無(wú)人機(jī)傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件：紅外線認(rèn)知

紅外傳感器認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目描述紅外傳感器（也稱紅外探測(cè)器）是利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件，是紅外探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。紅外線傳感器常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量、距離測(cè)量、氣體成分分析和無(wú)損探傷。例如采用紅外線傳感器遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度的熱像圖，可以發(fā)現(xiàn)溫度異常的人員；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對(duì)地球云層進(jìn)行監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報(bào)；采用紅外線傳感器可檢測(cè)飛機(jī)上正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)熱情況等。無(wú)人機(jī)搭載的紅外傳感器主要用于檢測(cè)無(wú)人機(jī)周邊的障礙物。本項(xiàng)目擬通過(guò)對(duì)紅外線應(yīng)用案例調(diào)研、紅外傳感器模塊測(cè)溫實(shí)驗(yàn)和紅外傳感器模塊測(cè)距實(shí)驗(yàn)等工作任務(wù)，增強(qiáng)學(xué)生規(guī)范操作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)紅外線和紅外傳感器、掌握紅外線特性和紅外線傳感器的基本特性、會(huì)用紅外線傳感器模塊測(cè)量物體溫度和物體間距離。紅外線認(rèn)知任務(wù)描述

紅外線是一種不可見光，波長(zhǎng)范圍在0.78~1000μm。工程上把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射能量就越強(qiáng)。自然界中溫度大于0K的任何物體，都能產(chǎn)生紅外輻射，但放射的紅外線的波長(zhǎng)不同，例如人體的溫度為36~37℃，所放射的紅外線波長(zhǎng)為9~10μm（遠(yuǎn)紅外）。加熱到400~700℃的物體，其放射出的紅外線波長(zhǎng)為3~5μm（中紅外）。本任務(wù)通過(guò)調(diào)研紅外線應(yīng)用案例來(lái)學(xué)習(xí)紅外線的基本特性。任務(wù)實(shí)施1)列舉生活中常見的紅外線應(yīng)用實(shí)例，并說(shuō)明應(yīng)用場(chǎng)景及主要目的。2)查閱資料補(bǔ)充紅外線應(yīng)用案例，小組總結(jié)匯報(bào)紅外線的應(yīng)用情況。

紅外線知識(shí)鏈接溫度大于0K的任何物體，都能產(chǎn)生紅外輻射，但放射的紅外線的波長(zhǎng)不同。溫度為36~37℃的人體，所放射的紅外線波長(zhǎng)為9~10μm（遠(yuǎn)紅外）例1例2加熱到400~700℃的物體，其放射出的紅外線波長(zhǎng)為3~5μm（中紅外）。紅外線的性質(zhì)反射折射散射干涉吸收大氣窗口2~2.6μm3~5μm8~14μm紅外檢測(cè)的優(yōu)越性晝夜測(cè)量不設(shè)光源適用于遙感技術(shù)生命光波1893年，德國(guó)物理學(xué)家威廉·維恩(WilhelmWien)通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了維恩波長(zhǎng)位移定律，論證了陽(yáng)光中4-14微米波段的“生命光波”與人體發(fā)出的“生命光波”同頻同性，與人體細(xì)胞分子的振頻波段高度吻合，極易為人體吸收，人體更是“生命光波”天然的吸收發(fā)射源，能夠不間斷的發(fā)出9.35微米（峰值）的“生命光波”，是生命能量的源頭，被美國(guó)太空總署（NASA）及國(guó)際學(xué)界所公認(rèn)。生命光波能與人體產(chǎn)生共鳴和吸收，促進(jìn)內(nèi)分泌平衡，起到保健的功用，“生命光波”滲入體內(nèi)之后，便會(huì)引起人體細(xì)胞的原子和分子的共振，透過(guò)共鳴吸收，分子之間摩擦生熱形成熱反應(yīng)，促使皮下深層溫度上升，并使微血管擴(kuò)張，加速血液循環(huán)，有利于清除血管囤積物及體內(nèi)有害物質(zhì)，將妨害新陳代謝的障礙清除，重新使組織復(fù)活，促進(jìn)酵素生成，達(dá)到活化組織細(xì)胞、防止老化、強(qiáng)化免疫系統(tǒng)的目的。一、紅外輻射源定義發(fā)射紅外電磁波的物體和器件（1）標(biāo)準(zhǔn)輻射源絕對(duì)黑體模型能斯脫燈絲硅碳棒帶稀土金屬氧化物燈絲的固體輻射器（2）工業(yè)輻射源碳弧燈電加熱輻射器（3）自然界紅外源（4）發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器、固體和氣體激光器發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器氣體激光器（5）紅外裝置或系統(tǒng)需要探測(cè)的輻射源航空發(fā)動(dòng)機(jī)火箭汽車表述：黑體輻射力與黑體熱力學(xué)溫度的四次方成正比。揭示了黑體的輻射能力與其溫度的關(guān)系。1.斯蒂芬-玻爾茲曼定律σb為黑體輻射常數(shù)，σb=5.67×10-8

W/（m2·K4）。實(shí)際物體的輻射能力的計(jì)算公式為：ε為實(shí)際物體的發(fā)率。

二、紅外輻射的基本定律黑體：能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體。是在任何溫度下全部吸收任何波長(zhǎng)輻射的物體，吸收本領(lǐng)與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)，即α=1。鏡體（白體）：能全部反射紅外輻射的物體。

透明體：能全部透過(guò)紅外輻射的物體。

灰體：能部分反射或吸收紅外輻射的物體。黑體、鏡體和透明體都是假定的理想物體。2.基爾霍夫定律揭示了實(shí)際物體在熱平衡狀態(tài)下輻射力與吸收率之間的關(guān)系。α為實(shí)際物的吸收率，

α=

ε。

任何物體的輻射能力與吸收率之比恒等于同溫度下黑體的輻射力，并且只和溫度有關(guān)。3.普朗克定律揭示了絕對(duì)黑體的單色輻射力和波長(zhǎng)及熱力學(xué)溫度的關(guān)系。單色輻射力是輻射物體單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)及某一波長(zhǎng)下，單位波長(zhǎng)間隔向空間輻射的能量。λ為波長(zhǎng)，μm；C1為第一輻射常數(shù)，C1=3.743×108μm4·W/m2；C2為第二輻射常數(shù)，C2=1.439×104μm·K。紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。三、紅外探測(cè)器按探測(cè)機(jī)理的物理效應(yīng)分1熱探測(cè)器2光子探測(cè)器（一）熱探測(cè)器熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。1、工作機(jī)理熱探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用廣泛。2、優(yōu)點(diǎn)（二）光子探測(cè)器入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。1、光子效應(yīng)光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測(cè)波段較窄，一般需在低溫下工作。2、主要特點(diǎn)（三）紅外探測(cè)器的基本參數(shù)輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比。1.響應(yīng)率2.噪聲等效功率（NEP）