Тестируем Инфракрасные датчики MLX90614

Скажу сразу, датчики куплены за свои, но продавец добавил других чтобы я измерил параметры купленных мной (интрига), поэтому я и приписал П18. Протестирую практически всю линейку датчиков на точность, и косвенно на поле «зрения», также приложу тестовый скетч для ардуино чтобы желающие без проблем могли проверить на работоспособность. Также распилю это черную штуку на датчике: ) Характеристики серии MLX90614 (кроме медицинской серии) точность в диапазоне до +60 0.5°C, разрешение 0.01°C, и диапазон измерения -70°C … +380°C.

Прошу под кат (надеюсь эта ссылка появится, или я не умею пользоваться тегом cut)

С того момента когда я узнал о том что существуют инфракрасные датчики температуры, я испытываю к этим «деталькам» большую любовь))) Вот моя коллекция, сверху оставшиеся дома, ниже те что отнес на работу.

Дома используются для измерения температуры тела (ушной), для измерения температуры воды в ванной (особенно когда ребенок был мал) и почвы (прямо с балкона, в тени) чтобы знать температуру на улице, также для нагрева всяких приборов (светодиодных лампочек например или компрессора холодильника например)

На работе, применение более широкое)))

Подобная штука может очень помочь при различных задачах.
Измерение температуры будет:
• Без контакта с измеряемой поверхностью
• Быстрее
• Точнее (в некоторых случаях)
Конечно есть и недостатки, куда же без них:
• Дорого
• Необходимо учитывать коэффициент излучения разных материалов (черный маркер может помочь в решении этой проблемы)
• Нужно учитывать угол обзора (поле зрения) FOV

Но и с такими недостатками применение таких датчиков довольно обширное, как я понимаю, самая большая область это медицинские термометры для измерения температуры тела.

Дело было так…
Понадобилось измерить температуру (вернее ее изменение) вращающегося металлического объекта, обороты довольно большие, до 1500 в минуту. Изменение температуры небольшое до 10 градусов, время измерения не больше 3 секунд. Температура комнатная и выше. Объект мал, место измерения – плоскость, размером чуть больше спичечного коробка.
Все усложнялось еще тем, что доступ к нагреваемому объекту сложен, поэтому размер датчика имеет значение.

Задача нетривиальная, варианты решения были такими:
1.Термопара рядом с объектом, за счет малого расстояния от объекта, температура слоя воздуха рядом с ним будет коррелировать с его температурой
2.Ик датчик
3.Ртутные контакты, возможно щетки для снятия сигнала с терморезистора или диода (термопара не подойдет в связи с малыми измеряемыми напряжениями которые утонут в шумах).
Все, мои идеи реализации задачи закончились)))

Сначала был испробован вариант термопарой и мультиметром (для связи с компьютером) UT71E, самый быстрый вариант, чтобы попробовать и понять возможности решения задачи.
Эксперимент показал, что изменения рядом с объектом малы и эта реализация не обеспечивает того что мне надо. Воздух захватывается объектом и довольно неплохо перемешивается, что сильно уменьшает температуру даже в 1мм от объекта.

Значит будем искать ИК датчик, в моей коллекции нет термометров с выводом на компьютер, да и встраивать свои «железки» я не хотел, поэтому начал искать на Ali и Ebay.
Сразу захотелось купить mlx90614 в самой топовой «комплектации» с самым малым полем зрения 5 градусов mlx90614 DCI. Чтобы подальше его расположить, угол «зрения» то позволяет. Тем более что если он не подойдет, можно будет замутить уже давнишнюю мечту о примитивном тепловизоре)))) (сейчас желание уже поостыло, так как времени своего уже жалко), Но пока в планах собрать его с ребенком, когда он подрастёт). И тут уже дело не в том, что нужно что-то реально измерить, а в получении опыта и совместном творчестве. Для лучшего понимания ссылочки
geektimes.ru/post/275970/
geektimes.ru/post/257850/ и подобного рода проектов очень много.
Извините, ушел с рельсов, возвращаюсь.
Муки выбора осложнялись еще и тем, что вероятность купить «паленый» датчик на Ali и Ebay довольно большие, я писал много писем продавцам о том лазерная ли маркировка на датчиках, но в ответ тишина. А цена то 1500рублей, а жаба живет в каждом (только ее размеры разные). В общем, выкинул я «мечту» о буковках DCI.
Но датчик то нужен, да и размерчиком поменьше чтобы компенсировать угол зрения, и опять шерстить сайты. Вроде нашел, размер подходит, очень удобно что вершина датчика малого диаметра, но есть одно но, такой комплектации в даташите нет))))) вот это да. В даташите написано что последняя буква (D)зарезервирована для особых пользователей (вероятно вояк, или …..), а у продавца на странице товара угол 10градусов! В общем, беда, и пишу я письма в Melexis и продавцу.
Мелексис ответил копипастом из даташита! Хоть я и ожидал этого, но компания все таки серьезная, надеялся на общение.


