تحلیل طیف الکترومغناطیسی:پایین تر از دید!

سلام به همگی. به یه قسمت دیگه از تحلیل طیف الکترومغناطیسی خوش اومدید. تو این پست قراره با هم دیگه به بررسی طیف فروسرخ یا مادون قرمز (IR) بپردازیم .

همونطور که مبینید این طیف پایین تر از نور مرئی قرار داره . علت انتخاب تیتر پایین تر از دید هم همینه . انسان توانایی دیدن نور فروسرخ رو نداره . اما فروسرخ چی هست؟

فروسرخ طول موجش بلند تر از نور مرئی و کوتاه تر از امواج رادیوییه . بازه فرکانسی فروسرخ از 300 گیگاهرتز تا 428 تراهرتز و طول موج 1 میلیمتر تا 700 نانومتر هست.این امواج در صورت برخورد به جسم موجب گرم شدن جسم میشن این امواج دسته ایاز پرتو های خورشید هم هستن به همین علته که وقتی جلوی نور خورشید قرار میگیریم احساس گرما میکنیم. این طیف از بدن موجودات زنده هم ساطع میشه و بسیاری از شکارچی ها با این روش شب ها میتونن شکارشون رو پیدا کنن.

مار پیتون ( تصویربالا) و مار زنگی (تصوی پایین) دو نمونه از گونه هایی هستند که این گیرنده هارو دارن. فلش مشکی به بینی مار ها اشاره میکنه و فلش قرمز به گیرنده های مادون قرمز اشاره میکنن.

دید حرارتی از نظر گیرنده IR بصورت تصویر زیره :

تصویر بالا با دوربین حرارتی گرفته شده و مار هایی که بالاتر تصویرشون رو گذاشتیم هم به همین شکل شکارشون رو میبینن.

این طیف از شیشه عبور نمیکنه . این موضوع رو میتونید توی تصویر زیر ببینید:

توی این طیف میشه دما رو هم اندازه گرفت .

البته تصویر بالا نوع گرون دوربین حرارتیه . سنسور هایی هم وجود دارن که میتونن بدون تماس با جسم دما رو اندازه گیری کنن اونها هم از این طیف برای اندازه گیری دما استفاده میکنن. حتما توی اپیدمی کرونا درباره سنسور های دماسنج غیر تماسی یا ترمومتر شنیدید یا اگر به پزشک و یا بعضی مکان های عمومی وارد شدید با این مدل سنسور ها دمای بدنتون رو اندازه گیری کردن :

حالا داخل اینا از چه سنسور هایی استفاده میشه و این سنسور ها چجوری توانایی اندازه گیری دما رو بدون تماس با جسم و از طریق طیف الکترومغناطیسی دارن ؟

تصویر بالا یک نمونه از سنسور های اندازه گیری دما از طریق طیف مادون قرمز هست که مدلش MLX90614 هست. دیتاشیتش رو از اینجا میتونید دانلود کنید.

این سنسور ها فوتو دیتکتور های داخلی دارن و کار این فوتو دیتکتور ها تبدیل فرکانس خاصی از نور به جریان الکتریکیه ( تو این مورد فوتودیتکتور های ما توی رنج فرکانسی فروسرخ فعالیت میکنن یعنی رنج 700 تا 1400 نانومتر)جلوی این فوتودیتکتور ها هم یه لایه فیلتر شفاف وجود داره که بقیه فرکانس های نوری بغیر از رنجی که نیاز داریم رو فیلتر میکنه . میزان جریانی که از این فوتو دیتکتور ها ایجاد شده وارد یک آمپلیفایر میشه و میتونه دقت بالایی از دما رو به ما برسونه . این جریان هنگام تولید کالیبره میشه تا ما دمای درستی رو دریافت کنیم.دمای 70- تا 340+ رو هم میتونه اندازه گیری کنه .

