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构建AA NiMH和NiCd电池的USB充电器

构建AA NiMH和NiCd电池的USB充电器

我总是在抱怨旅行时需要随身携带的所有的充电器和墙壁疣。而这个项目,可以使用笔记本电脑的USB端口,以一对AA镍氢(NiMH)或镍镉(NiCd)电池为电源充电,这就可以解决了一部分问题。(顺便说一句,如果你想减轻笔记本电脑的负担,请看一下MoGo鼠标。)

任何USB端口都可以提供高达500mA的5V电压。USB标准规定,在协商使用500mA的权利之前,设备可能不会使用超过100mA的电流,但显然没有USB端口强制执行该要求,这使得USB端口成为此电源等设备的便捷充电器。

市面上有USB AA充电解决方案,但它们都有一些缺点:

这个USBCell有一块1300mAh的AA镍氢电池和一个可移动的顶部,允许其直接插入任何USB端口而不需要单独的充电器。不幸的是,电池容量非常低(目前大多数NiMH AA电池都是2500mAh),而且每个电池都需要自己的端口。

有一种双电池USB供电的AA充电器,以各种各样的名称出售,但它以100mA的极低速率充电。经销商将其称为“隔夜充电器”,但在100mA时,2500mA电池充电需要约40小时(由于低电流充电效率低,因此需要40个而不是25个)。

我找到了一个可以通过USB端口,自动适配器或者墙壁疣供电的2/4电池充电器,但它与我试图更换的壁式充电器一样大。这些各种各样的充电器到处都是,但这些都需要10到12个小时才能为2500mAh电池充满电。

2007年12月更新: 三洋为其Eneloop电池推出了USB供电充电器。该充电器没有上面列出的任何缺点,并且将在大约5小时内为一对2000mAh电池充电,或者在一半时间内对单个电池充电。虽然设计用于Eneloops,但它也适用于常规的NiMH细胞。]

这个项目中的充电器设计用于为任何容量的两节AA NiMH或NiCd电池充电(只要它们相同),电流约为470mA。它将在约1.5小时内充满电700mAh NiCds电池,在约3.5小时内充满电1500mAh NiMH电池,在约5.5小时内充满电2500mAh NiMHs电池。充电器包含了一个基于电池温度的自动充电切断电路,电池可以在切断后一直留在充电器中。

产品规格

此充电器具有以下规格:

  • 尺寸:3.8“L×1.2”W×0.7“H(9.7cm×3.0cm×1.5cm)。
  • 电池:两个AA,NiMH或NiCd
  • 充电电流:470mA
  • 充电终止方法:电池温度(33°C)
  • 涓流电流:10mA
  • 电源:台式机,笔记本电脑或集线器USB端口
  • 工作条件:15°C至25°C(59°F至77°F)

电路

这款充电器的核心是Z1a,是LM393双电压比较器的一半。输出(引脚1)可以处于两种状态之一,高或低。充电时,内部晶体管将输出拉低,通过Q1和R5吸收约5.2mA的电流。Q1具有大约90β,因此大约有470mA电流从充电的两个AA电池中流出。这将在短短5个多小时内为一对2500mAh电池充满电。

USB供电AA充电器原理图。

USB供电AA充电器原理图。

在充电期间,R1,R2和R4形成三路分压器,在Z1a的非反相输入端(引脚3,Vref)产生约1.26V的电压

TR1是热敏电阻,与被充电的电池直接接触。它在25°C(77°F)时具有10kΩ的电阻,每1C°(1.8F°)与温度成反比约3.7%。R3和TR1形成分压器,其值应用于反相输入(引脚2,Vtmp)。在20°C(68°F)的温度下,TR1约为12kΩ,这使得Vtmp约为1.76V。

一旦电池完全充满电,充电电流就会以热量的形式浪费掉,电池温度就会升高。随着电池温度升高,TR1的电阻就会下降。在33°C(91°F)时,电阻约为7.4kΩ,这使Vtmp约为1.26V,等于Vref电压。

