新冠肺炎疫情期間,額溫槍成為重要的防疫物資,價格被炒至數倍。這直接影響到上游元件的搶購,尤其是作為其核心的紅外線溫度感測器,更是出現了斷貨情況。

微信群和朋友圈屢屢冒出溫度感測器的求購資訊,與此同時,也就有不法商家利用假冒產品來濫竽充數。EDN China就接到爆料說,有人在利用熱釋電紅外線感測器冒充熱電堆紅外線感測器,並且某狐上還出現了相關的宣傳資訊,真是令人大大跌破眼鏡(《特殊時期,公益人士低價出售PYD5731感測器和德國海曼感測器》)。

但是,在熱電堆紅外線感測器熱銷的情況下,「非常時期是否可以有非常之舉」?EDN China小編想來討論,這裡所說的用熱釋電紅外線感測器PYD 5731改電容的方案是否可行。

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額溫槍設計方案

首先來看額溫槍的設計原理圖。它主要由光學系統、光電探測器、訊號放大器及訊號處理、顯示輸出等部分組成。

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紅外線溫度感測器分類

就紅外線溫度感測器來說,目前市面上的產品根據能量轉換所用材料不同,主要有以下幾種類型:

1.熱釋電型:硫酸三甘肽、鉭酸鋰等;

2.熱電堆型:N型和P型的多晶矽;

3.二極體型:單晶或多晶PN結;

4.熱電容型:雙材料薄膜;

5.熱敏電阻型:氧化釩、非晶矽等。

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據瞭解,市面上的額溫槍方案主要是採用熱電堆紅外線感測器來設計。以下就來看看一般用的熱電堆紅外線感測器和假冒用的熱釋電紅外線感測器在工作原理上有何不同,以及它們各自的應用。

熱電堆感測器

熱電堆感測器的英文名是thermopile,它將溫差轉化為電能的過程,利用的是賽貝克效應(Seebeck Effect)。顧名思義,它是由兩個或多個熱電偶串聯組成,輸出是各熱電偶熱電勢的互相疊加。這樣,使用熱電堆測量溫度時,可以克服單個熱電偶產生的電勢差太小而難以測量的缺點,從而避免使用昂貴的高精準度運算放大器。

20200309NT61P5 熱電堆感測器(MRT-311)。

結構上,輻射接收面分為若干塊,每塊接一個熱電偶,然後串聯起來形成熱電堆。依照用途不同,實用的熱電堆可以製成細絲型和薄膜型,亦可製成多通道型和陣列型元件。

20200309NT61P6 熱電堆結構示意圖。

熱電堆紅外線探測器可配置各種透鏡和濾波器,從而實現在溫度測量、氣體成分的定性/定量分析、醫療設備等多種應用場景中的應用。目前,這種感測器在額溫槍、耳溫槍、智慧家電、燈具開關、食品溫度檢測等領域中獲得了廣泛的應用。

熱釋電感測器

熱釋電感測器中的熱釋電,對應的英文是pyroelectric。它將溫差轉化為電能的過程,利用的是熱釋電效應,即某些晶體,例如鉭酸鋰、硫酸三甘肽等受熱時,晶體兩端會產生數量相等、符號相反的電荷。

20200309NT61P7 熱釋電元件。

熱釋電紅外線線感測器由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗三部分組成;補償型熱釋電感測器還帶有溫度補償元件。為防止外部環境對感測器輸出訊號的干擾,上述元件被真空封裝在一個金屬管內。

20200309NT61P8 熱釋電結構示意圖。

熱釋電材料已廣泛應用於人體感應、安防報警、火焰探測、有害氣體分析等多個領域。除了樓道自動開關、防盜報警應用外,它還在以下領域得到廣泛應用:在房間無人時會自動停機的空調機、飲水機;電視機能判斷無人觀看或觀眾已經睡覺後自動關機的電路;人靠近時自動開啟監視器或自動門鈴;攝影機或數碼照相機自動記錄動物或人的活動……

熱釋電紅外線感測器可用來測體溫嗎?

從上面的介紹中不難看出,熱釋電紅外線感測器主要是用來做運動檢測。網路上有多篇文章指出,熱釋電紅外線感測器很難用來實現體溫測量,因為這種感測器測量的是動態溫差(ΔT/dt),而相比之下,熱電堆測量的是靜態溫差(ΔT)。也就是說,對於熱釋電感測器而言,當有人體出現並停止在其前方時,熱釋電元件表面感應出的電荷會逐漸消失,因此,熱釋電感測器測得的人體溫度是沒辦法準確捕捉。

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就具體的PYD 5731而言,從資料手冊更是可以看出,它還在內部整合了DSP和ADC。也就是說,它直接輸出數位訊號,而不可能在後端透過修改電路來實現功能上的改變(因此也就跟電容沒半點關係)。而且該資料手冊也明確指出,其應用包括:中距離運動檢測(帶透鏡)、節能應用、入侵報警,以及水準安裝應用。

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不過,小編也查到有人在研究用熱釋電原理測體溫,但是需要從感測器本身做改變。例如,有網友就指出,普通的人體紅外線感應頭採用的是雙視窗差分法檢測運動的人體,在感測器硬體上已經是做成這樣了,一般是不能用來檢測靜態人體。而有文章就指出,可以透過導入光學斬波器,週期性地關閉入射輻射,來同時檢測靜態和動態人體。

綜上所述,小編認為,用熱釋電紅外線感測器冒充熱電堆感測器純粹是因為它們外觀相似而已。而「PYD 5731熱釋電感測器透過改電容達到測溫目的」的說辭,只不過是配合著做的虛假宣傳罷了!

本文為EDN China原創文章