پایان نامه کنترل از راه دور از طریق مادون قرمز

پایان نامه سال 87

اشعه مادون قرمز

مادون در لغت به معناي زير دست و قرمز به معناي هر چه به رنگخون باشد، است. پس ميتوان گفت كه مادون قرمز اشعه بسيار ريز و قرمز رنگ است. اشعه مادون قرمز يا فرو سرخ ، انرژي الکترومغناطيسي است که براي چشم انسان نامرئي است و در طيف الکترومغناطيسي ، بين امواج راديويي و نور مرئي قرار دارد و با سطوح انرژي اتمي ارتباط دارد. اين اشعه که در نور خورشيد و منابع مصنوعي وجود دارد، اگر توسط ماده جذب شود، آن را گرم مي‌کند.

كشف هرسل اولنگام در ايجاد پديده‌اي كه ما آن را طيف الكترومغناطيسي ميناميم. نور مرئي و پرتوهايمادون قرمز دو نمونه اشكال فراواني از انرژي هستند كه توسط تمام اجسام موجود درزمين و اجرام آسماني تابانده ميشوند. مادون قرمز در طيف الكترومغناطيسي دارايمحدوده طول موجي بين 78/0 تا 1000 ميكرو متر است. تنها با مطالعه اين تشعشعات است كه مي توانيم اجرام آسماني را تشخيص و تميز دهيم و تصويري كامل از چگونگي ايجاد جهانو تغييرات آن بدست آوريم. در سال 1800 سر ويليام هرشل يك نمونه نامرئي از تشعشعاترا كشف كرد كه اين نمونه دقيقا زير بخش قرمز طيف مرئي قرار داشت. او اين شكل ازتشعشعات را مادون قرمز ناميد.

سير تحولي و رشد

Greathouse  و همكارانش طي مطالعه‌اي تاثير ليزر مادون قرمزرا به انتقال عصبي ، عصب راديال بررسي كردند. زمان تاخير ، دامنه پتانسيل عمل و دما، متغيرهاي مورد آزمايش مشاهده نشد.Lynn Snyder و همكارانش اثر ليزر كم توان هليوم - نئون را بر زمان تاخير شاخه حسي عصب راديال در دو گروه ليزر و پلاسبو بررسينمودند و مشاهده كردند كه در گروه ليزر ، افزايش معني دارا در زمان تاخير حسي پس ازبكارگيري ليزر ايجاد گرديده است.

Bas Ford  و همكارانش طي مطالعه‌اي اثرليزر كم توان هليوم - نئون را بر شاخه حسي اعصاب راديال و مدين بررسي كردند. هيچاختلاف معني داري در دامنه پتانسيل عمل ، زمان تاخير و دما ساعد بعد از بكارگيريليزر مشاهده نشد.Baxter و همكارانش افزايش معني دار در زمان تاخير عصب مدين بعد ازبكارگيري ليزر گرارش كردند. Low و همكارانش كاهش دما را به دنبال تابش ليزر كم توانمادون قرمز ديدند.

گسترده اشعه مادون قرمز

منطقه اشعه مادون قرمز بين طول موجهاي 0.8 ميکرومتر (که حد نور مرئي است) و 343 ميکرومتر قرار دارد.

در اشعه مادون قرمز طول موجهاي کوتاهتر از 1.5 ميکرومتر از پوست مي‌گذرند و بقيه جذب شده و توليد حرارت مي‌کنند. اشعه مادون قرمز را به دو قسمت تقسيم مي‌کنند:

طول موجهاي بين 0.8 ميکرومتر تا 4 ميکرومتر.

طول موجهاي بلندتر از 4 ميکرومتر که اغلب بوسيله مواد جذب مي‌شوند، بخصوص طول موجهاي بلندتر از 10 ميکرومتر بوسيله هوا کاملا جذب مي‌شوند.

جذب اشعه مادون قرمز

آب يکي از مواد خيلي جاذب اشعه مادون قرمز است. محلول نمک طعام در حدود 20 برابر آب خالص اشعه را جذب مي‌کند.

شيشه معمولي براي اشعه مادون قرمز بلند به کلي غير قابل نفوذ است و مورد استفاده آن در ساختن گلخانه‌ها براي حفظ گلها از سرما به سبب همين خاصيت است.