电池电压与时间的关系 当电压达到峰值时,电池充满,此后不久充电器就会关闭。

电池电压与时间的关系 当电压达到峰值时,电池充满,此后不久充电器就会关闭。

当温度升至33°C以上时,Vtmp将小于Vref,Z1a的集电极开路输出将浮动。因为它此时受到R1,R2和R4的限制,因此,流过R5的电流将大大减少。结果就是,流过Q1和电池的电流会降低到10mA的涓流充电速率。

此外,由于R4现在通过R5和Q1连接到+ 5V,而不是通过Z1a保持在0.26V,因此Vref电压变为大约2.37V。这可以保证随着电池温度的下降,充电器不会重新开启。为了使Vtmp达到2.37V,TR1必须达到约20kΩ,相当于约6°C(43°F)的温度,这在室温环境中永远不会担心。

Z1b是LM393芯片上的另一个比较器,仔细观察原理图可以知道它正在执行与Z1a相同的作用。然而,它不是驱动充电晶体管,而是驱动指示充电正在进行中的LED灯。R6将LED的电流限制在10mA左右。通过从它自己的比较器运行LED(无论我们是否使用它,它都在芯片上),LED电流对Vref没有影响。

最后,C1用于确保在插入一对电池时开始充电。没有电池并且充电器关闭,C1的电压约为1.9V(5V - 0.7V - Vref)。一旦插入两个电池中的第二个,C1的正侧突然被迫下降到电池电压(大约2.4V)。这立即迫使负极低于此值1.9V,达到约0.5V。由于它连接到Vref,Z1a的输出变低,然后充电就会开始。几毫秒后,C1调整到一侧R1,R2和R4以及另一侧单元施加的新电压差,不再影响电路。

施工

该电路最好建立在印刷电路板上。请参阅关于此主题的文章,制作优秀的印刷电路板。这是印刷电路布局:

铜方面。 实际尺寸为3.8“x 1.2”(9.7cm x 3.0cm)。 点击放大。

铜方面。实际尺寸为3.8“x 1.2”(9.7cm x 3.0cm)。

首先安装所有电阻器和电容器。电阻器应平放安装。安装LED1,确保定向,使负极端子连接到Z1b的引脚7。

元件放置图。 点击放大。

元件放置图。点击放大。

接下来安装Z1,确保引脚1(由IC的一个角上的小点或标识表示)的方向如放置图所示。如果您愿意,可以使用Z1插座。

晶体管Q1安装在小型散热器上。首先将引线向后弯曲90°,使它们开始变窄。不要太弯曲它们否则它们可能会断裂。将Q1插入其引线孔,然后将散热器滑到下面。在焊接引线的同时用夹子将所有东西固定到位。在夹具仍然就位的情况下,钻出散热器螺栓的孔。

安装所有电子元件的充电器。 请注意,散热器Q1下方有空间。 电池座所在的电路板区域已被磨损,以帮助粘附。

安装所有电子元件的充电器。请注意,散热器Q1下方有空间。电池座所在的电路板区域已被磨损,以帮助粘附。

下一步是安装电池座。我使用了一个2芯电池座,它是通过从一个并排的4芯电池座上切下两个外部电池的位置而制成的。你当然可以买一个2芯电池架,但是当我去零件店时,没有一个可用。我的方法具有额外的优点,即电池更容易插入和移除,因为支架的侧面不会在电池方向上内弯曲。在安装支架之前,拆下中央分隔器的1/4长部分,为热敏电阻腾出空间。还要将一些引线焊接到电池座端子上。将支架粘贴在电路板上的适当位置,与电路板的侧面和末端齐平。胶水干燥后,钻出电路板上的TR1孔,在电池座上形成匹配的孔。如果你认真地去做了所有的事情,这两个孔应该在中心线上,就在你移除了分隔线的地方。

将热敏电阻插入孔中,然后将一对AA电池放入支架中。从铜侧向上推热敏电阻,使其与电池牢固接触,然后将其焊接到位。然后取下电池,将电池座引线连接到放置图上标有B +和B-的孔。

