22、红外温度传感器与麦克风的原理、应用及注意事项

红外温度传感器与麦克风的原理、应用及注意事项

红外温度传感器

基本概念

红外温度传感器有时也被称为热电堆，但实际上传感器模块中包含热电堆。它还有非接触式温度计或红外温度计等别称。与常见的接触式温度传感器不同，红外温度传感器无需与物体接触，就能测量其温度，它通过感应高于绝对零度的所有材料发出的黑体辐射（有时称为特征辐射）来工作，这种辐射会随分子运动导致的温度变化而改变。

适用场景与局限性

• 适用场景
  • 物体位置不便或距离过远。
  • 需要测量大面积的温度。
  • 接触小物体可能改变其温度。
  • 物体具有腐蚀性、磨蚀性或可能损坏传感器。
  • 物体处于运动或振动状态。
  • 不能污染物体表面（如未包装的食品）。
  • 物体温度低于约 -50 摄氏度或高于 1300 摄氏度。
• 局限性
  • 通常只能测量目标的表面温度。
  • 传感器的光学部件必须防止灰尘、污垢和液体。
  • 目标必须清晰可见，处于视线范围内。
  • 空气污染会降低温度测量的准确性，某些气体（如二氧化碳）会吸收红外辐射。
  • 传感器会受到其他热源的影响，包括反射、透射和对流热。
  • 虽然理论上红外传感器能响应很宽的温度范围，但实际需要不同灵敏度的传感器来覆盖全范围。
  • 不同材料即使温度相同，发出的黑体辐射强度也不同，可能需要进行补偿或对物体表面进行喷漆处理。

应用领域

• 早期用于手持式非接触式温度计。
• 在天文学中，用于测量太阳和其他恒星的热辐射。
• 近年来，随着成本降低和部署方便，广泛应用于消费产品，如笔记本电脑和手持设备，可平衡处理器性能与防止外壳过热；还可用于测量旋转物体（如激光打印机中的加热辊）的温度。

工作原理

• 可测量的红外波长范围为 0.7µm 至 14µm，对应黑体温度从 200 开尔文到 6000 开尔文（约 -70 至 +5700 摄氏度）。
• 物体在每个温度值下并非只发出单一波长的黑体辐射，而是随着温度升高，发出的波长范围变宽，同时峰值强度也会增加。通过测量光谱辐射度（定义为每球面度、每微米波长的瓦特数），可根据强度变化计算温度。

热电堆结构

典型的低成本芯片式红外温度传感器包含一个热电堆，由多个蚀刻在硅中的热电偶串联而成。热电堆的热结集中在中央小区域，通过对红外波长透明的窗口接收辐射；冷结分散在周边，免受辐射影响。热结安装在热容很小的薄膜上，冷结安装在较厚的基板上作为散热片。

温度测量

热电堆产生的电压与热电偶热结和冷结之间的温度差有关，涉及热温度、冷温度和电压三个相互关联的变量。为计算热温度，需测量电压并确定冷温度，可通过在芯片内添加热敏电阻来确定冷温度。一些红外温度传感器集成了电子元件进行必要计算并提供数字输出，可通过外部微处理器进行简单数学运算将输出转换为温度度数。

传感器类型

• 表面贴装型 ：如 TMP006，通常具有数字输出，尺寸约 1.5mm 见方，支持 SMBus 和 I2C 总线协议，可选择总线地址，内部模数转换器用 1 个最低有效位表示 1/32 摄氏度，数据保存为 14 位有符号整数，可内部平均最多 16 个温度样本，测量温度范围为 -40 至 +125 摄氏度，TMP007 还支持警报模式。
• 离散组件型 ：如 Amphenol ZTP135，有四个引脚，可能具有模拟或数字输出。

传感器参数

• 温度范围 ：芯片式红外温度传感器通常设计用于 -20 至 +125 摄氏度的范围，峰值灵敏度在 4µ 至 16µm 波长之间。其他类型的传感器温度范围更广，但成本更高。
• 视野 ：通常用 FOV 表示，是从传感器向外延伸的假想圆锥顶点的角度，定义了灵敏度降至传感器正前方值 50% 以下的边界。大多数红外温度传感组件没有透镜，视野通常为 90 度。

