【Maker電子學】非接觸式溫度感測器的原理與應用(上)

作者:Bird

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:

λmax  = 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:λmax = 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:

(圖片來源:Bird 提供)

可以看到金屬與非金屬之間的黑體輻射發射率有非常大的差異,以銀來說,它的發射率只有理想黑體的五十分之一,因此在同樣溫度之下它所輻射出來的黑體輻射就只有理想黑體的五十分之一。

在使用各種利用黑體輻射測量溫度的非接觸式溫度計時,如果你想要得到準確的溫度讀數,發射率的設定非常重要,這邊我們以 Fluke 的紅外線像儀爲例:

(圖片來源:Bird 提供)

上圖中的發射率設爲 0.95,因此所有的溫度計算都會以 ε=0.95 去計算。來看下面實驗,我們用電源供應器去加熱一個很大顆的繞線電阻:

(圖片來源:Bird 提供)

通電之後這個電阻的溫度會開始上升,如果加熱的功率不變,它的散熱量與環境的溫度差達到平衡後,溫度就不會再上升,我們來看看此時的熱影像:

(圖片來源:Bird 提供)

從熱影像中可以看到,這個繞線電阻的中央是主要的熱源,且整顆電阻凸顯於背景的溫度之中,但畫面中貼在電阻表面的金屬環卻很明顯有不一樣的溫度讀值,某些地方的讀值甚至遠低於電阻表面的溫度,而接近環境的背景溫度。

事實上這就是發射率錯誤造成的影響。由於這個電極是鍍鎳的鐵片,而鎳的發射率只有 0.03 左右,因此如果用 0.95 的發射率去轉換,金屬的溫度就會被嚴重低估,加上遠紅外線的特性跟可見光很像、金屬表面也會反射遠紅外線,因此在某些特定角度下的金屬表面會看到全反射且來自其它方向的熱影像。

圖中框起來的兩塊紫色區域,就是金屬表面反射了來自其它方向的訊號,反而金屬本身的輻射是測量不到的(圖片來源:Bird 提供)

用黑體輻射來看溫度時,我們測量的是物體表面的溫度,更精確一點來說,我們看的是物體表面的材質所造成的黑體輻射,至於它裡面是什麼材質,一點都不重要,因此當我們要用黑體輻射測量金屬的溫度時,如果不想大幅校正發射率,有一個很簡單的做法—貼膠帶。

一般電工常用的 PVC 絕緣膠帶的發射率大概是 0.97,相較於金屬的發射率,膠帶顯然更接近黑體;由於膠帶很薄,將它貼在待測金屬上時,它和待測物幾乎不會有什麼溫差,因此膠帶上的輻射就會非常接近待測物體的溫度。

利用黑體輻射來測量溫度的另一個好處就是可以遠距測量,而且測量的結果與距離無關。由於我們看的是黑體輻射的頻率峰值,換句話說我們是在看它的顏色,當距離遠時,你會看不清楚,但不會看到不正確的顏色,因此在發射率設定正確的情況下,我們可以從很遠的距離得到正確的溫度測量,這對一些惡劣環境下 (像是鍊鋼爐)的溫度測量非常方便。

小結

這次我們簡單聊了黑體輻射,以及利用黑體輻射發出遠紅外線來測量溫度的原理,下一回我們再來看看實際上有哪些零件可以利用這個原理來設計出非接觸式的溫度測量儀器。

(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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