完成充电器,一个电池到位。 通过切割4个电池座的外部位置来制造2个电池座。 注意如何安装热敏电阻,以便与正在充电的电池进行物理接触。 一个小型散热片让Q1保持凉爽。

完成充电器,一个电池到位。通过切割4个电池座的外部位置来制造2个电池座。注意如何安装热敏电阻,以便与正在充电的电池进行物理接触。一个小型散热片可以让Q1保持凉爽。

最后一步是连接USB电源线。要么购买电缆,要么从丢弃的USB设备(例如损坏的鼠标)上切下一根电缆。将电缆切割成所需的长度,并从末端剥去约1英寸的外壳。回到屏蔽上,找到+ 5V和GND线。它们通常分别是红色和黑色。剥去外壳并将它们的末端镀锡,然后将它们焊接到充电器的USB + 5V和USBGND端子上。

测试

在将充电器连接到电源之前,请仔细检查您的工作。确保所有组件都正确定向(特别是Q1,LED1,Z1和电池座)。

对于初始测试,我使用USB集线器供电。 电池和触点之间的一对#11爱好刀片让我连接电压监视器。

对于初始测试,我使用USB集线器供电。电池和触点之间的一对#11爱好刀片让我连接电压监视器。

对于初始测试,我建议您使用有源USB集线器。通过使用集线器,可以确保充电器不会从计算机中获取电量,就不会因为充电器中的缺陷而损坏电源。但请注意,除非集线器连接到计算机,否则大多数有源集线器都不会输出任何电源。或者,您可以使用稳压5V电源,暂时连接到电路板上的+ 5V和GND走线。

接通电源后,检查LED是否熄灭。如果它打开,请使用330Ω电阻瞬间将TR1短路(这使得电路认为电池已经非常热)。如果LED没有熄灭,那就有问题了。

关闭LED,测量GND和Vref(Z1的引脚3)之间的电压。这应该约为2.37V。它可能有点多或少,具体取决于确切的电源电压和电阻值的变化。还要检查Vtmp(引脚2)的电压。在室温下,这应该在1.60V至1.85V的范围内,具体取决于温度。

现在插入一对匹配的AA NiMH电池,最好是部分或完全放电的电池。插入第二个电池后,LED应该亮起。再次测量Vref电压; 它现在应该是大约1.26V。由于电源上的负载引起电源电压下降,Vtmp也可能有一点变化。

充电器现在正在充电,电池端子的电压应该增加。过了一会儿,增长率应该放缓。当电池达到约75%的电荷时,增加的速度将再次加速。最后,当电池达到100%充电时,电压将开始下降,电池将开始变热。15至20分钟后,充电器应关闭。如果电池变得不舒服并且充电器没有关闭,那就有问题了。

它也值得测量充电电流。最简单的方法是在一个电池和电池座触点之间插入两个薄的导电条,例如黄铜垫片,由绝缘体隔开就行了。然后将电流表连接到两个条带,使充电电流流过仪表。仪表读数应介于450和490mA之间。如果它更高,您将超过USB电流供应规格,因为充电器本身使用额外的10mA(主要用于LED)。

如果测得的电流 太高或太低,请根据以下公式用不同的电阻值替换R5:

R5 = 1.6× I

使用最接近的标准值。例如,如果测量510mA的电流,则用820Ω电阻代替R5。如果测得的电流为420mA,请使用680Ω电阻。

附件

在我写这篇文章的时候,我还没有为这个电路构建一个外壳,但是计划在不久的将来这样做,因为裸板不够强,不能在旅途中扔进笔记本电脑包。侧面和底部的外壳将由1/16的塑料或飞机胶合板制成,电路就放在半透明塑料面板上。电池盒将保持打开状态。应变消除将防止USB引线在连接到电路板的位置断开。为了冷却,我计划在散热器区域的侧面和顶部钻孔。

使用充电器

使用充电器很容易。只需将其插入USB端口并插入要充电的两个电池即可。当LED熄灭时,充电完成。大致充电时间如下:

细胞类型 充电时间
700mAh NiCd 1.5小时
1100mAh NiCd 2.5小时
1600mAh NiMH 3.5小时
2000mAh NiMH 4.5小时
2500mAh NiMH 5.5小时

