Раскрываем тайны бесконтактных датчиков температуры

Датчики температуры на основе термоэлементов позволяют измерять температуру бесконтактным способом, что выгодно отличает их от традиционных термодатчиков контактного типа. Данная статья является обзором бесконтактных инфракрасных датчиков температуры и должна помочь разработчикам в использовании всех преимуществ этой технологии
2538
В избранное

Датчики температуры на основе термоэлементов позволяют измерять температуру бесконтактным способом, что выгодно отличает их от традиционных термодатчиков контактного типа. Бесконтактные датчики используют инфракрасное (ИК) излучение и обычно их применяют в таких портативных устройствах как инфракрасные термометры. Еще одной привлекательной областью применения датчиков на термоэлементах является мониторинг температуры подвижных объектов. В этом случае применение стандартных контактных датчиков температуры имеет серьезные недостатки. Данная статья является обзором бесконтактных инфракрасных датчиков температуры и должна помочь разработчикам в использовании всех преимуществ этой технологии.

Структура термоэлемента

Рис. 1. Структура термоэлемента

Датчик изнутри

Инфракрасный датчик на термоэлементах состоит из ряда последовательно cоединенных термопар, "горячие" спаи которых прикреплены к тонкой, специальным образом обработанной пластине кремния, которая выполняет роль абсорбера – поглотителя инфракрасного излучения (рис. 1). В процессе обмена инфракрасным излучением температура абсорбера растет или падает в зависимости от разницы температур между ним и объектом (рис. 2).

Устройство кремниевой линзы/фильтра

Рис. 2. Устройство кремниевой линзы/фильтра

Чтобы температура объекта была измерена точно, он должен полностью перекрывать сектор обзора датчика. Это гарантирует, что воздействующее на термоэлемент (рис. 3) инфракрасное излучение приходит только от объекта измерения, а не от окружающего фона. Кроме того, использование фильтра и линзы значительно повышает качество работы инфракрасных датчиков.

Датчики и модули на основе термоэлементов

Рис. 3. Датчики и модули на основе термоэлементов

Обычный кремний является абсолютно непрозрачным материалом для видимого света, но он прозрачен для излучения с длиной волны более 2 мкм, где располагается большинство спектральных выбросов при температурах ниже 500 К (200°C или 450°F). Поэтому кремний может быть использован для фильтрации видимого и ультрафиолетового (УФ) спектра для предотвращения их влияния на датчик. Для того чтобы увеличить чувствительность датчика (или расстояние, на котором датчик может измерять температуру объекта фиксированного размера), широко используются специальным образом обработанные кремниевые линзы, позволяющие сконцентрировать больше инфракрасного излучения на датчике или ограничить его сектор обзора.

Назначение и возможности датчиков

В настоящее время ИК-датчики на основе термоэлементов могут поставляться с различными линзами/ фильтрами, что позволяет использовать их в приборах разного класса и назначения, начиная от промышленных пирометров и до бытовых устройств. В зависимости от датчика, выходной сигнал может быть представлен стандартным выходным сопротивлением или аналоговым/ цифровым выходным сигналом.

Разнообразные датчики (полезные как для любителей, так и для профессиональных разработчиков), включая изделия в герметичных корпусах из нержавеющей стали и модули с выведенными проводами, сегодня продаются по доступным ценам. Все эти термоэлементы предназначены для дистанционного измерения температуры путем детектирования инфракрасной энергии объекта. Чувствительный термоэлемент, составленный из небольших термопар на кремниевом чипе, поглощает энергию и генерирует выходной сигнал. В комплект приборов входит также источник опорного напряжения в качестве эталона для коррекции.

Датчик TPS334

Изготавливаемый компанией Excelitas детектор TPS334 – это стандартный датчик, который использует пластину размером 0,7 x 0,7 мм2 в качестве абсорбера и термистор на 30 кОм в качестве опорного источника температуры (рис. 4). Круглое окно оснащено инфракрасным фильтром на 5,5 мкм с пропусканием длинноволновой части спектра. TPS334 выпускается в корпусе типа TO-5.

TPS334 (слева) и расположение выводов (справа)

Рис. 4. TPS334 (слева) и расположение выводов (справа)

Датчик A2TPMI

A2TPMI - еще один термоэлемент производства Excelitas. Это универсальный инфракрасный датчик с интегрированной специализированной микросхемой для обработки сигналов и компенсации температуры окружающей среды. Этот интегрированный инфракрасный модуль воспринимает тепловое излучение объектов и преобразует его в аналоговое напряжение. Благодаря внутренней обработке цифрового сигнала и 8-разрядному разрешению внутренних регистров управления A2TPMI имеет повышенную точность регулировки и улучшенные характеристики. Примененная технология E2PROM обеспечивает неограниченное количество изменений в конфигурации. A2TPMI является удачным выбором и для любительских конструкций благодаря интеграции датчика и электроники в компактном корпусе ТО-39. Функциональная схема A2TPMI показана на рис. 5.

Функциональная схема A2TPMI

Рис. 5. Функциональная схема A2TPMI

Датчик MLX90614

Очень популярным инфракрасным термометром для бесконтактного измерения температуры является MLX90614 производства компании Melexis (рис. 6). Он представляет собой сочетание в одном 4-контактном корпусе ТО-39 инфракрасного высокочувствительного детектора на термоэлементах и специализированного стандартного формирователя сигналов. Этот термометр включает в себя малошумящий усилитель, 17-разрядный аналого-цифровой преобразователь и мощный процессор цифровых сигналов. Он откалиброван на заводе-изготовителе с возможностью использования на цифровом выходе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и системной шины управления (SMBus).

