Бесконтактные ИК-термометры и тепловизионные матрицы MLX90614 и MLX90640

Как ИК-термометр меряет температуру

Любое тело излучает тепловую энергию, тем больше, чем выше его абсолютная температура. Melexis записывает теплообмен излучением между датчиком и предметом через закон Стефана — Больцмана (MLX90614, разд. 5.8):

где ε — излучательные способности, α — поглощательная способность датчика, σ — постоянная Стефана — Больцмана, A — площади, F_a−b — коэффициент формы, T — абсолютные температуры. Датчик знает собственную температуру (у него встроен откалиброванный датчик кристалла) и по потоку находит температуру объекта.

Перед термобатареей MLX90614 стоит длинноволновый фильтр с полосой пропускания 5,5–14 мкм: он отсекает видимый свет и ближний ИК, чтобы на результат не влияли солнце и освещение (исключения — исполнения xCH и xCI с непокрытой кремниевой линзой).

Излучательная способность

Излучательная способность ε показывает, какую долю излучения абсолютно чёрного тела той же температуры даёт поверхность. Для непрозрачного в ИК материала её дополняет отражательная способность: ρ = 1 − ε (сумма излучательной, отражательной и пропускательной способностей равна 1). Поверхность с малой ε излучает мало и отражает излучение окружающих предметов, и датчик не может отделить одно от другого. Melexis приводит типичные значения (разд. 5.8):

Отсюда два правила: «чёрное на вид» не обязательно чёрное в ИК — даже сильно окисленный алюминий имеет ε всего 0,30; и чем больше разница температур предмета и окружения при данной отражательной способности, тем больше ошибка. Металлические детали меряют через пятно краски или матовой ленты с известной ε.

MLX90614 хранит ε в ячейке EEPROM 0x04 как round(65535 · ε), по умолчанию 0xFFFF (ε = 1,0); допустимо 0,1…1,0. Например, для ε = 0,95 — 62 258 = 0xF332 (наш расчёт). Ячейку перед записью стирают (пишут 0), запись занимает 5 мс. Melexis описывает смену коэффициента в отдельной инструкции и предупреждает, что ячейки 0x04, 0x0F и 0x19 нельзя менять произвольно, иначе заводская калибровка теряет смысл, — поэтому ε меняют строго по методике производителя.

Поле зрения и размер пятна

Поле зрения (FOV) Melexis определяет так: точечный источник тепла обходят по дуге, и полный угол между направлениями, где чувствительность падает до 50 % от максимума, — это FOV (MLX90614, рис. 27; MLX90640, рис. 24). За этими направлениями чувствительность не нулевая, поэтому пятно по формуле

— оценка снизу: часть сигнала приходит из кольца вокруг него. Чтобы фон не влиял, предмет берут заметно больше расчётного пятна.

Если предмет меньше пятна, в среднее попадает фон, и показание сдвигается к его температуре. Для MLX90640 Melexis прямо оговаривает: точность действительна, только если объект целиком заполняет поле зрения (разд. 12.1).

Тепловые градиенты

Точность датчика гарантирована только в тепловом равновесии, когда по его корпусу нет перепада температуры. Горячая электроника позади датчика, нагреватель или охладитель рядом, горячий или холодный предмет вплотную нагревают не только чувствительный элемент, но и корпус — и показание уходит. Сильнее всего это сказывается на исполнениях с узким полем зрения (xxI, xxF, xxK): от объекта приходит меньше энергии. В исполнениях xCx градиент измеряется внутри и компенсируется, но не полностью (MLX90614, разд. 1). Практические меры:

• держать датчик подальше от стабилизаторов, процессора и силовых элементов, не прижимать к тёплой плате;
• не допускать резких перепадов: после включения или переноса дать датчику прийти в равновесие;
• металлический корпус MLX90614 соединять только через VSS — Melexis не рекомендует других электрических соединений с ним по причинам ЭМС и изотермичности;
• держать окно чистым: загрязнение фильтра даёт неизвестную дополнительную фильтрацию и ошибки (разд. 5.7);
• следить, чтобы в поле зрения не попадали края отверстия в корпусе прибора: они тоже излучают.