可能出现的问题及解决方法

问题	解决方法
视野不合适	确保被评估的物体填满传感器的视野，避免测量周围其他物体。
反射物体	反射物体的红外发射率较低，可能导致测量结果不准确。在固定安装中，可对要测量的表面进行喷漆以降低反射率。
玻璃阻挡	玻璃对感兴趣的红外光谱不透明，无法通过玻璃窗测量温度。硅对可见光不透明，但对波长大于 2µm 的光透明。
多个热源	热通过对流、传导和辐射传递，红外温度传感器会受到其他热源影响。可在传感器周围设置带小孔的屏蔽罩防止对流，正确放置在电路板上以减少传导。
热梯度	传感器应安装在稳定的环境中，避免受到热梯度（一侧比另一侧热）的影响，否则可能导致读数不准确。

mermaid 流程图

graph TD
    A[开始] --> B[选择合适的传感器类型]
    B --> C{是否为表面贴装型}
    C -- 是 --> D[设置总线协议和地址]
    C -- 否 --> E{是否为离散组件型}
    E -- 是 --> F{模拟或数字输出}
    F -- 模拟 --> G[测量模拟信号]
    F -- 数字 --> H[接收数字数据]
    D --> I[测量温度数据]
    G --> I
    H --> I
    I --> J[处理数据并计算温度]
    J --> K[检查测量结果是否正常]
    K -- 是 --> L[输出温度结果]
    K -- 否 --> M[排查问题（视野、反射、热源等）]
    M --> B
    L --> N[结束]

麦克风

基本功能

声音是由快速的气压波撞击耳膜产生的感觉，麦克风可以将这些气压波转换为交变的电信号，该信号可以被放大、记录、广播、通过电线传输，并通过耳机或扬声器重新还原为声音。

示意图符号

麦克风自发明以来使用了各种示意图符号，每种符号通常假设声音从左向右传播。底部显示电容在麦克风内的两个符号，应仅用于电容式或驻极体麦克风。

工作原理

• 碳麦克风 ：早期用于声音再现，内部包含碳颗粒，其堆积密度随气压波变化，密度增加时颗粒间电阻减小，反之亦然。该原理于 1877 年由托马斯·爱迪生获得专利，用于电话中，但其带宽极其有限。
• 动圈式麦克风 ：也称为动态麦克风，由一个非常小、轻的薄线圈绕在圆柱形管上构成，可沿永久磁铁的轴线振动。隔膜附着在管的前端，响应穿透麦克风穿孔外壳的气压波。线圈围绕磁铁的运动在导线中产生小的交变电流，但线圈、管和隔膜的惯性以及克服线圈与磁铁相互作用所需的力限制了其高频响应。
• 电容式麦克风 ：包含两个形成电容器的薄圆盘或极板，施加相等且相反的电荷。一个极板是柔性的，随着它响应气压波，与另一个刚性极板之间的电容会波动。如果极板上的电荷大致保持恒定，电容波动时电容器两端的电压也会波动，这些波动可以被放大。
• 驻极体麦克风 ：工作原理与电容式麦克风相同，但极板由铁电材料制成，能保留电荷。早期驻极体麦克风质量较差，现在已可与电容式麦克风相媲美，且价格实惠。由于驻极体产生的电流非常小，通常在其封装中包含晶体管或运算放大器来增强信号，并具有集电极开路输出。
• MEMS 麦克风 ：常用于手机，是一种电容式设备，工作原理与电容式麦克风相同，但组件蚀刻在硅中，隔膜尺寸约为 1mm 见方。许多 MEMS 麦克风具有在同一芯片中放大的模拟输出，其他则使用 PDM 编码提供数字输出。

不同类型麦克风特点对比

类型	优点	缺点	应用场景
碳麦克风	结构简单	带宽有限	早期电话
动圈式麦克风	坚固耐用	高频响应受限	现场演出、广播
电容式麦克风	音质好	需要电源	录音室、专业音频
驻极体麦克风	价格实惠	早期质量差	消费电子、安防监控
MEMS 麦克风	体积小		手机、智能穿戴设备

mermaid 流程图

graph TD
    A[声音信号] --> B{选择麦克风类型}
    B --> C{是否为碳麦克风}
    C -- 是 --> D[通过碳颗粒电阻变化转换信号]
    C -- 否 --> E{是否为动圈式麦克风}
    E -- 是 --> F[通过线圈运动产生电流]
    E -- 否 --> G{是否为电容式麦克风}
    G -- 是 --> H[通过电容变化产生电压波动]
    G -- 否 --> I{是否为驻极体麦克风}
    I -- 是 --> J[通过驻极体材料转换信号并放大]
    I -- 否 --> K[MEMS 麦克风通过硅蚀刻组件转换信号]
    D --> L[输出电信号]
    F --> L
    H --> L
    J --> L
    K --> L
    L --> M[信号处理（放大、记录等）]
    M --> N[声音再现（耳机、扬声器）]

