ZS红外测温模快应用说明2.0

ZS Design  Confidential 1  ZS红外测温模组使用说明2.02019.09.10ZS Design  Confidential 2  1目的为更好的解答客户在红外模块产品在设计和应用中遇到的问题，帮助客户快速集成产品缩短研发和上市周期。2红外测温简述温度测量可以分为两类：接触式和非接触式。接触式热电偶、RTD和水银温度计在温度测量应用中虽然也较为普遍，由于测量的是它们自身的温度因此它们必须接触目标，但响应相对较慢，也比较便宜。非接触式温度传感器测量目标发射的红外线能量，它们响应快，通常用来测量移动目标或间歇性目标，真空中的目标，以及测量由于恶劣环境、结构限制或安全隐患而无法接近的目标。水银温度计的内充物是水银，一旦破碎，内含水银就会泄露造成污染，甚至会导致汞中毒。总之，虽然在温度测量中有许多不同方法，红外温度传感器以其独特的优点成为目前医疗上和可穿戴设备温度测量中应用最广泛普遍的传感元件之一。3红外基本原理3.1红外辐射红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围大致在0.76-1000μm之间，对应的频率大致在4×104至3×1011Hz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外4个部分。其中人体的红外辐射波长主要在8-14μm之间。红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度(-273℃)，就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。3.2黑体概念和人体发射率传感器是检测被测物发射的红外强度来计算温度的，在同样温度下，不同材质ZS Design  Confidential 3  的被测物发射的红外强度是不同的，为了表征这种发射能力的差异，引入黑体和发射率概念。‹红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体；‹能全部反射红外辐射的物体称为镜体；‹能全部透过红外辐射的物体称为透明体；‹能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体都属于灰体。1＝α＋β＋γα:吸收率，β：反射率，γ：透射率对于处于热平衡的物体，必然是吸收率=发射率（否则不能持续热平衡）；对人体：Y-=0，所以α＋β=1，也就是说人体的吸收率和反射率的和=1；黑体的发射率=吸收率=1，反射率、和透射率=0；人体的发射率大体在0.95-0.98间，与年龄，肤色等有关系。常见物体发射率表材料名称规格发射率材料名称规格发射率铝氧化0.20-0.40人体皮肤0.98抛光0.02-0.04石墨氧化0.20-0.60铜氧化0.40-0.80塑胶透明度＞0.5mm0.95抛光0.02-0.05黄金0.01-0.10橡胶0.95铁氧化0.60-0.09塑胶0.85-0.95钢氧化0.70-0.90混凝土0.95石棉0.95水泥0.96石膏0.80-0.90土壤0.90-0.98沥青0.95灰泥0.89-0.91陶器0.95砖0.93-0.96木材0.90-0.95大理石0.94木炭粉末0.96纺织品各种0.90漆器0.80-0.95纸颜色0.94漆器无光泽0.97碳胶0.90沙子0.90ZS  肥皂水雪冰44.通量吸收ER—αE0—4.2量4.射Design皂泡主要物理规利用物体红1基尔霍夫1860年，基量密度和吸收体也是好——物体在——物体的——常数，2斯忒藩-玻物体温度越量E为：T——物体σ——斯忒ε——发射3普朗克定绝对温度为射通量密度。不同温度式中Mλ 规律红外辐射来夫定律基尔霍夫在吸收系数之比好的辐射体”在单位面积的吸收系数其值等于黑玻尔兹曼定越高，发射体的绝对温忒藩-玻耳兹射率，黑体定律为T时，在单。时黑体光谱为黑体对波0.75-0.0.930.83-0.0.96-0.来测定物体表在研究辐射传比，对任何”。和单位时间数黑体在相同律射的红外辐射度(K)兹曼常数，体的ε＝1单位波长内谱辐射通量密波长为λ的4 80泥土沙砾90玻璃98纺织表面温度的传输的过程材料都是常间内发射出同条件下发射射能越多，σ＝5.67×其单位面积密度与波长的光谱辐射通土砾餐璃规织品的理论依据来程中发现：在常数。用一句的辐射能射出的辐射在单位时×10-8W/(m积沿半球方长的关系为通量密度；餐具规格来自于以下在任一给定句精练的话射能间内其单位m2·k4)方向所辐射的:C1,C2为Co0.92-0.90.950.85-0.90.95下几个定律。定的温度下话表达，即：位面积辐射的能量称为普朗克辐射onfidential 9692。，辐射：“好的的总能为光谱辐射常数。