منابع اشعه مادون قرمز

منبع طبيعي

بزرگترين منبع طبيعي اشعه مادون قرمز ، خورشيد است. مقداري از نور آفتاب که به ما مي‌رسد، داراي اشعه مادون قرمز کوتاه است، زيرا پرتوهاي مادون قرمز بلند آن در طبقات هوا جذب شده‌اند.

منبع مصنوعي

اجسام ملتهب

بهترين منبع مصنوعي براي اشعه مادون قرمز، اجسام ملتهب مي‌باشند که طول موج آنها بر حسب درجه حرارت تغيير مي‌کند. اگر بخواهيم اشعه مادون قرمز تنها داشته باشيم، بايد نور اين قبيل منابع مصنوعي را بوسيله شيشه‌هايي که در ترکيب آنها يد و يا اکسيد منگنز دو (MnO) وجود دارد، صاف کنيم. اين نوع صافيها طيف مرئي را جذب مي‌کند و فقط اشعه مادون قرمز کوتاه را عبور مي‌دهند.

عبور حريان الکتريکي از مقاومتها

روش ديگر که سهل و عملي است، عبور جريان الکتريکي از مقاوتهاي فلزي است، بطوري که اين مقاوتها سرخ مي‌شوند. اين مقاومتها غالبا از آلياژهاي آهن و نيکل ساخته شده‌اند.

چراغ با مفتول زغال چراغهايي که مفتول آنها از زغال چوب ساخته شده است، نيز به نسبت زياد اشعه مادون قرمز دارند. در اين چراغ نسبت اشعه کوتاه بين 1 ميکرومتر و 7 ميکرومتر خيلي کم ، ولي نسبت اشعه مادون قرمز بلند آن زياد است.

چراغ بخار جيوه چراغ بخار جيوه نيز ، اشعه مادون قرمز با طول موج کوتاه بين 0.92 ميکرومتر و 1.3 ميکرومتر توليد مي‌کند، ولي نسبت اشعه حاصله نسبت به ساير منابع کمتر است.

اندازه گيري اشعه مادون قرمز

براي اندازه گيري اشعه مادون قرمز از جذب انرژي حرارتي آن استفاده مي‌نمايند، يعني اين اشعه را به جسمي مي‌تابانند که بتواند کليه انرژي را جذب کند و سپس مقدار حرارتي را که در جسم مزبور توليد گشته ، اندازه مي‌گيرند.

پيل ترموالکتريکي : وسيله دقيق ديگر براي اندازه گيري اشعه مادون قرمز ، استفاده از پيل ترموالکتريک مي‌باشد که در آن انرژي حرارتي تبديل به انرژي الکتريکي مي‌شود و به سهولت قابل اندازه گيري است.

سوزن ترموالکتريک : براي اندازه گيري درجه حرارت در داخل نسوج زنده از دستگاهي به نام سوزن ترموالکتريک استفاده مي‌کنند.

خواص فيزيولوژيکي اشعه مادون قرمز

اشعه مادون قرمز سبب گرم شدن پوست و نسج سلولي زير جلدي مي‌شود.

اشعه مادون قرمز ممکن است در پوست سوختگي‌هاي نسبتا شديدي ايجاد نمايد.

اگر اشعه مادون قرمز را به مقدار مناسب بکار برند، در نتيجه اتساع رگهاي زير پوست ، سبب تسهيل اعمال فيزيولوژيک پوست مي‌شود و حتي از راه عکس‌العمل پوستي در بهبودي حال عمومي ‌نيز مي‌تواند موثر واقع شود.

اين اشعه خاصيت تسکين درد را نيز دارد که علت آن همان اتساع عروق و بهتر انجام گرفتن عمل رفع سموم و تغذيه بافتها است.

کاربرد اشعه مادون قرمز

ترموگرافي

طيف سنجي

بالا بردن متابوليسم

فرآيند جذب مادون قرمز

مانند انواع ديگر جذب انرژي ، موقعي که مولکولها ، اشعه مادون قرمز را جذب مي‌کنند، به حالت انرژي بالاتر برانگيخته مي‌گردند. جذب تابش مادون قرمز مانند هر فرآيند جذب ديگر ، يک فرآيند کوانتايي است، بدين صورت که فقط فرکانسهايي مشخص از تابش مادون قرمز توسط مولکول جذب مي‌گردد. جذب تابش مادون قرمز با تغيير انرژي بين( (KJ/mol 8-40 همراه است.