Вот что ответил продавец (неадаптированный перевод).


В общем, продавец общительный и честный, поэтому я предложил ему измерить характеристики этого датчика в сравнении с другими, которые он мне пришлет, и написать этот обзор. Дело все в том, что на другие датчики информация в даташите есть.
Продавец согласился, этот лот я у него купил, но в посылку он добавил других датчиков, для измерения.

Доставка длилась 19 дней (деталировку трека не выкладываю, так как не понимаю зачем она, если кто захочет проверить мои слова вот трек номер RI222970740BG
Пока датчики были в пути, я придумывал методики измерения их параметров.
Измерение точности показаний температуры требует точного термометра, желательно очень точного, где бы его взять)))) может в Японии))) ага, оттуда родом мой термометр, купленный для замены ртутному (ох и гадость же ртутные термометры, и как только у нас появился ребенок, ртутный был утилизирован а «электронный» куплен). Потом был докуплен ИК ушной, который освободил от работы электронный. Почему медицинский термометр, да потому, что это самый точный прибор измерения температуры в моем арсенале, который проверен мной)) ну люблю я проверять всякие штуки))) (проверен на термометре родом из СССР с ценой деления 0,1градус, показания совпали, и хоть термометр не поверен, но такое совпадение меня успокоило.
Скорость измерения измерять не планировал, так как для работы буду использовать библиотеки для ардуино (я не могу написать код сам, без библиотек) и буду ограничен возможностями библиотеки (и датчика конечно).
А вот методику измерения угла зрения придумать непросто, задача для меня непростая.
Думал много) Остановился на том, что придут датчики у которых этот угол уже измерен, поэтому решил не измерять его значение, а сравнить с известным. Тогда методика упрощается.

И вот долгожданные датчики пришли!!!


Видно, что датчкики на 5 вольт и 3 вольта, первая буква говорит о рабочем напряжении А-5 вольт, В-3 вольта, вторая © о том что они градиент компенсированные, то есть на них приклеена черная алюминиевая «втулочка» с нормированными размерами и датчики под нее откалиброваны. (когда я распилил ее виден датчик, без какой либо маркировки, дальше пилить я не стал, так как точно лишился бы защитного стёклышка).


Таким образом, датчиков много, но у них рабочие напряжения разные, а у ардуинки нано, 5 вольт на цифровых линиях. Можно было пробовать использовать делители, или преобразователи уровней, или просто поставить ограничивающие резисторы на 7,5 кОм, на цифровые линии SDA и SCL и запитать датчик от 3,3 вольт взятых с ардуино нано. Я выбрал последний вариант.
Скачал первую попавшуюся библиотеку для такого рода датчиков на гитхабе, подключил, и все заработало без танцев с бубном). Всегда бы так. Библиотеку и мой тестовый скетч я прикреплю ниже.
Теперь о методике сравнения полей зрения датчиков (или углов обзора, не знаю как писать правильно, пишу и так и так))), мне же надо было узнать, что за датчики я купил (BCD). Скажу сразу, что методика может непростая, но эксклюзивная.
Вот что нам для это понадобится.