重要的是带电的两个电池具有相同类型和相同的放电水平。如果电池不匹配,则一个电池将在另一个电池之前充满电。当温度达到33°C时,充电器将关闭。如果第二个电池比第一个电池需要的电流大约多200mAh,那它不就会充满电。

 这款充电器具有合适的外壳,非常适合旅行时使用笔记本电脑为充电器供电。 应插入笔记本电脑以避免电池耗尽。

这款充电器具有合适的外壳,非常适合旅行时使用笔记本电脑为充电器供电。应插入笔记本电脑以避免电池耗尽。

通常,如果在单个设备(数码相机,GPS等)中可以一起使用两个电池,则它们将保持同步,并且可以一起充电。

充电完成后,充电器将切换到10mA涓流充电。这足以克服电池的自然自放电率,而且足够低以至于电池可以一直留在充电器中。但是,除非将充电器插入已通电的USB端口,否则请勿将电池留在充电器中。否则,电池将为电路供电并在此过程中耗尽。

在任何计算机上使用此充电器时,请确保计算机未设置为关闭USB端口电源的省电模式。如果发生这种情况,充电将会停止,正在充电的电池将会放电。当使用笔记本电脑作为电源时,最好插入笔记本电脑的电源,因为充电器使用了大量的电量,并且可能需要更长的时间来完成笔记本电池的使用。

如果用USB集线器为此充电器供电,请务必使用有源集线器。无源集线器将无法向充电器提供足够的电流,因为它必须与集线器中的端口(通常为4个)共享来自计算机的500mA电流。额外的电缆长度也会降低到达充电器的电压。

为AAA电池充电

如果电池座中的弹簧足够长,充电器也可用于为一对AAA电池充电。然而,必须在电池和电池座的侧面之间插入垫片,以确保电池保持与热敏电阻接触。仅为现代AAA电池充电,容量为700mAh或更高。

零件清单

有些部件可以在Radio Shack获得,但像Digi-Key这样的大型电子供应商更有可能存放所需的所有部件。

部分 描述
R1 56kΩ¼W,5%电阻
R2 27kΩ¼W,5%电阻
R3 22kΩ¼W,5%电阻
R4 47kΩ¼W,5%电阻
R5 750Ω¼W,5%电阻
R6 220Ω¼W,电阻器
TR1 10kΩ@ 25°C热敏电阻,约。3.7%/ C°NTC
Radio Shack#271-110(已停产
C1 0.1μF10V电容
Q1 TIP32C PNP晶体管,TO-220外壳
Z1 LM393双电压比较器IC,DIP
LED1 红色,绿色或黄色LED,10mA
其他 2芯AA电池座
USB电缆
小型散热器

   请注意,Radio Shack热敏电阻已停产。虽然我没有尝试过任何一种,但也有其他类似的热敏电阻,如Vishay#2381 640 54103(Digi-Key#BC2298-ND)。温度系数略有不同(约4.6%/ C°),但在我们感兴趣的范围内,足够接近。使用此热敏电阻,截止和开启温度分别约为32°C(89°F)和10°C(50°F)。

或者,您可以使用下面的电阻值和Vishay热敏电阻将截止温度提高到33°C,同时将开启温度降低到3°C(37°F)。

部分 用于
Vishay的替代电阻值#2381 640 54103热敏电阻
R1 82kΩ¼W,5%电阻
R2 33kΩ¼W,5%电阻
R3 27kΩ¼W,5%电阻
R4 39kΩ¼W,5%电阻

我没有测试过这个组合,但是使用我用来计算与Radio Shack热敏电阻一起使用的值的相同程序来计算这些值。请勿从这个表上面列出的那些值混合匹配值。如果将任何值更改为此表中的值,请更改所有值。