ZS Design  Confidential 5  5应用问题说明5.1如何使用ZS红外测温模块测量人体温度正常人体体温不是一个具体的温度点，而是一个温度范围。机体深部的体温较为恒定和均匀，称深部体温；而体表的温度受多种因素影响，变化和差异较大，称表层温度。临床上所指的体温是指平均深部温度。一般以口腔、直肠和腋窝的体温为代表，其中直肠体温最接近深部体温。正常值：口腔舌下温度为37℃（范围36.3－37.2℃），直肠温度37.5℃（比口腔温度高（0.3-0.5℃），腋下温度为36.5℃（范围36.0℃-37.0℃）。使用ZS红外测温模块测量人体体温时，如果测额温则建议测量位置为人体额头太阳穴动脉附近，这里的动脉血所辐射出的温度接近人体核心温度；测耳温则建议测量位置为耳道内部，枪头越深入越好，但不要造成不舒服，测儿童时最好将耳朵轻往后上方拉（将耳道拉直）。测量值37.5℃正常37.5℃测量值38℃轻微发烧，预警阶段测量值38℃发烧状态5.2穿戴设备戴在手腕上监测手腕皮肤温度的作用穿戴设备戴在手腕上监测手腕皮肤温度不能代表人体核心温度，原因一：手腕皮肤表面的温度在医学上不能代表人体核心温度，四肢不是医学上认可的测温点；原因二，通过大数据分析，手腕的温度变化受外界环境影响较大，长时间监测显示温度为非线性变化。该测量温度可以作为一项生命体征数据，长时间监控体表温度的变化，超出设定温度的阈值则发出提醒信号。5.3体温测量热冲击问题如果突然从低温发环境进入高温发环境，会对传感器增加一个突发热源，或者是火烤、放入冰箱、风扇对着吹、丢入水中、用手捂住发热、PCB板传感器附近有热源等，这种情况下，传感器会出现短时间内造成传感器热休克，传感器内置的NTC热敏电阻进行补偿会反映不及，达不到到精确测温，这时需要在新的温度环境静置ZS Design  Confidential 6  一段时间，待热平衡后即可精确测温。对于手机产品，由于充电、长时间通话，贴身放置后取出，都有可能造成温度的急剧变化，此时测温精度会受到影响，须静止一段时间后再测量。5.4ZS红外测温模块的抗干扰能力黑夜、白天不会对传感器造成影响。大雾、雨天和粉尘会对测温精度有一定影响，其原因是红外光在透过这些环境是会有一定的衰减，但是其衰减量不会很大，通常情况下，其实际测温精度不会受到太大影响，红外探头也有在消防大雾环境中应用的实例，一般粉尘影响雨天≈大雾。天气变化情况较为复杂，如果温度不是骤变，是环境温度冬暖夏凉、白天黑夜、屋内屋外这种温差缓变的情况下，传感器的测环境温度的电阻会做出补偿，电路也会计算这一个补偿再换算到实际测温数值上，这时天气变化或者环境温度改变不会对传感器造成影响。（0℃-45℃范围都能准确测温）5.5用做温度开关时防抖动当ZS模块用作温度开关时，对应开和关的门限温度要有一定的差距，避免测温本身的波动带来GPIO频繁动作。门限设置应当有至少0.5度的间隔。5.6FOV视角红外测温模块在工作时接收被测物发出的红外辐射，传感器探头有一个确定的接收入射角度（FOV），超出角度范围的辐射无法被传感器接收到。ZS Design  Confidential 7  反之，如果被测物体不能完全充满FOV对应的光斑范围，也就是说还有其它物体落入了测量范围内，将导致测量误差。待测物体大，测量距离可长，待测物体小，测量距离就短。如下图所示，需要确保被测物在FOV夹角内完全覆盖。5.7结构件的重要性ZS红外测温模块的精确高效应用还需要结构件的配合，主要是抗环境干扰，避免周边热源通过反射方式进入红外窗口。结构同时也能起到抗热冲击的作用，防止局部热源对测温精度的干扰，降低出现热休克的概率。具体结构都是根据产品的形态和应用来综合设计的。5.8红外窗口前增加镜片红外窗口前允许添加防水、防尘或者光学用途的镜片，任何镜片都是非理想的，透过率小于1，这样必然导致透过红外能量的损失，也可以看作是红外辐射经过透镜损耗等同于被测物体的发射率降低了。目前能透过人体红外段（8-14μm）的透镜主要有：非晶硅，锗，ZnSe、GaAs、HDPE等。为了提高透过率，一般还要配合增透膜使用。红外辐射经过透过率达到80%左右的透镜后，经过严格的校准操作，ZS Design  Confidential 8  在符合红外测温要求的使用环境下，测温精度依然能够得到保证。5.9模块启动和数据输出启动模块只需上电即可，大概100ms后，模块将自行周期性的输出测温结果，直到掉电停止工作。模块能被主控精确灵活的控制，最大程度节省电源损耗。5.10模块校准红外校准的目的是消除红外传感器个体间的信号输出差异，通过传感器测量恒定温度源（37℃）的输出信号强度来标定该传感器对温度的响应能力。红外信号强度与结构本身紧密相连，必须是对装有红外模块的完整的整机做校准。 具体校准操作可参看《红外校准操作说明》一文。5.11技术服务窗口QQ：437691766WX：xie17867205MP：13817867205请注明：红外