Миниатюрные инфракрасные термопарные матрицы среднего разрешения Heimann Sensor
Аннотация
Последние годы показали устойчивый рост спроса на инфракрасные матрицы малых размеров и низкой стоимости. Данные ИК матрицы могут быть использованы для различных применений, например, для получения тепловизионного изображения, управления промышленными технологическими процессами, связанными с измерением температуры, и обнаружения человека. Компания Heimann Sensor уменьшила размер существующих инфракрасных термопарных матриц (thermopile arrays) так, чтобы матрицы формата 16х16 и 32х32 пикселей помещались в традиционный корпус TО39, а матрица 8x8Mini - в корпус TО46. Все перечисленные типы термопарных матриц имеют цифровой интерфейс и встроенную память EEPROM, в которой хранятся данные калибровочных коэффициентов.
Введение
Компания Heimann Sensor разработала первую полностью монолитную термопарную матрицу и самый маленький в мире термопарный датчик в ТО корпусе [1]. Инфракрасные термопарные матрицы являются конкурентоспособным решением по отношению к другим технологиям, позволяющим получить тепловизионное изображение с невысоким разрешением, достаточное для обнаружения человека, наблюдения за температурой критических поверхностей, обнаружения горячих точек, управления энергопотреблением и камерами видеонаблюдения. Другие применения для термопарных матриц могут быть найдены в промышленном управлении технологическими процессами и контроле состояния воздуха [2]. Преимущества данной технологии заключаются в низких производственных затратах при изготовлении термопарных матриц, малом энергопотреблении сенсоров, а также отсутствии в необходимости температурной стабилизации и использовании затворов для компенсации дрейфа. Новые ИК термопарные матрицы имеют уменьшенный размер активной области для размещения в корпусах TО39 и TО46. Более детальная информация по ИК матрицам малого разрешения приводится в работе [3].
Инфракрасная термопарная матрица формата 16x16
До настоящего времени компания Heimann Sensor была в состоянии предложить термопарную матрицу формата 16x16 пикселей исключительно в корпусе TО8, а теперь благодаря меньшему размеру активной области матрица 16х16 помещается в компактный корпус TО39. Встроенная память EEPROM объемом 2048 байт помещается рядом с термопарным чипом внутри корпуса. Полностью цифровой интерфейс термопарной матрицы передается через штырьковые контакты 5+1, два из которых необходимы для подачи напряжения питания (3.3 В и «земля»), три контакта нужны для передачи сигнала через SPI интерфейс и один оставшийся контакт требуется для внешней синхронизации для управления матрицей. Интерфейс SPI состоит из тактового генератора, выбора режима Master и Slave, а также двунаправленного канала передачи данных.
Термопарная матрица формата 16х16 пикселей имеет несколько регистров, которые могут быть использованы для изменения производительности. Частота работы термопарной матрицы может изменяться в диапазоне от 12,5 до 400 Гц с шагом 2 Гц через регистр конфигурации. Для уменьшения шума могут использоваться БИХ-фильтр (фильтр с бесконечной импульсной характеристикой) и КИХ-фильтр (фильтр с конечной импульсной характеристикой). Усиление и рабочая точка могут быть изменены для применения в широком диапазоне рабочих температур.
Инфракрасная термопарная матрица формата 16x16 поставляется с несколькими вариантами линз встроенной оптики, имеющей различный угол обзора от 23° до 90° градусов. Варианты исполнения оптики с различным значением поля зрения представлены на рис.1. Тепловизионные изображения представлены на рис. 2 и 3.
Рис.1. Варианты исполнения оптики с различным значением углом обзора для термопарных матриц формата 16x16 и 32x32.
Рис.2. Тепловизионное изображение человека, сидящего за столом, полученное с помощью ИК термопарной матрицы формата 16x16. Для получения изображения использовался специализированный софт ArraySoft от компании Heimann Sensor.
Рис.3. Тепловизионное изображение головы человека с различной оптикой, полученное с помощью ИК термопарной матрицы формата 16x16.
Инфракрасная термопарная матрица формата 8x8 Mini
Новая ИК матрица формата 8x8 Mini является первой термопарной матрицей, которая помещается внутри миниатюрного корпуса TО46. Данная термопарная матрица имеет встроенную память EEPROM с объемом 256 слов. Благодаря цифровому I2C интерфейсу датчику нужно только 3+1 штырьковых контактов, два из которых необходимы для подачи напряжения питания (3.3 В и «земля»), а оставшиеся два контакта для управления матрицей. Сравнение размеров термопарных матриц формата 8x8 Mini с продуктами конкурентов показано на рис. 4. Частота кадров инфракрасной термопарной матрицы формата 8x8 Mini может варьироваться от 7 до 88 Гц в 64 шага.
