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℃。
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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℃）
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32℃~34.9℃ ±0.3℃ 35℃~42℃ ±0.2℃
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（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。
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（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。
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图8. 海外合作厂商生产的红外测温枪
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