Конфигурация выводов MLX90614

Рис. 6. Конфигурация выводов MLX90614*

*Обозначения:

  • Bottom view – Вид снизу
  • Pin name – Вывод
  • Function – Функция
  • Serial clock … – Вход синхросигнала для 2-проводного коммуникационного протокола. На этом выводе MLX-90614Axxx установлен стабилитрон на 5,7 В для подключения биполярного транзистора из состава внешнего источника питания напряжением 8…16 В
  • Digital input/ … – Цифровой вход/выход. В стандартном режиме измерения температуры объекта на этом выводе представлен сигнал с ШИМ. В режиме, совместимом с шиной SM, этот вывод автоматически конфигурируется как открытый сток NMOS
  • Exetnal … Внешний источник питания
  • Ground …  – Общая шина. Металлические части могут соединяться с этим контактом.

Замечания по проектированию

Подключить к микроконтроллерам термоэлементы с последовательным интерфейсом, такие как A2TPMI, не очень сложно. Тем не менее, для датчиков без встроенного процессора (например, TPS334), может возникнуть необходимость в добавлении внешней схемы обработки сигнала на основе высококачественного операционного усилителя с малым уровнем шума, каким является LTC1050/1051. Еще одним экономичным и хорошим вариантом для любительского конструирования является модуль инфракрасного датчика температуры TMP006 производства Texas Instruments (рис. 7). Оригинальная принципиальная схема модуля показана на рис. 8.

Плата с датчиком TMP006

Рис. 7. Плата с датчиком TMP006

Схема TMP006

Рис. 8. Схема TMP006

Эксплуатация и текущее обслуживание

Поскольку датчики на термоэлементах чувствительны к зарядам статического электричества, запасные неиспользуемые датчики должны храниться в токопроводящей упаковке для защиты от статических разрядов и статических полей. Превышение абсолютных максимальных уровней напряжения и подключенный в обратной полярности источник питания повреждают датчик. Кроме того, датчики на основе термоэлементов не должны подвергаться воздействию прямых солнечных лучей или влаги. Будьте осторожны при обращении с этими датчиками и не прикасайтесь к оптическому окну. Жировые выделения кожи, пыль или грязь могут негативно повлиять на работу датчика. В таких случаях оптическое окно (фильтр и линза) следует очищать с помощью спирта и ватного тампона.

Вместо заключения

Возможность считывать температуру объекта, даже не прикасаясь к нему, открывает удивительные перспективы. Инфракрасные датчики на основе термоэлементов обладают наилучшим сочетанием характеристик, включая малый размер, пониженное энергопотребление и малую стоимость конечного прибора для бесконтактного измерения температуры. Правда, их не так легко реализовать, как традиционные контактные измерители температуры.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TMP006AIYZFR
TMP006AIYZFR
Texas Instruments
Арт.: 814534 PDF AN RD
Доступно: 1031 шт.
Выбрать
условия
поставки
Infrared Thermopile Contactless Temperature Sensor in WCSP Package 8-DSBGA -40 to 125
TMP006AIYZFR от 60 шт. от 196,62
1031 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: NV Melexis SA
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MLX90614ESF-DAA-000-TU
NV Melexis SA
Арт.: 1269877 PDF DT
Доступно: 58 шт.
Выбрать
условия
поставки
MLX90614ESF-DAA-000-TU от 1563,90
58 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MLX90614ESF-ACF-000-TU
MLX90614ESF-ACF-000-TU
NV Melexis SA
Арт.: 1340725 ИНФО PDF DT
Доступно: 76 шт. от: 2470 руб.
Features and Benefits Small size, low cost Easy to integrate Factory calibrated in wide temperature range: -40…+125°C for sensor temperature and -70…+380°C for object temperature.…
MLX90614ESF-ACF-000-TU от 2470,00 от 2 шт. 2120,00 от 4 шт. 1910,00 от 8 шт. 1770,00 от 21 шт. 1680,00
54 шт.
(на складе)
22 шт.
(под заказ)
MLX90614ESF-BCI-000-TU
NV Melexis SA
Арт.: 1495058 ИНФО PDF DT
Доступно: 46 шт.
Выбрать
условия
поставки
Инфракрасный датчик температуры с диапазоном измерения -70 ~ 380, с компенсацией нагрева корпуса. Для применения в медицине. Угол зрения: от 5° до 35°. Выход: PWM, SMBus™. Рабочее напряжение: 3 В или 5 В. Точность: ±0.5.
MLX90614ESF-BCI-000-TU от 4880,00 от 2 шт. 4390,00 от 4 шт. 4070,00 от 9 шт. 3870,00
46 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MLX90614ESF-DCH-000-TU
NV Melexis SA
Арт.: 1495059 ИНФО PDF DT
Доступно: 97 шт.
Выбрать
условия
поставки
Инфракрасный датчик температуры с диапазоном измерения -70 ~ 380 , с компенсацией нагрева корпуса. Для применения в медицине. Угол зрения: 12 ° Выход: PWM, SMBus™ Рабочее напряжение: 2.6 V ~ 3.6 V Точность: ±0.2
MLX90614ESF-DCH-000-TU от 4062,92
97 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MLX90614KSF-AAA-000-SP
NV Melexis SA
Арт.: 2202206 PDF DT
Доступно: 92 шт.
Выбрать
условия
поставки
MLX90614KSF-AAA-000-SP от 3332,96
92 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MLX90614ESF-BCF-000-TU
MLX90614ESF-BCF-000-TU
NV Melexis SA
Арт.: 2274884 PDF DT
Доступно: 67 шт.
Выбрать
условия
поставки
MLX90614ESF-BCF-000-TU от 4645,79
67 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MLX90614KSF-ACC-000-TU
NV Melexis SA
Арт.: 2467452
Доступно: 69 шт.
Выбрать
условия
поставки
MLX90614KSF-ACC-000-TU от 4490,65
69 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()