На момент написания статьи была протестирован только один вариант оптической системы с фокусным расстояние L2.1 и полем зрением 20° градусов. В дальнейшем компания Heimann Sensor планирует увеличить разнообразие оптических линз для данной термопарной матрицы. ИК матрица формата 8x8 Mini может быть размещена внутри корпуса TО39 с использованием оптики от матриц формата 16x16 и 32x32 пикселей.
Рис. 4. Сравнение размеров термопарной матрицы формата 8x8 Mini с продуктами конкурентов, слева направо: матрица формата 8x8 (конкурент), матрица формата 4x4 (конкурент) и матрица формата 8x8 Mini (Heimann Sensor).
Инфракрасная термопарная матрица формата 32x32
Компания Heimann Sensor разработала новую термопарную матрицу формата 32x32 в корпусе TО39 с полностью цифровым I2C интерфейсом. Все калибровочные данные сохраняются во встроенной памяти EEPROM внутри корпуса датчика. Термопарная матрица формата 32х32 пикселей разрабатывалась аналогично матрице формата 8x8 Mini. Цифровой интерфейс l2C требует только два штырьковых контакта в корпусе матрицы и позволяет получить скорость передачи данных до 1 МГц. Термопарная матрица 32х32 делает выборку в четверть кадра. Какой кадр должен быть выбран, определяется внешним управлением. Частота кадров для захвата полного кадра может быть установлена от 2 до 60 Гц. Частота кадров может изменяться с помощью тактового генератора в 64 шага и при изменении разрешения от 16 до 8 бит в 8 шагов.
Аналогичная оптика используемая с термопарной матрицей 16x16 пикселей в корпусе TО39 может быть установлена с матрицей формата 32x32. Результирующее поле зрения матрицы 32x32 будет схоже с полем зрения матрицы 16x16, так как шаг пикселя матрицы 32х32 составляет примерно половину от шага пикселя матрицы 16х16.
Рис.5. Тепловизионное изображение человека в очках, смотрящего в сторону, полученное с помощью новой ИК термопарной матрицы 32x32.Для получения изображения использовался специализированное ПО ArraySoft от компании Heimann Sensor.
Технические параметры различных термопарных матриц приведены в таблице № 1.Различный угол обзора матриц представлен в таблице № 2.
Таблица 1 - Обзор термопарных матриц различных форматов разрешения
|
Параметры/тип матрицы |
8x8 Mini |
16x16 |
32x32 |
|
Кол-во пикселей |
64 |
256 |
1024 |
|
Размер пикселя, мкм |
82 |
150 |
77 |
|
Шаг пикселя, мкм |
90 |
172.5 |
90 |
|
Частота кадров, Гц |
от 7 до 88 |
от 12.5 до 400 |
от 2 до 60 |
|
Шаг частоты кадров |
64 |
6 |
64х8 |
|
Тип корпуса |
TО46 и TО39 |
TО39 |
TО39 |
|
Количество контактов |
4 |
6 |
4 |
|
Интерфейс |
l2C |
SPI |
l2C |
|
Поле зрения, градусы |
от 6 до 20 |
от 23 до 90 |
от 23 до 90 |
|
Эквивалентный шум разности температур NETD, мК при 1 Гц |
100 (примерно) |
300 |
150 (примерно) |
Таблица 2 - Обзор оптики с различными углами обзора термопарных матриц
|
Оптика |
Фокусное расстояние, мм |
Поле зрения, градусы |
||
|
8x8Mini (TО39) |
16x16 |
32x32 |
||
|
L2.1 |
2.1 |
20x20 |
90x90 |
90x90 |
|
L2.85 |
2.85 |
14 x 14 |
52x52 |
52x52 |
|
L3.6 |
3.6 |
11 x 11 |
43x43 |
43x43 |
|
L5.5 |
5.5 |
7x7 |
29x29 |
29x29 |
|
L7.0 |
7.0 |
6x6 |
23x23 |
23x23 |
1. W. Leneke, J. Schieferdecker, M. Schulze, M. Simon, K. Storck, B. Forg, F. Volklein: “Thermopile Linear Array Sensors and Modules with Short Time Constant and High Sensitivity”; Sensor Conference 2007, Proc. Vol.1, NQrnberg, Germany, pp. 329-333
2. B. Forg, W. Leneke, J. Schieferdecker, M. Schulze, M. Simon, K. Storck: “Thermopile Sensor Arrays with Internal Amplifiers and Digital Out”; Sensor & Test 2008, Proceedings, NQrnberg, Germany, pp. 249-252.
3. M. Kimata: “Trends in Small-format Infrared Array Sensors”; Sensors 2013 IEEE, Baltimore, USA, pp. 1-4
Дополнительные ссылки:
Более подробную информацию о продукции, описываемой в данной статье можно найти, перейдя по следующим ссылкам:
Инфракрасные термопарные матрицы
Демонстрация работы термопарных матриц компании Heimann Sensor
