技术干货 | 红外测温枪准不准？其工作原理是什么？一文了解

　　近几年来，非接触人体红外测温枪，如图1所示，在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大。比起接触式测温方法，红外测温枪有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。

　　图1. 红外测温枪示意图

　　晶华微在红外测温领域耕耘5年，有上百个成熟稳定的解决方案，凭借单芯片方案，如图2所示，性价比高，算法先进、稳定，生产效率高等优势，已与全国几十家规模化生产的知名厂商保持长期稳定的合作。本文讲述基于晶华微SD8709芯片的人体红外测温枪解决方案，典型应用图，如图3所示。

　　图2. 红外测温方案结构图

　　图3. SD8709红外测温枪典型应用图

　　一、 工作原理

　　红外测温枪方案由传感器（热电堆及热敏传感器）、聚光及散热结构、测量芯片基本组成，如图4所示。

　　图4. 红外测温枪探头结构示意图

　　1. 传感器由热电堆及热敏电阻组成：

　　热电堆可接收红外线并转换成小电压输出，输出电压值是由目标物的温度及传感器内部温度来决定。其中，输出电压根据传感器的不同而有所区别，如某传感器：输出电压340μV±30%（@黑体温度：500K，黑体尺寸：0.5″，传感器与黑体的间距：120mm，传感器环境温度：298K）；输出电压260μV±30%（@黑体温度：37℃，环境温度：25℃），热电堆电阻75±20kΩ（@25℃）（内阻51kΩ~350 kΩ都有））

　　热敏电阻（NTC，一般100 kΩ）用于监测传感器内部的温度，用以计算目标温度。

　　一般传感器输出小电压为每度变化100μV左右（每度是指37和38度的变化），而热电堆的内阻为100k左右。

　　2. 聚光及散热结构：

　　一般红外测温枪会用聚光结构，如图5所示，以增加测量距离，并用大型散热器以减少外界温度变化的影响，使传感器内部温度稳定及均匀。

　　有些用透镜的筒形，类似于工业枪的结构设计，如图6所示，会影响传感器的输出特性，需要软件大量修正。而且信号较弱，造成重复性欠佳，一致性及温漂比较难达要求，不建议采用。

　　结构设计不合理会造成各种问题，所以非常关键。

　　图5. 红外测温枪聚光结构

　　图6. 红外测温枪筒形结构

　　3. 测量芯片：

• 　　模拟部分

　　为了保证重复性，仪表放大器（PGIA）需要达到以下要求：

　　（1） 低输入噪声：1μVpp；

　　我们软件典型配置如下：

　　100kΩ参考电阻：Vn（rms）=3640nV，ENOB=18.3bits （f（s）= 8kHz，OSR=128，即62.5sps，AVDDR=2.4V，V（ref）=1.2V，SINC3，Gain=1）。

　　100kΩ NTC：Vn（rms）=3640nV，ENOB=18.3bits （@f（s）= 8kHz，OSR=128，即62.5sps，AVDDR=2.4V，V（ref）=1.2V，SINC3，Gain=1）。

　　热电堆：Vn（rms）=49nV，ENOB=17.9bits （@f（s）= 8kHz，OSR=256，即31.25sps，AVDDR=2.4V，V（ref）=0.6V，SINC3，Gain=100）。

　　（2） 低输入电流：10pA@0℃~50℃。

　　（3） 低增益温漂：50nV/℃。

　　为了保证分辨率，ADC的无噪声分辨率大于16bits。

• 　　多通道

　　可测量热电堆及NTC。

• 　　数字部分

　　（1） LCD/LED显示。

　　（2） MCU软件校正、运算和控制。

　　（3） 支持UART、I2C和SPI等通信接口。

　　晶华微是国内唯一长期稳定的SoC供应商，外围电路简单，故障率低，可靠度高。

　　二、 生产情况

　　1. 生产条件：

　　生产及前期测试需要恒温房间，在25℃±1℃校正。而前期测试需要高低温环境（16℃~35℃）做温漂测试。（16℃~35℃，是指恒温房的要求，即工作环境温度，有些要求10℃~40℃，产品要保证精度，就要做测试，有误差就要修表。这个温度只是开发时测试，生产只在25℃，很多客户只测到30多摄氏度，但说明书写40℃）