طبق تصویر زیر میتونید به آردوینو وصلش کنید:

و از کد زیر برای راه اندازیش استفاده کنید . باید قبل از آپلود کد کتابخانه Adafruit_MLX90614 رو از manage libraries دانلود کنید .

/***************************************************
  This is a library example for the MLX90614 Temp Sensor

  Designed specifically to work with the MLX90614 sensors in the
  adafruit shop
  ----> https://www.adafruit.com/products/1747 3V version
  ----> https://www.adafruit.com/products/1748 5V version

  These sensors use I2C to communicate, 2 pins are required to
  interface
  Adafruit invests time and resources providing this open source code,
  please support Adafruit and open-source hardware by purchasing
  products from Adafruit!

  Written by Limor Fried/Ladyada for Adafruit Industries.
  BSD license, all text above must be included in any redistribution
 ****************************************************/

#include <Adafruit_MLX90614.h>

Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  Serial.println("Adafruit MLX90614 test");

  if (!mlx.begin()) {
    Serial.println("Error connecting to MLX sensor. Check wiring.");
    while (1);
  };
}

void loop() {
  Serial.print("Ambient = "); Serial.print(mlx.readAmbientTempC());
  Serial.print("*C\tObject = "); Serial.print(mlx.readObjectTempC()); Serial.println("*C");
  Serial.print("Ambient = "); Serial.print(mlx.readAmbientTempF());
  Serial.print("*F\tObject = "); Serial.print(mlx.readObjectTempF()); Serial.println("*F");

  Serial.println();
  delay(500);
}

خب تا اینجا یکی از کاربرد های IR رو دیدیم. حالا کاربرد بعدیش داخل ریموت های تلویزیون ضبط و انواع ریموت هایی که LED IR برای برقراری ارتباط با گیرنده دارن هست. حالا چرا از طیف های رادیویی یا مرئی یا مایکروویو برای ارسال این اطلاعات استفاده نمیکنن؟ دلیلش نویز و فاصله هست. نور مرئی که تا دلتون بخواد نویزه. تمام اطراف شما که بوسیله نور مرئی قادر به دیدنش هستید نویزه! پس این گزینه میره کنار. امواج مایکروویو هم همینطوره. اگر یادتون باشه توی این پست گفتیم که دکل های مخابراتی از این امواج استفاده میکنن. در ضمن این طیف از دیوار ها هم عبور میکنه . پس اگر شما و همسایتون یه مدل گیرنده داشته باشید ( مثلا هردو تلویزیون یک مدل باشن) در اینصورت شما تو خونه خودتون صدا رو بالا پایین کنید ، همون اتفاق برای همسایتون هم میفته! موج رادیویی هم که تکلیفش معلومه . اونم ایستگاه های رادیویی اشغال کردن و باز همین مشکل هم مدل بودن پیش میاد! ولی موج IR یا همون فروسرخ ، گیرندگی کمی دارن. یعنی از دیوار نفوذ نمیکنن. پس تلویزیون شما و همسایتون کپی هم باشه بازم تا نرید جلوی تلویزیون همسایه نمیتونید تغییری توی شبکه یا صداش و ….. ایجاد کنید.توی اون رنج هم بصورت عادی چیزی وجود نداره که نویز بسازه.

LED های فرستنده IR هم از کریستال هایی از موادی مانند ایندیم گالیم آرسنید ساخته میشن.

جالبه بدونید نور IR توسط چشم های ما قابل دیدن نیست ولی میشه با دوربین گوشی این نور رو دید. سنسور های دوربین بازه بیشتری از طیف الکترومغناطیسی رو نسبت به ما میبینن.کافیه دوربین گوشی رو باز کنید و اونو جلوی ریموت تلویزیون بزارید و میتونید نور بنفش رنگ LED IR رو ببینید.