MLX90614: одна точка по SMBus

MLX90614 — термометр в корпусе TO39 с четырьмя выводами: термобатарея, малошумящий усилитель, 17-битный АЦП и процессор обработки. С завода он откалиброван и выдаёт готовую температуру.

Исполнение по напряжению видно по букве в обозначении: Axx — 5 В, Bxx — 3 В. Режим сна есть только у 3-вольтового исполнения. Исполнение на 5 В можно питать от 8–16 В с внешним транзистором через встроенный стабилитрон 5,7 В на выводе SCL/Vz (разд. 5.5), но тогда шина работает, только если на VDD принудительно поданы стабилизированные 5 В.

Шина. SMBus совместима с I²C по уровням и форме обмена, но с двумя отличиями, которые важны для MLX90614: частота такта — не ниже 10 кГц и не выше 100 кГц, а низкий уровень на SCL дольше 27–33 мс сбрасывает обмен по таймауту. Значения подтяжек подбирают по ёмкости линий в калькуляторе подтяжек I²C. Выводы SDA и SCL имеют диоды на VDD, поэтому неработающий, обесточенный датчик нагружает шину — его нельзя оставлять без питания на общей шине с другими устройствами (разд. 5.1). Адрес хранится в EEPROM (ячейка 0x0E), так что на одну шину можно поставить до 127 датчиков, предварительно назначив каждому свой адрес; двух с одинаковым адресом на шине быть не должно.

Регистры. Команда — это адрес ячейки с префиксом: 000x xxxx — RAM, 001x xxxx — EEPROM, 0xFF — уход в сон. Температура датчика — в RAM 0x06, объекта — в RAM 0x07 (у двухзонного — ещё 0x08). Чтение слова идёт младшим байтом вперёд, за ним байт PEC — контрольная сумма SMBus.

Пересчёт. Единица кода — 0,02 К, старший бит — флаг ошибки:

Пример из даташита: 0x3AF7 = 15 095, 15 095 · 0,02 = 301,9 К = 28,75 °C. Максимум, который датчик может вернуть, — 0x7FFF, это 382,19 °C.

// MLX90614: object temperature from RAM 0x07 (Melexis datasheet, section 4.1.8)
// i2c_read_reg() is your platform's I2C/SMBus read; the bus clock must be 10..100 kHz.
#define MLX90614_ADDR    0x5A
#define MLX90614_TOBJ1   0x07   // RAM access opcode 000x xxxx

int mlx90614_read_object(float *celsius) {
    uint8_t buf[3];   // LSB, MSB, PEC
    if (i2c_read_reg(MLX90614_ADDR, MLX90614_TOBJ1, buf, 3) != 0) return -1;
    uint16_t raw = (uint16_t)(buf[1] << 8 | buf[0]);
    if (raw & 0x8000) return -2;          // MSB set: error flag
    *celsius = raw * 0.02f - 273.15f;     // 0.02 K per LSB
    return 0;
}

ШИМ и термореле. Вывод SDA можно перевести в режим ШИМ: по умолчанию 10-битный ШИМ передаёт температуру объекта в диапазоне −20…+120 °C с шагом 0,14 °C; диапазон меняют двумя ячейками EEPROM. В режиме термореле тот же вывод переключается при заданной температуре — простой термостат без микроконтроллера. Заводской режим после включения — SMBus.

MLX90640: тепловизионная матрица 32 × 24

MLX90640 — матрица из 768 термочувствительных пикселей в таком же корпусе TO39, с датчиками температуры кристалла и напряжения питания. Сырые данные и калибровочные коэффициенты лежат в памяти, а температуру каждого пикселя вычисляет микроконтроллер по формулам даташита; Melexis выкладывает драйвер на GitHub (mlx90640-library).

