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【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:

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Liang Bird

Author: Liang 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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