تابشي که داراي چنين انرژي باشد، فرکانسهاي ارتعاشي کششي و خمشي پيوندهاي کوالانسي اکثر مولکولها را شامل مي‌گردند. در فرآيند جذب ، فرکانسهايي از اشعه مادون قرمز که با فرکانسهاي ارتعاشي طبيعي مولکول مورد نظر تطبيق کند، جذب خواهد شد و انرژي جذب شده براي افزايش دامنه حرکت ارتعاشي اتصال موجود در مولکول بکار گرفته مي‌شود. بايد توجه داشت که تمامي پيوندهاي موجود در مولکول ، قادر به جذب انرژي مادون قرمز نيستند، حتي اگر فرکانس اشعه ، کاملا با فرکانس حرکت تطبيق کند.

فقط آن پيوندهايي که داراي گشتاور دو قطبي هستند، قادر به جذب انرژي مادون قرمز خواهند بود. پيوندهاي متقارن ، مثلا پيوند موجود در H2 و Cl2 ، اشعه مادون قرمز را جذب نمي‌کنند. يک پيوند بايد خصلت يک دوقطبي الکتريکي را از خود بروز دهد که اين دوقطبي با همان فرکانس اشعه ورودي متغير است تا انتقال انرژي صورت پذيرد. بنابراين پيوندهاي متقارن در مادون قرمز جذب نمي‌دهد.

اکثر پيوندهايي که چنين پديده‌اي را دارند، پيوندهاي موجود در آلکنهاي متقارن و در آلکينهاي متقارن هستند.

موارد استفاده از طيف مادون قرمز

چون هر پيوند ، داراي فرکانس ارتعاش طبيعي خاصي است و نيز چون يک پيوند بخصوص در دو مولکول مختلف در دو محيط متفاوت قرار دارند، بنابراين ، هيچگاه دو مولکول با ساختمانهاي متفاوت جذب مادون قرمز يا به عبارت بهتر طيف مادون قرمز مشابهي نمي‌دهند. اگر چه ممکن است که بعضي از فرکانسهاي جذب شده در دو مولکول مشابه باشند، اما هيچگاه دو مولکول مختلف ، طيف مادون قرمز کاملا يکساني را نخواهند داشت. بنابراين طيف قرمز را مي‌توان مانند اثر انگشت در انسان براي شناسايي مولکولها بکار گرفت.

با مقايسه طيف مادون قرمز دو ماده که تصور مي‌رود مشابه باشند، مي‌توان پي برد که آيا واقعا آنها يکي هستند يا نه. اگر تمام جذبها در طيف دو مولکول بر يکديگر منطبق شوند، آن وقت به احتمال قريب به يقين دو ماده يکسان هستند. کاربرد دوم طيف مادون قرمز که مهمتر از اولي است، اين است که طيف مزبور ، اطلاعاتي راجع به ساختمان يک مولکول مي‌دهد. جذبهاي مربوط به هر پيوند C≡N و C─C و C=O و C─X و O─H و N─H و ...) در بخش کوچکي از ناحيه ارتعاشي مادون قرمز يافت مي‌شوند.

بعنوان مثال ، هر جذبي که در ناحيه 3000 ± 150() قرار داشته باشد، تقريبا هميشه نشان دهنده وجود اتصال (C─H) در هر مولکول است. نواحي کوچکي که در مادون قرمز ارتعاشي توسط انواع مختلف پيوندها اشغال مي‌شوند. نواحي کوچکي که در مادون قرمز ارتعاشي توسط انواع مختلف پيوندها اشغال مي‌شوند، در جدول زير نشان داده شده اند:

طول موج (μm)

15.4

6.5

6.1

5.5

5

4

2.5

C─Cl

C=N

C=O

تعداد بسيار اندکي نوار

C≡C

C─H,O─H

C─O

C─N

C≡N

C─C

C=C

N=C=N,O,C,S

650

1550

1650

1800

2000

2500

4000

فرکانس (cm-1)

آشكار سازهاي مادون قرمز :

دو نوع آشكازساز مادون قرمز وجوددارد . اشكارسازهاي حرارتي كه به آنها بولومتر (Bolometer) گفته مي شود اشعه مادون قرمز را تبديل به حرارت مي كنند و سپس حرارت تبديل به يك سيگنال الكتريكي متناسب با اشعه ماون قرمز مي گردد . دسته دوم آشكارسازها ي فتوالكتريك مي باشد كه اشعه مادون قرمز را مستقيما تبديل به سيگنال الكتريكي مي كنند.