Выводы: 1 — SDA, 2 — VDD, 3 — GND, 4 — SCL. Питание Melexis рекомендует держать как можно точнее 3,3 В, ставить 100 нФ и 10 мкФ керамики у выводов VDD и VSS и делать короткими обе дорожки — и к VDD, и к VSS. При долговременном (годы) дрейфе к точности добавляется до ±3 °C для объектов около комнатной температуры.

Где действует точность. Рис. 17 даташита делит плоскость «температура объекта To — температура датчика Ta» на области. Паспортные ±1 °C по кадру и малая неоднородность — только в центральной области: To от 0 до +100 °C при Ta от 0 до +50 °C. У BAA при Ta ниже 0 или выше +50 °C точность кадра — ±2 °C, а неоднородность растёт ещё на 2 % от |To − Ta|; при To и Ta ниже нуля — ±5 °C (с пометкой TBD, остальные области ниже нуля не нормированы); выше +100 °C Melexis просит обращаться к нему, а у BAB за пределами центральной области значения не определены. Кроме того, после включения датчику нужно до 4 мин на тепловую стабилизацию, прежде чем он выйдет на паспортную точность (разд. 12.2.2): первые кадры электрически правильные, но ещё неточные.

Подстраницы и шахматный режим. Матрица измеряется в две подстраницы. По умолчанию — в шахматном порядке, и в нём же матрица откалибрована; Melexis советует этот режим как дающий меньший фиксированный шум. Каждая подстраница обновляется с частотой из регистра 0x800D, полный кадр складывается из двух подстраниц, а температура кристалла Ta обновляется вдвое реже заданной частоты.

Объём обмена. Данные одной подстраницы со служебными словами занимают RAM с 0x0400 по 0x073F — 832 слова, 1664 байта. На шине это около 15 мс при 1 МГц и около 37 мс при 400 кГц, если считать 9 тактов на байт и не учитывать адресацию (наш расчёт). При 64 Гц подстраница обновляется каждые 15,6 мс, поэтому высокие частоты кадров требуют шины на 1 МГц, а на 400 кГц чтение успевает за подстраницей примерно до 16 Гц (подстраница раз в 62,5 мс; наш расчёт). Калибровочные константы лежат в EEPROM с 0x2400 по 0x273F — их читают один раз при старте (с EEPROM Melexis советует работать на 400 кГц) и раскладывают в оперативной памяти микроконтроллера.

EEPROM — не для записи. Ресурс EEPROM MLX90640 — 10 циклов записи. Частоту кадров при каждом включении задают в регистре 0x800D, а не в EEPROM; записывать EEPROM имеет смысл один раз, если датчик должен стартовать с другой частотой без настройки.

Шина на 1 МГц. Ёмкость линий ухудшает обмен. Melexis предлагает уменьшить сопротивление подтяжек (увеличить ток), поставить источники тока или ускорители шины, а если не помогает — снизить частоту; входы матрицы с триггерами Шмитта мало чувствительны к фронтам (разд. 14). Ток стока SDA ограничен 10 мА вместо 20 мА по стандарту FM+ — единственное отступление от спецификации.

Типичные ошибки

• Исполнение на 5 В от 3,3 В. MLX90614Axx рассчитан на 4,5–5,5 В; на плате с 3,3 В нужен Bxx.
• Частота шины 400 кГц для MLX90614. Его SMBus — не выше 100 кГц; на общей шине с быстрыми датчиками скорость понижают.
• Блестящая поверхность. Полированный металл показывает температуру окружения, а не свою; нужна метка с известной ε.
• Далеко от маленького предмета. Пятно больше предмета — в результат попадает фон.
• Датчик над тёплой платой. Градиент по корпусу даёт ошибку больше паспортной; датчик выносят и экранируют.
• Запись частоты кадров в EEPROM MLX90640 при каждом старте. Через десять включений ресурс исчерпан.

Контактные датчики температуры — термисторы, Pt100, термопары и цифровые — разобраны в статье «Датчики температуры», обнаружение людей по тепловому излучению — в статье «PIR-датчики движения».