅外線溫度計最常設計的視野角度。

我們前面說過,這種感測器測量的溫度是視野範圍內所有遠紅外線輻射的加權平均值,那它怎麼加權呢?Datasheet 中關於視野部分的資料給了我們答案:

(圖片來源:Bird 提供)

這張圖告訴我們,感測器的視野中心感度最高,隨著距離遠離視野的中心,感度會逐漸下降,到了定義的視野邊緣時,對整體訊號的貢獻會降到中心點的 50%,但這邊要特別說的是,並不是離開視野以外的遠紅外線輻射就不會進到感測器,而是它們會以低於 50% 感度的形式參與加權平均。

Datasheet 中有列出不同視野型號的 MLX90614 在視野不同位置的訊號貢獻程度,以視野角度 35° 的 MLX90614xCC 來說,它的詳細響應圖就是:

(圖片來源:Bird 提供)

可以看到在視野邊緣時,訊號的貢獻程度剛好掉到 50%,離開視野之後貢獻程度會快速下降,但不會立刻降到 0,大概要到視野的兩倍左右才會降到 5% 以下,因此在設計溫度感測儀器時,要儘可能讓被測物涵蓋整個遠紅外線感測器的視野,同時也要讓整個被測視野中的溫度一致(因爲原廠沒有針對不同位置加權平均的權值提供詳細的數字,我們很難精密計算在偏離視野中心後,不同溫度讀數對整體測量的影響)。

環境溫度

前面提到,熱電偶或熱電堆測量的是參考接點與測量接點兩處之間的溫度差,因此必須知道參考接點的溫度,才有辦法計算測量接點(也就是遠紅外線照射處)的溫度。爲了要知道參考接點的溫度,這種遠紅外線感測器裡有專用的感測器來測量晶片本身的溫度(作爲參考點的溫度),這個溫度也可以當作感測器本身所在位置的溫度。

在 MLX90614 中的 datasheet 中,TO 代表 object 的溫度,也就是透過遠紅外線輻射測量到的溫度,而 T則是 ambient 溫度,也就是感測器本身位置的溫度。

從熱電堆的訊號及參考位置的訊號計算出輻射溫度是個很複雜的計算過程,幸好 MLX90614 內建的 DSP 已經幫我們完成了這些複雜的計算與校正工作,而且它還有不同的數位濾波器可以套用,可用來濾除不同速度的測量雜訊。

我們只要透過 I2C 界面去讀取 MLX90614 內部的 register 就可以知道環境溫度和待測物的溫度,但其實除了 I2C 界面外,MLX90614 還提供了可以設定的 PWM 輸出,讓使用者可以直接用 PWM 輸出的 duty cycle 來得知被測物的溫度。

詳細的通訊與設定方法,就不再這邊詳述,有興趣的讀者可以參閱 MLX90614 的 datasheet,GitHub 上也有很多開源的 MLX90614 程式碼可以參考。

小結

這次我們很快地介紹 Melexis 的 MLX90614 這顆遠紅外線非接觸式的溫度感測器以及其規格中重要的一些參數。雖然武漢肺炎的疫情導致全球的遠紅外線溫度感測器大缺貨,但這顆感測器和一些相關的實驗板、開發板目前仍不難取得,有興趣的讀者可以自己動手用 Arduino 或其它簡單地 MCU 透過 I2C 連上這顆感測器試試看,體驗一下動手做的樂趣。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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