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受疫情影响,额头温度枪和热电堆传感器价格飙升,小编来告诉你

所属分类:品牌资讯    发布时间: 2021-05-12    作者:admin
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     受疫情影响,额头温度枪和热电堆传感器价格飙升

2020年的春天,注定是地球村这一代村民记忆中难忘的一段时光。随着新冠肺炎在世界范围内的肆虐,对非接触式额头/耳朵温度枪的需求突然激增。2月初,由于巨大的供需缺口,一把几十元的原温枪被炒到了500到600元的价格。巨大的利益也吸引了很多原本是非医用的温度枪和耳温枪的电子行业厂商迅速参与,导致温度枪内部元器件价格暴涨。热电堆传感器作为额头温度枪的核心器件,其价格也从10元不到人民币涨到了110元以上。在这个特殊时期,与温枪相关的行业成为暴利行业。
在巨大的商业利益下,许多进入这个市场的新企业经过不整洁的研发才开始生产和销售。这些混合产品进入市场后,暴露出大量的应用问题。特别是很多销往国外的产品,存在很多不符合当地使用条件的问题,测温结果达不到医用级精度,导致国外客户要求退货的情况。
如果梳理一下市场上各种热点反应堆传感器的应用方案,大致可以发现有几种典型的类型,我们将逐一分析。
一个
数字输出热电堆传感器+低成本低功耗处理器方案
该方案以Melexis的MLX90614、MLX90615等数字输出传感器为代表。这两种芯片的FOV角不同,分别适用于额头温度枪和耳朵温度枪。这种传感器出厂前已经过预校准,通过基本配置和简单的出厂校准,可以直接从传感器中获得目标温度值和环境温度值。对于解决方案提供商来说,几乎没有必要对传感器的特性和接口电路有深入的了解,这是傻瓜的应用。但其高昂的售价几乎让解决方案提供商感到无利可图,而且由于产能问题,市场短缺严重。一般来说,有设计能力的客户不会因为考虑成本和容量而被认为是主流解决方案。
2

采用高精度自稳零运算放大器+低成本低功耗处理器的方案

本来这个方案并不是医用级体温计和耳温表的主流成熟方案。但在疫情初期,由于元器件短缺,加上国内几家单片机解决方案提供商的全力推广,这一方案被很多新客户采用并量产。目前这个方案暴露的问题.多。这里,我们从热电堆传感器信号调理的需求入手,分析了该方案存在的问题。
下表是热电堆传感器的典型输出电压。当环境温度为25°C时,对于人体的目标温度(在35 ~ 42°C范围内),传感器输出电压的..值约为1mV。当目标温度变化0.1°C时,输出电压变化约8uV。

为了使处理器中的10位~12位单端输入ADC能够区分热电堆传感器的输出,必须对原始信号进行充分放大。下图是一个使用分立运算放大器放大信号并与单端输入ADC接口的典型电路(原始图片取自TE公司的应用笔记——“接触温度的热堆传感器”)。

该电路具有以下要求:
运算放大器需要使用正向放大拓扑。原因是热电堆传感器本身的内阻高,所以传感器接口电路必须是高阻输入。但运算放大器只有在前向放大电路的拓扑结构下才能保证高阻抗输入(例如,如果使用仪表放大器,其输入级可视为两个前向放大运算放大器)。
它需要被偏置到大于0V的正电压。至于热电堆传感器,当测量的目标温度低于环境温度时,其输出是小于零的负电压。因此,有必要将热电堆传感器的输出负偏置到大于零伏的正电压,以确保热电堆输出信号上的电压大于0伏,并且可以被单极电源的运算放大器(正向放大拓扑)接受。但由于处理器内部的ADC(尤其是低功耗低成本的处理器)一般是单端输入,电压范围为0 ~ 0 ~ VREF的SAR ADC,因此偏置电压本身的稳定性就变得非常重要。
运算放大器本身的失调很小,整个环境温度测量范围内的失调温漂需要" =1uV "。原因是热电堆传感器对应目标温度的分辨率为0.1°C,其对应的电压变化只有几个uV,所以运算放大器本身偏置的影响必须小于这个值。
1/f噪声(0.1~10Hz等效输入pk-pk噪声)需要处于1uV水平。热电堆应用接近DC应用,所以几乎每个客户都会在传感器后面的处理算法中加入滤波和降噪算法来降低噪声。然而,1/f噪声的频率太低(接近DC),因此难以用低通滤波器(LPF)和数字低通滤波器有效地去除噪声。运算放大器本身的等效输入1/f噪声必须控制在远低于相应的0.1°C电压,因此需要处于1uV电平。
低功耗。对于运算放大器来说,低功耗不是必须的,因为处理器可以控制一个MOS管来管理运算放大器的电源,在信号未处理时切断运算放大器的电源,以满足系统的低功耗要求。然而,这种解决方案在一定程度上增加了系统的复杂性和成本。因此,在方案中,低功耗运算放大器当然是更好的选择。
在医疗测温方案中,你会发现会提到各个厂家的“XX8551”运算放大器。追根溯源,ADI公司的AD8551低压自稳零运算放大器的规格基本能满足这些要求,但并非所有IC公司的自稳零运算放大器“XX8551”都能真正可靠地满足这些规格。更有趣的是,即使运算放大器的选择没有问题,也会出现其他系统问题,使得采用这种方案的产品很难达到医用测温的设计指标。
ADC参考电压。通常,处理器内部模数转换器的参考电压是电源的AVCC电压。如果客户直接使用电池作为AVCC电压,这意味着当电池使用一段时间后,电压下降,模数转换器参考电压发生变化。有些客户使用LDO来提供稳定的AVCC,但LDO输出电压随环境温度的变化一般不能保证。从根本上来说,.好的方法是为ADC基准电压源提供一个具有良好温度漂移的基准电压源,该基准电压源应满足低静态功耗和低温度漂移的要求,但实际上,客户很难承受这种片外分立基准电压源的成本。
偏置电压问题。如何保证偏置电压与ADC的基准成比例漂移?偏置电压漂移是由单端ADC的应用限制造成的。如果是差分输入,就不会有这样的问题。对此,有些客户使用ADC的一个通道来采集这个偏置电压,在软件上进行数字差分,但是两个单端ADC通道之间的不一致总是会带来一些问题。尤其是ADC原始数据只有一个LSB短时,可能会影响.终精度。
运算放大器的增益由电阻对匹配,还需要考虑电阻对温度漂移的匹配程度。
对于NTC采集环境通道,也建议使用运算放大器进行信号调理。从热电堆传感器的原理来看,环境温度采集的准确性实际上直接影响目标温度的准确性。
上述系统级问题和运算放大器的高要求使得采用高精度运算放大器和低成本处理器的方案很难达到医用温度计枪的精度。或者即使勉强达到,其真正的硬件成本也不低。这也是那些有真实历史和经验的大公司对这种方案不感兴趣的原因。