توی تصویر زیر میتونید دو نمونه گیرنده IR دوپایه وسه پایه روببینید:

نمونه دوپایه مثل فوتو دیود عمل میکنه و توی کاربرد هایی مثل اندازه گیری فاصله ، RPM انواع موتور و اندازه گیری ضربان قلب کاربرد داره .اما نمونه سه پایه که قراره توضیحش بدیم توی انواع گیرنده های ریموت تلویزیون ، پخش و…. کاربرد داره . میتونید بوسیله این آموزش کد های انواع ریموت IR رو بوسیله آردوینو ببینید.

با شماتیک زیر میتونید گیرنده رو به اردوینو وصل کنید:

دقت کنید پایه ها ممکنه توی سنسور های شما فرق داشته باشه پس حتما قبل از اتصال دیتاشیت قطعتون رو نگاه کنید و پایه vccبر حسب ولتاژ به پایه ولتاژ آردوینو و پایه gndبه gnd آردوینو و پایه سیگنال هم به D7 وصل کنید.

برای اجرای این کد به کتابخانه IRremote احتیاج دارید که از منوی manage libraries قابل دانلوده.

#include <IRremote.h> // include the IRremote library
#define RECEIVER_PIN 7 // define the IR receiver pin
IRrecv receiver(RECEIVER_PIN); // create a receiver object of the IRrecv class
decode_results results; // create a results object of the decode_results class
void setup() {
  Serial.begin(9600); // begin serial communication with a baud rate of 9600
  receiver.enableIRIn(); // enable the receiver
  receiver.blink13(true); // enable blinking of the built-in LED when an IR signal is received
}
void loop() {
  if (receiver.decode(&results)) { // decode the received signal and store it in results
    Serial.println(results.value, HEX); // print the values in the Serial Monitor
    receiver.resume(); // reset the receiver for the next code
  }
}

بعد از آپلود کد سریال مانیتور رو باز کنید و باودریت رو روی 9600 تنظیم کنید . بعد ریموت IR رو جلوی گیرنده بگیرید و یکی از کلید هارو فشار بدید . میتونید کد اون کلید ریموت رو ببینید.

خب تا اینجا دو کاربرد IR رو دیدید و باهاش آشنا شدید . حالا یه کاربرد سومی هم هست. کاربرد سوم ، دید در شبه. بالاتر گفتیم که نور IR با چشم قابل دیدن نیست ولی با دوربین قابل رویته . حتما توی ئدوربین های مداربسته دید در شب، دیدید که دور دوربین چندین LED IR قرار داره :

این LED ها IR هستند و با روشن شدن توی تاریکی ( بوسیله LDR که روشون قرار داره میزان تاریکی رو متوجه میشن) میتونن دید در شب داشته باشن. البته لازم به ذکره توی دید در شب تصاویر سیاه سفید میشن دلیلش هم تک طیف بودن نور این LED ها هست. نور این LED ها فقط به سیاه و سفید تقسیم میشه و تو رنج نور مرئی نیست در نتیجه فقط تک رنگ میبینید تصویر رو.

دوربین های دید در شب رنگی هم از تکنولوژی COLOR VU استفاده میکنن. این تکنولوژی به جای نورIR از چراغ قوه که طیف مرئی رو شامل میشه استفاده میکنه و توی شب تصویر رنگی میده بهتون . البته تکنولوژی جدید تری هم وجود داره که بوسیله نور فرابنفش و IR تصویر رنگی توی شب میده . این تکنولوژی اول موفعیت اشیاء رو توی تاریکی تشخیص میده بعد با استفاده از نور UV ( در پست های آینده بهش میپردازیم) یک طیف نزدیک به رنگ جسم رو انتخاب میکنه و با استفاده از هوش مصنوعی اون رو به اجرا در میاره و میتونه تصویر قابل قبول رنگی توی شب بهتون بده . ولی این تکنولوژی خیلی گرونه و هنوز فراگیر نشده .

امیدوارم از خوندن این پست لذت برده باشید.

موفق باشید.