　　校正及测试需要高精度水槽配黑体，精度要求在±0.02℃，可制冷。

　　校正需要两台水槽式黑体（35℃和41℃）。

　　2. 产品精度要求：

• 　　 32℃~34.9℃ ±0.3℃

　　35℃~42℃ ±0.2℃

　　42.1℃~43℃ ±0.3℃

• 　　工作环境温度10℃~40℃
• 　　 环境温度变化10℃，测温枪要1分钟内稳定。
• 　　 要通过EMI和ESD测试要求。

　　3. 误差原因：

• 　　 传感器一致性问题。
• 　　校正误差：

　　（1） 水槽精度误差；

　　（2） 传感器有积热现象（黑体或手温造成传感器内部温度不均匀），校正期间受黑体温度影响；

　　（3） 传感器校正期间受手温影响；

　　（4） 因校正者的操作习惯而导致误差。

• 　PCB漏电，通常受环境温湿度影响而改变。

　　三、 开发流程

• 　　晶华微提供一站式软硬件支持，根据客户传感器特性和PCB尺寸定制方案，如图7所示。
• 　　提供测试表格给客户进行现场测试。
• 　　根据测试结果做修正及温度补偿。
• 　　必须使用完整仪表进行数据测试

　　注：

　　（1） 因结构可能会影响传感器的温度特性，所以必须要测试数据。

　　（2） 若结构对传感器没影响的情况下（视角不被遮挡，电镀理想），不同型号传感器经校正后或许可以满足精度要求，但要求高者最好针对个别型号测试及修正。

　　图7. PCB电路板

　　四、 方案优势

• 　　 晶华微是国内极少数拥有红外测温芯片研发及应用方案开发能力的IC设计公司。
• 　　 耕耘红外测温领域5年，有上百个成熟稳定的解决方案。
• 　　 连续3年大规模量产发货。
• 　　与全国几十家规模化生产的知名厂商保持长期稳定的合作。
• 　　单芯片方案，节省外围器件，性价比高。
• 　　算法先进、稳定，生产效率高。

　　一直为海外德国、瑞士等知名厂商大量供货，如图8所示。

　　图8. 海外合作厂商生产的红外测温枪

　　五、 芯片介绍

　　SD8709是高精度 24 位ADC的SoC产品，外围资源丰富：RTC，可选的多种稳压电源输出，灵活设置的 PGIA 模块，升压模块，UART、I2C、SPI、TIMER、PWM/PDM、PFD、CAPTURE 输出模块，LCD 驱动等。

　　本产品带 16k Bytes OTP，可以低压自烧录，烧录电压范围：2.4V~3.6V，OTP可以替代EEPROM 使用。

　　超低功耗设计，典型应用时整个芯片的工作电流约为 1mA（IAD=0）或 1.5mA（IAD=1）。提供三种工作模式：正常工作模式、待机模式和休眠模式。

　　芯片特点：

• 　　8位RISC超低功耗MCU，16kBytes OTP程序存储器，512Bytes SRAM数据存储器。
• 　　集成多种时钟振荡器，可灵活选择，选择外部晶振时，支持停振检测功能。
• 　　高精度 ADC，ENOB=18.8bits@8sps，差分 2通道或单端 4 通道，输出速率可选。
• 　　 ADC 外部基准与内部基准可选，内部集成多种基准选项。
• 　　低噪声高输入阻抗前置放大器，1、12.5、50、100 和 200 倍增益可选。
• 　　24SEG×4COM 液晶驱动电路，超低功耗和大驱动能力设计。
• 　　低压烧录功能，可以替代外部 EEPROM。
• 　　内有硅温度传感器，可单点校准。
• 　　丰富的外围资源：UART，I2C，SPI，PWM/PDM，PFD，TIMER，CAPTURE，RTC。
• 　　灵活的电池检测功能，检测范围 2.0V~3.3V；掉电检测电路和上电复位电路。
• 　　工作电压范围：2.4V~3.6V；工作温度范围：-40℃~ 85℃。