如果有人找到Radio Shack热敏电阻的备用资源,请留言告诉我。

介绍

对任何电子产品修补工具来说,光的操纵是非常有用的技能。从照明到红外数据传输,光以无数有用的方式桥接电子和物理。

波长

光束的关键定义特征是其波长。光作为波在空间中传播,两个波峰之间的距离是该光束的波长。在人类的认知中,波长决定了光束的颜色。替代文字

因为物理学中没有任何东西可以简单,光束也可以表现为粒子流或光子(masochists可以参考本文关于光的波/粒子二元性)。波长较短的光每个光子具有更多能量。

强度

光束的另一个特征是其强度。辐射强度通过能量与冰淇淋圆锥顶部的圆圈所界定的球体表面相交的速率来测量,单位为瓦特每立体弧度。要理解这一点,想象一个球体中心有一颗小小的星星,光从各个方向均匀地从恒星散开。现在,添加一个冰淇淋圆锥,其尖端位于恒星的中心,延伸到球体表面。锥体底部的角度是一个弧度(圆圈中有2π弧度;一个弧度约为57.3°)。由这个假想的冰淇淋圆锥体定义的区域称为球面度

替代文字

一个steradian的图形描述。一束光的辐射强度由光束的​​瓦特数除以该表面区域来描述(图片由维基媒体公共图片提供)

可见光与不可见光

当我们谈论光时,我们通常意味着可见光 - 就像彩虹和阳光的这些美妙的东西。然而,光可以跨越非常宽的波长范围。这被称为电磁波谱。

电磁波谱

(全谱的电磁辐射。可见光是一个很小的部分!图片由Philip Ronan创作)

在一端,有伽马射线和X射线,它们是令人讨厌的高能电离电磁辐射,从根本上与生命不相容。另一方面,非常低频的长波无线电波携带的信息跨越很远的距离,让人们可以看到宇宙本身的起源。

在这篇文章中,我们会谈到可见光和最接近它的区域:红外线和紫外线。从紫外线到远红外线,光的表现与我们以前用可见光看到的非常相似:阴影投射,镜头可以聚焦它,它可以通过,例如白纸等,进行漫反射。一旦波长变得越来越短,事情就会开始变得奇怪,让我们继续讨论这个问题。

我们将讨论三种不同的光:紫外线,可见光和红外线。紫外线是光,其波长略短于可见光; 红外线,稍微长一些。在这三组中,可见光和红外线在电子设备中更有用和常见,我们会相应地谈论它们更多时间。

紫外光线

紫外线是在10nm和400nm之间的光,将其置于X射线和可见光之间。紫外线对生命形式非常有害 - 你可能最熟悉的是,它会把人晒伤。

紫外光谱

紫外线-A

UVA(315nm至400nm波长)是紫外光的最低能量带。人类几乎都可以看到它,许多昆虫,甚至一些鸟类都可以看到这个光带。白色荧光灯泡和白色LED就是通过将材料暴露于UVA光来工作的。而UVA光吸收UVA光子并发射可见光谱中的光子,我们看到就是白色的。

UVA也经常用于检测伪造文件; 作为防止伪造的对冲工具,很多文本(护照,驾驶执照和银行纸币,仅举几例)在UVA辐射下会产生发光的水印。Blacklight海报是另一个对UVA光有反应的例子,漂白剂,肥皂和许多生物材料在暴露于UVA时也会发光。而阳光中的大多数UVA光可以到达地球表面。

替代文字

400nm UVA LED显示出20美元的防伪功能。

紫外线-B

UVB(280nm至315nm)是比UVA更高的能级光。它存在于阳光中,不仅造成晒伤或·皮肤癌的皮肤损伤,而且还会阻碍人体内维生素D的合成。焊枪也会产生这种光的, 即使短时间接触焊枪的火炬,哪怕在合理的距离,如果观察者没有受到保护,也会造成严重的眼睛损伤。

焊枪火炬

焊炬产生大量UVB和UVC光。焊工必须尽量减少暴露,以避免晒伤和眼睛损伤(图片由维基百科提供)

普通窗玻璃可以很好地阻挡UVB光; 这就是为什么从敞开的车窗中伸出一只手臂会导致该手臂晒伤。理查德费曼(诺贝尔奖获得者和着名的邦戈音乐家)使用皮卡车的挡风玻璃观察三位一体的核试验爆炸,以保护自己免受爆炸产生的紫外线辐射。