آشكارسازهاي حرارتي :

در اين آشكارسازها يك ترميستور بعنوان عنصر حساس بكار مي رود . ترميستور يك مقاومت الكتريكي است كه با ازدياد حرارت ناشي از نور كاهش مي يابد . بعبارت ديگر حرارت ناشي از نور مادون قرمز دريافتي ، مقاومت ترميستور را كاهش مي دهد ، در نتيجه مقدار جريان افزايش يافته و يك پالس الكتريكي توليد مي شود . آشكارسازهاي حرارتي در تمام طول موجهاي مادون قرمز بطور يكسان عمل مي كنند . آشكارسازهاي مادون قرمز حرارتي داراي يك تأخير زماني مي باشند به اين ترتيب كه از زمان دريافت مادون قرمز تا تبديل آن به سيگنال الكتريكي يك فاصله كوتاه زماني وجود دارد  كه اين بخاطر اينست كه ابتدا مادون قرمز تبديل به حرارت و سپس تبديل به سيگنال الكتريكي مي گردد . بعلاوه حساسيت آشكارسازهاي حرارتي نسبت به آشكارسازهاي فتو الكتريكي به اندازه صد برابر كمتر است.

آشكارسازهاي فتو الكتريك:

اين آشكارسازها از يك نيمه هادي تشكيل شده اند كه بر اثر تابش مادون قرمز يك جريان و يا ولتاژ الكتريكي ايجاد مي كنند . اين آشكارسازها خيلي حساس تر از آشكارسازهاي حرارتي مي باشند ولي پاسخ آنها تا يك طول موج خاص مي باشد . حساسيت اين آشكارسازها با كمتر كردن درجه حركت مولكولها ي نيمه هادي كمتر شده و در نتيجه مقدار اغتشاشات خود آشكارساز كاهش مي يابد.

طراحي آشكارسازهاي مادون قرمز :

تا اينجا با شدت امواج مادون قرمز ، اثر فسفر برروي اين امواج و آشكارسازهاي آن آشنا شديم . حال مي خواهيم ببينيم  كه براي طراحي آشكار ساز مادون قرمز بايد چه پارامترهايي را در نظر گرفت . فرض كنيم كه بدنه داغ هواپيما مورد نظر ماست و مي خواهيم توسط امواج مادون قرمزي كه از بدنه هواپيما ي مافوق صوت خارج مي شود هدف را كشف كنيم . مي دانيم كه ماكزيمم دامنه امواج در اين حالت در روي 4 ميكرون است . از طرفي اين طول موج بخوبي از آتمسفر عبور مي كند بنابراين لازم  نيست كه طول موجهاي مجاور را انتخاب كنيم ( در صورتيكه جذب اتمسفر روي 4 ميكرون زياد باشد بايد امواج حوالي 4 ميكرون را كه آتمسفر جذب كمتري روي آنها دارد انتخاب شوند . ) مرحله ي بعدي انتخاب نوع آشكارساز است . سولفيد سرب و فلوريد سرب روي 4 ميكرون حساسيت  خوبي دارند . بنابراين هر كدام از اينها مي توانند انتخاب شوند . يك نكته كه در مورد آشكارسازها قابل اهميت است اين كه اين آشكارسازها فقط روي امواج كوتاه حساسيت زيادي دارن د و در طول موجهاي بالاتر نمي توان از آن ها استفاده نمود ، بعلاوه در امواج كوتاه نيز اين آشكارسازها بايد خنك شنود بنابراين سنگين و گران قيمت مي شوند . به همين جهت است كه در بعضي از موارد آشكارسازها ي حرارتي كه حساسيت كمتري دارند ولي در عوض سبكتر و ارزانتر مي باشند ، ترجيح داده مي شوند.

منابع و مآخذ

كتابها :

-تكنيك پالس ، معتمدي

- الكترونيك صنعتي ، م. ه. رشيد

سايت ها :

www.eca.ir

www.micro.ir