Берем часть принтера (какой был), подставку для штатива (дно которой заботливо выкрашено черной краской для точного измерения, а вместо «палки» штатива вкручен болт с просверленным отверстием, 4,5мм), керамический нагреватель от паяльника (вставляется в болт) и подключаем его к лабораторному блоку питания выставляя мощность примерно ватт 10-15 (конечно я выставлял напряжение, просто его величина непринципиальна), главное чтобы подставка для штатива нагревалась, но не сильно и через какое то время наступило равновесие с охлаждением (естественным) и температура была близка к постоянной
К шаговику принтера подключаем драйвер с ардуинкой (из другого проекта, чтобы было быстрее, но так как проект уже смонтирован на стенде часть его видна на фото и все выглядит страшно). Думаю, никто повторять это не будет, поэтому красотой можно пренебречь.
Подставка для штатива (массивная черная железка в которую вставлен нагреватель) закреплена в штативе на одной оси с датчиком угол обзора которого измеряется. Сам датчик закреплен на каретке принтера на макетной плате вместе с ардуинкой нано, которая посылает информацию в последовательный порт компьютера. Каретка принтера едет по направляющей за счет родного шагового двигателя, скорость которого регулируется.(для этого и понадобился драйвер шаговика с ардуинкой из другого проекта). Рядом стоит волшебная бутыль с цифрами 6,86 (интересно, есть кто в теме, что там внутри; ) ).


Отодвигаем датчик (каретку) на максимальное расстояние (около 20 сантиметров) включаем питание, открываем ком порт и видим на нем данные по температуре линейки (которой я закрываю датчик до его движения, чтобы показывал «комнатную» температуру и на него не влияла нагретая железка), запускаю шаговик привода каретки, убираю линейку ( хочется видео, но уверен что повторения не будет, а поржать и по фоткам можно). При приближении к круглой плоской железяке, которая хорошо нагрета, измеряемая датчиком температура начинает расти (за счет увеличения площади железки попадаемой в поле зрения датчика) и достигает максимума при заходе всей детали в поле зрения. Методика сложная, в принципе просто сравнить углы обзора можно было и без движения просто на одинаковом расстоянии, но эта реализация могла помочь определить реальное поле зрения датчика (но я плюнул на это когда датчики пришли и я увидел качество их изготовления и лазерную маркировку, скажем так, я поверил что они оригинальные, а бельгийской конторе мелексис, все таки доверие есть).
Вот результаты измерений:

По оси абсцисс (Х) отложено количество измерений температуры (можно пересчитать на пройденное расстояние к нагретой плоскости, но так как дальнейших расчетов я не проводил, решил оставить количество измерений), по оси ординат (У) измеренное датчиками значение температуры. Каждая кривая соответствует одному датчику (в подписях к кривым указаны последние цифры маркировки). Видно что температура нагретой «железки» изменяется при смене датчиков, но для нашего измерения это нормально, не поверка же).

Проверка точности, чуть менее заморочена, но все же непроста, так как термометр измеряет температуру со значения 32 или 34 градуса. Вот что я придумал, в пластиковую емкость на 0,5 литра наливается горячая вода, градусов так 60, кладется моя черная железка, плоскостью вверх, подливается вода, чтобы уровень был на уровне измеряемой плоскости.
Остается только ждать, пока вода нагреет железку и начнет плавно остывать. При остывании до 40 градусов, включается медицинский термометр и начинается съем показаний длительностью одна секунда. Так как смена датчика занимает некоторое время, а медицинский термометр показывает максимальную температуру, то перед каждым датчиком, термометр доставался из воды и выключался-включался. Для того, чтобы сравнивать каждый раз с реальным значением температуры воды. Ничего не могу сказать о реальной точности этой реализации, но все датчики легко вписались в заявленную погрешность +-0,5 градуса. По результатам усредненным за 1 секунду (для датчиков запитанных от 3,3 вольт для расчета точной температуры вычитал из показаний 0,16 градуса (график 24 в даташите 2015 года Rev 009) так как по данным из даташита в связи с тем, что датчики откалиброваны на 3,0 вольта, и плывут на 0,6градуса на вольт).
Ссылка на библиотеку от адафрут и тестовый скетч drive.google.com/file/d/0B8TqTRtqyboHbGxyTUVSbGZZNGM/view?usp=sharing

Вот в принципе и все измерения. Не судите строго.

Выводы:
1) Лично я считаю, что датчики оригинальные, так как есть лазерная маркировка, выводы позолочены (на золото не проверял, но покрытие очень похоже), качество изготовления на высоте.
2) Угол обзора моих датчиков 35 градусов. Это не то что я хотел, но так как у меня на тестировании был один 10 градусный датчик, меня все устроило. Датчик уже трудится в моем проекте.
3) Точность температуры входит в пределы указанной производителем, причем при моем способе измерения.

P.S. Если обзор понравился, можно и плюс обзору поставить)