紅外熱電堆傳感器原理

2020年新冠疫情牽動著舉國上下的心，同時也讓紅外測溫儀迅速成為了炙手可熱的產品，湧出巨量的需求，並吸引越來越多的廠家切入這個產品市場。

那麼，紅外測溫儀的原理？測溫的關鍵器件如何選型？以及如何快速和準確設計開發，這些都是相關人員關心的問題。這次，小編精心整理了若干，希望對各位有用。

熱電堆傳感器原理

任何物體只要在絕對零度以上時，都會以一定的波長向外輻射能量，只是在低溫段的輻射能量很弱。常溫下，自然界的所有物體都是紅外輻射的發射源，只是紅外輻射的波長不同。

非接觸式測溫傳感器就是利用物體的輻射能量隨溫度而變化的原理製成的。

紅外熱電堆傳感器將吸收的紅外輻射轉化為熱能，並把溫度變化轉化成電子信號，放大顯示出來。熱電堆作為一種非接觸紅外測溫傳感器，不需要直接接觸被測物體就可以快速測得物體表面溫度，可以測量高溫的、危險的或移動的物體，且不會汙染或損壞被測物體。

目前，它在額溫槍、耳溫槍、智能家電、燈具開關、食品溫度檢測等領域中獲得了廣泛的應用。

熱電堆是基於賽貝克效應機理，兩種具有不同塞貝克係數的材料相互串接構建的閉環迴路(即一對熱電偶)，兩串接處中溫度較高的一端通常被稱作「熱結」，較低的一端被稱作「冷結」，材料中載流子沿著溫度梯度降低的方向移動，引起電荷積累在冷結處，此時迴路中便有熱電勢產生。

據潤石科技整理，目前市面上常見的模擬輸出式熱電堆傳感器有十幾個品牌，主要型號和參數參考表1：

表1：各品牌熱電堆傳感器主要型號和參數

熱電堆傳感器關鍵器件

因為被測物體每變化 1°C，熱電堆傳感器輸出僅僅增加50uV~100uV，這樣0.1°C 解析度對應的輸出電壓變化只有5uV~10uV，所以選擇熱電堆探頭最好選用高靈敏度的。

正是因為熱電堆傳感器輸出的信號如此微弱，使得經放大後的電壓誤差也需要很小，只有零漂移自穩零類型的運放，才能滿足信號的放大調理。這類運放內部有一個主放大器，還有一個輔助的放大器，用於每隔 us 級別的時間間隔自動校準失調電壓，還有Clock 時鐘同步電路，以實時保證失調電壓為最小值，特別適用於甚低頻信號的放大調理。

目前市面上常見的高精度零漂移運放有如下一些型號，參考表2：

表2：高精度零漂移運放主要型號和參數

下圖是一個已經在某款紅外測溫儀上量產出貨的電路，研發工程師可以直接採用：

潤石科技資深FAE凌德輝提醒，如果要實現額溫槍的精度為±0.3°C 以內，那麼熱電堆在0.3°C 產生的電壓僅為15uV~30uV，意味著運放的最大失調電壓值都不能大於15uV~30uV。

另外，為了提高熱電堆探頭輸出的信噪比，熱電堆內部等效的電阻值也是關鍵因素之一，電阻的阻值越大，其輸出熱噪聲就會相應更大。

而熱電堆傳感器內阻為100kΩ 左右，屬於比較大的電阻，這樣要求運放的輸入偏置電流必須是pA 級別的才能減少帶來的誤差，所以運放只能是CMOS 架構的。運放的反饋電阻需要並聯一個100nF 電容，把整個電路的帶寬限制在10Hz 以內，充分降低放大電路的輸出噪聲。最重要的是運放的1/f 噪聲，需要選用5uVpp 以內的以提高信噪比。

隨著新冠疫情在世界範圍內的爆發，紅外測溫儀的需求量也將不斷增加，如何快速規避技術難點，提升方案開發速度，快速出貨是關鍵。