只有大约10%的太阳发出的UVB光到达地球表面; 另外90%被大气吸收(主要是臭氧层)。

紫外线-C

对于我们来说,UVC(100nm到280nm)往往是有趣的紫外线的极限。太阳的UVC几乎没有一个到达地球表面,大气层非常有效地将其阻挡在外。

在过去的一段糟糕的时期,在EEPROM存储器和闪存(可以电子擦除和重写)出现之前,唯一的非易失性,非磁性电子数据存储方式是EPROM。一旦写完EPROM,它就只能通过暴露在强大的UVC光源下20-30分钟来消除。对于一个业余爱好者来说,很长一段时间才能确定您对代码所做的更改是否修复了错误!

紫外可擦除微芯片

一种旧的可紫外擦除的PIC16C765微控制器。模具上的窗口由石英制成,因为普通玻璃对紫外线不透明。

可见光

可见光是(约)380nm至740nm范围内的光。这是可以变化的,因为有些人的眼睛能够检测出比这更低或更高波长的光,但一般来说,大多数人的眼睛都对这个区域很敏感。

可见光谱

人眼

人眼感知光的方式有两个特点:我们的眼睛对不同波长的不同强度的光敏感,我们的眼睛以对数而不是线性的方式感知光强度。

对颜色的感知

正如您在此图表中所看到的,我们的眼睛以不同的效率感受到不同波长的光,混合感知的强度以产生我们称之为“颜色”的光。此外,您还可以看到,在低光照水平下,我们对颜色的感知会变得偏斜。

人眼的亮度曲线

人眼的暗视和明视光度曲线。假设光源的辐射强度都相等,这些曲线显示了波长对光源的感知强度。

因此,开发了一种特殊的光强度单位坎德拉。坎德拉根据其颜色对光源的强度进行加权; 无论波长如何,人眼都会感觉到一个坎德拉光源与另一个坎德拉光源具有相似的亮度。LED的亮度是在毫坎德拉的术语(MCD)典型地给出,并且跨越颜色的感知强度差的巨大的示范可以考虑一个RGB的强度的LED,例如当可以看出这一个:800mcd用于蓝色,4000mcd为绿色,和900mcd的红色。我在下面的图表上标记了这三种颜色(467.5nm,520nm和625nm)的波长。

RGB LED标记在明视曲线上

在该明视曲线上标记了三色LED中的蓝色,绿色和红色LED的相对强度。比较相对强度(红色为.15,绿色为.7,蓝色为.3)与LED数据表(800mcd,4000mcd和900mcd)给出的三种颜色的毫安德拉等级。比率不准确,曲线上具有更高毫克级别的颜色也更高。

眼睛可以被愚弄到通过混合不同波长检测不存在的光的波长; 大多数彩色显示器都是按照这个原则工作的。实际上只有三种颜色(某种形式的红色,绿色和蓝色); 通过混合不同强度的三种浅色,可以模拟绝大多数自然色(至少就我们的眼睛而言)。

颜色混合图

红色,绿色和蓝色光源的颜色混合。通过调整光照水平,可以模拟大量其他光色。

对强度的感知

我们自然倾向于将光视为线性现象。给定两个光源,我们可以合理地认为一个光源的亮度是另一个光源的两倍。我们已经看到了它会如何受到颜色的影响; 现在让我们考虑一种颜色的光的强度相对于我们对它的感知。LED的强度随着用于驱动它的电流线性变化。

LED电流与强度

通过将LED指向光电二极管并从0-25mA线性地线性增加LED驱动电流来收集实际数据。

我们做一个小实验。如果您有Arduino,面包板,电阻器,LED和按钮,请启动此电路,下载代码,然后将代码烧录到Arduino上。

替代文字

这个电路非常简单:按下按钮一次,LED就会亮起。按下并按住它,LED将开始变亮。释放它,LED将停止变亮,Arduino将通过串行端口打印出当你停止它比它开始时更亮时,LED的亮度是多少。当它的亮度是启动时的两倍时,试着去停住LED。你会发现很难办到。

