無(wú)人機(jī)傳感器與檢測(cè)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(chēng)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。任務(wù)一紅外線認(rèn)知任務(wù)描述

紅外線是一種不可見(jiàn)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(jiàn)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(chē)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(lèi)：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）若投射到探測(cè)器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測(cè)器本身的噪聲電壓，這個(gè)輻射功率就是噪聲等效功率。3.響應(yīng)時(shí)間加入或去掉輻射源的響應(yīng)速度。兩種時(shí)間相等4.探測(cè)率當(dāng)探測(cè)器的敏感元件具有單位面積，放大器的帶寬為1Hz時(shí)，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(cè)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(dòng)式探測(cè)器，器件功耗很小，且價(jià)格低廉，檢測(cè)距離可達(dá)10m。本任務(wù)通過(guò)熱釋電紅外測(cè)溫傳感器模塊測(cè)溫實(shí)驗(yàn)來(lái)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(cè)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(chēng)及功能。3)硬件連接。GY-906模塊端口UNO單片機(jī)端口說(shuō)明VIN5V電源SCLA5時(shí)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(cè)試程序（代碼見(jiàn)附錄）編輯、驗(yàn)證/編譯、上傳至開(kāi)發(fā)板。5)功能測(cè)試。

知識(shí)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(lèi)的晶體）的表面溫度發(fā)生變化（上升或下降）時(shí)，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(cè)模塊菲涅爾透鏡熱釋電紅外傳感器放大器驅(qū)動(dòng)放大電路繼電器基準(zhǔn)電壓源比較器組成檢測(cè)距離由2m增加到10m菲涅耳透鏡利用當(dāng)移動(dòng)物體或人發(fā)射的紅外線進(jìn)入透鏡時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)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(wú)人機(jī)用紅外傳感器認(rèn)知與測(cè)距實(shí)驗(yàn)任務(wù)描述

隨著無(wú)人機(jī)的普及，人們對(duì)無(wú)人機(jī)識(shí)別和躲避障礙物功能提出了更高的要求，無(wú)人機(jī)載的超聲波傳感雖然能檢測(cè)無(wú)人機(jī)周邊障礙物，但其檢測(cè)角度小，且其容易受無(wú)人機(jī)槳頻振動(dòng)的影響而不穩(wěn)定，為了擴(kuò)大障礙物的檢測(cè)范圍，提升抗干擾能力，需要在無(wú)人機(jī)上加裝紅外傳感器。本任務(wù)通過(guò)紅外測(cè)距模塊的測(cè)距實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)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(cè)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(chēng)及功能。3)硬件連接。紅外測(cè)距傳感器模塊端口UNO單片機(jī)端口說(shuō)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(cè)試程序（代碼見(jiàn)附錄）編輯、驗(yàn)證/編譯、上傳至開(kāi)發(fā)板。5)功能測(cè)試。一、DJIPhantom4Pro上的紅外傳感器有效探測(cè)距離：7米知識(shí)鏈接二、DJIMatrice300RTK上的紅外感知系統(tǒng)檢測(cè)距離：8米檢測(cè)角度：15o注意：紅外線會(huì)被黑色物體吸收，會(huì)穿透透明物體，會(huì)被其他紅外線干擾。知識(shí)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(zhǎng)4.26μm附近的吸收波段分析COCO2在哪個(gè)波長(zhǎng)范圍對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收