ТЕПЛОВОЕ ЗРЕНИЕ: МАТРИЧНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ДАТЧИК GRID-EYE ОТ PANASONIC

Матричные инфракрасные датчики Grid-EYE от Panasonic

Рис. 1. Матричные инфракрасные датчики Grid-EYE от Panasonic

Всем известен прибор для бесконтактного измерения температуры – пирометр. В общих чертах принцип его работы достаточно прост. Чувствительный элемент фиксирует тепловое излучение объекта, которое, как правило, лежит в области инфракрасного диапазона, а по мощности этого излучения определяется температура.

Другим примером приемника теплового излучения являются термостолбики, которые представляют собой последовательное соединение множества термопар. Если мощность теплового излучения меняется, то термопары формируют электрический сигнал, который можно использовать для определения температуры объекта.

У обоих приведенных приемников есть одна общая особенность – они имеют четкую направленность. Чтобы получить многоточечное тепловое изображение придется создать матрицу таких приемников. Долгое время это было бессмысленно из-за больших габаритов каждого из предложенных устройств. Однако на помощь разработчикам пришли новые технологии в виде МЭМС-датчиков. Компания Panasonic сумела создать сенсорную панель в виде матрицы миниатюрных термостолбиков 8x8.

Матрица датчиков формирует тепловое изображение (рис. 2). Каждому пикселу этой картинки соответствует значение температуры поверхности, попавшей в область зрения датчика. По перемещению источников тепла можно судить о передвижении объектов. Таким образом, получается не что иное, как система теплового зрения!

Использование матрицы чувствительных элементов для получения теплового изображения

Рис. 2. Использование матрицы чувствительных элементов для получения теплового изображения

Компания Panasonic выпустила серию датчиков Grid-EYEAMG88xx, использующих данную технологию (рис. 3).

Внешний вид матричного инфракрасного датчика AMG88xx от Panasonic

Рис. 3. Внешний вид матричного инфракрасного датчика AMG88xx от Panasonic

AMG88 – гибридная сборка в металлокерамическом корпусе. Она включает в себя ряд ключевых компонентов (рис. 4): оптическую линзу, керамическое основание, детектор ИК-излучения в виде МЭМС-матрицы 8x8, термистор, цифроаналоговую интегральную микросхему для обработки сигналов с матрицы и управления.

Конструкция и функциональная схема AMG88

Рис. 4. Конструкция и функциональная схема AMG88

Принцип работы AMG88 выглядит следующим образом (рис. 4). Кремниевая линза направляет поток ИК-излучения на чувствительную матрицу датчиков. При этом угол обзора каждого сенсора равен примерно 7,5º. Общий угол обзора AMG88 составляет 60º.

Поток ИК излучения, поглощаясь датчиками матрицы, преобразуется в термо-ЭДС. Далее сигналы с помощью мультиплексора подаются на усилитель. После этого происходит оцифровка данных и формирование теплового изображения с помощью методов цифровой обработки сигналов.

Стоит отметить, что сенсоры имеют некоторую погрешность при изменении температуры окружающего воздуха. Для учета этого явления предусмотрен внутренний датчик – термистор. Его показания также оцифровываются с помощью АЦП.

После обработки пользователю доступно тепловое изображение. Частота формирования кадров может варьироваться от 1 до 10 кадров/с.

Обмен с AMG88 производится с помощью быстродействующей шины I2С.

В результате работы с AMG88 в распоряжении у пользователя оказывается картина распределения температуры с разрешением 8x8. Каждый пиксел определяет температуру объектов в рамках угла зрения соответствующего сенсора матрицы. Точность измерения зависит от коэффициента усиления внутреннего усилителя. Для моделей High gain с большим коэффициентом усиления она составляет ±2,5 °C. Для моделей Low gain с малым коэффициентом усиления ±3,0 °C. Однако модели Low gain отличаются расширенным диапазоном рабочих температур -20…100 °C.

Существуют версии AMG88 с напряжением питания 3,3 В и 5 В.

Стоит пару слов сказать о потреблении датчиков Grid-EYE, так как это важный аспект в условиях современной малопотребляющей электроники. Для минимизации токов потребления применяются несколько рабочих режимов.

Активный режим работы (normal mode) подразумевает обычную работу AMG88 с частотой кадров 1…10 кадров/ с. В этом режиме потребление составит 4,5 мА.