红外温度传感器与麦克风的其他要点

红外温度传感器的应用拓展

红外温度传感器除了前面提到的应用领域，在工业自动化、医疗设备、智能家居等方面也有广泛应用。

• 工业自动化 ：在工业生产线上，可用于监测机器设备的温度，及时发现设备过热等异常情况，避免设备损坏和生产事故。例如，在电机运行过程中，通过安装红外温度传感器实时监测电机表面温度，当温度超过设定阈值时，系统自动发出警报并采取相应措施。
• 医疗设备 ：在医疗领域，红外温度传感器可用于非接触式体温测量，如额温枪、耳温计等。这种测量方式快速、方便，避免了交叉感染的风险。
• 智能家居 ：在智能家居系统中，红外温度传感器可用于调节室内温度，实现智能温控。例如，根据室内不同区域的温度变化，自动调节空调的运行状态，提高能源利用效率。

麦克风的性能指标

麦克风的性能指标对于选择合适的麦克风至关重要，常见的性能指标包括灵敏度、频率响应、指向性等。

• 灵敏度 ：指麦克风对声音信号的转换能力，通常用毫伏每帕斯卡（mV/Pa）表示。灵敏度越高，麦克风对微弱声音的捕捉能力越强。
• 频率响应 ：描述了麦克风在不同频率下的响应特性，通常用频率范围和频率曲线来表示。频率范围越宽，麦克风能够捕捉的声音频率越丰富；频率曲线越平坦，麦克风对不同频率声音的还原度越高。
• 指向性 ：指麦克风对不同方向声音的敏感程度，常见的指向性包括全向性、单向性和双向性。全向性麦克风对各个方向的声音都有相同的灵敏度；单向性麦克风对正前方的声音最敏感，对其他方向的声音有一定的抑制作用；双向性麦克风对正前方和正后方的声音最敏感，对侧面的声音有一定的抑制作用。

红外温度传感器与麦克风的选择建议

在选择红外温度传感器和麦克风时，需要根据具体的应用场景和需求来综合考虑。

红外温度传感器选择

• 温度范围 ：根据测量对象的温度范围选择合适的传感器，确保传感器能够准确测量所需温度。
• 精度要求 ：如果对测量精度要求较高，需要选择精度较高的传感器，并考虑传感器的校准和补偿措施。
• 环境适应性 ：考虑传感器在不同环境条件下的性能，如灰尘、湿度、温度等，选择具有良好环境适应性的传感器。
• 成本因素 ：在满足性能要求的前提下，尽量选择成本较低的传感器，以降低系统成本。

麦克风选择

• 应用场景 ：根据使用场景选择合适的指向性和灵敏度。例如，在会议录音中，可选择全向性麦克风；在舞台演出中，可选择单向性麦克风。
• 音质要求 ：如果对音质要求较高，需要选择频率响应宽、失真小的麦克风。
• 电源要求 ：考虑麦克风的电源供应方式，如电池供电、外部电源供电等，选择适合的电源方案。
• 价格因素 ：根据预算选择合适价格的麦克风，避免过度追求高性能而导致成本过高。

表格：红外温度传感器与麦克风选择对比

选择因素	红外温度传感器	麦克风
温度范围/频率范围	根据测量对象确定合适范围	根据应用场景选择合适频率响应
精度/音质要求	高精度需校准补偿	宽频响、低失真
环境适应性	考虑灰尘、湿度等	考虑噪音、振动等
成本因素	在满足性能下选低成本	根据预算选择合适价格

mermaid 流程图：红外温度传感器与麦克风选择流程

graph TD
    A[确定应用场景] --> B{选择红外温度传感器还是麦克风}
    B -- 红外温度传感器 --> C[考虑温度范围]
    C --> D[确定精度要求]
    D --> E[评估环境适应性]
    E --> F[考虑成本因素]
    F --> G[选择合适传感器]
    B -- 麦克风 --> H[考虑应用场景特点]
    H --> I[确定音质要求]
    I --> J[考虑电源要求]
    J --> K[考虑价格因素]
    K --> L[选择合适麦克风]

总结

红外温度传感器和麦克风在现代科技中扮演着重要角色，它们各自具有独特的工作原理、应用场景和性能特点。了解它们的相关知识，有助于我们在实际应用中做出正确的选择和使用。在选择传感器和麦克风时，需要综合考虑各种因素，根据具体需求选择最合适的产品。同时，随着科技的不断发展，红外温度传感器和麦克风的性能也在不断提升，未来它们将在更多领域发挥重要作用。