采用σ-δ型模数转换器+内部集成PGA处理器的方案
有人可能会质疑,ADI或者TI做的24位高精度Sigma Delta ADC太贵,不适合温度炮的准消费应用。其实原本在额头和耳温枪市场上的主力24位Sigma Delta ADC,早就被大陆和台湾省厂商主导了。采用24位Sigma Delta ADC技术的芯片厂商,如mainland China的Nanocore Micro和新海,台湾的松寒和宏康,芯片价格都很低,成本与分立的高精度自稳零运算放大器相差不大,但性能优势和系统效益明显。这里以Nanocore Micro的NSA2300信号调理芯片(ADC)为例,说明该方案与高精度运算放大器方案的比较。

首先NSA2300是Sigma Delta ADC。由于其数模转换原理和数字滤波器,当配置为低输出速率(ODR)时,可以保证高信噪比。比如NSA2300配置为32768过采样时,其输入等效噪声为80nV,比1uV的要求小10倍以上,完全可以满足热电堆传感器用于前额温度枪的应用。
其次,像NSA2300这样的ADC的输入一般都是差分输入。与处理器内部的单端输入ADC相比,差分输入的优势在于对热电堆信号负端的共模电压精度几乎没有要求。
NSA2300等ADC通常内置一个高增益(高于64倍或128倍)和高输入阻抗的PGA。因为这种ADC主要是为小电压DC(如电子秤)设计的,所以通常具有斩波功能,以消除PGA偏置电压漂移。NSA2300的输入也可以开启SWAP的特殊功能。如果使用软件在正负方向采集一次以进行平均抵消,则在整个温度范围内,输入等效偏置电压可以远小于1uV。
NSA2300等ADC内部有一个低温浮动基准电压源,基准电压一般为1.8V或2.5V..在3V电池供电的情况下,即使供电电压下降到一定程度,对其基准的影响也是相当有限的。这一特性可以保证客户在电池供电不足的情况下仍能保证测量精度。
NSA2300等ADC通常有多个输入通道。因此,一个通道可以用来采集热电堆的电压信号,另一个通道可以用来采集基于NTC的环境温度。
NSA2300具有低功耗工作模式。在低功耗模式下,采样时只开启内部电路开始工作,采样后立即进入低功耗睡眠模式,其睡眠静态电流在常温下仅为200nA,可以保证电池供电手持额枪的长期使用时间。当然,这个特性不是所有24位σ-δ型ADC都具备的。
因此,片外24位高精度σ-δ型模数转换器是热电堆传感器应用中.可行的方案,无论性能或价格如何。
当然,前面的分析只针对硬件电路和硬件架构。事实上,满足医用级体温计和耳温计精度要求的热电堆传感器的应用,不仅需要满足指标要求的硬件,还需要软件开发、系统标定和校准。
从软件层面来说,客户知道使用一两个查找表来检测目标温度。但更重要的是,在软件层面需要更多的数字滤波器来帮助实现目标测量精度。例如,使用高阶IIR/FIR滤波器可以进一步提高信噪比,同时也有助于减少手抖动或待测目标不完全静止带来的影响。这样的数字滤波算法需要大量的实验数据来支持其发展。
从校准层面来说,用黑体和恒温槽校准目标和环境温度是常识。然而,在大范围的环境温度下,需要校准多少个温度点才能确保医疗准确性?从寒冷的俄罗斯到极热的印度和非洲,出口温度枪在大范围环境温度下的使用条件更加复杂和苛刻,这就需要在高低温环境下进行多温度点标定的大量实验和数据采集。
当然,热电堆传感器制造商也在不断进行技术迭代和创新。相信在不久的将来,会有更多的热电堆厂商推出可以直接输出数字温度的热电堆传感器,并将其价格推向更合理的范围。届时,热电堆传感器的应用门槛将进一步降低,热电堆传感器将用于更多的消费电子应用。