Режим с периодическими пробуждениями (stand-by mode). В этом случае AMG88 «просыпается» каждые 10 с или 60 с, делает снимок и вновь уходит в спячку. При этом средний ток уменьшается до 0,8 мА.

Режим глубокого сна (sleep mode), в котором AMG88 полностью неактивен, это позволяет снизить ток до 0,2 мА.

В настоящий момент серия AMG88 включает четырех представителей:

AMG8831 – датчик с высоким усилением сигналов датчиков матрицы (High gain), повышенной точностью измерений ±2,5 °C, рабочим диапазоном температур 0…100 °C и напряжением питания 3,3 В.

AMG8851 – датчик с высоким усилением сигналов датчиков матрицы (High gain), повышенной точностью измерений ±2,5 °C, рабочим диапазоном температур 0…100 °C и напряжением питания 5 В.

AMG8832 – датчик с низким усилением сигналов датчиков матрицы (Low gain), точностью измерений ±3,0 °C, расширенным рабочим диапазоном температур -20…100 °C и напряжением питания 3,3 В.

AMG8852 – датчик с низким усилением сигналов датчиков матрицы (Low gain), точностью измерений ±3,0 °C, расширенным рабочим диапазоном температур -20…100 °C и напряжением питания 5 В.

Очевидно, что AMG88 могут применяться как датчики температуры и как датчики движения в самых разнообразных системах:

  • системы безопасности (датчики проникновения, движения, присутствия людей и т.д.);
  • бытовая техника (микроволновые печи, системы обогрева, кондиционеры и т.д.);
  • медицинское оборудование (датчики положения и присутствия пациента, датчики движения и т.д.);
  • системы освещения (автоматические включатели света, датчики присутствия и т.д.);
  • промышленность (системы контроля за технологическими процессами, бесконтактное определение температуры подвижных объектов и т.д.).

Чтобы не быть голословными, приведем конкретные примеры использования Grid-EYEAMG88 (рис. 5).

Примеры применения датчика AMG88

Рис. 5. Примеры применения датчика AMG88

Контроль температуры комнаты кондиционером. AMG88 дает возможность не только получать значение средней температуры воздуха, но и ее распределение по комнате. Используя систему подвижных шторок для управления направлением потока воздуха, можно обеспечить более равномерное распределение температуры в помещении.

Микроволновая печь. Если получать оперативную информацию о распределении температуры еды в камере печки, можно обеспечить ее более равномерный прогрев за счет управления скоростью вращения.

Характеристики матричных датчиков Grid-EYE AMG88xx:

  • размер матрицы: 64 пиксела (8x8);
  • общий угол обзора: 60°;
  • точность измерения температуры датчиками матрицы: ±2,5 °C (модели AMG8831 и AMG8851); ±3,0 °C (модели AMG8832 и AMG8852);
  • разрешение при измерении температуры датчиками матрицы: 0,25 °C;
  • разрешение температуры термистора: 0,0625 °C;
  • частота кадров: 1…10 кадров/ с;
  • коммуникационный интерфейс: I2C;
  • напряжение питания: 3,3 В (модели AMG8831 и AMG8832); 5 В (модели AMG8851 и AMG8852);
  • потребляемый ток: 4,5 мА (normal mode); 0,8 мА (stand-by mode); 0,2 мА (sleep mode);
  • диапазон рабочих температур: 0…100 °C (модели AMG8831 и AMG8851); -20…100 °C (модели AMG8832 и AMG8852);
  • диапазон температур хранения: -20…100 °C;
  • габаритные размеры: 11,6 x 4,3 x 8,0 мм.

О компании

Panasonic Corporation – один из крупнейших и старейших производителей в области машиностроения и электроники. История компании началась в 1918 году.

Сейчас Panasonic известен как производитель готовых решений (бытовая техника, медицинское оборудование, телекоммуникационное оборудование, персональные компьютеры и т.д.), электронных компонентов (пассивные компоненты, датчики, аккумуляторы, реле, полупроводниковые компоненты), электромеханических изделий (двигатели, компрессоры и т.д.) и другой продукции.

Авторы: Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Тип статьи:
Авторская
0
13.02.2016
668

Комментарии

Нет комментариев. Ваш будет первым!

Будь в курсе новостей!

Раз в неделю мы отправляем дайджест с самыми популярными статьями.