无人机传感器与检测技术课件：红外线认知

红外传感器认知与实验项目描述红外传感器（也称红外探测器）是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，是红外探测系统的关键部件。红外线传感器常用于无接触温度测量、距离测量、气体成分分析和无损探伤。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的人员；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。无人机搭载的红外传感器主要用于检测无人机周边的障碍物。本项目拟通过对红外线应用案例调研、红外传感器模块测温实验和红外传感器模块测距实验等工作任务，增强学生规范操作、团队协作意识，让学生认识红外线和红外传感器、掌握红外线特性和红外线传感器的基本特性、会用红外线传感器模块测量物体温度和物体间距离。红外线认知任务描述

红外线是一种不可见光，波长范围在0.78~1000μm。工程上把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射能量就越强。自然界中温度大于0K的任何物体，都能产生红外辐射，但放射的红外线的波长不同，例如人体的温度为36~37℃，所放射的红外线波长为9~10μm（远红外）。加热到400~700℃的物体，其放射出的红外线波长为3~5μm（中红外）。本任务通过调研红外线应用案例来学习红外线的基本特性。任务实施1)列举生活中常见的红外线应用实例，并说明应用场景及主要目的。2)查阅资料补充红外线应用案例，小组总结汇报红外线的应用情况。

红外线知识链接温度大于0K的任何物体，都能产生红外辐射，但放射的红外线的波长不同。温度为36~37℃的人体，所放射的红外线波长为9~10μm（远红外）例1例2加热到400~700℃的物体，其放射出的红外线波长为3~5μm（中红外）。红外线的性质反射折射散射干涉吸收大气窗口2~2.6μm3~5μm8~14μm红外检测的优越性昼夜测量不设光源适用于遥感技术生命光波1893年，德国物理学家威廉·维恩(WilhelmWien)通过实验提出了维恩波长位移定律，论证了阳光中4-14微米波段的“生命光波”与人体发出的“生命光波”同频同性，与人体细胞分子的振频波段高度吻合，极易为人体吸收，人体更是“生命光波”天然的吸收发射源，能够不间断的发出9.35微米（峰值）的“生命光波”，是生命能量的源头，被美国太空总署（NASA）及国际学界所公认。生命光波能与人体产生共鸣和吸收，促进内分泌平衡，起到保健的功用，“生命光波”渗入体内之后，便会引起人体细胞的原子和分子的共振，透过共鸣吸收，分子之间摩擦生热形成热反应，促使皮下深层温度上升，并使微血管扩张，加速血液循环，有利于清除血管囤积物及体内有害物质，将妨害新陈代谢的障碍清除，重新使组织复活，促进酵素生成，达到活化组织细胞、防止老化、强化免疫系统的目的。一、红外辐射源定义发射红外电磁波的物体和器件（1）标准辐射源绝对黑体模型能斯脱灯丝硅碳棒带稀土金属氧化物灯丝的固体辐射器（2）工业辐射源碳弧灯电加热辐射器（3）自然界红外源（4）发光二极管和半导体激光器、固体和气体激光器发光二极管半导体激光器气体激光器（5）红外装置或系统需要探测的辐射源航空发动机火箭汽车表述：黑体辐射力与黑体热力学温度的四次方成正比。揭示了黑体的辐射能力与其温度的关系。1.斯蒂芬-玻尔兹曼定律σb为黑体辐射常数，σb=5.67×10-8

W/（m2·K4）。实际物体的辐射能力的计算公式为：ε为实际物体的发率。

二、红外辐射的基本定律黑体：能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体。是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，吸收本领与波长和温度无关，即α=1。镜体（白体）：能全部反射红外辐射的物体。

透明体：能全部透过红外辐射的物体。

灰体：能部分反射或吸收红外辐射的物体。黑体、镜体和透明体都是假定的理想物体。2.基尔霍夫定律揭示了实际物体在热平衡状态下辐射力与吸收率之间的关系。α为实际物的吸收率，

α=

ε。

任何物体的辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射力，并且只和温度有关。3.普朗克定律揭示了绝对黑体的单色辐射力和波长及热力学温度的关系。单色辐射力是辐射物体单位表面积在单位时间内及某一波长下，单位波长间隔向空间辐射的能量。λ为波长，μm；C1为第一辐射常数，C1=3.743×108μm4·W/m2；C2为第二辐射常数，C2=1.439×104μm·K。红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。三、红外探测器按探测机理的物理效应分1热探测器2光子探测器（一）热探测器热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。1、工作机理热探测器的优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用广泛。2、优点（二）光子探测器入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象。1、光子效应光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。2、主要特点（三）红外探测器的基本参数输出电压与输入的红外辐射功率之比。1.响应率2.噪声等效功率（NEP）