为什么这么难?LED的光输出是线性的,因此可以通过LED的电流加倍使其发出的光能量增加一倍。但是,您的眼睛不会以线性的方式感应,它会以对数的方式去感应。原因很简单:我们的眼睛需要在从星光到日光的各种照明条件下为我们提供有用的信息。在满月下无云的夜晚,光线强度只有阳光灿烂的一天的1/44000,但我们的眼睛必须在这两个极端和两者之间的任何地方运作良好!这使得判断线性光源的相对亮度非常困难。

色盲

顾名思义,色盲并不能简单地感知颜色。事实上有很多种色盲, 最常见的是红绿色盲,在一定程度上影响了近10%的男性人口。

色盲可以通过简单的测试来诊断,其中要求受试者识别由相同尺寸的点的背景的不同颜色的点产生的图案或符号。

石原试板

来自Ishihara色盲测试的测试板。色觉正常的人会看到数字74; 色盲人员可能会看到21号或根本没有号码,具体取决于存在的缺陷类型。

作为对我们这些有色盲的人的善意,请尽量不使用颜色来传达信息。有些糟糕的设计比如改变颜色以表示条件的LED(绿色表示“好”,红色表示“失败”),使用一系列颜色映射以将数值连接到区域,以及除白色之外的文本颜色 - 黑色或黑白色。

红外线

红外光是波长比可见光长的光,但波长比微波短。它的波长可以是从700nm到1mm(1,000,000nm)的任意值,使其成为比紫外或可见光更大的光谱段。从太阳到达地球表面的光有55%是红外线。

红外光谱

近红外

近红外线是电子产品中非常感兴趣的区域:这是红外遥控器,物体传感器和距离探测器工作的区域。它仅略高于可见范围,并且使用固态技术创建和检测非常容易。

红外发射器/探测器对

SparkFun匹配的红外发射器/探测器对。价格低廉,但极易受到环境中可见光和红外光的干扰。

近红外波段延伸至1400nm。共发射极波长为850nm950nm。我们周围都有大量的近红外光,很大可能是干扰红外信号和传感。大多数红外信号系统(例如红外遥控器)通过以固定频率调制光束解决这个问题,而不是试图滤除那些不是所需波长的光。

替代文字

调制IR接收器模块。这款小型IC可以寻找以38kHz脉冲的红外光,并尝试将其解释为数据信号。

数码相机也能很好地检测到近红外线。事实上,大多数数码相机都有一个物理过滤器来阻挡检测到的红外波长。可以移除此滤镜,从而在红外范围内提供更高的灵敏度。可以使用35mm胶片底片制作一个简单的滤光片,可以让红外光通过但阻挡可见光,胶卷的标签末端没有照片,非常适合这种情况。

红外图像与可见图像

同一场景的两张照片。左边的图像是在一个黑暗的房间里拍摄的,这个房间里有一个廉价的网络摄像头,它的红外滤光片已被取下并被胶片底片取代,右边的图像是用标准的傻瓜相机拍摄的。

长波红外线

长波红外是8000nm-15000nm范围内的光。这是热成像区,所有这些惊人的假色图像都详细说明了事物的相对温度。

假彩色红外图像

可见光谱中的相同场景和长波红外线。请注意,塑料袋对可见光是不透明的,但对红外线几乎是透明的(NASA Spitzer红外望远镜团队提供)。

人们误解近红外成像和长波红外成像之间的差异是一个很常见的错误。近红外成像非常容易实现 - 标准CMOS和CCD成像芯片可以轻松检测近红外区域的光。长波红外需要特殊的传感器,因为光束的波长是近红外线的1000倍,这就需要传感器元件中相应更大的几何形状。

长波红外温度传感器

长波红外温度传感器。较长的波长需要比可见或近红外应用更大的感应区域。

该区域的另一种日益熟悉的用途是激光蚀刻和切割。大多数激光切割机依靠CO 2激光管产生波长为10640nm的激光束。