無人機(jī)傳感器與檢測技術(shù)課件：紅外傳感器認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)

紅外傳感器認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目描述紅外傳感器（也稱紅外探測器）是利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的傳感器，是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件，是紅外探測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量、距離測量、氣體成分分析和無損探傷。例如采用紅外線傳感器遠(yuǎn)距離測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飛機(jī)上正在運(yùn)行的發(fā)動機(jī)的過熱情況等。無人機(jī)搭載的紅外傳感器主要用于檢測無人機(jī)周邊的障礙物。本項(xiàng)目擬通過對紅外線應(yīng)用案例調(diào)研、紅外傳感器模塊測溫實(shí)驗(yàn)和紅外傳感器模塊測距實(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，讓學(xué)生認(rèn)識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、會用紅外線傳感器模塊測量物體溫度和物體間距離。任務(wù)一紅外線認(rèn)知任務(wù)描述

紅外線是一種不可見光，波長范圍在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不同，例如人體的溫度為36~37℃，所放射的紅外線波長為9~10μm（遠(yuǎn)紅外）。加熱到400~700℃的物體，其放射出的紅外線波長為3~5μm（中紅外）。本任務(wù)通過調(diào)研紅外線應(yīng)用案例來學(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，并說明應(yīng)用場景及主要目的。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不同。溫度為36~37℃的人體，所放射的紅外線波長為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紅外檢測的優(yōu)越性晝夜測量不設(shè)光源適用于遙感技術(shù)生命光波1893年，德國物理學(xué)家威廉·維恩(WilhelmWien)通過實(shí)驗(yàn)提出了維恩波長位移定律，論證了陽光中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，被美國太空總署（NASA）及國際學(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，便會引起人體細(xì)胞的原子和分子的共振，透過共鳴吸收，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)需要探測的輻射源航空發(fā)動機(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輻射的物體，吸收本領(lǐng)與波長和溫度無關(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黑體的單色輻射力和波長及熱力學(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間內(nèi)及某一波長下，單位波長間隔向空間輻射的能量。λ為波長，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)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。三、紅外探測器按探測機(jī)理的物理效應(yīng)分1熱探測器2光子探測器（一）熱探測器熱探測器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測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，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測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）光子探測器入射光輻射的光子流與探測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，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。2、主要特點(diǎn)（三）紅外探測器的基本參數(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）若投射到探測器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓，這個輻射功率就是噪聲等效功率。3.響應(yīng)時間加入或去掉輻射源的響應(yīng)速度。兩種時間相等4.探測率當(dāng)探測器的敏感元件具有單位面積，放大器的帶寬為1Hz時，單位功率輻射所獲得的信噪比。紅外傳感器認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)任務(wù)二熱釋電紅外傳感器測溫實(shí)驗(yàn)與認(rèn)知任務(wù)描述

熱釋電紅外傳感器不向外發(fā)射任何輻射，是被動式探測器，器件功耗很小，且價格低廉，檢測距離可達(dá)10m。本任務(wù)通過熱釋電紅外測溫傳感器模塊測溫實(shí)驗(yàn)來認(rèn)知熱釋電紅外傳感器。任務(wù)實(shí)施1)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備GY-906IR紅外測溫傳感器模塊，UNO單片機(jī)控制電路板，排針，杜邦線，USBAtoB數(shù)據(jù)連接線，Arduino軟件等。2)熟悉傳感器模塊，了解傳感器模塊的特性參數(shù)，了解紅外傳感器模塊各端口的名稱及功能。3)硬件連接。GY-906模塊端口UNO單片機(jī)端口說明VIN5V電源SCLA5時鐘引線SDAA4雙向數(shù)據(jù)引線GNDGND接地4)參考項(xiàng)目四任務(wù)三的步驟，將測試程序（代碼見附錄）編輯、驗(yàn)證/編譯、上傳至開發(fā)板。5)功能測試。

知識鏈接一、熱釋電效應(yīng)某些強(qiáng)介電常數(shù)物質(zhì)（如鈦酸鋇一類的晶體）的表面溫度發(fā)生變化（上升或下降）時，物質(zhì)表面上隨之產(chǎn)生電荷的變化二、熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)三、熱釋電紅外探測模塊菲涅爾透鏡熱釋電紅外傳感器放大器驅(qū)動放大電路繼電器基準(zhǔn)電壓源比較器組成檢測距離由2m增加到10m菲涅耳透鏡利用當(dāng)移動物體或人發(fā)射的紅外線進(jìn)入透鏡時產(chǎn)生的一個交替“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，從而形成了光脈沖。人體紅外感應(yīng)傳感器模塊紅外傳感器認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)任務(wù)三無人機(jī)用紅外傳感器認(rèn)知與測距實(shí)驗(yàn)任務(wù)描述

隨著無人機(jī)的普及，人們對無人機(jī)識別和躲避障礙物功能提出了更高的要求，無人機(jī)載的超聲波傳感雖然能檢測無人機(jī)周邊障礙物，但其檢測角度小，且其容易受無人機(jī)槳頻振動的影響而不穩(wěn)定，為了擴(kuò)大障礙物的檢測范圍，提升抗干擾能力，需要在無人機(jī)上加裝紅外傳感器。本任務(wù)通過紅外測距模塊的測距實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)用紅外傳感器的認(rèn)知。任務(wù)實(shí)施1)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備GP2Y0A21紅外測距傳感器模塊，UNO單片機(jī)控制電路板，端子線，USBAtoB數(shù)據(jù)連接線，Arduino軟件等。2)熟悉傳感器模塊，了解傳感器模塊的特性參數(shù)，了解紅外傳感器模塊各端口的名稱及功能。3)硬件連接。紅外測距傳感器模塊端口UNO單片機(jī)端口說明VCC（紅線）5V電源電壓V0（黃線）A0輸出端電壓GND（黑線）GND接地端4)參考項(xiàng)目四任務(wù)三的步驟，將測試程序（代碼見附錄）編輯、驗(yàn)證/編譯、上傳至開發(fā)板。5)功能測試。一、DJIPhantom4Pro上的紅外傳感器有效探測距離：7米知識鏈接二、DJIMatrice300RTK上的紅外感知系統(tǒng)檢測距離：8米檢測角度：15o注意：紅外線會被黑色物體吸收，會穿透透明物體，會被其他紅外線干擾。知識拓展一、紅外線氣體分析儀紅外線選擇性吸收氣體利用波長4.26μm附近的吸收波段分析COCO2在哪個波長范圍對紅外線有較強(qiáng)的吸收